Времяпролетный масс-спектрометр
Владельцы патента RU 2769377:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к области масс-спектрометрии. Технический результат - повышение разрешающей способности масс-спектрометрии. Времяпролетный масс-спектрометр содержит импульсный источник ионов, выполненный в виде трех параллельных друг другу плоских электродов и электронной пушки, бесполевого пространства дрейфа, в конце которого расположен отражатель ионов, и детектор. Второй и третий плоские электроды источника выполнены в виде сетки, первый плоский электрод подключен к источнику положительных импульсов прямоугольной формы, второй плоский электрод подключен к источнику положительного напряжения, а третий плоский электрод заземлен. Электронная пушка расположена перед первым плоским электродом, выполненным в виде сетки. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Настоящее изобретение относится к области масс-спектрометрии, а более конкретно к конструкции времяпролетного масс-спектрометра.
Известен времяпролетный масс-спектрометр (см. В.И. Каратаев, Б.А. Мамырин, Д.В. Шмикк. - Новый принцип фокусировки ионных пакетов во времяпролетных масс-спектрометрах. // ЖТФ, 1971, т.41, в. 7, с. 1498-1501), состоящий из импульсного источника ионов, бесполевого дрейфового пространства, двухступенчатого электростатического зеркала и детектора, в котором достаточно хорошо (до второго порядка) компенсируется разброс начальных энергий однотипных ионов.
Однако в нем невозможно получить более высокую степень фокусировки ионов по энергии, а следовательно, достичь существенного повышения разрешающей способности без значительного увеличения габаритов прибора.
Известен времяпролетный масс-спектрометр (см. патент US5869829, МПК H01J 49/34, H01J 49/40, опубликован 09.02.1999), включающий источник ионов, двухступенчатый ионный ускоритель, одноступенчатый ионный отражатель, первый и второй дрейфовые пространства, электроды и детектор. Потенциалы электродов установлены таким образом, что достигается продольная фокусировка первого и второго порядков для ионов равной массы к значению заряда, поступающих на детектор.
К недостаткам известного времяпролетного масс-спектрометра можно отнести его невысокую разрешающую способность.
Известен времяпролетный масс-спектрометр (см. патент RU 2295797, МПК H01J 49/40, опубликован 20.03.2007), состоящий из импульсного источника ионов, пространства дрейфа, в конце которого последовательно установлены два плоских сетчатых конденсатора с тормозящими электрическими полями, и детектора. Масс-спектрометр содержит также второе дрейфовое пространство, образованное разнесенными вдоль оси прибора общими электродами плоских сетчатых конденсаторов. Второе дрейфовое пространство имеет тормозящий по отношению к первому дрейфовому пространству потенциал.
В этом времяпролетном масс-спектрометре достигается фокусировка времени пролета ионных пакетов по энергии третьего порядка, но это не обеспечивает достаточно высокую чувствительность.
Известен времяпролетный масс-спектрометр (см. патент RU 2504045, МПК H01J 49/40, опубликован 10.01.2014),содержащий источник ионов, ускоряющую сетку, источник тока и напряжения, источник изменяемого во времени импульсного напряжения, сетку, ограничивающую нелинейный отражатель, нелинейный отражатель и приемник ионов в виде микроканальной пластины. Нелинейный отражатель выполнен в виде набора колец, диаметр которых увеличивается по мере отдаления от источника ионов. Источник тока и напряжения подключен к кольцам. Источник изменяемого во времени импульсного напряжения подключен к ускоряющей сетке, а трубка дрейфа и сетка, ограничивающая нелинейный отражатель, заземлены. Этот времяпролетный масс-спектрометр имеет расширенный диапазон исследуемых масс, однако его чувствительность оказывается недостаточно высокой.
Известен времяпролетный масс-спектрометр (см. патент US 20030071208 от 17.04.2003, МПК H01J 49/40), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Времяпролетный масс-спектрометр состоит из импульсного источника ионов, выполненного в виде трех параллельных друг другу плоских электродов и электронной пушки, бесполевого пространства дрейфа, в конце которого расположен отражатель ионов, и детектора. Первый плоский электрод выполнен сплошным, а второй и третий плоские электроды выполнены в виде сетки, первый плоский электрод подключен к источнику положительных импульсов прямоугольной формы, второй плоский электрод подключен к источнику положительного напряжения, а третий плоский электрод заземлен. Ионный пучок ортогонален оси прибора и вводится в зазор, образуемый первым сеточным и сплошным плоским электродом, на который подается выталкивающий импульс.
Недостатком прототипа является невысокая разрешающая способность времяпролетного масс-спектрометра, которая обусловлена разбросом ионов по энергии и по углу в ортогонально вводимом в масс-спектрометр пучке. Ионы в пучке имеют разброс по энергиям, возникающий при их образовании, при ускорении, при столкновениях с атомами и молекулами остаточного и анализируемого газа, а также в процессе выталкивания ионных пакетов положительными прямоугольными импульсами, ускорении пакетов и выводе их на траекторию полета. Все эти изменения энергии и траектории движения ионов приводят к образованию временных аберраций ионных пучков и уменьшению разрешающей способности времяпролетного масс - спектрометра.
Задачей настоящего технического решения является разработка времяпролетного масс-спектрометра, который бы обеспечивал повышение его разрешающей способности при сохранении или незначительной потере его чувствительности.
Поставленная задача достигается тем, что времяпролетный масс-спектрометр содержит импульсный источник ионов, выполненный в виде трех параллельных друг другу плоских электродов и электронной пушки, бесполевое пространства дрейфа, в конце которого расположен отражатель ионов, и детектор, при этом второй и третий плоские электроды источника выполнены в виде сетки, первый плоский электрод подключен к источнику положительных импульсов прямоугольной формы, второй плоский электрод подключен к источнику положительного напряжения, а третий плоский электрод заземлен. Новым в настоящем техническом решении является тот факт, что электронная пушка расположена перед первым плоским электродом, выполненным в виде сетки.
Электронная пушка может быть расположена перед первым плоским электродом на расстоянии 0,5-1,5 мм.
Первый плоский электрод может быть подключен к источнику положительных импульсов прямоугольной формы с амплитудой 800-1500 V.
Второй плоский электрод может быть подключен к источнику положительного напряжения 450-550 V.
Наибольший вклад в уменьшение разрешающей способности прибора-прототипа дают ионы, начальные векторы скорости движения которых направлены влево от первого сплошного плоского электрода, и для разворачивания которых требовалось какое-то дополнительное время, называемое в литературе "turn around time". В предлагаемой конструкции времяпролетного масс-спектрометра электронная пушка расположена перед первым плоским электродом, выполненным в виде сетки, таким образом, ионы, после рождения двигающиеся изотропно в разные стороны, разделяются в пространстве, и это приводит к исключению аберрации "turn around time", так как ионы, летящие влево от выполненного в виде сетки первого плоского электрода не участвуют в анализе. Работа заявляемого устройства может быть оптимизирована без влияния этой аберрации, что приводит к повышению его разрешающей способности при сохранении или незначительной потере чувствительности.
Настоящее устройство поясняется чертежом, где схематично изображена конструкция времяпролетного масс-спектрометра.
Настоящий времяпролетный масс-спектрометр содержит импульсный источник ионов 1, выполненный в виде трех параллельных друг другу плоских сетчатых электродов 2-3-4 и электронной пушки 5, бесполевого пространства 6 дрейфа, в конце которого расположен отражатель 7 ионов и детектора 8. Электронная пушка 5 расположена перед первым плоским электродом 2, который подключен к источнику положительных импульсов прямоугольной формы. Второй плоский электрод 3 подключен к источнику положительного напряжения, а третий плоский электрод 4 заземлен.
Электронная пушка 5 может быть расположена перед первым плоским электродом 2 на расстоянии 0,5-1,5 мм.
Первый плоский электрод 2 может быть подключен к источнику положительных импульсов прямоугольной формы с амплитудой 800-1500 V.
Второй плоский электрод 3 может быть подключен к источнику положительного напряжения 450-550 V.
Настоящий времяпролетный масс-спектрометр работает следующим образом. В предлагаемой конструкции ионного источника 1 ионы, двигающиеся в разные стороны, разделяются в пространстве после рождения, и это приводит к исключению аберрации "turn around time". Часть образовавшихся ионов проходит сквозь первый сетчатый плоский электрод 2 и выталкивается положительным электрическим импульсом в бесполевое пространство 6 дрейфа, где летящие ионы разделяются в соответствии с их отношением массы к заряду m/q, далее пакеты ионов с одинаковыми отношениями m/q попадают отражатель 7 ионов, где меняют направление движения на обратное, ускоряются электрическим полем и попадают в бесполевое пространство 6 дрейфа, в котором происходит дальнейшее формирование ионных пакетов с одинаковым отношением m/q. В конце пространства 6 дрейфа ионные пакеты регистрируются детектором 8, который представляет собой микроканальную пластину или сборку из двух последовательно стоящих микроканальных пластин.
По определению разрешающая способность времяпролетного масс-спектрометра равна
где: Т - время пролета ионов массы m от источника до детектора, a Δt - длительность пакета ионов с одним отношением массы к заряду m/q на входной плоскости детектора или разброс времени прилета ионов одной массы на детектор. При конструировании времяпролетного масс-спектрометра с сетками обычно используется аберрационная модель, описывающая уширение массового пика:
где: Δti и Δtk - разброс времени прилета ионов на детектор, вызванный различными аберрационными факторами. Для любого времяпролетного масс-спектрометра с сетками типичны следующие аберрации:
1) Δttat - уширение пакета ионов, связанное с неустранимостью времени разворота ионов ("turn around time") во время действия выталкивающего импульса,
2) Δtv - уширение пакета ионов, вызванное разбросом ионов по начальным скоростям в процессе ионизации,
3) ΔtΔх - уширение пакета ионов, связанное с конечными размерами области ионизации в направлении выталкивания ионов,
4) Δtd - уширение пакета ионов, обусловленное конечным временем отклика детектирующего устройства на приход одного иона,
5) ΔtМСР - уширение пакета ионов, вызванное глубиной входа микроканальной пластины детектора,
6) Δtgrid - уширение пакета ионов, обусловленное рассеянием ионов на микронеоднородностях сеточных полей.
Аберрации Δttat, Δtv, ΔtΔх обычно самые большие по величине. Для уменьшения влияния Δttat обычно применяются быстро спадающие электрические поля при выталкивании ионов из источника, поскольку Δttat ~ 1/Е, где Е - амплитуда выталкивающего импульса. В заявляемом техническом решении эта аберрация исключается путем такой конструкции прибора, в котором электронная пушка расположена перед первым плоским электродом, выполненным в виде сетки Аберрация ΔtΔх может быть полностью исключена с помощью известного, уже описанного устройства - фильтра низких энергий. В результате в предлагаемом приборе действие аберрации Δttat полностью исключается, и на разрешающую способность времяпролетного масс-спектрометра будут оказывать влияние только оставшиеся аберрации: Δtd, ΔtМср, Δtgrid и нескомпенсированная в двухзазорном отражателе часть аберрации Δtv, что обеспечивает повышение разрешающей способности заявляемого времяпролетного масс-спектрометра при сохранении или незначительной потере его чувствительности.
Был изготовлен макет заявляемого времяпролетного масс-спектрометра на основе прибора ЭМГ-30-3 компании «Меттек». В изготовленном макете электронная пушка расположена перед первым плоским электродом на расстоянии 1,2 мм. Напряжение на втором плоском электроде источника ионов составляло 490 В. Данный набор параметров обеспечивает минимизацию аберрации, связанной с рассеянием ионов на микронеоднородностях сеточных полей. Аберрация "turn around time" полностью исключена за счет выноса электронной пушки из выталкивающего зазора источника ионов. Среди оставшихся аберраций самая большая аберрация была связана с компенсацией разброса скоростей ионов в ионном отражателе, и она обеспечивала разрешающую способность опытного прибора на уровне 600 и выше.
1. Времяпролетный масс-спектрометр, состоящий из импульсного источника ионов, выполненного в виде трех параллельных друг другу плоских электродов и электронной пушки, бесполевого пространства дрейфа, в конце которого расположен отражатель ионов, и детектора, при этом второй и третий плоские электроды выполнены в виде сетки, первый плоский электрод подключен к источнику положительных импульсов прямоугольной формы, второй плоский электрод подключен к источнику положительного напряжения, а третий плоский электрод заземлен, отличающийся тем, что электронная пушка расположена перед первым плоским электродом, выполненным в виде сетки.
2. Времяпролетный масс-спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что электронная пушка расположена перед первым плоским электродом на расстоянии 0,5-1,5 мм.
3. Времяпролетный масс-спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что первый плоский электрод подключен к источнику положительных импульсов прямоугольной формы с амплитудой 800-1500 V.
4. Времяпролетный масс-спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что второй плоский электрод подключен к источнику положительного напряжения 450-550 V.
