Квадрупольный масс-спектрометр

 

Союз Советскии

Социалистических

Ресаублик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (63) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 11.03.79 (21) 2737182/18-25 (54)M Кл

H 01 J 49/42 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет—

Государственный комитет

СССР

flo делам изобретений и открытий

Опубликовано 3001.81. Бюллетень ¹ 4

Дата опубликования описания 30- о1- 81 (53) УДК 621.

384 (088 8) (54 ) КВАДРУПОЛЬН61Й МАСС- СПЕТРОМЕТР

ЗО

Изобретение относится к физической электронике и может быть использовано в масс-спектрометрии и других областях физического аналитического приборостроения, где требуется фокусировка заряженных частиц и разделение их по отношению массы к заряду.

Известны масс-спектрометры квадрупольного типа, в которых разделение заряженных частиц по — производите ся в квадрупольном поле, образованном четырьмя полеобразующими электродами, преимущественно круглого сечения. Создание поля, имеющего максимальное приближение к идеальному гиперболическому в возможно большей области между полеобразующими электродами, достигается выбором оптимальных соотнош ний размеров электрода и расстояния от поверхности электрода до нулевых эквипотенциалей (1).

Недостатком устройств такого типа является низкая чувствительность, 25 обусловленная влиянием на распределение электрического поля зеркальных эффектов и искажений, вносимых металлическими поверхностями вакуумной камеры.

Известны конструкции квадрупопьных масс-спектрометров, в которых оптимизация параметров квадрупольного поля достигается за счет вспомогательных электродов, расположенных между основными четырьмя полеобразующими электродами. При этом система электродов помещена в цилиндрический экран (2).

Недостаток такого устройства состоит в низкой чувствительности, связанной с наличием искажений в распределении электрического поля, .вносимых цилиндрическим экраном.

Наиболее близким к предлагаемому является квадрупольных масс-спектрометр, содержащий источник ионов, масс-анализатор, состоящий из помещенных в круглый электростатический экран четырех полеобразующих систем, каждая иэ которых представляет собой группу из трех проволочных полеобразующих электродов,и приемник ионов.

Укаэанная система электродов обеспечивает хорошую аппроксимацию гиперболического поля (3 ).

Однако наличие искажений в распределении электрического поля внут ри квадрупольной системы, вносимых

801140 цилиндрическим экраном, снижает чувствительность таких устройств и тем самым ухудшает аналитические воэможности устройства.

Кроме того,.общим недостатком известных устройств является невозможность одновременной сепарации нескольких ионных пучков.

Цель изобретения — повышение чувствительности и обеспечение одновременной многоканальной сепарации ионов.

Поставленная цель достигается тем, что экран выполнен в виде трубы квадратного сечения, каждая из упомянутых групп содержит четыре расположенных аксиально и симметрично проволочных электрода, при этом центры симметрии каждой группы находятся на диагоналях квадрата íà расстоянии от центра, равном 1/4 длины диагонали, а расстояние между нитями в каждой группе и размер стороны экрана связаны соотношением

1О

О, З9З tg

72 ху (х"- у ) я 50

-(Ар= Е.

m =1 -уХх. йу х= -- -; у=- где

Как видно иэ Формулы> коэффициа енты A зависят от соотношения - -

Р поэтому подбором величины этого соотношения можно обратить в нуль или предельно :уменьшить коэффициенты A u A чем обеспечиваетсг

6 10 максимальное приближение поля к гиперболическому.

6S где 2д — расстояние между нитями в группе;

2f. — длина стороны квадрата.

При этом нити выполнены из высокоомных металлов и сплавов, напри- 3О мер из вольфрама или платины.

Кроме того, для обеспечения одновременной многоканальной сепарации ионов в устройство введены дополнительно по 4 ионных источника и прием-З5 ника ионов, установленных коаксиально каждой из полеобразующих систем.

Обоснование выбора геометрических соотношений в расположении электродов следует из анализа распределения потенциала в системе электродов, состочщей из четырех тонких электропроводных нитей и проводящей трубы квадратного сечения, т.е. одного квадранта описанной выше системы (при этом анализ справедлив 45 и для других квадрантов.). Так, вблизи начала координат потенциал Ф (x, у) может быть представлен в виде

Выполнение экрана в виде трубы квадратного, сечения и размещение электродов указанным образом позволяют получить, наряду с центральным квадрупольным каналом, четыре дополнительных монопольных канала, примыкающих к вершинам квадрата.

В результате аналитические возможности .устройства значительно расширяются, поскольку появляется воз— можность одновременно анализировать до 5 самостоятельных пучков.

На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство.

Устройство содержит масс †анализ тор, состоящий из 16 электропроводных нитей 1, помещенных в экран 2, источники ионов, приемники ионов и систему питания (не показаны)

Нити 1 объединены в группы, каждая из которых содержит по 4 расположенных аксиально симметрично электропроводных нити, при этом цен ры симметрии каждой группы находятся на диагоналях квадрата на расстоянии от центра, равном 1/4 длины диагонали, а расстояние между нитями в каждой группе и размер стороны экрана связаны соотношением р 139Э

2 = д где 2 — расстояние между нитями в группе;

2f — длина стороны квадрата, Устройство работает следующим образом.

Анализируемые ионные пучки формируются источниками ионов, например источниками с электронным ударом, и направляются в квадрупольную сис— тему, образованную группами из электропроводных нитей 1 и экраном 2.

При приложении к противолежащим по диагонали системами нитей потенциала вида

U + Vcos ((де+ 4 ), где U - постоянная составляющая потенциала;

V — амплитуда переменной составляющей потенциала; се)и Ц вЂ” соответственно, круговая частота и начальная фаза переменной составляющей потенциала;

t — время. в пространстве между электродами создается аксиально симметричное квадрупольное поле, в котором происходит разделение ионов по массам.

При заданных величинах U, V,uf и параметре поля б, который равен половине расстояния между противолежащими нитями, ионы с различными удельными зарядами —, где m — масе са, е — заряд иона, двигаясь с начальной скоростью вдоль оси квадрупольной системы, совершают колебания

801140 о ззэ <

20 различного характера. Стабильными, т.е. не превышающими расстояния меж ду противолежащими системами электродов, оказываются колебания ионов, . е масса которых может иметь значения

m+dm. Эти ионы проходят сквозь квадрупольную систему, достигают приемника ионов и регистрируются. Изменяя амплитуду Ч переменной составляющей или ее частоту Cd, создают условия, при которых стабильными становятся последовательно колебания ионов всех возможных значений масс, выводят таким образом ионы этих масс на приемники ионов и регистрируют полный масс-спектр.

Предлагаемое устройство позволяет улучшить аналитические возможности известных устройств, поскольку оно обеспечивает многоканальную сепарацию ионных пучков, приближение структуры электрического поля к гиперболической с большой степенью точности, а именно 10 -10 при О х=

=у<0,25(, что дает возможность повысить разрешающую способность на

50% по сравнению с известным устройством.

Предлагаемое техническое решение позволяет упростить технологию изготовления квадрупольного масс-спектрометра, так как диаметр нитей практически не влияет на распределение и форму зквипотенциалей поля. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет повысить ресурс работы по сравнению с известными, так как нити, выполненные из высокоомных металлов и сплавов (например яг, Р t) могут легко обезгаживаться и очищаться путем непосредственного подогрева.

Формула изобретения

1. Квадрупольный масс-спектрометр, содержащий источник ионов, масс-анализатор, состоящий из помещенных в электростатический экран четырех полеобраэующих систем, каждая из которых выполнена в виде группы проволочных электродов, и приемник ионов, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения чувствительности, экран выполнен в виде трубы квадратного сечения, каждая из упомянутых групп содержит четыре расположенных аксиально и симметрично проволочных электрода, при этом центры симметрии каждой группы нахоцятся на диагоналях квадрата на расстоянии от центра, равном 1/4 длины диагонали,а расстоя15 ние между нитями. в каждой группе и размер стороны экрана связаны соотношением где 2а — расстояние между нитями в группе, 21 — длина стороны квадрата.

2. Масс-спектрометр по и. 1, отличающийся тем, что нити выполнены из высокоомных металлов и сплавов.

3. Масс-спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что с целью обеспечения одновременной многоканальной сепарации ионов, в него введены дополнительно по 4 ионных источника и приемника ионов, установленных коаксиально каждой из полеобразующих систем.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Dayton J .Е. and others.-Rev.

Sci. J nstrument, 25, 485, 1954.

4() 2. Патент США Р 3725700, кл. 250-419, 1973.

3. Matsuda Н., Matsuo Т.-Mass

Spectrometry and Jon Phys, 24, 1977, Р 1р. 107-118 (прототип).

801140

Составитель Н. Алимова

Редактор И. Михеева Техред Ж.Кастелевич Корректор В.Синицкая

Заказ 10444/72 Тираж 795 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэрбретений и открытий

113035 Москва, Ж-35, Раушская наб. д, 4 5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4