Устройство для образования двумерных линейных электрических полей

Изобретение относится к области пространственно-временной фокусировки и масс-анализа заряженных частиц по времени пролета в двумерных линейных высокочастотных электрических полях и может быть использовано для улучшения аналитических характеристик приборов микроанализа вещества, использующих ионно-оптические системы с планарными дискретными электродами. Технический результат - расширение пространства с линейным электрическим полем радиочастотных времяпролетных масс-анализаторов в направлении дрейфа ионов без увеличения размеров планарных дискретных электродов. Указанный результат достигается путем замыкания граничной области ионно-оптической системы с помощью двух дополнительных планарных электродов с противофазными потенциалами. 3 ил.

 

Изобретение относится к области пространственно-временной фокусировки и масс-анализа заряженных частиц по времени пролета в двумерных линейных высокочастотных [ВЧ] электрических полях и может быть использовано для улучшения аналитических характеристик приборов микроанализа вещества. Задача образования пространства дрейфа с двумерными линейными электрическими полями в радиочастотных времяпролетных масс-анализаторах ионов решается с помощью ионно-оптических систем [ИОС] из планарных непрерывных и дискретных электродов [1, 2]. Из-за незамкнутой в плоскости y=y_α краевой области таких ИОС протяженность пространства дрейфа ионов по оси Y с достаточной для времяпролетного масс-анализа с разрешением R>10² линейностью электрического поля ограничена величиной у<у_α-2x_а. Известно [3], что разрешающая способность радиочастотных времяпролетных масс-анализаторов возрастает с увеличением длины траектории дрейфа ионов. Повышение разрешающей способности масс-анализатора путем увеличения размера у_α дискретных электродов создает проблемы конструкторско-технологического характера и ухудшает коммерческие показатели радиочастотных времяпролетных масс-спектрометров. Предлагаемое решение позволяет увеличить длину траектории дрейфа ионов без изменения размера у_α дискретных электродов. В качестве прототипа принята ИОС для образования двумерных линейных электрических полей, состоящая из заземленного в плоскости y=0 сплошного электрода и двух в плоскостях x=±x_α электродов с дискретно- линейными противофазными распределениями потенциалов φ_1i=-φ_2i=φ=Δφ·i, где Δφ=φ/n - шаг дискретности распределений потенциалов, i=1, 2, 3…n - номера дискретных элементов электродов, каждый из которых составлен из n равномерно с шагом Δy=у_α/n распределенных вдоль оси Y и параллельных оси Z проводящих полосок шириной Δу-d каждая, где d<<Δy - расстояние между соседними полосками [1, 2].

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в усовершенствовании конструкции ИОС масс-анализаторов заряженных частиц с планарными дискретными электродами с целью расширения по оси Y области дрейфа ионов в линейном электрическом поле без увеличения размера у_α дискретных электродов.

Известно [3], что идеальное двумерное линейное поле в полупространстве у≥0 образуется с помощью одного в плоскости y=0 заземленного 3 и двух гиперболических 1, 2 с неограниченными размерами по всем осям электродов с противофазными потенциалами φ₁=-φ₂=φ (Фиг. 1). Электрическое поле, близкое к идеальному, двумерному линейному, может быть образовано так же с помощью одного в плоскости y=0, ограниченного по оси X координатами х=±х_α, заземленного электрода 3, двух с ограниченными по оси Y координатами y≥y_α, гиперболических электродов 4, 5 с геометрическими параметрами $$r_0=\sqrt{2x_{\alpha }{y}_{\alpha }},$$ с противофазными потенциалами φ₄=-φ₅=φ и двух в плоскостях x=±х_α дискретных электродов 1, 2 с граничными по оси У координатами 0 и y_α, составленных из равномерно распределенных по оси Y параллельных оси Z проводящих полосок шириной Δy=y_α/n, с противофазными дискретно-линейными распределениями потенциала на них φ_1i=-φ_2i=Δφ·i, где Δφ=φ/n - шаг дискретности распределений потенциала (Фиг. 2). При этом границы ИОС оказываются замкнутыми и электрическое поле во внутренней области будет отличаться от идеального линейного в рабочей области по осям X и Y только из-за дискретности электродов 1 и 2. Выбором параметров дискретности Δу отличие поля от линейного в области |x|<x_α-Δy, 0≤y≤y_α можно сделать сколь угодно малым. При этом пространство дрейфа ионов с линейным электрическим полем по оси Y может быть расширено более чем на 2x_α.

Для расширения по оси Y области линейности электрического поля и упрощения конструкции и технологии изготовления и сборки ИОС вместо гиперболических используют два дополнительных электрода прямоугольной формы с размером Z_α по оси Z и координатами вершин в плоскости XOY (x_α,y_α+Δy/2); (0.6x_α, y_α+2x_α) и (-x_α,y_α+Δy/2); (-0.6x_α,y_α+2x_α), причем на дополнительных электродах устанавливают противофазные потенциалы φ₄=-φ₅=φ (Фиг. 3). Планарные электроды 4, 5 на фиг. 3 выполняют в первом приближении функции гиперболических электродов 4, 5 на фиг. 2. Наибольшее расширение рабочей области ИОС по оси Y с минимальным отклонением потенциала от идеального линейного для планарных электродов 4, 5 достигается при углах их наклона к оси Yα=14° (Фиг. 3). В этом случае протяженность рабочей области с относительными отклонениями распределения потенциала от линейного, не превышающими уровня 10^-3, достигает размера дискретных электродов y_α. Дополнительное преимущество предлагаемого решения состоит в том, что расширение по одной оси рабочей области ионно-оптических систем с двумерными линейными электрическими полями достигается при условии φ₄=-φ₅=φ.

Таким образом предлагаемое решение позволяет путем не сложного усовершенствования ИОС расширить область точного линейного электрического поля радиочастотных времяпролетных масс-анализаторов ионов с планарными дискретными электродами и тем самым существенно повысить их разрешающую способность без изменения параметров дискретных электродов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мамонтов Е.В., Филиппов И.В. Способ масс-селективного анализа ионов по времени пролета и устройство для его осуществления. Патент РФ №2327245.

2. Гуров B.C., Мамонтов Е.В., Дягилев А.А. Электродные системы с дискретным линейным распределением ВЧ потенциала // Масс-спектрометрия. - 2007, - Т.Ч. №2. С. 139-142.

3. Мамонтов Е.В., Гуров B.C. Радиочастотные времяпролетные масс-анализаторы ионов. Москва. Горячая линия - Телеком. 2012 г. 98 с.

Устройство для образования двумерных линейных электрических полей размером z_a по оси Z, содержащее в плоскости y=0 сплошной заземленный электрод с размером 2x_a<<z_a по оси X и два в плоскостях x = ±x_a электрода с размером у_а по оси Y, с противофазными дискретно-линейными по оси Y распределениями потенциалов φ_1i = -φ_2i=φ=Δφ·i, где Δφ=φ/n - шаг дискретности распределений потенциалов, i=1, 2, 3…n - номера дискретных элементов электродов, каждый из которых составлен из n равномерно с шагом Δy=y_a/n распределенных вдоль оси Y и параллельных оси Z проводящих полосок шириной Δy-d каждая, где d<<Δy - расстояние между соседними полосками, отличающихся тем, что для расширения по оси Y области линейности электрического поля используют два дополнительных электрода прямоугольной формы с размером z_a по оси Z и координатами вершин в плоскости XOY (x_a,y_a+Δy/2);((0.6x_a,y_a+2x_a) и (-x_a,y_a+Δy/2);((-0.6x_a,y_a+2x_a), причем на дополнительных электродах устанавливают противофазные потенциалы φ₄ = -φ₅ = φ.