УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАНИПУЛИРОВАНИЯ ЗАРЯЖЕННЫМИ ЧАСТИЦАМИ

Устройство относится к области оптики заряженных частиц и масс-спектрометрии, а именно к радиочастотным системам транспортировки и манипулирования заряженными частицами.
Используемые в масс-спектрометрии источники ионов продуцируют непрерывные или квази-непрерывные пучки заряженных частиц. Даже когда источник ионов работает в импульсном режиме, может потребоваться накопление заряженных частиц за несколько циклов работы в специальном накопительном устройстве. Поэтому в случае, когда масс-анализаторы работают в импульсном режиме, применяются специальные устройства, обеспечивающие разбиение непрерывного пучка заряженных частиц или содержимого накопительного устройства на отдельные порции и их транспортировку на вход масс-анализатора. В современных устройствах транспортировки заряженных частиц также могут эффективно решаться задачи охлаждения и пространственного сжатия пакетов заряженных частиц с целью уменьшения эмиттанса (размера пакета в фазовом пространстве), а в процессе транспортировки производиться дополнительные манипуляции с заряженными частицами (например, фрагментация заряженных частиц, образование вторичных заряженных частиц, селективный отбор заряженных частиц, подвергаемых детальному анализу, и др.).
В масс-спектрометрии используется несколько типов радиочастотных устройств для манипулирования заряженными частицами. Первой близкой к описываемому изобретению группой устройств являются масс-анализаторы (а также масс-сепараторы и масс-фильтры). Их задачей является отобрать из совокупности заряженных частиц те частицы, которые характеризуются определенным отношением массы к заряду. Основными типами масс-анализаторов, использующих радиочастотные поля, являются квадрупольные фильтры масс и ионные ловушки.
nd
Радиочастотные квадрупольные фильтры масс и ионные ловушки Пауля известны примерно с 1960-х годов. Оба типа масс-анализаторов предложены в патенте US 2939952. Сравнительно недавно были придуманы линейные ионные ловушки с радиальным выбросом заряженных частиц из ловушки (патент US 420425) и выбросом ионов вдоль оси ловушки (патент US 617768). Детальное описание принципов работы указанных устройств приводится, например, в R.E.March, J.F.J.Todd, Quadrupole Ion Trap Mass Spectrometry, 2 edition, Wiley-Interscience, 2005; F.J.Major, V.N.Gheorghe, G.Werth, Charged Particle Traps, Springer, 2005; G.Werth. V.N.Gheorghe, F.J.Major, Charged Particle Traps II, Springer, 2009.
Работа квадрупольных масс-фильтров основана на теории устойчивости решений уравнения Матье (см., например, Н.В.Мак-Лахлан, Теория приложения функций Матье, Изд-во иностранной литературы, М., 1953, с.71-127, М.Абрамовиц и И.Стиган, Справочник по специальным функциям, М., Наука, 1979, с.532-535 и с.537-540). При правильно подобранных параметрах напряженности постоянного квадрупольного электрического поля, напряженности радиочастотного квадрупольного электрического поля и частоты радиочастотного квадрупольного электрического поля только заряженные частицы с определенным отношением массы к заряду проходят через квадрупольный радиочастотный масс-фильтр. Остальные заряженные частицы теряют устойчивость движения и выбрасываются за пределы канала масс-фильтра.
Работа масс-анализаторов на основе ионных ловушек также в основном базируется на теории уравнения Матье. Эти масс-анализаторы используют квадратичное или почти квадратичное электрическое поле, достигаемое за счет применения идеальных гиперболических электродов, и заполнены легким газом при достаточно низком давлении газа. В этих устройствах заряженные частицы, после того, как их скорость гасится в результате многочисленных столкновений с молекулами газа, последовательно выбрасываются из устройства посредством раскачки группы заряженных частиц с нужным отношением массы к заряду с помощью радиочастотного электрического поля нужной частоты. Описываемая здесь картина является в достаточной степени приближенной, так как в практической масс-спектрометрии ионных ловушек разработаны и используются достаточно сложные способы изолирования, фрагментации и селективного выбрасывания из ловушки заряженных частиц за счет воздействия на частицы специальным образом сконструированными радиочастотными полями.
Еще одной важной группой радиочастотных устройств являются транспортирующие радиочастотные устройства. Их задачей является удержание пучка заряженных частиц различной массы в ограниченной области внутри устройства (например, вблизи оси устройства) и передача заряженных частиц из одной точки пространства (вход) в другую точку пространства (выход).
Широкий класс таких устройств основан на двумерном мультипольном поле или приближенном двумерном мультипольном поле, вытянутом вдоль третьей координаты. Эти устройства используются, например, для передачи ионов из газонаполненного источника ионов, функционирующего при достаточно высоких давлениях газа, в устройство для анализа ионов, функционирующее при гораздо более низком давлении газа или просто в вакууме. Поскольку подобные линейные мультипольные ловушки не используются непосредственно для масс-анализа, строгая квадратичность или строгая мультипольность электрического поля не является столь уж необходимой, и для упрощения технологического изготовления этих устройств гиперболические и мультипольные электроды, как правило, заменяются цилиндрическими стержнями или даже еще более огрубленными формами электродов.
При загрузке заряженных частиц в линейную мультипольную ловушку столкновения заряженных частиц с молекулами газа снижают их кинетическую энергию и заставляют группироваться вблизи оси устройства (патент US 4963736). При этом обеспечивается выполнение такой важной функции, как охлаждение и пространственное сжатие пучка заряженных частиц с целью уменьшения эмиттанса пучка (то есть размера в фазовом пространстве ансамбля заряженных частиц, соответствующих пучку). Радиочастотное электрическое поле обеспечивает радиальную локализацию заряженных частиц на этапе, когда снижение кинетической энергии заряженных частиц еще не произошло, даже при относительно больших кинетических энергиях, и «поджимает» частицы к оси по мере потери ими кинетической энергии.
Описанные линейные газонаполненные мультипольные транспортирующие устройства часто используются одновременно и как ячейки для фрагментации заряженных частиц в тандемных масс-спектрометрах (например, см. патент US 6093929). Направленное вдоль оси устройства постоянное электрическое поле, формируемое дополнительными электродами, может использоваться для форсирования транспортировки заряженных частиц вдоль канала транспортировки (транспортирующее устройство для ионов в патенте US 5847386, ячейка для фрагментации ионов в патенте US 6111250).
Если концы линейного мультипольного транспортирующего устройства заглушены барьерами из электрических полей, получается еще один тип радиочастотных устройств, используемых в масс-спектрометрии - линейная мультипольная ионная ловушка, или накопительное устройство для заряженных частиц. Такие ловушки широко используются для накопления заряженных частиц и импульсной передачи заряженных частиц в анализирующее устройство (патенты US 5179278, WO 02078046, US 5763878, US 6020586, US 6507019, GB 2388248 и др.). Мультипольные ловушки также часто используются для того, чтобы целенаправленно подвергнуть заряженные частицы ион-молекулярным реакциям с нейтральными частицами (патенты US 6140638, US 6011259), с электронами (патенты GB 2372877, GB 2403845, GB 2403590), заряженными частицами с противоположным зарядом (патент US 6627875), обеспечить дополнительную фрагментацию заряженных частиц за счет воздействия на заряженные частицы, например, фотонами или другими внешними физическими факторами.
С той же целью, что и мультипольная линейная ловушка, может использоваться радиочастотная ловушка Пауля или линейная радиочастотная ловушка, когда вместо последовательного резонансного выбрасывания друг за другом нужных групп ионов сразу все содержимое ловушки инжектируется в анализирующее устройство импульсом электрического напряжения (патенты WO 2006/129068, US 2008/0035841). Точно также мультипольная линейная ловушка, в которой инжектирование в анализирующее устройство сделано масс-селективным, может использоваться как грубый фильтр масс, отбирающий нужные группы заряженных частиц для дальнейшего детального анализа (патент US 2007/0158545).
Близкими по выполняемым функциям к транспортирующим устройствам, имеющим указанное выше конструктивное исполнение, являются транспортирующие устройства, и/или накопительные устройства, использующие электроды в виде набора пластин с отверстиями, к которым приложены высокочастотные электрические напряжения со сдвигом фаз между соседними пластинами (патенты US 6812453, US 6894286, US 5818055) или между частями одной пластины (патент GB 2010/001076). В этом случае в силу симметрии электродов возникающее высокочастотное поле вблизи оси устройства практически равно нулю, в то время как при приближении к границам транспортирующего канала оно резко возрастает. Поэтому, как и в случае линейных мультипольных транспортирующих устройств, заряженные частицы будут отталкиваться от поверхностей электродов и удерживаться радиочастотным полем в ограниченном объеме, окружающем ось устройства, а по мере снижения кинетической энергии в результате столкновения с молекулами газа заряженные частицы будут группироваться вблизи оси устройства.
При отсутствии дополнительных электрических полей можно видеть, что в окрестности оси устройства силы, способствующие перемещению заряженных частиц вдоль оси транспортирующего устройства, практически отсутствуют в силу симметрии электродов и высокой частоты электрического поля (патенты US 5818055, US 6894286), и перемещение заряженных частиц вдоль длины канала для транспортировки происходит не слишком эффективно. Поэтому в патентах US 5818055 и US 6894286 захвата заряженных частиц волной электрического потенциала, перемещающейся вдоль оси устройства, не происходит, частицы с разными массами и разными начальными условиями (координатами и скоростями) перемещаются вдоль канала транспортировки с разной эффективной скоростью, и как результат, нет разбиения пучка заряженных частиц на отдельные пространственно сепарированные и синхронно перемещаемые пакеты заряженных частиц. (В терминах заявляемого устройства можно сказать, что при подаче указанных в этих патентах электрических напряжений отсутствует волна псевдопотенциала, перемещающаяся вдоль канала транспортировки заряженных частиц и обеспечивающая захват заряженных частиц в локальные зоны минимумов псевдопотенциала.) Приложение между соседними пластинами постоянной разницы напряжений, способствующей созданию вдоль оси устройства постоянного электрического поля по аналогии с патентами US 5847386 и US 6111250 решает проблему транспортировки вдоль оси устройства, но при этом выход заряженных частиц из устройства по-прежнему не является дискретным и синхронизированным во времени.
Наиболее удачным решением из числа имеющихся следует признать суперпозицию высокочастотного электрического поля, неоднородного по радиусу и обеспечивающего локализацию заряженных частиц в окрестности оси устройства по радиальному направлению, и квазистатической бегущей волны электрического поля вдоль оси устройства, обеспечивающей разбиение пучка заряженных частиц с разной массой на пространственно сепарированные пакеты и синхронную транспортировку указанных пакетов вдоль оси устройства (см., например, US 6812453, GB 2010/001076).
Однако, поскольку положительно заряженные частицы группируются в окрестностях минимумов бегущей волны потенциала квазистатического электрического поля, а отрицательно заряженные частицы группируются в окрестностях максимумов бегущей волны потенциала квазистатического электрического поля, обеспечить транспортировку положительно и отрицательно заряженных частиц в едином пакете заряженных частиц по этому способу не удается.
Основой функционирования большинства радиочастотных масс-спектрометрических устройств является свойство высокочастотного электрического поля «выталкивать» заряженные частицы, независимо от знака заряда, из области с большой амплитудой электрического поля в область с меньшей амплитудой электрического поля. Это свойство является следствием инерции движения заряженных частиц с ненулевой массой, происходящего под воздействием быстро осциллирующего электрического поля.
Количественно данный эффект описывается с помощью теории эффективного потенциала, или псевдопотенциала, впервые введенного П.Л.Капицей (см. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц, Механика, сер. Теоретическая физика, М., Физматлит, 2004, с.124-127; Г.М.Заславский и Р.З.Сагдеев, Введение в нелинейную физику: от маятника до турбулентности и хаоса, М., Наука, 1988, с.49-51 и с.52-54; M.I.Yavor, Optics of Charged Particle Analyzers, Ser. Advances of Imaging and Electron Physics, Vol.157, Elsevier, 2009, с.142-144). А именно, если частота ω осцилляции электрического поля , происходящих по закону , достаточно высока (где  - это амплитуда осцилляции электрического поля в точке пространства (x, y, z), ω - частота осцилляции, φ - начальная фаза осцилляции, t - время), а смещение заряженной частицы с массой m и зарядом q за один период изменения электрического поля мало, то движение заряженной частицы можно представить в виде «усредненного», или «медленного» движения, к которому добавлено быстро осциллирующее движение, имеющее, впрочем, маленькую амплитуду. В таком случае уравнение для усредненного движения выглядит так, как будто усредненное движение происходит в электрическом поле с потенциалом , где величины q, , m и ω, характеризующие осциллирующее электрическое поле и заряженную частицу, были определены ранее. Подробности и обоснование теории можно найти в упомянутых выше ссылках.
В силу того, что в выражение для потенциала  входят заряд q и масса m, потенциал  одинаково действует на положительные и отрицательные заряженные частицы, а также его действие оказывается зависящим от массы заряженной частицы. В случае истинного электрического потенциала U(x, y, z) на положительно заряженные частицы действует сила, направленная против градиента электрического потенциала, а на отрицательно заряженные частицы - сила, направленная по градиенту электрического потенциала, причем эта сила не зависит от массы частицы. Из выражения для потенциала  следует, что заряженная частица «выталкивается» из области, где амплитуда осцилляции высокочастотного поля высока, в область, где указанная амплитуда осцилляции высокочастотного поля будет меньше (то есть из области, где потенциал  имеет большее значение, частица перемещается в область, где потенциал  имеет меньшее значение). Выталкивающее действие высокочастотного электрического поля не зависит от знака заряженной частицы и перемещает как положительные, так и отрицательные заряженные частицы в одном и том же направлении. На заряженные частицы с большей массой выталкивающее действие высокочастотного электрического поля влияет с меньшей силой, чем на более легкие заряженные частицы. Выталкивающее действие высокочастотного электрического поля поддается регулировке за счет изменения частоты осцилляции электрического поля.
Потенциал  называется эффективным потенциалом, или псевдопотенциалом, и является удобным математическим инструментом для описания и анализа усредненного движения заряженной частицы (хотя на самом деле он, конечно же, не соответствует никаким физическим полям). Приведем без доказательства некоторые его свойства. Для электрического поля , которое меняется во времени t по закону гармонических осцилляции  с постоянной амплитудой  в точке (x, y, z), постоянной частотой ω и с постоянным сдвигом фаз φ=const, псевдопотенциал , действующий на заряженную частицу с зарядом q и массой m, вычисляется по приведенной выше формуле . Если фаза высокочастотного поля не является постоянной во всем пространстве, а меняется от точки к точке по заданному закону φ=φ(x, y, z), так что закон изменения высокочастотного электрического поля от времени t имеет более сложный вид , где  - амлитуда гармоники cosωt в точке пространства (x, y, z),  - амлитуда гармоники sinωt в точке пространства (x, y, z), а величины , ω и φ(x, y, z) были определены ранее, то соответствующий данному высокочастотному электрическому полю псевдопотенциал  вычисляется по формуле , где q - заряд частицы, а m - ее масса. Если высокочастотное поле является периодической во времени функцией, так что напряженность электрического поля  в точке пространства (x, y, z) в момент времени t представляется с помощью рядов Фурье в виде выражения , где  - это амплитуда гармоники coskωt электрического поля в точке пространства (x, y, z),  - это амплитуда гармоники sinkωt электрического поля в точке пространства (x, y, z), k - номер гармоники, ω - базовая частота высокочастотного электрического поля, то псевдопотенциал  такого высокочастотного электрического поля вычисляется как сумма вкладов отдельных гармоник по формуле , где q - заряд частицы, а m - ее масса.. Если кроме высокочастотного электрического поля  имеется статическое электрическое поле с потенциалом U(x, y, z), статический потенциал U(x, y, z) и псевдопотенциал  суммируются. Если имеется несколько различных высокочастотных электрических полей с существенно разными частотами, суммируются индивидуальные псевдопотенциалы для этих электрических полей, но если частоты высокочастотных полей отличаются незначительно, это правило не действует. Если для имитации гашения кинетической энергии заряженной частицы в результате столкновений с молекулами газа мы введем эффективное вязкое трение, действующее на заряженную частицу с силой , где  - скорость частицы в момент времени t,  - скорость газа в точке (x, y, z), а γ - не зависящий ни от времени, ни от координат, ни от электрического поля коэффициент вязкого трения, то результат «медленного» движения заряженной частицы будет такой, как будто все три фактора (статический потенциал, псевдопотенциал и вязкое трение) действуют на заряженную частицу одновременно и независимо.
Следует подчеркнуть, что описание движения заряженной частицы с помощью псевдопотенциала является лишь математическим приближением, полученным при определенных допущениях относительно движения заряженной частицы, и может не соответствовать ее истинному движению. Так, для анализа движения заряженных частиц в упомянутых выше радиочастотных квадрупольных масс-фильтрах и радиочастотных ионных ловушках необходимо использовать полноценный анализ движения заряженной частицы в истинном электрическом поле (то есть теорию уравнения Матье), чтобы получить правильную структуру зон устойчивости движения. Подход, основанный на псевдопотенциале, не даст в этом случае правильный ответ, поскольку в условиях, когда заряженная частица движется на границе зоны устойчивости и происходит резонанс между «медленными» осцилляциями заряженной частицы и высокочастотным электрическим полем, смещение заряженной частицы за один период изменения высокочастотного электрического поля никак нельзя считать малым.
В качестве наиболее близкого аналога заявляемого устройства авторами выбрано устройство для манипулирования заряженными частицами (US 6812453).
Рассматриваемое устройство содержит систему электродов, представляющую собой последовательность соосных пластин с отверстиями, расположенных с образованием между электродами внутреннего объема, ориентированного вдоль продольной оси устройства и предназначенного для перемещения в нем ионов. Устройство также содержит средство электропитания, обеспечивающее приложение к электродам электрического питающего напряжения, включающего переменную высокочастотную составляющую напряжения, положительная и отрицательная фазы которого поочередно приложены к электродам, а также квазистатическую составляющую напряжения, для создания которой к электродам последовательно и поочередно прикладываются статические или квазистатические напряжения, в частности, однополярные или разнополярные импульсы постоянного напряжения.
В указанном устройстве формируется электрическое поле, напряженность которого  описывается выражением , где  - меняющееся вдоль длины канала для транспортировки заряженных частиц квазистатическое электрическое поле, зависящее от пространственных координат (x, y, z) и времени t,  - стационарная во времени и неоднородная по крайней мере в радиальном направлении амплитуда высокочастотного электрического поля, зависящая от пространственных координат (x, y, z) и не зависящая от времени t, f(t)=cos(ωt+φ) - быстро осциллирующая функция времени t, описывающая в данном случае строго гармонические осцилляции с частотой ω и начальной фазой φ. Квазистатичность функции  и быстрота осцилляции функции f(t) понимаются в том смысле, что за время, когда функция f(t) успеет совершить несколько осцилляции, функция  практически не изменится. Математически это условие записывается в виде неравенства , которое должно быть выполнено, чтобы устройство правильно функционировало. Тем самым изменение электрического поля  во времени обладает двумя масштабами времени: «быстрым временем», за которое заметным образом меняется значение функции , и «медленным временем», за которое заметным образом меняется значение функции .
a
a
a
На фиг.1 показана круговая диафрагма, используемая в качестве одиночного электрода для устройства патента US 6812453, а на фиг.2 показано расположение совокупности круговых диафрагм относительно канала для перемещения заряженных частиц согласно патенту US 6812453. На фиг.3 показано распределение осевой компоненты напряженности электрического поля для патента US 6812453 вдоль канала транспортировки для нескольких близко расположенных моментов времени t, t+δt, t+2δt, t+3δt, … (то есть в «быстром» масштабе времени). На фиг.4 показано, как меняется огибающая осевой компоненты напряженности электрического поля для патента US 6812453 вдоль канала для некоторых достаточно далеко отстоящих друг от друга моментов времени t и t+Δt (то есть в «медленном» масштабе времени). Радиальная компонента электрического поля на оси устройства для патента US 6812453 равна нулю в силу симметрии конфигурации электродов. На фиг.5 показано двумерное распределение вдоль длины канала транспортировки и в радиальном направлении канала транспортировки псевдопотенциала , который соответствует высокочастотному электрическому полю для патента US 6812453. На фиг.6 показано возможное двумерное распределение (в некоторый момент времени) потенциала U(x, y, z, t) квазистатического электрического поля  для патента US 6812453. На фиг.7 показано возможное распределение потенциала U(x, y, z, t) квазистатического электрического поля  для патента US 6812453 вдоль длины канала транспортировки. На фиг.8 показаны возможные суммарные электрические напряжения, которые могут прикладываться к первому, второму, третьему, четвертому электродам соответственно в каждой из периодически повторяющихся четверок электродов согласно патенту US 6812453. (В данных примерах рассмотрен простейший возможный случай бегущей волны квазистатического потенциала U(x, у, z, t), образующейся вдоль канала для перемещения заряженных частиц согласно патенту US 6812453 - а именно, случай волны с чисто синусоидальной формой.)
Согласно патенту US 6812453 в результате действия радиочастотного поля и образования при удалении от оси устройства по радиусу барьера псевдопотенциала , заряженные частицы «поджимаются» к оси устройства и после затухания кинетической энергии до равновесного значения оказываются сосредоточенными в окрестности оси устройства. В силу того, что вдоль оси устройства имеется распределение квазистатического электрического потенциала с чередующимися максимумами и минимумами, положительно заряженные частицы не просто концентрируются в окрестностях оси устройства, но собираются в локальных минимумах квазистатического электрического потенциала, как только их кинетическая энергия оказывается меньше локальных максимумов квазистатического электрического потенциала. Соответственно, отрицательно заряженные частицы после охлаждения в результате столкновений с молекулами газа собираются локальных максимумах квазистатического электрического потенциала (на положительно заряженные частицы действует сила, направленная против градиента электрического потенциала, на отрицательно заряженные частицы - сила, направленная по градиенту электрического потенциала).
a
Тот факт, что на части длины оси (в частности, в окрестностях минимумов электрического потенциала для положительно заряженных частиц и в окрестностях максимумов электрического потенциала для отрицательно заряженных частиц) при удалении от оси радиальное электрическое поле квазистатического потенциала отталкивает заряженные частицы от оси устройства, не имеет особого значения, поскольку отталкивающее действие радиочастотного поля, возвращающего заряженные частицы обратно к оси устройства, перевешивает. Когда волна квазистатического потенциала U(x, y, z, t) медленно перемещается вдоль оси устройства, она захватывает с собой заряженные частицы, сосредоточенные вблизи оси устройства в окрестностях локальных максимумов и минимумов квазистатического потенциала, заставляя частицы с разными массами и разными кинетическими энергиями перемещаться синхронно. Этот процесс схематически показан на фиг.9.
Численное моделирование истинного движения заряженных частиц в описываемых электрических полях подтверждает эту качественную картину движения. Для выходных устройств, работающих в импульсном режиме, данный метод разделения непрерывного потока заряженных частиц на дискретные порции представляется наиболее удачным. При правильной настройке интервалов времени между поступлением отдельных дискретных порций заряженных частиц на выход транспортирующего устройства и, соответственно, на вход следующего за ним устройства (которое, как правило, представляет собой масс-анализатор, работающий в импульсном режиме), и времени последующего анализа поступившей порций заряженных частиц, данный способ позволяет анализировать все заряженные частицы, поступающие из непрерывного пучка в анализатор практически без потерь.
Рассматриваемое устройство не обеспечивает возможность объединять в едином транспортируемом пакете положительно и отрицательно заряженные частицы.
Задачей заявляемой полезной модели является обеспечение возможности объединения в едином транспортируемом пакете положительно и отрицательно заряженных частиц.
Сущность полезной модели заключается в том, что устройство для манипулирования заряженными частицами содержит совокупность электродов, расположенных с образованием канала для перемещения заряженных частиц, а также средство электропитания, обеспечивающее приложение к электродам питающего напряжения, обуславливающего создание в канале неоднородного высокочастотного электрического поля, псевдопотенциал которого имеет один или более локальных экстремумов вдоль длины канала для перемещения заряженных частиц, по меньшей мере, на некотором интервале времени, причем, по меньшей мере, один из указанных экстремумов псевдопотенциала перемещается во времени, по меньшей мере, на некотором интервале времени, по меньшей мере, по части длины канала для перемещения заряженных частиц.
Новым в заявляемой полезной модели по сравнению с ближайшим аналогом является то, что псевдопотенциал созданного в канале высокочастотного электрического поля имеет один или более локальных экстремумов вдоль длины канала для перемещения заряженных частиц, по меньшей мере, на некотором интервале времени, причем, по меньшей мере, один из указанных экстремумов псевдопотенциала перемещается во времени, по меньшей мере, на некотором интервале времени, по меньшей мере, по части длины канала для перемещения заряженных частиц.
В частном случае выполнения полезной модели псевдопотенциал имеет вдоль, по меньшей мере, части длины канала для перемещения заряженных частиц чередующиеся максимумы и минимумы.
В частном случае выполнения полезной модели экстремум или экстремумы псевдопотенциала перемещаются во времени по заданному закону, по меньшей мере, по части длины канала, по меньшей мере, на некотором интервале времени.
В частном случае выполнения полезной модели направление перемещения экстремума или экстремумов псевдопотенциала, по меньшей мере, для части длины канала, в некоторый момент или некоторые моменты времени меняет знак.
В частном случае выполнения полезной модели перемещение экстремума или экстремумов псевдопотенциала, по меньшей мере, по части длины канала, по меньшей мере, на некотором интервале времени, имеет осциллирующий характер.
В частном случае выполнения полезной модели псевдопотенциал, по меньшей мере, на некотором интервале времени, по меньшей мере, на некоторой длине канала транспортировки, является однородным по длине канала.
В частном случае выполнения полезной модели последовательные экстремумы, или только последовательные максимумы, или только последовательные минимумы псевдопотенциала являются монотонно нарастающими, по меньшей мере, по части длины канала, по меньшей мере, на некотором интервале времени.
В частном случае выполнения полезной модели последовательные экстремумы, или только последовательные максимумы, или только последовательные минимумы псевдопотенциала являются монотонно убывающими, по меньшей мере, по части длины канала, по меньшей мере, на некотором интервале времени.
В частном случае выполнения полезной модели значение псевдопотенциала в одной или более точках локального максимума псевдопотенциала вдоль длины канала меняется, по меньшей мере, на некотором интервале времени.
В частном случае выполнения полезной модели значение псевдопотенциала в одной или более точках локального минимума псевдопотенциала вдоль длины канала меняется, по меньшей мере, на некотором интервале времени.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложены дополнительные постоянные, и/или квазистатические, и/или переменные, и/или импульсные, и/или высокочастотные напряжения, обеспечивающие управление радиальным удержанием заряженных частиц в окрестности канала транспортировки заряженных частиц.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложены дополнительные постоянные, и/или квазистатические, и/или переменные, и/или импульсные, и/или высокочастотные напряжения, отпирающие и/или блокирующие выход заряженных частиц через концы канала транспортировки заряженных частиц.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложены дополнительные постоянные, и/или квазистатические, и/или переменные, и/или импульсные, и/или высокочастотные напряжения, обеспечивающие управление пространственной изоляцией пакетов заряженных частиц друг от друга вдоль длины канала транспортировки заряженных частиц.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложены дополнительные постоянные, и/или квазистатические, и/или переменные, и/или импульсные, и/или высокочастотные напряжения, обеспечивающие управление временной синхронизацией транспортировки пакетов заряженных частиц.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложены дополнительные постоянные, и/или квазистатические, и/или переменные, и/или импульсные, и/или высокочастотные напряжения, обеспечивающие дополнительное управление транспортировкой заряженных частиц.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложены дополнительные постоянные, и/или квазистатические, и/или переменные, и/или импульсные, и/или высокочастотные напряжения, обеспечивающие управление движением заряженных частиц внутри локальных зон захвата заряженных частиц.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложены дополнительные постоянные, и/или квазистатические, и/или переменные, и/или импульсные, и/или высокочастотные напряжения, обеспечивающие создание дополнительных потенциальных или псевдопотенциальных барьеров, и/или потенциальных или псевдопотенциальных ям вдоль канала транспортировки заряженных частиц, по крайней мере, в одной точке пути канала, по крайней мере, на каком-то интервале времени.
В частном случае выполнения полезной модели упомянутые потенциальные или псевдопотенциальные барьеры, и/или потенциальные или псевдопотенциальные ямы меняются во времени или перемещаются во времени вдоль канала транспортировки, по крайней мере, на каком-то интервале времени.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложены дополнительные постоянные, и/или квазистатические, и/или переменные, и/или импульсные, и/или высокочастотные напряжения, обеспечивающие создание дополнительных зон устойчивости и/или дополнительных зон неустойчивости вдоль канала транспортировки заряженных частиц, по крайней мере, в одной точке пути канала, по крайней мере, на каком-то интервале времени.
В частном случае выполнения полезной модели упомянутые зоны устойчивости и/или зоны неустойчивости меняются во времени или перемещаются во времени вдоль канала транспортировки, по крайней мере, на каком-то интервале времени.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложены дополнительные постоянные, и/или квазистатические, и/или переменные, и/или импульсные, и/или высокочастотные напряжения, обеспечивающие селективный отбор заряженных частиц.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложены дополнительные постоянные, и/или квазистатические, и/или переменные, и/или импульсные, и/или высокочастотные напряжения, обеспечивающие управление существенной зависимостью движения заряженных частиц от массы заряженных частиц.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложено питающее напряжение, частота которого, по крайней мере, на каком-то интервале времени изменяется.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц имеет прямолинейную ориентацию.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц имеет криволинейную ориентацию.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц имеет переменный профиль вдоль длины канала.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц замкнут в петлю или кольцо.
В частном случае выполнения полезной модели в центральной части канала для перемещения заряженных частиц расположен дополнительный электрод или электроды.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц разбит на сегменты.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц состоит из нескольких состыкованных друг с другом каналов, возможно, разделенных дополнительными областями или устройствами.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц образован несколькими параллельными каналами для перемещения заряженных частиц, по крайней мере, в какой-то части канала.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц расщеплен каком-то участке на несколько параллельных каналов.
В частном случае выполнения полезной модели нескольких параллельных каналов для перемещения заряженных частиц соединены на каком-то участке в единый канал для перемещения заряженных частиц.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц содержит область, выполняющую функцию накопительного объема для заряженных частиц, расположенную на входе канала, и/или выходе из канала, и/или внутри канала.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц является заглушенным, по крайней мере, с одного из концов, по крайней мере, в течение некоторого интервала времени.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц имеет управляемую электрическим полем заглушку, по крайней мере, с одного из концов.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц содержит управляемое электрическим полем зеркало, размещенное в канале для перемещения заряженных частиц, по крайней мере, с одного из концов.
В частном случае выполнения полезной модели устройство содержит устройство для ввода заряженных частиц, размещенное в канале для перемещения заряженных частиц, работающее в непрерывном режиме.
В частном случае выполнения полезной модели устройство содержит устройство для ввода заряженных частиц, размещенное в канале для перемещения заряженных частиц, работающее в импульсном режиме.
В частном случае выполнения полезной модели устройство содержит устройство для ввода заряженных частиц, размещенное в канале для перемещения заряженных частиц, способное переключаться между непрерывным режимом работы и импульсным режимом работы.
В частном случае выполнения полезной модели устройство содержит устройство для вывода заряженных частиц, размещенное в канале для перемещения заряженных частиц, работающее в непрерывном режиме.
В частном случае выполнения полезной модели устройство содержит устройство для вывода заряженных частиц, размещенное в канале для перемещения заряженных частиц, работающее в импульсном режиме.
В частном случае выполнения полезной модели устройство содержит устройство для вывода заряженных частиц, размещенное в канале для перемещения заряженных частиц, способное переключаться между непрерывным режимом работы и импульсным режимом работы.
В частном случае выполнения полезной модели устройство содержит устройство для генерирования заряженных частиц, размещенное в канале для перемещения заряженных частиц, работающее в непрерывном режиме.
В частном случае выполнения полезной модели устройство содержит устройство для генерирования заряженных частиц, размещенное в канале для перемещения заряженных частиц, работающее в импульсном режиме.
В частном случае выполнения полезной модели устройство содержит устройство для генерирования заряженных частиц, размещенное в канале для перемещения заряженных частиц, способное переключаться между непрерывным режимом работы и импульсным режимом работы.
В частном случае выполнения полезной модели в качестве питающего напряжения используют высокочастотные гармонические напряжения, и/или периодические негармонические высокочастотные напряжения, и/или высокочастотные напряжения, содержащие в своем частотном спектре две или более частоты, и/или высокочастотные напряжения, содержащие в своем частотном спектре бесконечный набор частот, и/или высокочастотные импульсные напряжения, к которым применена амплитудная модуляция, или суперпозицию таких напряжений.
В частном случае выполнения полезной модели в качестве питающего напряжения используют высокочастотные гармонические напряжения, и/или периодические негармонические высокочастотные напряжения, и/или высокочастотные напряжения, содержащие в своем частотном спектре две или более частоты, и/или высокочастотные напряжения, содержащие в своем частотном спектре бесконечный набор частот, и/или высокочастотные импульсные напряжения, к которым применена частотная модуляция, или суперпозицию таких напряжений.
В частном случае выполнения полезной модели изобретения в качестве питающего напряжения используют высокочастотные гармонические напряжения, и/или периодические негармонические высокочастотные напряжения, и/или высокочастотные напряжения, содержащие в своем частотном спектре две или более частоты, и/или высокочастотные напряжения, содержащие в своем частотном спектре бесконечный набор частот, и/или высокочастотные импульсные напряжения, к которым применена фазовая модуляция, или суперпозицию таких напряжений.
В частном случае выполнения полезной модели в качестве питающего напряжения используют высокочастотные гармонические напряжения, и/или периодические негармонические высокочастотные напряжения, и/или высокочастотные напряжения, содержащие в своем частотном спектре две или более частоты, и/или высокочастотные напряжения, содержащие в своем частотном спектре бесконечный набор частот, и/или высокочастотные импульсные напряжения, которые характеризуются двумя или более близкими базовыми частотами, или суперпозицию таких напряжений.
В частном случае выполнения полезной модели в качестве питающего напряжения используют высокочастотных гармонических напряжений, и/или периодических негармонических высокочастотных напряжений, и/или высокочастотных напряжений, содержащих в своем частотном спектре две или более частоты, и/или высокочастотных напряжений, содержащих в своем частотном спектре бесконечный набор частот, и/или высокочастотные импульсные напряжения, которые превращены в синхронизированные во времени цуги высокочастотных напряжений, или суперпозицию таких напряжений.
В частном случае выполнения полезной модели в качестве питающего напряжения используют высокочастотные напряжения, синтезированные цифровым способом.
В частном случае выполнения полезной модели совокупность электродов представляет собой периодически повторяющиеся электроды.
В частном случае выполнения полезной модели совокупность электродов представляет собой периодически повторяющиеся каскады электродов, при этом конфигурация электродов в отдельном каскаде не обязательно является периодической.
В частном случае выполнения полезной модели некоторые или все электроды могут быть сплошными, тогда как остальные электроды или часть остальных электродов распадаются на периодическую последовательность элементов.
В частном случае выполнения полезной модели к некоторым электродам могут не прикладываться высокочастотные напряжения.
В частном случае выполнения полезной модели в совокупности электродов некоторые или все электроды имеют мультипольный профиль.
В частном случае выполнения полезной модели в совокупности электродов некоторые или все электроды имеют огрубленный мультипольный профиль, образованный плоскими, ступенчатьми, кусочно-ступенчатыми, линейными, кусочно-линейными, круговыми, скругленными, кусочно-скругленными, криволинейными, кусочно-криволинейными профилями или комбинацией указанных профилей.
В частном случае выполнения полезной модели в совокупности электродов некоторые или все электроды представляют собой тонкие металлические пленки, нанесенные на непроводящую подложку.
В частном случае выполнения полезной модели в совокупности электродов некоторые или все электроды являются проволочными и/или сеточными и/или имеют разрезы и/или другие дополнительные отверстия, делающие их прозрачными для потока газа или уменьшающие сопротивление, оказываемое электродами потоку газа.
В частном случае выполнения полезной модели в канале для перемещения заряженных частиц создан вакуум.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц заполнен нейтральным и/или (частично) ионизированным газом.
В частном случае выполнения полезной модели в канале для перемещения заряженных частиц создан поток нейтрального и/или (частично) ионизированного газа.
В частном случае выполнения полезной модели некоторые или все электроды имеют щели и/или отверстия, предназначенные для ввода в устройство и/или вывода из устройства заряженных частиц.
В частном случае выполнения полезной модели промежуток между электродами использован для ввода в устройство и/или вывода из устройства заряженных частиц.
В частном случае выполнения полезной модели, по меньшей мере, к части электродов, по меньшей мере, на каком-то интервале времени, приложены дополнительные импульсные или ступенчатые напряжения, обуславливающие ввод в устройство и/или вывод из устройства и/или запирание внутри устройства заряженных частиц.
В отличие от описанного выше ближайшего аналога в заявляемом устройстве поведение быстро осциллирующего электрического поля, неоднородного по пространству канала для перемещения заряженных частиц, подчиняется другим закономерностям. Это позволяет не только разбивать имеющийся ансамбль заряженных частиц на пространственно сепарированные пакеты заряженных частиц и синхронно перемещать их вдоль канала транспортировки независимо от массы и кинетической энергии, но и дополнительно объединять в едином пакете как положительно заряженные, так и отрицательно заряженные частицы.
Рассмотрим особенности поведения высокочастотного электрического поля, используемого в заявляемом устройстве, на конкретном примере. Возьмем электрическое поле, напряженность  которого описывается выражением , где  - меняющаяся вдоль длины и вдоль радиуса канала для транспортировки заряженных частиц квазистатическая амплитуда осцилляции электрического поля, которая зависит от пространственных координат (x, y, z) и времени t, а f(t) - быстро осциллирующая функция времени с нулевым средним значением, в частном случае имеющая вид гармонических осцилляции f(t)=cos(ωt+φ), где ω - частота гармонических осцилляции, а φ - начальная фаза гармонических осцилляции. Квазистатичность функции  и быстрота осцилляции функции f(t) понимаются в том смысле, что за время, когда функция f(t) успеет совершить несколько осцилляции, функция  практически не изменится. Математически это условие может быть записано в виде неравенства , и в полной производной по времени t от напряженности электрического поля  вклад члена  существенно перевешивает вклад члена .
Изменение указанного электрического поля  во времени t обладает двумя масштабами времени: «быстрым временем», за которое заметным образом меняется значение функции f(t), и «медленным временем», за которое заметным образом меняется значение функции . В первом приближении «медленное», или «усредненное» движение заряженной частицы в таком поле описывается медленно меняющимся во времени псевдопотенциалом , где термин «медленно» означает, что характерное время заметного изменения псевдопотенциала  много больше характерного времени, требуемого для однократной осцилляции высокочастотного электрического поля по закону f(t).
k
k
k
Для случая, когда закон изменения электрического поля во времени имеет вид , где  - «медленная» функция времени, а cos(ωt+φ) - «быстрая» функция времени, описывающая гармонические осцилляции с частотой ω и начальной фазой φ, медленно меняющийся псевдопотенциал , действующий на заряженную частицу с зарядом q и массой m, выражается через квазистатическую амплитуду  осцилляции электрического поля как . В более общем случае, когда закон изменения электрического поля во времени является периодическим, но не гармоническим, и напряженность электрического поля  в точке пространства (x, y, z) как функция времени t представляется в канонической форме в виде ряда Фурье , где  - это «медленная» амплитуда «быстрой» гармоники cos(kωt) электрического поля  - это «медленная» амплитуда «быстрой» гармоники sin(kωt) электрического поля , k - номер гармоники, ω=2π/T - базовая круговая частота периодической во времени функции , обладающей периодом Т, то медленно меняющийся во времени псевдопотенциал  вычисляется как , где q - заряд частицы и m - масса частицы. В самом общем случае, если напряженность электрического поля  в точке пространства (x, y, z) в момент времени t допускает представление в виде , где  и  - это «медленные» функции времени t, a cos(ωt) и sin(ωt) - «быстрые» гармонические осцилляции с частотами ω, которые достаточно далеко разнесены друг от друга, то медленно меняющийся во времени псевдопотенциал вычисляется как , где q - заряд частицы и m - масса частицы.
k
k
m
n
m
n
k
k
k
(Для разделения функций от времени на «медленные» и «быстрые» вводятся верхняя граница «медленных» частот δ и нижняя граница «быстрых» частот Δ, причем Δ>>δ. Функция h(t} называется «медленной», если ее спектр равен нулю (или пренебрежимо мал) вне интервала частот ω∈(-δ,+δ). функция H(t) называется «быстрой», если ее спектр равен нулю (или пренебрежимо мал) на интервале частот ω∈(-Δ,+Δ). Указанные ограничения на спектр функций влекут за собой справедливые «в среднем» неравенства  и . Условие, что частота ω, является «быстрой», будет эквивалентно неравенству |ω|≥Δ. Условие, что частоты ω и ω «достаточно далеко» разнесены друг от друга, будет эквивалентно неравенству |ω-ω|≥Δ. Для того, чтобы электрическое поле могло быть представлено в виде , достаточно, чтобы прикладываемые к электродам напряжения изменялись как , где p(t) и q(t) - «медленные» функции, а ω - «быстрые» и «далеко разнесенные» частоты. При этом для того чтобы сигнал f(t) мог быть представлен в таком каноническом виде, требуется, чтобы после преобразования Фурье спектр сигнала распадался на достаточно далеко разнесенные друг от друга и достаточно короткие интервалы, вне которых спектральная функция F(ω) может считаться равной нулю (см. фиг.10). Технически такие сигналы могут быть сгенерированы, например, с помощью амплитудной модуляции, и/или фазовой модуляции, и/или частотной модуляции высокочастотных сигналов, и/или в результате суперпозиции нескольких высокочастотных напряжений с несколькими близкими частотами, и/или как цуги высокочастотных напряжений заданной формы, синхронизированных во времени. Детальное изложение теории медленно меняющихся псевдопотенциалов выходит за рамки данного описания.)
z
z
0
0
Рассмотрим частный случай заявляемого устройства, когда радиальная компонента электрического поля на оси OZ тождественно равна нулю, а осевая компонента E(z,t) электрического поля изменяется во времени t по закону E(z,t)=Ecos(z/L-t/T)·cos(ωt), где E - амплитуда чередующихся максимумов и минимумов осевого распределения электрического поля, z - пространственная координата вдоль оси устройства, L - характерный пространственный масштаб вдоль оси устройства, Т - характерный временной масштаб «медленного» времени, ω - «быстрая» частота гармонических осцилляций электрического поля. Условие квазистатичности амплитуды осцилляций электрического поля сводится к условию ωТ>>1. На фиг.11 показано распределение осевой компоненты напряженности электрического поля вдоль канала транспортировки для нескольких близко расположенных моментов времени t, t+δt, t+2δt, t+3δt, … (то есть в «быстром» масштабе времени). На фиг.12 показано, как меняется огибающая осевой компоненты напряженности электрического поля вдоль канала для некоторых достаточно далеко отстоящих друг от друга моментов времени t и, t+Δt (то есть в «медленном» масштабе времени). Такой закон изменения осевой компоненты электрического поля во времени принципиальным образом отличается от графиков, показанных на фиг.3 и фиг.4.
0
Двумерный график псевдопотенциала этого высокочастотного электрического поля показан на фиг.13. Поведение псевдопотенциала  вдоль оси OZ описывается формулой , где Е - амплитуда высокочастотного поля; m - масса иона; ω - частота высокочастотного поля; L и Т - характерные длина и время соответственно; то есть  представляет собой медленно двигающуюся вдоль оси OZ синусоидальную волну (см. фиг.14). Точно также, как это происходит в высокочастотном электрическом поле прототипа, псевдопотенциал которого показан на фиг.5, заряженные частицы отталкиваются высокочастотным электрическим полем с псевдопотенциалом, показанном на фиг.13, от электродов и концентрируются вблизи оси устройства. Однако, подобно тому, как заряженные частицы отталкиваются псевдопотенциальным барьером от электродов и концентрируются вблизи оси, максимумы псевдопотенциала отталкивают заряженные частицы и заставляют их концентрироваться в окрестностях тех точек оси, где быстро меняющееся электрическое поле характеризуется минимумами псевдопотенциала. В отличие от случая квазистатического электрического потенциала, заряженные частицы с зарядами обоих знаков одинаково концентрируются вблизи минимумов псевдопотенциала. При «медленном» перемещении минимума псевдопотенциала вдоль оси OZ заряженные частицы вынуждены перемещаться синхронно с минимумами псевдопотенциала. Этот процесс иллюстрируется фиг.15.
Существенное различие между электрическим полями, используемыми прототипом, и электрическими полями, используемыми в заявляемом устройстве, заключается в качественно разных законах изменения электрических полей во времени, что наглядно иллюстрируется фиг.3-4 и фиг.11-12, а количественно описывается разницей в поведении псевдопотенциалов соответствующих высокочастотных полей, как показано на фиг.5 и фиг.13-14.
Численное моделирование движения заряженных частиц в указанном высокочастотном электрическом поле при наличии нейтрального газа подтверждает приведенную здесь качественную картину движения. На фиг.16-18 показаны решения соответствующих дифференциальных уравнений для набора заряженных частиц, равномерно распределенных в начальный момент времени на некотором отрезке канала транспортировки с некоторым смещением в радиальном направлении относительно оси. На фиг.16 показана зависимость координаты z(t) (которая соответствует оси устройства) от времени t. На фиг.17 показана зависимость z(t)-νt, где ν - скорость перемещения минимумов псевдопотенциала вдоль канала транспортировки, являющаяся характеристикой высокочастотного электрического поля. На фиг.18 показана зависимость координаты r(t) (которая соответствует радиальному направлению) от времени t. Наглядно видно, что происходит разбиение совокупности заряженных частиц на пространственно сепарированные пакеты, которые затем синхронно транспортируются с постоянной скоростью ν вдоль канала транспортировки в соответствии с перемещением минимумов псевдопотенциала быстро осциллирующего электрического поля.
Указанная картина происходит как при транспортировке заряженных частиц в вакууме, так и при транспортировке заряженных частиц в разреженном газе, когда рассеяние заряженных частиц при столкновениях с молекулами нейтрального газа моделируется методом Монте-Карло. Различие состоит в том, что при наличии демпфирующего газа те заряженные частицы, которые не попали изначально в область устойчивости в окрестности минимума псевдопотенциала, перескакивают в одну из предшествующих областей устойчивости, захватываются ею и продолжают синхронно двигаться вдоль канала транспортировки с соответствующим постоянным смещением пакета заряженных частиц вдоль канала транспортировки (этот процесс наглядно виден на фиг.17). При отсутствии демпфирующего действия газа частицы, оказавшиеся в области неустойчивости, последовательно перескакивают назад по каналу транспортировки от одной области неустойчивости к другой, одновременно раскачиваясь в радиальном направлении - пока, в конце концов, не выйдут за пределы устройства или не столкнутся с электродами.
Приведенный пример иллюстрирует общий принцип, на котором основана работа заявляемого устройства. Если высокочастотное поле некоторого устройства характеризуется меняющимся во времени псевдопотенциалом, у которого вдоль канала транспортировки заряженных частиц имеется минимум, перемещающийся во времени вдоль канала транспортировки, то заряженные частицы в результате воздействия указанного высокочастотного поля группируются в окрестности минимума псевдопотенциала, а при перемещении минимума вдоль канала транспортировки осуществляется синхронизированное во времени перемещение образовавшегося пакета заряженных частиц (фиг.19). Точно также наличие вдоль канала транспортировки движущегося максимума псевдопотенциала «выпихивает» из канала транспортировки заряженные частицы, оказавшиеся впереди максимума (фиг.20). В случае если псевдопотенциал имеет вдоль канала транспортировки перемежающиеся максимумы и минимумы, как в приведенном выше примере, происходит разбиение совокупности заряженных частиц, попавших в канал транспортировки, на локализованные в пространстве пространственно сепарированные пакеты заряженных частиц, синхронно перемещаемые от входа к выходу (фиг.21).
В силу специфики псевдопотенциала, указанные пакеты заряженных частиц объединяют как положительно заряженные, так и отрицательно заряженные частицы с разными массами и кинетическими энергиями (кинетическая энергия не должна быть настолько большой, чтобы заряженные частицы могли преодолеть псевдопотенциальные барьеры, ограничивающие пространственно сепарированные пакеты заряженных частиц).
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемой полезной модели, является обеспечение возможности объединения в едином транспортируемом пакете положительно и отрицательно заряженных частиц.
При этом заявляемое устройство, как будет показано ниже, обеспечивает широкие возможности манипулирования заряженными частицами.
В заявляемом устройстве наличие буферного газа в канале для транспортировки заряженных частиц для гашения их кинетической энергии не является безусловно необходимым, и процесс перемещения заряженных частиц может осуществляться в вакууме, если псевдопотенциальные барьеры достаточно высоки.
Электрические поля, используемые в заявляемом устройстве и в его прототипе в патенте US 6812453, выполняют двоякую функцию: удержание заряженных частиц в окрестности канала транспортировки и перемещение заряженных частиц вдоль канала транспортировки. Если разбить в патенте US 6812453 высокочастотные напряжения, прикладываемые к электродам устройства, на удерживающие напряжения (то есть преимущественно обеспечивающие удержание заряженных частиц в радиальном направлении) и управляющие напряжения (то есть преимущественно обеспечивающие перемещение заряженных частиц вдоль канала для перемещения заряженных частиц), то управляющие напряжения и создаваемое ими электрическое поле в заявляемом устройстве будут принципиальным образом отличаться от используемых в прототипе из патента US 6812453 как по форме, так и по воздействию, оказываемому ими на заряженные частицы. То же самое справедливо для полного электрического поля, являющегося суммой управляющего электрического поля и удерживающего электрического поля.
Вообще говоря, наличие дополнительных удерживающих полей в заявляемом устройстве не является необходимым, поскольку эту функцию с успехом могут выполнять те же электрические поля, которые обеспечивают транспортировку заряженных частиц. В случае присутствия в заявляемом устройстве удерживающих электрических полей (см. далее) они, по большей части, имеют такой же вид, что и для ближайшего аналога. Однако в то время как для ближайшего аналога наличие удерживающих высокочастотных электрических полей является неотъемлемой компонентой изобретения, для заявляемого устройства наличие отдельных удерживающих высокочастотных полей не является необходимым, если псевдопотенциальные барьеры, образуемые управляющим высокочастотным полем, достаточно высоки.
n
n0
n
nk
nk
k
k
k
k
n
Для идентификации, что конкретное высокочастотное электрическое поле относится к заявляемому классу высокочастотных электрических полей, необходимо определить способ вычисления значения медленно меняющегося псевдопотенциала по заданному высокочастотному электрическому полю. По определению, псевдопотенциал  - это такая скалярная функция, высчитываемая по определенным правилам через имеющееся в системе высокочастотное поле, что усредненное движение заряженной частицы в данном высокочастотном электрическом поле описывается уравнениями движения заряженной частицы в псевдоэлектрическом поле  с точностью до поправочных членов малого порядка. Когда напряжения U(t)=U·f(t), приложенные к электродам, меняются во времени как  где p(t) и q(t) - «медленные» функции, а ω - «быстрые» и «далеко разнесенные» частоты, высокочастотное электрическое поле  в точке пространства (x, y, z) в момент времени t может быть представлено в виде , где функции  и  - это «медленные» функции времени, a cos(ωt) и sin(ωt) - «быстро» осциллирующие по гармоническому закону функции, частоты ω которых далеко разнесены друг от друга. В этом случае медленно меняющийся во времени псевдопотенциал , который описывает усредненное движение заряженной частицы, вычисляется в соответствии с формулой , где q - заряд частицы, а m - масса частицы. Для того чтобы сигналы указанные f(t) могли быть представлены в требуемом каноническом виде, требуется, чтобы после преобразования Фурье спектр сигнала распадался на достаточно далеко разнесенные друг от друга и достаточно короткие интервалы, вне которых спектральная функция может считаться равной нулю (см. фиг.10). Данное математическое выражение для псевдопотенциала выводится из его физического смысла, где физический смысл является определяющим. Для случая импульсных функций формула для вычисления псевдопотенциала строится похожим образом с заменой континуальных гармоник на дискретные гармоники. Обобщение классической теории псевдопотенциала на класс медленно меняющихся псевдопотенциалов является новым и ранее не использовалось.
Разбиение заряженных частиц на локальные пространственно сепарированные пакеты и их транспортировка от входа устройства к выходу устройства - далеко не единственная возможность управлять поведением заряженных частиц с помощью указанных высокочастотных электрических полей.
z
0
0
z
0
k
Так, если вместо осевого высокочастотного электрического поля, меняющегося по закону Е(z,t)=Ecos(z/L-t/T)·cos(ωt), где Е - амплитуда высокочастотного поля; ω - частота высокочастотного поля; L и Т - характерные длина и время соответственно; мы синтезируем высокочастотное электрическое поле, осевая компонента которого меняется по закону E(z,t)=Ecos[z/L-g(t))·cos(ωt), где g(t) - заданная квазистатическая функция времени, медленно меняющаяся во времени по сравнению с функцией ωt, то тем самым вместо равномерной транспортировки мы обеспечим перемещение центров пакетов заряженных частиц по закону z(t)=L·g{t)-πL(k+1/2) вдоль канала транспортировки вместо равномерного перемещения. Тем самым, в частности, мы получим возможность переправлять заряженные частицы на вход последующего устройства в заданные моменты времени, синхронизированные во времени с импульсным режимом функционирования выходного устройства, если это необходимо.
Если вместо функции z/L мы используем в этой формуле любую другую функцию h(z), мы получаем возможность управлять положением центров пакетов заряженных частиц в процессе транспортировки и, например, целенаправленно сгущать и/или разрежать их вдоль канала транспортировки на определенных участках в определенные моменты времени.
Функция g(t), указанная ранее, не обязательно должна быть монотонной функцией времени. Если она имеет осциллирующий характер, то перемещение пакетов заряженных частиц вдоль канала транспортировки будет иметь осциллирующий характер. В частности, это можно использовать, чтобы организовать циклическое перемещение пакетов заряженных частиц от входа к выходу и обратно, создав тем самым ловушку для заряженных частиц или накопительный объем для целенаправленного манипулирования заряженными частицами.
z
z
0
0
Дополнительные возможности по манипулированию заряженными частицами на основе указанного общего принципа предоставляет целенаправленное конструирование таких высокочастотных электрических полей, у которых значения псевдопотенциала в точках минимума и максимума удовлетворяют определенным дополнительным требованиям. Рассмотрим, например, устройство, в котором закон изменения осевой компонента E(z,t) высокачастотного электрического поля в зависимости от времени t задан как Е(z,t)=Е(π/2+arctan(z/H))·cos(z/L-t/T)·cos(ωt), где Е - характерный масштаб изменения амплитуды осевого распределения электрического поля, z - пространственная координата вдоль оси канала перемещения заряженных частиц, Н - характерный пространственный масштаб «затухания» осцилляции псевдопотенциала, L - характерный пространственный масштаб одиночной осцилляции псевдопотенциала, Т - характерный «медленный» временной масштаб смещения осцилляции псевдопотенциала вдоль оси устройства, ω - «быстрая» частота высокочастотных гармонических колебаний электрического поля, причем Н>>L и ωТ>>1, как показано на фиг.22. Тогда при -∞<z<-2Н амплитуда высокочастотного электрического поля будет практически равна нулю, а крайне малые локальные максимумы и минимумы его псевдопотенциала, показанного на фиг.23 не будут оказывать воздействия на перемещение заряженных частиц вдоль оси OZ на данном участке длины канала для перемещения заряженных частиц. Тем самым при -∞<z<-2Н мы будем иметь область накопления заряженных частиц вместо области транспортировки заряженных частиц. Однако по мере приближения к точке z=0 можно наблюдать монотонно нарастающие максимумы псевдопотенциала, образующие уходящую в сторону z=+∞ нарастающую и перемещающуюся вдоль оси волну. Такая структура обеспечивает «откачку» заряженных частиц из накопительного устройства и последовательное перемещение их к выходу из устройства в виде набора пространственно сепарированных и синхронизированных во времени пакетов заряженных частиц.
z
0
0
Прибавив к описанной структуре псевдопотенциала высокочастотное поле, подчиняющееся на оси устройства закону E(z,t)=0,45E(π/2-arсtan(z/H))·sin(ωt), где E - характерный масштаб изменения амплитуды осевого распределения электрического поля, z - пространственная координата вдоль оси канала перемещения заряженных частиц, Н - характерный пространственный масштаб «затухания» осцилляции псевдопотенциала, ω - «быстрая» частота высокочастотных гармонических колебаний электрического поля; получим отрезок с монотонно убывающими максимумами и минимумами, как на фиг.24, увеличивая тем самым эффективность захвата и откачки как положительно, так и отрицательно заряженных частиц. В этой схеме не очень приятной платой за увеличение эффективности откачки заряженных частиц является то, что в накопительной области имеется существенно ненулевое высокочастотное поле, постоянно «раскачивающее» заряженные частицы и увеличивающее их среднюю кинетическую энергию.
0
0
2
Похожая добавка к псевдопотенциалу может быть организована с помощью постоянного электрического поля с потенциалом U(z)=U(π/2-arctan(z/H)), где  - масштаб скачка электростатического потенциала, Н - характерный пространственный масштаб «затухания» осцилляции псевдопотенциала высокочастотного электрического поля, Е - характерный масштаб изменения амплитуды осевого распределения электрического поля, q - заряд частицы, m - масса частицы. Однако, в этом случае происходит стягивание в область захвата заряженных частиц только одного знака (фиг.25 показывает суммарную притягивающую потенциальную функцию, действующую на положительно заряженные частицы, а фиг.26 показывает суммарную отталкивающую потенциальную функцию, действующую на отрицательно заряженные частицы). На фиг.27 и фиг.28 показан аналогичный эффект, достигаемый приложением постоянного электрического поля. На фиг.29 приведена структура электродов, которая может обеспечить высокочастотное поле, сопрягающее накопительную область с регулярной откачкой с ее края дискретных пакетов заряженных частиц.
Динамическое понижение в какой-то момент времени в процессе транспортировки заряженных частиц амплитуды псевдопотенциала в точке максимума псевдопотенциала, разделяющей два соседних минимума псевдопотенциала, предоставляет новые дополнительные возможности по целенаправленному манипулированию заряженными частицами. При такой операции становится возможным объединение содержимого двух соседних пакетов заряженных частиц в один пакет заряженных частиц. При этом в зависимости от уровня, до которого понижается максимум псевдопотенциала, возможно как полное объединение соседних пакетов заряженных частиц, так и частичный переход заряженных частиц из одного пакета в другой. В частности, с учетом того, что одно и то же распределение высокочастотного поля порождает для разных масс разные псевдопотенциалы с разной высотой барьера, можно сделать обмен заряженными частицами между соседними пакетами масс-селективным.
Вместо изменения значения псевдопотенциала в точке максимума или параллельно с изменением значения псевдопотенциала в точке максимума можно целенаправленно изменять значение псевдопотенциала в точке минимума. При повышении значения выбранного минимума псевдопотенциала выше некоторого порога можно избирательно разрушать отдельные пакеты заряженных частиц. По той же схеме можно «переливать» содержимое пакета заряженных частиц в соседний пакет заряженных частиц за счет синхронизированного понижения максимума псевдопотенциала, расположенного между двумя минимумами псевдопотенциала, и повышения одного из двух минимумов псевдопотенциала, а затем восстанавливать использованную область захвата заряженных частиц в прежнем состоянии, но уже без заряженных частиц внутри нее. В силу того, что значение псевдопотенциала зависит от массы заряженной частицы и для различных частиц является разным, этот процесс можно сделать масс-селективным.
Для надежного радиального удержания заряженных частиц в окрестности канала транспортировки базового высокочастотного электрического поля, характеризуемого медленно меняющимся псевдопотенциалом с экстремумом или экстремумами, перемещающимися вдоль канала транспортировки, может быть недостаточно. Для обеспечения надежного радиального удержания заряженных частиц может использоваться дополнительное высокочастотное или импульсное электрическое поле, псевдопотенциал которого не имеет экстремума или экстремумов, перемещающихся вдоль канала транспортировки, но который формирует радиочастотный барьер для заряженных частиц при их удалении от оси устройства, при приближении к электродам. В случае, если надо временно или постоянно заблокировать выход заряженных частиц через конец или концы канала транспортировки заряженных частиц, указанные высокочастотные электрические поля и создаваемые ими радиочастотные барьеры могут быть локализованы на оси канала транспортировки около соответствующего конца или концов канала транспортировки.
Вместо высокочастотных электрических полей для той же цели могут использоваться статические или квазистатические электрические поля. Так, радиальное удержание пучка можно обеспечить системой периодических электростатических линз, а блокировку выхода заряженных частиц через конец или концы транспортирующего устройства можно обеспечить дополнительным потенциальным барьером, обеспечиваемым приложением к концевым электродам канала транспортировки постоянного напряжения.
Как дополнительные высокочастотные или импульсные электрические поля, так и дополнительные статические или квазистатические поля могут использоваться в устройстве для манипулирования заряженными частицами для других целей, отличных от улучшения радиального удержания заряженных частиц и/или блокировки выхода заряженных частиц через концы канала транспортировки. К ним относятся: а) улучшение пространственной изоляции отдельных пакетов заряженных частиц друг от друга, б) улучшение временной синхронизации перемещения пакетов заряженных частиц вдоль канала транспортировки и/или временной синхронизации выхода пакетов заряженных частиц из устройства и/или временной синхронизации загрузки заряженных частиц в устройство, в) дополнительное управление транспортировкой заряженных частиц в устройстве.
Частным случаем дополнительного управления транспортировкой заряженных частиц является создание локальных потенциальных барьеров и/или локальных потенциальных ям на пути транспортировки заряженных частиц. Указанные потенциальные барьеры и/или ямы могут создаваться как высокочастотными электрическими полями, так и статическими и/или квазистатическими электрическими полями. Высокочастотные барьеры и/или ямы могут использоваться, в частности, для привнесения масс-селективных эффектов в процесс транспортировки заряженных частиц. Статические и квазистатические барьеры и/или ямы могут использоваться, в частности, для отделения положительно заряженных частиц от отрицательно заряженных частиц. Потенциальные барьеры и/или ямы как одного, так и другого типа могут использоваться для блокировки и/или разблокировки переноса заряженных частиц, изменения кинетической энергии заряженных частиц и др. Указанные потенциальные барьеры и/или ямы могут существовать постоянно, включаться и/или выключаться на определенном интервале или в определенные моменты времени, изменять свои параметры (высоту и/или глубину), перемещаться вдоль канала транспортировки или вдоль части длины канала транспортировки.
Частным случаем дополнительного управления транспортировкой заряженных частиц является создание локальных зон устойчивости и/или локальных зон неустойчивости движения заряженных частиц вдоль длины канала транспортировки. Указанные локальные зоны устойчивости и/или локальные зоны неустойчивости движения могут существовать постоянно, включаться и/или выключаться на определенном интервале или в определенные моменты времени, изменять свои параметры (высоту и/или глубину), перемещаться вдоль канала транспортировки или вдоль части длины канала транспортировки.
Например, суперпозиция статического или квазистатического поля и высокочастотного поля, как это происходит в квадрупольных масс-фильтрах, позволяет создавать отдельные зоны, через которые могут транспортироваться только те частицы, которые имеют заданный контролируемый диапазон масс. Другой способ управлять устойчивостью движения и, в частности, перестраивать окно масс, соответствующих устойчивому движению заряженных частиц, состоит в перестройке несущей частоты высокочастотного напряжения и/или приложении дополнительных высокочастотных напряжений с кратными частотами (что соответствует в теории квадрупольных радиочастотных масс-фильтров и ионных ловушек переходу от уравнения Матье к более общему уравнению Хилла, предоставляющему более широкие возможности по конфигурации зон устойчивости).
Перемещающиеся вдоль канала транспортировки локальные области захвата заряженных частиц, ограниченные максимумами псевдопотенциала, фактически представляют собой набор локальных ионных ловушек, и с ними можно обращаться точно так же, как это принято в масс-спектрометрии ионных ловушек. Приложение к локальным медленно перемещающимся вдоль оси областям захвата заряженных частиц, сосредоточенных вокруг минимумов псевдопотенциала основного высокочастотного поля, резонансных раскачивающих высокочастотных напряжений позволяет осуществлять селективную экстракцию заряженных частиц определенной массы, как это происходит в ионных радиочастотных ловушках, а также осуществлять другие операции по селективному управлению ансамблем заряженных частиц, хорошо разработанных в масс-спектрометрии ионных радиочастотных ловушек. Достоинством этих операций, осуществляемых над локальными областями захвата, а не над отдельным устройством типа ионной радиочастотной ловушки, является то, что эти достаточно времяемкие операции не вызывают в данном случае специальных пауз в работе источника ионов и анализирующего ионы устройства. Действительно, указанные операции лишь замедляют время, требуемое для транспортировки конкретной группы частиц от входа к выходу, поскольку во время выполнения операций над локальной зоной захвата новые пакеты заряженных частиц продолжают загружаться в устройство для транспортировки заряженных частиц, и уже обработанные пакеты заряженных частиц поступают в анализирующее устройство.
Для создания указанных выше высокочастотных, импульсных, статических, квазистатических и переменных электрических полей могут использоваться как дополнительные электроды устройства, так и уже существующие электроды устройства, к которым прикладываются соответствующие дополнительные напряжения.
Канал для транспортировки заряженных частиц может быть как прямолинейным, так и криволинейным (см. фиг.30 и фиг.31). Канал для транспортировки может быть замкнут в кольцо, постоянно или на каком-то интервале времени, или устройство может осуществлять двунаправленные циклические перемещения заряженных частиц от входа к выходу и обратно, постоянно или на каком-то интервале времени (в этих случаях образуется ионная ловушка, и/или накопительное устройство, и/или выделенный объем для манипулирования заряженными частицами).
Профиль сечения канала транспортировки может меняться по длине канала. Частным случаем переменного профиля является профиль канала для транспортировки, который имеет конфигурацию воронки и осуществляет сжатие потока заряженных частиц в процессе транспортировки (см. фиг.32).
Канал для транспортировки в сечении центральной части может иметь дополнительный электрод, осуществляя тем самым транспортировку пакетов заряженных частиц, имеющих кольцевую конфигурацию. Например, на фиг.33 показана одиночная диафрагма с дополнительным электродом в центре, а на фиг.34 показан канал, составленных из подобных диафрагм, выровненных по одной оси, который обеспечивает формирование пакетов заряженных частиц, имеющих в сечении кольцевую структуру.
Вместо создания пакетов заряженных частиц с кольцевым сечением дополнительный электрод или дополнительная система электродов в центре канала для перемещения заряженных частиц могут служить для того, чтобы разбить основной канал на несколько несвязанных областей захвата заряженных частиц, то есть на несколько дочерних каналов для перемещения заряженных частиц. Пример одиночной диафрагмы, обеспечивающей такую электродную конфигурацию, показан на фиг.35. Несмотря на то, что показанная на фиг.35 геометрическая область для перемещения заряженных частиц представляет собой связное кольцо, в силу особенностей структуры создаваемых в объеме канала высокочастотных электрических полей эта область распадается на несколько несвязанных между собой областей захвата заряженных частиц. В каждой области захвата заряженные частицы перемещаются независимо и в каждой области захвата есть возможность независимого управления движением заряженных частиц с помощью дополнительных электрических полей, создаваемых дополнительными напряжениями, прикладываемыми к соответствующим частям периодической последовательности диафрагм.
Канал для транспортировки может быть разбит на отдельные сегменты, в каждом из которых транспортировка заряженных частиц отличается своей спецификой. Канал для транспортировки может представлять собой последовательность каналов для транспортировки, разделенных переходными областями и/или устройствами.
Канал транспортировки может представлять собой несколько параллельно работающих каналов. Канал для транспортировки может расщепляться на несколько параллельных каналов (см. фиг.36), например, когда каждый канал настроен на транспортировку вполне определенного диапазона масс, «зачерпываемых» из общего канала транспортировки. Нескольких параллельных каналов для перемещения заряженных частиц могут объединяться в единый канал для перемещения заряженных частиц (см. фиг.37), например, если надо осуществлять динамическое переключение между разными источниками заряженных частиц и/или смешивание разных потоков заряженных частиц в один поток заряженных частиц. Способ, при котором расщепление канала на нескольких дочерних каналов и/или объединение нескольких дочерних каналов в общий канал осуществляется специальным образом сконструированным высокочастотным электрическим полем вместо жесткой структуры, составленной из дополнительных электродов, был продемонстрировпан ранее на фиг.35. Наконец, канал для транспортировки может содержать в своем составе область, выполняющую функцию накопительного объема для заряженных частиц (см. фиг.38).
При попеременно-двунаправленной транспортировке заряженных частиц или в случае, когда заряженные частицы используются и/или анализируются непосредственно в канале транспортировки, один или оба конца у канала транспортировки могут быть заглушены. Заглушка может иметь вид постоянной конструктивной особенности или управляться электрическим полем. Для отражения заряженных частиц в обратном направлении и для создания задержки, необходимой для перестройки управляющих напряжений для транспортировки заряженных частиц в обратном направлении, заглушка может иметь вид электронно-оптического зеркала, использующее как статические или квазистатические электрические поля, так и высокочастотные электрические поля.
Для ввода заряженных частиц в канал для транспортировки заряженных частиц может иметься устройство для ввода заряженных частиц, работающее в непрерывном режиме, или в импульсном режиме, или обладающее способностью переключаться между импульсным режимом и непрерывным режимом работы. Для вывода заряженных частиц из канала для транспортировки заряженных частиц может иметься устройство для вывода заряженных частиц, работающее в непрерывном режиме, или в импульсном режиме, или обладающее способностью переключаться между импульсным режимом и непрерывным режимом работы. Для генерирования заряженных частиц непосредственно в канале для транспортировки заряженных частиц может иметься устройство для генерирования заряженных частиц, работающее в непрерывном режиме, или в импульсном режиме, или обладающее способностью переключаться между импульсным режимом и непрерывным режимом работы. В частности, для генерирования заряженных частиц непосредственно в канале для транспортировки заряженных частиц может использоваться процесс фрагментации первичных заряженных частиц, процесс образования вторичных заряженных частиц в результате взаимодействия с нейтральными или противоположно заряженными частицами, ионизация заряженных частиц с помощью того или иного процесса ионизации.
Для создания в объеме канала транспортировки заряженных частиц требуемого высокочастотного электрического поля могут использоваться электрические напряжения разных типов.
z
0
0
0
*
0
*
0
0
0
0
0
2
2
4
4
Рассмотрим в качестве примера канал для транспортировки заряженных частиц, использующий осевое высокочастотное электрическое поле вида E(z,t)=(U/L)cos(z/L-t/T)·cos(ωt), где U - амплитуда; ω - частота высокочастотного поля; L, Т - характерные длина и время соответственно; определяемое своим электрическим потенциалом U(z,r,t)=Usin(z/L-t/T)·(1+r/4L+r/64L+…)·cos(ωt) (величина r определена как . Этому полю соответствует псевдопотенциал, имеющий на оси устройства значение  (см. фиг.39) и порождающий медленно перемещающиеся вдоль оси устройства пространственные области захвата заряженных частиц (см. фиг.40). Амплитуде высокочастотного поля E(z,t)=(U/L)cos(z/L-t/T) соответствует амплитуда высокочастотного потенциала U(z,r,t)=Usin(z/L-t/T)=Usin(z/L)cos(t/T)-Ucos(z/L)sin(t/T), то есть данный потенциал представляет из себя суперпозицию статических потенциалов Usin(z/L) и Ucos(z/L), квазистатически меняющихся во времени по закону cos(t/T) и sin(t/T).
0
0
R
R
0
0
R
0
R
R
0
R
R
R
R
2
2
4
4
Хорошее приближение к осесимметричному электростатическому полю, имеющему осевое распределение Usin(z/L) (где U - амплитуда; L, - характерная длина), может быть организовано следующим способом. Рассмотрим последовательность соосных кольцевых диафрагм с радиусом R, объединенных в четверки электродов, периодически повторяющиеся по длине канала транспортировки с периодом 2πL (см. фиг.1 и фиг.2 или использованный далее в качестве примера частного случая выполнения изобретения фиг.55). Если к первому и второму электроду приложить потенциалы +U (где U=U(1+R/4L+R/64L+…), где U - амплитуда; L, - характерная длина, R - радиус кольцевых диафрагм), а к третьему и четвертому электроду приложить потенциалы -U, то при достаточно большом радиусе R в точках на оси симметрии образуется распределение потенциала вида Usin(z/L). Соответственно, если к первому и четвертому электроду приложить потенциалы +U, а ко второму и третьему электроду приложить потенциалы - U, то на оси симметрии образуется распределение потенциала вида Ucos(z/L). (Альтернативный вариант для создания на оси устройства распределений потенциала, близких к нужным нам распределениям - это приложить к четверке электродов потенциалы (0,+U,0,-U) для синуса и потенциалы (+U,0,-U,0) для косинуса.)
Осталось вычислить суперпозицию указанных электрических полей. Итак, к первому электроду в каждой четверке электродов надо приложить высокочастотное электрическое напряжение вида cos(ωt+φ), амплитудно-модулированное по закону  ко второму - напряжение, амплитудно-модулированное по закону , к третьему - напряжение, амплитудно-модулированное по закону , к четвертому - напряжение, амплитудно-модулированное по закону .
Графики напряжений, приложенных к первому, второму, третьему и четвертому электроду в каждой четверке показаны на фиг.41. Для сравнения на фиг.8 были ранее показаны графики напряжений, которые надо прикладывать к этим же электродам для создания в канале транспортировки электрического поля, соответствующего устройству из патента US 6812453, которое является наиболее близким к заявляемому устройству. Поскольку амплитудная модуляция электрических напряжений, прикладываемых к первому и третьему электроду (а также ко второму и четвертому) будет одной и той же, а разность фаз высокочастотных напряжений, прикладываемых к соседним электродам, в данном случае оказывается несущественной, период повторения электрических напряжений, прикладываемых к электродам, можно сократить с 4 до 2 с одновременным сжатием в два раза последовательности пакетов заряженных частиц.
*
С помощью показанного здесь приема можно легко синтезировать электрические напряжения, требуемые для периодически повторяющейся системы диафрагм, создающих на оси устройства высокочастотное электрическое поле с псевдопотенциалом, имеющем вид , где U - амплитуда псевдопотенциала, L - характерная длина между последовательными минимумами псевдопотенциала, Т - характерное время перемещения минимумов псевдопотенциала вдоль длины канала, n - натуральное число, характеризующее крутизну стенок образующихся псевдопотенциальных областей захвата заряженных частиц. Например, на фиг.42 показаны электрические напряжения, которые требуется приложить к повторяющимся шестеркам кольцевых электродов для создания высокочастотного электрического поля, обладающего осевым распределением псевдопотенциалом  (фиг.43) и соответствующими зонами захвата заряженных частиц (фиг.44), медленно перемещающимися вдоль оси устройства.
1
R
2
R
3
R
4
R
R
0
0
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
=
2
2
4
4
Математически эквивалентное электрическое поле может быть создано и другим техническим приемом, без использования амплитудной модуляции высокочастотного напряжения. Пусть даны высокочастотные напряжения со сдвигом частот: U(t)=Ucos((w-1/T)t+φ), U(t)=Usin((w-1/T)t+φ), U(t)=Ucos((w+1/T)t+φ), U(t)Usin((w+1/T)t+φ), где U=U(1+R/4L+R/64L+…), где U - амплитуда; L, - характерная длина, R - радиус кольцевых дифрагм; Т - характерное время; ω - частота высокочастотного напряжения; φ - начальная фаза высокочастотного напряжения. Если к первому электроду приложить сумму электрических напряжений (U+U+U-U)/2, ко второму электроду - сумму электрических напряжений (U-U+U+U)/2, к третьему электроду - сумму электрических напряжений (-U-U-U+U)/2, и к четвертому электроду - сумму электрических напряжений (-U+U-U-U)/2, то получим на каждом из электродов тождественно те же самые электрические напряжения, что и раньше. Вместо высокочастотных напряжений, имеющих близкие частоты и отличающихся друг от друга сдвигом фаз π/2, можно использовать для суммирования напряжений высокочастотные напряжения с близкими частотами и с другим ненулевым сдвигом фаз.
2
Вместо амплитудной модуляции высокочастотных напряжений или комбинирования нескольких высокочастотных напряжений, отличающихся друг от друга постоянным сдвигом частот и фаз, можно использовать фазово-модулированные высокочастотные напряжения, частотно-модулированные высокочастотные напряжения, цуги высокочастотных напряжений, надлежащим образом синхронизированных во времени. Наконец, требуемые электрические напряжения могут быть синтезированы цифровым способом с помощью компьютера, микропроцессора или программируемого импульсного устройства. На фиг.45-54 приведены различные способы получения требуемых высокочастотных напряжений: а) фиг.45 - амплитудная модуляция высокочастотного напряжения cos(ωt) с помощью функции sin(t/T), б) фиг.46 - амплитудная модуляция высокочастотного напряжения cos(ωt) c помощью функции sin(t/T)=(1-cos(2t/T))/2, в) фиг.47 - амплитудная модуляция высокочастотного напряжения cos(ωt) c помощью функции (1-γt/T)sin(t/T), г) фиг.48 - сумма четырех высокочастотных напряжений с разными частотами sin((ω+1/T)t)-sin((ω-1/T)t)+cos((ω+1/T)t)+cos((ω-1/T)t), сдвинутая по фазе на π/4, д) фиг.49 - суперпозиция фазово модулированных высокочастотных напряжений, которая задается формулой cos(ωt+cos(t/T))+cos(ωt-cos(t/T))-cos(ωt), е) фиг.50 - суперпозиция фазово модулированных высокочастотных напряжений, которая задается формулой cos(ωt+sin(cos(t/T)))+cos(ωt-sin(cos(t/T)))-1.3cos(ωt), ж) фиг.51 - частотная модуляция высокочастотного напряжения cos(ωt) с помощью функции sin(t/T)/(t/T), з) фиг.52 - частотная модуляция высокочастотного напряжения cos(ωt) c помощью осциллирующей функции. Понятное дело, что требуемые электрические напряжения, прикладываемые к электродам, могут создаваться и другими техническими приемами - поведение эффективного потенциала создаваемого высокочастотного электрического поля является здесь определяющим фактором.
Напряжения, приложенные к электродам, не обязаны быть строго периодическими (см. фиг.47). Все указанные способы синтеза напряжений, прикладываемых к электродам транспортирующей системы, обеспечивают создание в канале транспортировки высокочастотного электрического поля с требуемыми свойствами.
Использование в качестве базового высокочастотного напряжения, которое подвергается амплитудной модуляции, фазовой модуляции, частотной модуляции и так далее, именно гармонического напряжения, меняющегося по закону cos(ωt+φ), не является обязательным. В качестве такого напряжения с равным успехом могут использоваться периодические негармонические высокочастотные напряжения, и/или высокочастотные напряжения, содержащие в своем частотном спектре две или более частоты, и/или высокочастотные напряжения, содержащие в своем частотном спектре бесконечный набор частот, и/или импульсные высокочастотные напряжения.
Для создания в объеме канала транспортировки заряженных частиц требуемого высокочастотного электрического поля могут использоваться конфигурации электродов разных типов.
Изображенная на фиг.1 и фиг.2 конфигурация из периодически повторяющихся круговых диафрагм не является ни единственной, ни оптимальной конфигурацией электродов, хотя, возможно, она является самой экономной и конструктивно простой. На фиг.53 показана одиночная диафрагма с квадратным сечением, которая будет впоследствии использована в качестве примера частного случая выполнения заявляемого изобретения. На фиг.54 показана квадруполе-подобная конфигурация, рассчитанная аналитически с целью избавиться от дополнительного радиочастотного напряжения, требуемого в случае круговых диафрагм для более эффективного прижатия заряженных частиц к оси устройства (профили электродов этой одиночной диафрагмы уже не будут в точности гиперболами, соответствующими квадратичному электрическому полю, их приближенное описание представляется кривыми четвертого порядка, а точное уравнение содержит высшие трансцендентные функции). На фиг.55, фиг.56 и фиг.57 показаны огрубленные профили электродов, аппроксимирующие упомянутую аналитически рассчитанную форму с помощью прямоугольных, треугольных и трапециедальных профилей. Аналогичным образом конструируются конфигурации электродов, использующие высшие мультипольные компоненты в качестве основы. Например, на фиг.58 показана система электродов из разрезных круговых стержней, служащая для создания в канале транспортировки высокочастотного электрического поля, состоящего из высших мультипольных (секступольных) компонент. На фиг.59 показана последовательность из чередующихся одиночных диафрагм с прямоугольными отверстиями, развернутыми относительно друг друга, которая также создает требуемые мультипольные компоненты псевдопотенциала, неоднородные вдоль канала для перемещения заряженных частиц (данная конфигурация электродов будет рассмотрена далее в качестве примера частного случая выполнения заявляемого изобретения). На фиг.60 показаны плоские разрезные диафрагмы с криволинейным профилем в сочетании со сплошным электродом с криволинейным профилем, которые также создают требуемые мультипольные компоненты псевдопотенциала вдоль канала для перемещения заряженных частиц. Данная конфигурация электродов в совокупности образует квадруполеподобную структуру электродов, а структура электрического поля внутри объема устройства может быть такова, что к сплошному электроду не надо прикладывать высокочастотные напряжения (данная конфигурация электродов будет рассмотрена далее в качестве примера частного случая выполнения заявляемого изобретения).
Конструктивно электроды устройства могут быть выполнены в виде объемных тел, тонких сплошных поверхностей, представлять из себя проводящие слои металла, нанесенные на диэлектрическую подложку, иметь вид сеток. Сеточные электроды являются удобными, когда транспортировка заряженных частиц осуществляется в потоке газа и требуется обеспечить конфигурацию электродов, оказывающих потоку газа минимальное сопротивление. Той же самой цели служат, например, проволочные электроды и электроды с разрезами и/или специальным образом организованными отверстиями, не влияющими или влияющие слабо на создаваемое электродами электрическое поле.
Устройство может использоваться как для транспортировки и манипулирования заряженными частицами в вакууме, так и в нейтральном или частично ионизированном газе. Важным случаем является случай, когда транспортировка заряженных частиц осуществляется в потоке газа, поскольку этот случай соответствует интерфейсу между газонаполненным источником ионов и анализирующим устройством, функционирующим в условиях вакуума. Для ввода и/или вывода из устройства заряженных частиц некоторые электроды могут иметь дополнительные отверстия или щели. Ввод и/или вывод из устройства заряженных частиц может осуществляться также через промежутки между электродами. Для ввода и/или вывода заряженных частиц из устройства могут требоваться дополнительные импульсные или ступенчатые напряжения, не связанные непосредственно с транспортировкой заряженных частиц внутри устройства.
Ниже представлено краткое описание чертежей.
Фиг.1. Одиночная круговая диафрагма, использующаяся в качестве одного из возможных электродов в устройстве согласно патенту US 6812453.
Фиг.2. Возможное расположение электродов устройства согласно патенту US 6812453. Устройство содержит систему электродов, представляющую собой последовательность соосных пластин с отверстиями, расположенных с образованием между электродами внутреннего объема, ориентированного вдоль продольной оси устройства и предназначенного для перемещения в нем ионов.
z
Фиг.3. Возможное распределение осевой компоненты напряженности электрического поля E(z,t) вдоль канала для перемещения заряженных частиц для нескольких близко расположенных моментов времени t, t+δt, t+2δt, t+3δt, … (для устройства согласно патенту US 6812453).
a
Фиг.4. Возможная огибающая осевой компоненты напряженности электрического поля Е(z,t) вдоль канала для некоторых достаточно далеко отстоящих друг от друга моментов времени t и t+Δt, Δt>>δt (для устройства согласно патенту US 6812453).
Фиг.5. Возможное двумерное распределение вдоль длины канала для перемещения заряженных частиц (ось z) и в одном из перпендикулярных направлений (ось x) псевдопотенциала  для устройства согласно патенту US 6812453.
a
Фиг.6. Возможное двумерное распределение (в некоторый момент времени) вдоль длины канала для перемещения заряженных частиц (ось z) и в одном из перпендикулярных направлений (ось x) потенциала U(x, y, z, t) квазистатического электрического поля для устройства согласно патенту US 6812453.
a
Фиг.7. Возможное распределение (в некоторый момент времени) потенциала U(z,t) квазистатического электрического поля, вдоль оси канала для перемещения заряженных частиц (ось z) для устройства согласно патенту US 6812453.
1
2
3
4
Фиг.8. Возможные электрические напряжения U(t), U(t), U(t), U(t) на первом, втором, третьем, четвертом электродах соответственно в каждой из периодически повторяющихся четверок электродов согласно патенту US 6812453.
a
a
Фиг.9. Захват вдоль канала для перемещения заряженных частиц (ось z) отрицательно заряженных частиц максимумами квазистатического потенциала U(z,t) и положительно заряженных частиц минимумами квазистатического потенциала U(z,t).
Фиг.10. Пример спектра Фурье F(ω) для прикладываемых высокочастотных напряжений f(t), которые могут быть представлены в каноническом эквивалентном виде как сумма «быстрых» гармоник с «медленно» меняющимися амплитудами.
z
Фиг.11. Возможное распределение осевой компоненты напряженности электрического поля E(z,t) вдоль оси канала для перемещения заряженных частиц (ось z) для нескольких близко расположенных моментов времени t, t+δt, t+2δt, t+3δt, … для заявляемого устройства.
a
Фиг.12. Возможное распределение огибающей осевой компоненты напряженности электрического поля E(z,t) вдоль канала (ось z) для некоторых достаточно далеко отстоящих друг от друга моментов времени t и t+Δt (Δt>>δt) для заявляемого устройства.
Фиг.13. Возможное двумерное распределение вдоль длины канала для перемещения заряженных частиц (ось z) и в одном из перпендикулярных направлений (ось x) для псевдопотенциала  для заявляемого устройства.
Фиг.14. Возможное распределение псевдопотенциала  вдоль канала для перемещения заряженных частиц (ось z) для заявляемого устройства.
Фиг.15. Захват отрицательно и положительно заряженных частиц в местах минимумов псевдопотенциала , расположенных вдоль участка оси z.
z
0
Фиг.16. Зависимость координаты z(t) (соответствует оси устройства) ионных траекторий от времени t для частного случая заявляемого устройства с осевым распределением электрического поля Е(z,t)=Еcos(z/L-t/T)·cos(ωt).
Фиг.17. Зависимость z(t)-νt от времени t, где ν - скорость перемещения минимумов псевдопотенциала вдоль канала для перемещения заряженных частиц. Данная зависимость демонстрирует синхронное перемещение ионных пакетов с общей средней скоростью ν.
Фиг.18. Зависимость координаты r(t) (соответствует радиальному направлению относительно оси канала для перемещения заряженных частиц) от времени t.
1
2
1
2
Фиг.19. Синхронизированное во времени перемещение пакета заряженных частиц и минимума псевдопотенциала  вдоль канала для перемещения заряженных частиц (ось z). На Фиг. показан процесс перемещения минимума псевдопотенциала для разных моментов времени t и t (t<t).
1
2
1
2
Фиг.20. «Выпихивание» заряженных частиц максимумом псевдопотенциала  вдоль канала для перемещения заряженных частиц (ось z) со временем. На Фиг. показан процесс перемещения максимума псевдопотенциала для разных моментов времени t и t(t<t)
1
2
1
2
Фиг.21. Разбиение совокупности заряженных частиц, попавших в канал для перемещения заряженных частиц, на локализованные в пространстве пространственно сепарированные пакеты заряженных частиц, синхронно перемещаемые от входа к выходу в случае, когда псевдопотенциал  имеет вдоль канала для перемещения заряженных частиц (ось z) перемежающиеся максимумы и минимумы. На Фиг. показан процесс перемещения максимумов и минимумов псевдопотенциала для разных моментов времени t и t (t<t).
z
0
0
Фиг.22. Пример распределения высокочастотного электрического поля с неоднородным распределением Е(z,t)=Е(π/2+arctan(z/H))·cos(z/L-t/T)·cos(ωt) осевой компоненты электрического поля вдоль оси устройства (где Е - характерный масштаб изменения амплитуды осевого распределения электрического поля, z - пространственная координата вдоль оси канала перемещения заряженных частиц, Н - характерный пространственный масштаб «затухания» осцилляции псевдопотенциала, L - характерный пространственный масштаб одиночной осцилляции псевдопотенциала, T - характерный «медленный» временной масштаб смещения осцилляции псевдопотенциала вдоль оси устройства, ω - «быстрая» частота высокочастотных гармонических колебаний электрического поля, причем H>>L и ωТ>>1).
Фиг.23. Распределение вдоль канала для перемещения заряженных частиц (ось z) псевдопотенциала  высокочастотного электрического поля с осевой компонентой, показанной на Фиг.22. По мере приближения к точке z=0 можно наблюдать монотонно нарастающие максимумы псевдопотенциала, образующие уходящую в сторону z=+∞ нарастающую и перемещающуюся вдоль оси волну. Данное осевое распределение электрического поля формирует область устойчивого накопления частиц при -∞<z<-2Н, область устойчивого перемещения заряженных частиц при +2Н<z<+∞ и переходную область при -2Н<z<+2Н.
z
0
Фиг.24. Пример псевдопотенциала  для высокочастотного поля, полученного из Фиг.22 добавлением высокочастотного поля, подчиняющегося на оси устройства закону E(z,t)=0.45Е(π/2-arctan(z/H))·sin(ωt). В результате суперпозиции указанных высокочастотных полей в переходной области между областью накопления заряженных частиц и областью откачки заряженных частиц получен отрезок псевдопотенциала  с монотонно убывающими минимумами, увеличивающий эффективность захвата и откачки как положительно, так и отрицательно заряженных частиц.
0
2
Фиг.25. Пример потенциальной функции для положительно заряженных частиц, которая соответствует суперпозиции постоянного электрического поля с осевым распределением потенциала потенциалом U(z)=U(π/2-arctan(z/H)) на оси канала для перемещения заряженных частиц и высокочастотного электрического поля на Фиг.22. График потенциальной функции тождественно совпадает с графиком псевдопотенциала на Фиг.24. В переходной области между областью накопления заряженных частиц и областью откачки заряженных частиц имеется отрезок с монотонно убывающими максимумами и минимумами, увеличивающий эффективность захвата и откачки положительно заряженных частиц.
Фиг.26. Пример потенциальной функции для отрицательно заряженных частиц, которая соответствует суперпозиции постоянного электрического поля и высокочастотного электрического поля с Фиг.25. График показывает, что в переходной области между областью накопления заряженных частиц и областью откачки заряженных частиц имеется отрезок с монотонно растущими максимумами и минимумами, уменьшающий эффективность захвата и откачки отрицательно заряженных частиц.
Фиг.27. Пример потенциальной функции для положительно заряженных частиц, соответствующей суперпозиции высокочастотного электрического поля с Фиг.22 и постоянного однородного электрического поля. График показывает, что такая суперпозиция электрических полей обеспечивает переходную область, увеличивающую эффективность захвата и откачки положительно заряженных частиц.
Фиг.28. Пример потенциальной функции для отрицательно заряженных частиц, соответствующей суперпозиции высокочастотного электрического поля с Фиг.22 и постоянного однородного электрического поля. График показывает, что такая суперпозиция электрических полей обеспечивает переходную область, уменьшающую эффективность захвата и откачки отрицательно заряженных частиц.
Фиг.29. Структура электродов, способная обеспечить поле, сопрягающее накопительную область с регулярной откачкой с ее края дискретных пакетов заряженных частиц.
Фиг.30. Пример прямолинейного канала для перемещения заряженных частиц.
Фиг.31. Пример криволинейного канала для перемещения заряженных частиц.
Фиг.32. Частный случай переменного профиля канала для перемещения заряженных частиц, имеющий конфигурацию воронки.
Фиг.33. Пример канала для перемещения заряженных частиц, образованного одиночными диафрагмами с Фиг.34 или Фиг.35, центральная часть которых содержит в своем сечении дополнительные электроды.
Фиг.34. Пример одиночной диафрагмы, центральная часть которой содержит в своем сечении дополнительный электрод.
Фиг.35. Пример одиночной диафрагмы с центральной частью, в которой образуется несколько несвязанных областей захвата заряженных частиц и, соответственно, несколько независимых параллельных каналов для перемещения заряженных частиц.
Фиг.36. Пример канала для перемещения заряженных частиц с расщеплением на несколько параллельных каналов. В данном случае каждый канал может быть настроен на транспортировку вполне определенного диапазона масс, «зачерпываемых» из общего канала транспортировки.
Фиг.37. Пример слияния нескольких каналов для перемещения заряженных частиц в один канал. В данном случае может быть осуществлено динамическое переключение между разными источниками заряженных частиц и/или смешивание разных потоков заряженных частиц в один поток заряженных частиц.
Фиг.38. Пример канала для перемещения заряженных частиц, содержащего в своем составе область, выполняющую функцию накопительного объема для заряженных частиц.
z
0
Фиг.39. Пример распределения псевдопотенциала  вдоль канала для перемещения заряженных частиц (ось z), обладающегося чередующимися и перимещающимися вдоль канала для перемещения заряженных частиц максимумами и минимумами. Данный псевдопотенциал соответствует осевому распределению высокочастотного электрического поля, подчиняющегося закону Е(z,t)=(U/L)cos(z/L-t/T)·cos(ωt).
Фиг.40. Распределение областей захвата заряженных частиц вдоль канала для перемещения заряженных частиц (ось z), соответствующие псевдопотенциалу , изображенному на Фиг.39.
1
2
3
4
Фиг.41. Напряжения U(t), U(t), U(t), U(t) на первом, втором, третьем, четвертом электродах соответственно в каждой четверке электродов-диафрагм для создания высокочастотного электрического поля с псевдопотенциалом, изображенном на Фиг.39.
1
2
3
4
5
6
Фиг.42. Электрические напряжения U(t), U(t), U(t), U(t), U(t), U(t), которые требуется приложить к повторяющимся шестеркам электродов-диафрагм для создания высокочастотного электрического поля, обладающего осевым распределением псевдо потенциала .
Фиг.43. Распределение псевдопотенциала  вдоль канала для перемещения заряженных частиц (ось z), соответствующего высокочастотному электрическому полю, порожденному напряжениями на электродах устройства с Фиг.42.
Фиг.44. Области захвата заряженных частиц, соответствующие псевдопотенциалу  вдоль канала для перемещения заряженных частиц (ось z).
Фиг.45. Пример высокочастотного напряжения U(t), созданного с помощью амплитудной модуляции напряжения cos(ωt) функцией sin(t/T).
2
Фиг.46. Пример высокочастотного напряжения U(t), созданного с помощью амплитудной модуляции напряжения cos(ωt) функцией sin(t/T)=(1-cos(2t/T))/2.
Фиг.47. Пример высокочастотного напряжения U(t), созданного с помощью амплитудной модуляции напряжения cos(ωt) функцией (1-γt/T)sin(t/T).
Фиг.48. Пример высокочастотного напряжения U(t) как суммы четырех высокочастотных напряжений с разными частотами sin((ω+1/T)t)-sin((ω-1/T)t)+cos((ω+1/Т)t)+cos((ω-1/T)t), сдвинутых по фазе на π/4.
Фиг.49. Пример высокочастотного напряжения U(t) как суперпозиции фазово-модулированных высокочастотных напряжений, которая задается формулой cos(ωt+cos(t/T))+cos(ωt-cos(t/T))-cos(ωt).
Фиг.50. Пример высокочастотного напряжения U(t) как суперпозиции фазово-модулированных высокочастотных напряжений, которая задается формулой cos(ωt+sin(cos(t/T)))+cos(ωt-sin(cos(t/T)))-1.3cos(ωt).
Фиг.51. Пример высокочастотного напряжения U(t), созданного частотной модуляцией высокочастотного напряжения cos(ωt) с помощью функции sin(t/T)/(t/T).
Фиг.52. Пример напряжения U(t), созданного частотной модуляцией высокочастотного напряжения cos(ωt) с помощью осциллирующей функции.
Фиг.53. Плоская некольцевая диафрагма, используемой для конструирования канала для перемещения заряженных частиц, состоящего из периодически повторяющихся одиночных диафрагм.
Фиг.54. Квадрупольно-подобная конфигурация электродов одиночной диафрагмы, используемой для конструирования канала для перемещения заряженных частиц. Данная конфигурация позволяет более эффективно (по сравнению с простыми диафрагмами) прижимать пучок ионов к оси устройства. Аналитически рассчитанные профили данных электродов не являются гиперболическими и описываются трансцендентными уравнениями с участием высших трансцендентных функций.
Фиг.55. Прямоугольный профиль электродов одиночной диафрагмы, используемой для конструирования канала для перемещения заряженных частиц, как пример профиля для создания электрического поля с требуемым распределением псевдопотенциала вдоль оси устройства, содержащего квадрупольные компоненты.
Фиг.56. Треугольный профиль электродов одиночной диафрагмы, используемой для конструирования канала для перемещения заряженных частиц, как пример профиля для создания электрического поля с требуемым распределением псевдопотенциала вдоль оси устройства, содержащего квадрупольные компоненты.
Фиг.57. Трапециевидный профиль электродов одиночной диафрагмы, используемой для конструирования канала для перемещения заряженных частиц, как пример профиля для создания электрического поля с требуемым распределением псевдопотенциала вдоль оси устройства, содержащего квадрупольные компоненты.
Фиг.58. Пример профиля электродов из разрезных круговых стержней, служащего для создания в канале для перемещения заряженных частиц высокочастотного электрического поля с требуемым распределением псевдопотенциала вдоль оси устройства, содержащего высшие мультипольные (секступольные) компоненты.
Фиг.59. Плоские диафрагмы с прямоугольным отверстием, используемые для конструирования канала для перемещения заряженных частиц, состоящего из периодически повторяющихся чередующихся диафрагм с разными сечениями, создающими высокочастотное электрическое поле с псевдопотенциалом, имеющим неоднородные мультипольные компоненты вдоль длины канала для перемещения заряженных частиц.
Фиг.60. Плоские разрезные диафрагмы квадруполеподобной структуры в сочетании со сплошным квадруполеподобным электродом.
Фиг.61. Общий вид заявляемого устройства.
Фиг.62. Частный вариант расположения электродов заявляемого устройства, представляющих собой периодическую последовательность прямоугольных или круговых диафрагм.
Фиг.63. Заявляемое устройство, функционирующее совместно с дополнительными устройствами, осуществляющее дополнительное воздействие на пакеты заряженных частиц в процессе их перемещения внутри данного устройства.
Фиг.64. Заявляемое устройство, функционирующее совместно с источником заряженных частиц или с накопительным устройством заряженных частиц.
Фиг.65. Заявляемое устройство, функционирующее в качестве источника заряженных частиц для некоторого выходного устройства.
Фиг.66. Заявляемое устройство, преобразующее импульсный поток заряженных частиц на входе в квазинепрерывный поток пакетов заряженных частиц на выходе.
Фиг.67. Заявляемое устройство, преобразующее непрерывный или квазинепрерывный поток заряженных частиц на входе в дискретный поток пакетов заряженных частиц на выходе.
Фиг.68. Заявляемое устройство, включенное в состав прибора для анализа заряженных частиц.
Фиг.69. Сечение вдоль оси и геометрические размеры периодических последовательностей электродов, составленной из одиночных плоских диафрагм с квадратным отверстием, использованных в качестве примера 1.
Фиг.70. Геометрические размеры одиночных плоских диафрагм с квадратным сечением, использованных для периодической последовательности электродов в примере 1.
Фиг.71. Разбиение начального ансамбля заряженных частиц на пространственно сепарированные пакеты и их транспортировка вдоль канала для перемещения заряженных частиц в примере 1.
Фиг.72. Сечение вдоль оси и геометрические размеры периодических последовательностей электродов, составленной из чередующихся одиночных плоских диафрагм с прямоугольными отверстиями, использованных в качестве примера 2.
Фиг.73. Геометрические размеры чередующихся одиночных плоских диафрагм с прямоугольными сечениями, использованных для периодической последовательности электродов в примере 2.
Фиг.74. Разбиение начального ансамбля заряженных частиц на пространственно сепарированные пакеты и их транспортировка вдоль канала для перемещения заряженных частиц в примере 2.
Фиг.75. Сечение вдоль оси и геометрические размеры периодических последовательностей электродов, составленной из чередующихся одиночных плоских диафрагм с плоскими независимыми электродами и квадрупольной конфигурацией электрического поля, использованных в качестве примера 3.
Фиг.76. Геометрические размеры чередующихся одиночных плоских диафрагм с плоскими независимыми электродами и квадрупольной конфигурацией электрического поля, использованных для периодической последовательности электродов в примере 3.
Фиг.77. Разбиение начального ансамбля заряженных частиц на пространственно сепарированные пакеты и их транспортировка вдоль канала для перемещения заряженных частиц в примере 3.
Фиг.78. Сечение вдоль оси и геометрические размеры периодических последовательностей электродов, составленной из секционированных периодически повторяющихся квадруполеподобных электродов и двух сплошных квадруполеподобных электродов (см. Фиг.60), обеспечивающих квадрупольную конфигурацию электрического поля и использованных в качестве примера 4.
Фиг.79. Геометрические размеры чередующихся квадруполеподобных сечений, составленных из секционированных периодически повторяющихся квадруполеподобных электродов и двух сплошных квадруполеподобных электродов (см. Фиг.60), использованных для совокупности электродов в примере 4.
Фиг.80. Разбиение начального ансамбля заряженных частиц на пространственно сепарированные пакеты и их транспортировка вдоль канала для перемещения заряженных частиц в примере 4.
Устройство для манипулирования заряженными частицами (см. фиг.61) содержит систему электродов 1, расположенных с образованием ориентированного вдоль продольной оси (ось z на чертеже) устройства канала 2, предназначенного для перемещения заряженных частиц 3. В частности, показанное на фиг.62 устройство содержит 8 секций по 4 в каждой последовательно расположенные вдоль продольной оси устройства соосных кольцевых электродов 1 с внутренним диаметром отверстий 20 мм и расстоянием между соседними электродами 2 мм; общая длина устройства составляет 320 мм. Концевые участки 4 и 5 канала 2 являются соответственно входом и выходом устройства.
Устройство также содержит средство (на чертеже не показано), обеспечивающее приложение к электродам 1 электрического питающего напряжения, обуславливающего создание в канале неоднородного высокочастотного электрического поля, псевдопотенциал которого имеет один или более локальных экстремумов вдоль длины канала для перемещения заряженных частиц, по меньшей мере, на некотором интервале времени, причем, по меньшей мере, один из указанных экстремумов псевдопотенциала перемещается во времени, по меньшей мере, на некотором интервале времени, по меньшей мере, по части длины канала для перемещения заряженных частиц.
На фиг.63 представлен частный вид заявляемого устройства, функционирующего совместно с устройствами, осуществляющими дополнительное воздействие на пакеты заряженных частиц в процессе их перемещения внутри данного устройства, которое осуществляется в области 6, расположенной внутри устройства. В качестве подобных устройств могут использоваться, например, устройства для ионизации заряженных частиц, устройства для фрагментации заряженных частиц, устройства для образования вторичных заряженных частиц, устройства для возбуждения внутренней энергии заряженных частиц, устройства для селективного отбора заряженных частиц. При этом устройство может и не являться отдельным конструктивным блоком в объеме заявляемого устройства, а представлять собой соответствующий и целенаправленным образом организованный физический процесс, происходящий в объеме заявляемого устройства.
На фиг.64 представлен частный вид заявляемого устройства, функционирующего совместно с источником 7 заряженных частиц. В качестве источников заряженных частиц могут использоваться, например, устройства для генерирования заряженных частиц и/или входные промежуточные устройства, перечисленные далее при описании фиг.68.
На фиг.65 представлен частный вид заявляемого устройства, функционирующего в качестве источника заряженных частиц для некоторого выходного устройства 8. В качестве выходных устройств могут использоваться, например, анализаторы заряженных частиц и/или выходные промежуточные устройства, перечисленные далее при описании фиг.68.
На фиг.66 представлен частный вид заявляемого устройства, преобразующего импульсный поток заряженных частиц 9 на входе в поток пакетов заряженных частиц 11 на выходе устройства. Импульсный поток заряженных частиц 9 может поступать на вход устройства от какого-либо внешнего устройства или образовываться внутри объема заявляемого устройства.
На фиг.67 представлен частный вид заявляемого устройства, преобразующего непрерывный или квазинепрерывный поток заряженных частиц 10 на входе в поток пакетов заряженных частиц 11 на выходе устройства. Непрерывный или квазинепрерывный поток заряженных частиц 10 может поступать на вход устройства от какого-либо внешнего устройства или образовываться внутри объема заявляемого устройства.
На фиг.68 представлен частный вид заявляемого устройства, включенного в состав прибора для анализа заряженных частиц (например, масс-спектрометра). Такой прибор может состоять из устройства для генерирования заряженных частиц 12, входного промежуточного устройства 13, заявляемого устройства 14 для манипулирования заряженными частицами, выходного промежуточного устройства 15, анализатора заряженных частиц 16. Устройство для генерирования заряженных частиц служит для получения первичных заряженных частиц, и может основываться на самых разнообразных физических процессах. Входное промежуточное устройство служит для накопления заряженных частиц, или охлаждения (снижения кинетической энергии) заряженных частиц, или трансформации свойств пучка заряженных частиц, или возбуждения заряженных частиц, или фрагментирования заряженных частиц, или генерирования вторичных заряженных частиц, или фильтрации нужной группы заряженных частиц, или первичного детектирования заряженных частиц, или выполнения сразу нескольких из этих функций. Заявляемое устройства для манипулирования заряженными частицами осуществляет разбиение входного потока заряженных частиц на поток дискретных и синхронизированных во времени пакетов заряженных частиц, передачу заряженных частиц от входа к выходу, а также может осуществлять другие виды манипулирования заряженными частицами. Выходное промежуточное устройство служит для накопления заряженных частиц, или трансформации свойств пучка заряженных частиц, или фрагментирования заряженных частиц, или генерирования вторичных заряженных частиц, или фильтрации нужной группы заряженных частиц, или первичного детектирования заряженных частиц, или выполнения сразу нескольких из этих функций. Анализатор заряженных частиц может представлять собой, например, детектор на основе микроканальных пластин, или совокупность (возможно, состоящую из одного элемента) диодных детекторов, или совокупность (возможно, состоящую из одного элемента) полупроводниковых детекторов, или совокупность (возможно, состоящую из одного элемента) детекторов, основанные на измерении наведенного заряда, или масс-анализатор (масс-спектрометр, масс-спектрограф или фильтр масс), или оптический спектрометр, или спектрометр, основанный на разделении заряженных частиц по признаку ионной подвижности или ее производных. Входные промежуточные устройства и/или выходные промежуточные устройства могут отсутствовать, а процесс ионизации заряженных частиц и/или процесс анализа заряженных частиц могут осуществляться внутри заявляемого устройства для манипулирования заряженными частицами. И входное, и выходное промежуточные устройства могут представлять собой совокупность соответствующих устройств, разделенных, возможно, устройствами для транспортировки заряженных частиц и/или устройствами для манипулирования заряженными частицами, включая возможность использования в качестве таковых устройства для манипулирования заряженными частицами заявляемого типа. Все указанные элементы прибора могут работать в непрерывном режиме, и/или в импульсном режиме, и/или переключаться между непрерывным и импульсным режимами работы.
Работа устройства показана на следующих примерах.
Пример 1.
В качестве электродов 1 использовали описанную выше систему электродов, состоящую из периодической последовательности плоских диафрагм с квадратным сечением (фиг.53). Геометрические параметры и размеры указанной системы электродов показаны на фиг.69, геометрические размеры одиночной диафрагмы с квадратным отверстием показаны на фиг.70.
0
0
0
0
0
В качестве питающего напряжения использовали синусоидальное питание с амплитудной модуляцией. Периодическая последовательность электродов разбивалась на четверки электродов. К первым электродам в каждой четверке прикладывалось электрическое напряжение +Ucos(δt)cos(ωt), ко вторым электродам - напряжение +Usin(δt)cos(ωt), к третьим электродам - напряжение -Ucos(δt)cos(ωt), к четвертым электродам - напряжение -Usin(δt)cos(ωt). Основная частота синусоидального питания была выбрана равной ω=1 МГц, частота амплитудной модуляции синусоидального питания была выбрана равной δ=1 кГц, амплитуда синусоидального питания была выбрана равной U=400 Вольт. Канал транспортировки был заполнен буферным газом, в качестве буферного газа использовался азот (масса молекул 28 а.е.м.) при давлении 2 мТор (1 Top=1 мм.рт.ст.) и температуре 300 К. В качестве заряженных частиц использовались однозарядные ионы с массой 609 а.е.м. Как видно из фиг.71, поведение заряженных частиц соответствовало ожидаемому: происходило разбиение непрерывного облака заряженных частиц на отдельные пространственно сепарированные пакеты и равномерное перемещение указанных пакетов вдоль оси устройства. Скорость передвижения облаков заряженных частиц соответствовала ожидаемой и определялась частотой амплитудной модуляции δ.
Пример 2.
В качестве электродов 1 использовали описанную выше систему электродов, состоящую из периодической последовательности чередующихся плоских диафрагм с прямоугольными сечениями сечением (фиг.59). Геометрические параметры и размеры указанной системы электродов показаны на фиг.72, геометрические размеры одиночной диафрагмы с квадратным отверстием показаны на фиг.73.
0
0
0
0
0
В качестве питающего напряжения использовали синусоидальное питание с амплитудной модуляцией. Периодическая последовательность электродов разбивалась на четверки электродов. К первым электродам в каждой четверке прикладывалось электрическое напряжение +Ucos(δt)cos(ωt) ко вторым электродам - напряжение +Usin(δt)cos(ωt), к третьим электродам- напряжение -Ucos(δt)cos(ωt), к четвертым электродам - напряжение -Usin(δt)cos(ωt). Основная частота синусоидального питания была выбрана равной ω=1 МГц, частота амплитудной модуляции синусоидального питания была выбрана равной δ=1 кГц, амплитуда синусоидального питания была увеличена до U=2000 Вольт (2 кВ). Канал транспортировки был заполнен буферным газом, в качестве буферного газа использовался азот (масса молекул 28 а.е.м.) при давлении 2 мТор и температуре 300 К. В качестве заряженных частиц использовались однозарядные ионы с массой 609 а.е.м., а также однозарядные ионы с массой 5000 а.е.м. Амплитуда синусоидального питания была увеличена по сравнению с примером 1 для более эффективного манипулирования заряженными частицами большей массы. Как видно из фиг.74, поведение заряженных частиц соответствовало ожидаемому: происходило разбиение непрерывного облака заряженных частиц обеих масс на отдельные пространственно сепарированные пакеты и равномерное перемещение указанных пакетов вдоль оси устройства. Скорость передвижения облаков заряженных частиц соответствовала ожидаемой. В отличие от предыдущего примера, в этом примере облака заряженных частиц в большей степени растянуты в вертикальном направлении, а их геометрические размеры в радиальном направлении вдоль оси OY и вдоль оси OZ (здесь за ось устройства выбрана координатная ось ОХ) периодически то уменьшаются, то увеличиваются в соответствии с прохождением облака заряженных частиц через чередующиеся прямоугольные сечения диафрагм.
Пример 3.
В качестве электродов 1 использовали описанную выше систему электродов, состоящую из периодической последовательности плоских диафрагм, состоящих из плоских электродов и обеспечивающих квадрупольную структуру электрического поля в сечении диафрагмы (фиг.55). Геометрические параметры и размеры указанной системы электродов показаны на фиг.75, геометрические размеры одиночной квадратной диафрагмы, состоящей из четырех независимых плоских электродов, показаны на фиг.76.
0
0
0
0
0
В качестве питающего напряжения использовали синусоидальное питание с амплитудной модуляцией. На электроды, обозначенные на фиг.76 как электроды «А», электрическое напряжение подавалось в противофазе с электрическим напряжением, подаваемым на электроды, обозначенные на фиг.76 как электроды «В». Периодическая последовательность диафрагм разбивалась на четверки, составленные из последовательных диафрагм. К первым диафрагмам в каждой четверке прикладывалось электрическое напряжение ±Ucos(δt)cos(ωt) (знак «плюс» или знак «минус» выбирается в зависимости от того, является ли данный электрод диафрагмы электродом «А» или электродом «В»), ко вторым электродам - напряжение ±Usin(δt)cos(ωt), к третьим электродам - напряжение Ucos(δt)cos(ωt), к четвертым электродам - напряжение Usin(δt)cos(ωt). Основная частота синусоидального питания была выбрана равной ω=1 МГц, частота амплитудной модуляции синусоидального питания была выбрана равной δ=1 кГц. В силу того, что для квадрупольной конфигурации электродов осевое поле является существенно ослабленным по сравнению с конфигурацией электродов, состоящей из простых диафрагм, амплитуда синусоидального питания была увеличена до U=4000 Вольт. Канал транспортировки был заполнен буферным газом. В качестве буферного газа использовался азот (масса молекул 28 а.е.м.) при давлении 2 мТор и температуре 300 К. В качестве заряженных частиц использовались однозарядные ионы обоих знаков (положительно и отрицательно заряженные) с массой 609 а.е.м. Как видно из фиг.77, поведение заряженных частиц соответствовало ожидаемому: происходило разбиение непрерывного облака заряженных частиц на отдельные пространственно сепарированные пакеты и равномерное перемещение указанных пакетов вдоль оси устройства. Скорость передвижения облаков заряженных частиц соответствовала ожидаемой. Также видно, что заряженные частицы разных знаков одинаково управляются приложенным электрическим полем. В данном примере облака заряженных частиц расплываются в большей степени, чем в примере 1, что связано с тем, что осевое распределение высокочастотного поля в значительной степени ослаблено и как результат локальные псевдопотенциальные ямы имеют меньшую глубину и менее крутые края. Кроме того, в данном случае высокочастотное поле у краев электродов имеет существенно большую амплитуду и, как результат, гораздо сильнее отталкивает заряженные частицы от краев диафрагмы к ее центру.
Пример 4.
В качестве электродов 1 использовали систему электродов, состоящую из периодической последовательности разрезных квадруполеподобных электродов и двух сплошных квадруполеподобных электродов, которая обеспечивает квадрупольную структуру электрического поля в сечении канала транспортировки (общий вид устройства представлен на фиг.60). Геометрические параметры и размеры указанной системы электродов показаны на фиг.78, геометрические размеры квадруполеподобных профилей электродов показаны на фиг.79.
0
0
0
0
0
В качестве питающего напряжения использовали синусоидальное питание с амплитудной модуляцией, которое подавалось на разрезные электроды, обозначенные на фиг.79 как электроды «В». На сплошные электроды, обозначенные на фиг.79 как электроды «А», радиочастотные напряжения не подавались, они поддерживались при постоянном нулевом напряжении. Периодическая последовательность противостоящих друг другу секционированных электродов разбивалась на четверки. К первой паре электродов в каждой четверке прикладывалось электрическое напряжение +Ucos(δt)cos(ωt), ко второй паре электродов - напряжение +Usin(δt)cos(ωt), к третьей паре электродов - напряжение -Ucos(δt)cos(ωt), к четвертой паре электродов - напряжение -Usin(δt)cos(ωt). Основная частота синусоидального питания была выбрана равной ω=1 МГц, частота амплитудной модуляции синусоидального питания была выбрана равной δ=1 кГц. В силу того, что для квадрупольной конфигурации электродов осевое поле является ослабленным по сравнению с конфигурацией электродов, состоящей из простых диафрагм, амплитуда синусоидального питания была увеличена до U=3000 Вольт (3 кВ). Канал транспортировки был заполнен буферным газом, в качестве буферного газа использовался азот (масса молекул 28 а.е.м.) при давлении 2 мТор и температуре 300 К. В качестве заряженных частиц использовались однозарядные, двухзарядные и трехзарядные ионы с массой 609 а.е.м. Амплитуда электрического поля была выбрана достаточно большой для эффективного манипулирования частицами, несущими разный заряд. Как видно из фиг.80, поведение заряженных частиц соответствовало ожидаемому: происходило разбиение непрерывного облака заряженных частиц на отдельные пространственно сепарированные пакеты и равномерное перемещение указанных пакетов вдоль оси устройства. Скорость передвижения облаков заряженных частиц также соответствовала ожидаемой скорости и определялась частотой δ.
Следует отметить, что при работе заявляемого устройства реализуется способ манипулирования заряженными частицами, включающий воздействие на совокупность заряженных частиц, локализованных в пространстве для манипулирования заряженными частицами, неоднородного высокочастотного электрического поля, псевдопотенциал которого имеет один или более локальных экстремумов вдоль длины пространства для манипулирования заряженными частицами, по меньшей мере, на некотором интервале времени, причем, по меньшей мере, один из указанных экстремумов псевдопотенциала высокочастотного электрического поля перемещается во времени, по меньшей мере, по части длины пространства для манипулирования заряженными частицами, по меньшей мере, на некотором интервале времени.
Если при работе устройства поток заряженных частиц поступает на вход устройства, в котором, по крайней мере, на каком-то интервале времени, псевдопотенциал высокочастотного электрического поля имеет вдоль длины области для манипулирования заряженными частицами чередующиеся максимумы и минимумы, то в результате осуществляется разбиение потока заряженных частиц на пространственно сегментированные пакеты заряженных частиц.
Если при работе устройства совокупность заряженных частиц располагается внутри устройства, в котором, по крайней мере, на каком-то интервале времени, псевдопотенциал высокочастотного электрического поля имеет вдоль длины области для манипулирования заряженными частицами чередующиеся максимумы и минимумы, то в результате осуществляется группировка заряженных частиц в пространственно сегментированные пакеты заряженных частиц.
Устройство может быть сопряжено с накопительным устройством, в котором находятся заряженные частицы. В таком случае совокупность заряженных частиц захватывается, по крайней мере, в какой-то области накопительного устройства, по крайней мере, на каком-то интервале времени, высокочастотным электрическим полем, псевдопотенциал которого обладает одним или более локальными экстремумами вдоль длины пространства для манипулирования заряженными частицами, причем, по меньшей мере, один из указанных экстремумов псевдопотенциала высокочастотного электрического поля перемещается во времени, по меньшей мере, по части длины пространства для манипулирования заряженными частицами, по меньшей мере, на некотором интервале времени.
При этом может быть осуществлена откачка заряженных частиц в виде пространственно сепарированных пакетов, по крайней мере, части заряженных частиц, находящихся в накопительном устройстве, за счет захвата заряженных частиц высокочастотным электрическим полем и перемещения вдоль, по крайней мере, части длины канала, по крайней мере, на каком-то интервале времени, экстремума или экстремумов псевдопотенциала высокочастотного электрического поля.
При работе устройства на совокупность заряженных частиц может воздействовать высокочастотное электростатическое поле, у которого псевдопотенциал имеет вдоль длины области для манипулирования заряженными частицами чередующиеся максимумы и минимумы, перемещающиеся во времени по заданному закону, в результате чего осуществляется синхронизированная во времени транспортировка заряженных частиц, следующая заданному закону от времени.
При работе устройства может быть осуществлено попеременно-двунаправленное перемещение заряженных частиц за счет того, что направление перемещения экстремума или экстремумов псевдопотенциала высокочастотного электрического поля, по меньшей мере, для части длины области для манипулирования заряженными частицами, в некоторый момент или некоторые моменты времени меняет знак.
При работе устройства может быть осуществлено осциллирующее перемещение заряженных частиц за счет того, что перемещение экстремума или экстремумов псевдопотенциала высокочастотного электрического поля во времени, по меньшей мере, по части длины области для манипулирования заряженными частицами, по меньшей мере, на некотором интервале времени, имеет осциллирующий характер.
При работе устройства может быть осуществлено объединение двух или более соседних пространственно сепарированных пакетов заряженных частиц в результате того, что значение псевдопотенциала высокочастотного электрического поля в максимуме псевдопотенциала, разделяющего пространственно сепарированные пакеты, понижается, по крайней мере, на некотором интервале времени.
При работе устройства может быть осуществлен переход по меньшей мере некоторых заряженных частиц, по меньшей мере, на некотором интервале времени между соседними пространственно сепарированными пакетами заряженных частиц в результате того, что значение псевдопотенциала высокочастотного электрического поля в максимуме псевдопотенциала, разделяющем пространственно сепарированные пакеты, понижается, по крайней мере, на некотором интервале времени.
При работе устройства может быть осуществлено разрушение, по крайней мере, одного пакета заряженных частиц в результате того, что значение псевдопотенциала высокочастотного электрического поля в минимуме псевдопотенциала, соответствующем положению интересующего нас пакета заряженных частиц, повышается выше барьерного уровня, по крайней мере, на некотором интервале времени.
При работе устройства может быть осуществлен выход из пакета, по меньшей мере, некоторых заряженных частиц, по меньшей мере, на некотором интервале времени, в результате того, что значение псевдопотенциала высокочастотного электрического поля в минимуме псевдопотенциала, соответствующем положению интересующего нас пакета заряженных частиц, повышается, по крайней мере, на некотором интервале времени.
При работе устройства может быть осуществлена перекачка всех или некоторых заряженных частиц из одного пакета заряженных частиц в соседний пакет заряженных частиц в результате того, что значение псевдопотенциала высокочастотного электрического поля в максимуме псевдопотенциала, разделяющем пространственно сепарированные пакеты, понижается, а значение псевдопотенциала высокочастотного электрического поля в минимуме псевдопотенциала, соответствующем положению интересующего нас пакета заряженных частиц, повышается, по крайней мере, на некотором интервале времени.
При работе устройства может быть осуществлено создание или восстановление области захвата заряженных частиц в результате того, что значение псевдопотенциала высокочастотного электрического поля, меняется, по крайней мере, на некотором участке канала транспортировки, по крайней мере, на некотором интервале времени, создавая локальный минимум.
При работе устройства может быть сформирована область для накопления заряженных частиц за счет того, что, по меньшей мере, на некотором интервале времени, по меньшей мере, на некоторой длине канала транспортировки, псевдопотенциал высокочастотного электрического поля не имеет максимумов и минимумов.
При работе устройства для лучшего радиального удержания заряженных частиц в области для манипулирования заряженными частицами могут быть использованы дополнительные статические электрические поля, и/или дополнительные квазистатические электрические поля, и/или дополнительные переменные электрические поля, и/или дополнительные импульсные электрические поля, и/или дополнительные высокочастотные электрические поля, и/или суперпозиция указанных полей.
При работе устройства для лучшей пространственной изоляции пакетов заряженных частиц вдоль длины области для манипулирования заряженными частицами могут быть использованы дополнительные статические электрические поля, и/или дополнительные квазистатические электрические поля, и/или дополнительные переменные электрические поля, и/или дополнительные переменные электрические поля, и/или дополнительные импульсные электрические поля, и/или дополнительные высокочастотные электрические поля, и/или суперпозиция указанных полей.
При работе устройства для лучшей временной синхронизации транспортировки пакетов заряженных частиц могут быть использованы дополнительные статические электрические поля, и/или дополнительные квазистатические электрические поля, и/или дополнительные переменные электрические поля, и/или дополнительные импульсные электрические поля, и/или дополнительные высокочастотные электрические поля, и/или суперпозиция указанных полей.
При работе устройства для управления поведением заряженных частиц в процессе транспортировки заряженных частиц могут быть использованы дополнительные статические электрические поля, и/или дополнительные квазистатические электрические поля, и/или дополнительные переменные электрические поля, и/или дополнительные импульсные электрические поля, и/или дополнительные высокочастотные электрические поля, и/или суперпозиция указанных полей, создаваемые в объеме для манипулирования заряженными частицами.
При работе устройства для управления поведением заряженных частиц с помощью создания дополнительных потенциальных барьеров, или/или псевдопотенциальных барьеров, и/или потенциальных ям, или псевдопотенциальных ям, по крайней мере, в части в области для манипулирования заряженными частицами, по крайней мере, на каком-то интервале времени, могут быть использованы дополнительные статические электрические поля, и/или дополнительные квазистатические электрические поля, и/или дополнительные переменные электрические поля, и/или дополнительные импульсные электрические поля, и/или дополнительные высокочастотные электрические поля, и/или суперпозиция указанных полей.
При этом упомянутые потенциальные и псевдопотенциальные барьеры и ямы могут меняться во времени и/или перемещаться во времени в области для манипулирования заряженными частицами, по крайней мере, на каком-то интервале времени, обеспечивая контролируемое поведение заряженных частиц.
При работе устройства для управления поведением заряженных частиц с помощью дополнительных зон устойчивости и/или дополнительных зон неустойчивости, по крайней мере, в части области для манипулирования с заряженными частицами, по крайней мере, на каком-то интервале времени, могут быть использованы дополнительные статические электрические поля, и/или дополнительные квазистатические электрические поля, и/или дополнительные переменные электрические поля, и/или дополнительные импульсные электрические поля, и/или дополнительные высокочастотные электрические поля, и/или суперпозиция указанных полей.
При этом упомянутые зоны устойчивости и неустойчивости могут меняться во времени и/или перемещаться во времени в области для манипулирования заряженными частицами, по крайней мере, на каком-то интервале времени, обеспечивая контролируемое поведение заряженных частиц.
При работе устройства для селективного отбора заряженных частиц могут быть использованы дополнительные статические электрические поля, и/или дополнительные квазистатические электрические поля, и/или дополнительные переменные электрические поля, и/или дополнительные импульсные электрические поля, и/или дополнительные высокочастотные электрические поля, и/или суперпозиция указанных полей.
При работе устройства для управления существенной зависимостью движения заряженных частиц от массы заряженных частиц используются дополнительные статические электрические поля, и/или дополнительные квазистатические электрические поля, и/или дополнительные переменные электрические поля, и/или дополнительные импульсные электрические поля, и/или дополнительные высокочастотные электрические поля, и/или суперпозиция указанных полей.
В устройстве канал для перемещения заряженных частиц может иметь переменный профиль, по крайней мере, вдоль части длины области для манипулирования заряженными частицами, при этом при работе устройства в данном канале может осуществляться сбор, и/или фокусировка, и/или компрессия потока заряженных частиц.
В устройстве канал для перемещения заряженных частиц может быть замкнут в кольцо, при этом при работе устройства он может быть использован для создания накопительного объема для заряженных частиц, и/или ловушки для заряженных частиц, и/или области для манипулирования заряженными частицами, используется канал для перемещения заряженных частиц, замкнутый в кольцо.
В устройстве с целью создания накопительного объема для заряженных частиц, и/или ловушки для заряженных частиц, и/или области для манипулирования заряженными частицами может быть использован канал для перемещения заряженных частиц, функционирующий в попеременно-двунаправленном режиме по крайней мере, на некотором интервале времени.
При работе устройства манипулирование заряженными частицами может осуществляться в вакууме.
При работе устройства манипулирование заряженными частицами может осуществляться в нейтральном или ионизированном газе.
При работе устройства манипулирование заряженными частицами может осуществляться в потоке нейтрального или ионизированного газа.
При работе устройства заряженные частицы могут, поступать на вход устройства из внешнего источника.
При работе устройства может осуществляться манипулирование заряженными частицами, образующимися внутри устройства.
При работе устройства может осуществляться манипулирование с вторичными заряженными частицами, образующимися внутри устройства.
При работе устройства может осуществляться манипулирование фрагментированными заряженными частицами, образующимися внутри устройства
Фрагментированные заряженные частицы могут образовываться при ускорении заряженных частиц с помощью электрических полей, создаваемых в заявляемом устройстве, вследствие соударений упомянутых заряженных частиц с молекулами нейтрального газа и/или с поверхностями, расположенными внутри устройства.
Фрагментированные заряженные частицы могут образовываться внутри устройства в результате взаимодействия между собой положительных и отрицательных заряженных частиц, объединенных в один пространственно сепарированный пакет заряженных частиц.
При работе устройства заряженные частицы могут выводиться из устройства в направлении вдоль канала для перемещения заряженных частиц.
При работе устройства заряженные частицы могут выводиться из устройства в направлении вдоль ортогональном или наклонном к каналу для перемещения заряженных частиц.
При работе устройства в процессе транспортировки может происходить выравнивание кинетической энергии заряженных частиц за счет столкновения и обмена энергией между заряженными частицами и молекулами нейтрального газа.
При работе устройства в процессе перемещения может происходить фильтрация заряженных частиц по массе.
При работе устройства в процессе перемещения может происходить фрагментация заряженных частиц.
При работе устройства в процессе перемещения может происходить образование вторичных заряженных частиц.
При работе устройства в процессе перемещения может происходить образование вторичных заряженных частиц в результате перезарядки заряженных частиц при столкновениях и обмене зарядом между заряженными частицами и молекулами нейтрального газа.
При работе устройства в процессе перемещения может происходить образование вторичных заряженных частиц в результате перезарядки заряженных частиц при столкновениях и обмене зарядом с заряженными частицами, обладающими зарядом противоположного знака.
При работе устройства в процессе перемещения может происходить образование вторичных заряженных частиц в результате создания композитных ионов при столкновениях и взаимодействии между заряженными частицами и молекулами нейтрального газа.
При работе устройства в процессе перемещения может происходить образование вторичных заряженных частиц в результате создания композитных ионов при столкновениях и взаимодействии заряженных частиц друг с другом.
При работе устройства можно осуществлять манипуляции заряженными частицами, оперируя пакетами заряженных частиц, состоящими из положительно и отрицательно заряженных частиц одновременно.
Рассмотрим некоторые конкретные варианты использования заявляемого устройства.
Устройство может быть использовано для преобразования непрерывного ионного пучка в серию синхронизированных во времени ионных импульсов и тем самым использоваться как источник ионов (система подготовки ионов). Свойство заявленного устройства для манипулирования заряженными частицами обеспечивать заданный закон времени перемещения и выхода пакетов заряженных частиц оказывается неоценимым при использовании его для стыковки с различными выходными устройствами, работающими в импульсном режиме. При стыковке с таким устройством необходимо обеспечить, чтобы интервалы времени между последовательными пакетами заряженных частиц были больше интервалов времени, требуемые выходному устройству для обработки очередного пакета, чтобы не происходило потерь заряженных частиц. В качестве выходного устройства может использоваться устройство, которое осуществляет анализ заряженных частиц (например, времяпролетный масс-спектрометр или радиочастотная ловушка), или выполняет целенаправленную модификацию пакета заряженных частиц (например, столкновительная ячейка), или отбирает подгруппу заряженных частиц с нужными характеристиками (например, фильтр масс), или передает пакет заряженных частиц другому устройству (например, другое устройство для транспортировки заряженных частиц), или использует импульс заряженных частиц для каких-либо технических приложений, или объединяет в себе сразу несколько функций.
Заявляемое устройство позволяет эффективно преобразовывать непрерывный пучок заряженных частиц в серию последовательных импульсов заряженных частиц, так как при соответствующем подборе скорости передвижения пакетов заряженных частиц вдоль оси устройства для транспортировки заряженных частиц и, соответственно частоты повторения импульсов выстреливающих напряжений, возможен анализ всех поступающих заряженных частиц без потерь. Заметим, что скорость передвижения пакетов вдоль оси устройства для транспортировки заряженных частиц в предлагаемом устройстве определяется частотой амплитудной модуляции и сдвигом фаз между управляющими высокочастотными напряжениями, прикладываемыми к электродам (или разностью частот близких по частоте высокочастотных гармоник, если для синтеза управляющих напряжений используется именно такой способ) и легко регулируется электроникой. Количество заряженных частиц в каждом пакете может быть очень значительным и по предварительной оценке должно быть близким к емкости линейной ловушки.
Для выходных устройств, работающих в импульсном режиме, данный метод разделения непрерывного потока заряженных частиц на дискретные порции представляется наиболее удачным. При правильной настройке интервалов времени между поступлением отдельных дискретных порций заряженных частиц на выход транспортирующего устройства и, соответственно, на вход следующего за ним устройства (которое, например, является масс-анализатором, работающим в импульсном режиме), и времени последующего анализа поступившей порций заряженных частиц, данный способ позволяет анализировать все заряженные частицы, поступающие из непрерывного пучка в анализатор практически без потерь.
Помимо преобразования непрерывного пучка в серию пакетов, данное устройство может иметь и другие приложения.
Данное краткое описание преимущественных способов реализации данного изобретения ни коим образом не является полным. Должно быть понятно, что предлагаемое описание содержит только отдельные реализации изобретения и возможные другие реализации описанного принципа не противоречат духу данного патента и должны включатся в настоящее изобретение.
Заявляемое устройство может быть использовано в составе ряда специализированных физических приборов, где указанные выше схемы его использования в случае необходимости могут комбинироваться друг с другом.
В частности, заявляемое устройство может быть использовано в составе физического прибора, который содержит а) устройство для генерации заряженных частиц, б) входное промежуточное устройство, в) заявляемое устройство для манипулирования заряженными частицами, г) выходное промежуточное устройства, д) устройство для детектирования заряженных частиц (см. фиг.68).
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, входное промежуточное устройство служит для накопления заряженных частиц, или трансформации свойств пучка заряженных частиц, или фрагментирования заряженных частиц, или генерирования вторичных заряженных частиц, или фильтрации нужной группы заряженных частиц, или первичного детектирования заряженных частиц, или выполнения сразу нескольких из этих функций.
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, входное промежуточное устройство может представлять собой последовательность входных промежуточных устройств, разделяемых или не разделяемых транспортирующими устройствами.
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, входное промежуточное устройство может отсутствовать.
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, выходное промежуточное устройство служит для накопления заряженных частиц, или трансформации свойств пучка заряженных частиц, или фрагментирования заряженных частиц, или генерирования вторичных заряженные частиц, или фильтрации нужной группы заряженных частиц, или первичного детектирования заряженных частиц, или выполнения сразу нескольких из этих функций.
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, выходное промежуточное устройство может представлять собой последовательность выходных промежуточных устройств, разделяемых или не разделяемых транспортирующими устройствами.
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, выходное промежуточное устройство может отсутствовать.
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, генерирование заряженных частиц может происходить внутри объема устройства для транспортировки и манипулирования заряженными частицами.
В рассматриваемом физическом приборе, в частности детектирование заряженных частиц может происходить внутри объема устройства для транспортировки и манипулирования заряженными частицами.
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, выход заряженных частиц из устройства для генерации заряженных частиц и/или входного промежуточного устройства может блокироваться в определенные моменты времени.
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, вход заряженных частиц в устройство для детектирования заряженных частиц и/или в выходное промежуточное устройство может блокироваться в определенные моменты времени.
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, устройство для генерирования заряженных частиц может представлять собой источник ионов, оперирующий в непрерывном режиме.
В рассматриваемом физическом приборе источник ионов, оперирующий в непрерывном режиме, может принадлежать к группе типов источников, включающей в себя: 1) источник ионов типа электроспрей (ESI), 2) ионный источник с ионизацией при атмосферном давлении (API), 3) ионный источник с химической ионизацией при атмосферном давлении (APCI), 4) ионный источник с фотоионизацией при атмосферном давлении (APPI), 5) ионный источник с ионизацией с помощью индуктивно связанной плазмы (ICP), 6) ионный источник с электронным ударом (EI), 7) ионный источник с химической ионизацией (CI), 8) ионный источник с фотоионизацией (PI), 9) ионный источник с термоионизацией (TI), 10) ионный источник с ионизацией в газовом разряде того или иного типа, 11) ионный источник с ионизацией бомбардировкой быстрыми атомами (FAB), 12) ионный источник с ионизацией бомбардировкой ионами (SIMS), 13) ионный источник с ионизацией ионами, получаемыми от жидкометаллического источника ионов (LSIMS).
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, устройство для генерирования заряженных частиц может представлять собой источник ионов, оперирующий в импульсном режиме.
В рассматриваемом физическом приборе источник ионов, оперирующий в импульсном режиме, может принадлежать к группе типов источников, включающей в себя: 1) источник с лазерной десорбцией (LDI), 2) источник с лазерной десорбцией из матрицы (MALDI), 3) источник с ортогональной экстракцией ионов из непрерывного пучка, 4) ионная ловушка, где, в частности, ионная ловушка может принадлежать к группе устройств, включающей в себя: 1) радиочастотную ионную ловушку, включая сюда линейную ионную ловушку, и/или ионную ловушку Пауля, и/или радиочастотную ловушку с импульсным электрическим полем, 2) электростатическую ионную ловушку, включая сюда электростатическую ловушку типа Орбитрап, 3) ионную ловушку Пеннинга.
В рассматриваемом физическом приборе входное промежуточное устройство может представлять собой: 1) устройство, транспортирующее пучок заряженных частиц от источника заряженных частиц, 2) устройство для накопления и хранения заряженных частиц, 3) масс-селективное устройство для отделения заряженных частиц, представляющих интерес, 4) устройство для разделения заряженных частиц по признаку ионной подвижности или производных от ионной подвижности, 5) ячейку для фрагментации заряженных частиц тем или иным способом, 6) ячейку для образования вторичных заряженных частиц тем или иным способом, 7) комбинацию вышеупомянутых устройств, где упомянутые устройства могут быть как устройствами, работающими в непрерывном режиме, так и устройствами, работающими в импульсном режиме.
В рассматриваемом физическом приборе выходное промежуточное устройство может представлять собой: 1) устройство, транспортирующее пучок заряженных частиц к детектирующему устройству, 2) устройство для накопления и хранения заряженных частиц, 3) масс-селективное устройство для отделения заряженных частиц, представляющих интерес, 4) устройство для разделения заряженных частиц по признаку ионной подвижности или производных от ионной подвижности, 5) ячейку для фрагментации заряженных частиц тем или иным способом, 6) ячейку для образования вторичных заряженных частиц тем или иным способом, 7) комбинацию вышеупомянутых устройств, где упомянутые устройства могут быть как устройствами, работающими в непрерывном режиме, так и устройствами, работающими в импульсном режиме.
В рассматриваемом физическом приборе в качестве детектирующего устройства могут использоваться: 1) детектор на основе микроканальных пластин, 2) диодные детекторы, 3) полупроводниковые детекторы, 4) детекторы, основанные на измерении наведенного заряда, 5) масс-анализатор (масс-спектрометр, масс-спектрограф или фильтр масс), 6) оптический спектрометр, 7) спектрометры, основанные на разделении заряженных частиц по признаку ионной подвижности или ее производных, где упомянутые устройства могут быть как устройствами, работающими в непрерывном режиме, так и устройствами, работающими в импульсном режиме.
В заявляемом устройстве при его работе в составе рассматриваемого физического прибора может происходить выравнивание кинетической энергии заряженных частиц за счет столкновения и обмена энергией между заряженными частицами и молекулами нейтрального газа.
В заявляемом устройстве при его работе в составе рассматриваемого физического прибора может происходить фильтрация заряженных частиц по массе.
В заявляемом устройстве при его работе в составе рассматриваемого физического прибора может происходить фрагментация заряженных частиц.
В заявляемом устройстве при его работе в составе рассматриваемого физического прибора может происходить образование вторичных заряженных частиц.
В заявляемом устройстве при его работе в составе рассматриваемого физического прибора может происходить преобразование непрерывного пучка заряженных частиц в дискретный набор пространственно сепарированных пакетов заряженных частиц, необходимый для правильной работы выходного промежуточного устройства и/или детектирующего устройства.
В заявляемом устройстве при его работе в составе рассматриваемого физического прибора может происходить преобразование непрерывного пучка заряженных частиц в дискретный набор пакетов заряженных частиц, синхронизированных во времени, необходимый для правильной работы выходного промежуточного устройства и/или детектирующего устройства.
В рассматриваемом физическом приборе работа устройства для генерирования заряженных частиц и/или работа входного промежуточного устройства может быть существенно синхронизирована во времени с работой заявляемого устройства.
В рассматриваемом физическом приборе работа заявляемого устройства может быть существенно синхронизирована во времени с работой устройства для детектирования заряженных частиц и/или работой выходного промежуточного устройства.
Заявляемое устройство может быть использовано как транспортирующее устройство для пучка заряженных частиц.
Заявляемое устройство может быть использовано как транспортирующее устройство для пучка заряженных частиц с гашением скоростей заряженных частиц за счет столкновений с молекулами газа.
Заявляемое устройство может быть использовано как ионная ловушка.
Заявляемое устройство может быть использовано как ячейка для фрагментации ионов.
Заявляемое устройство может быть использовано как накопительное устройство для ионов.
Заявляемое устройство может быть использовано как реактор для ион-молекулярных реакций.
Заявляемое устройство может быть использовано как ячейка для спектроскопии ионов.
Заявляемое устройство может быть использовано как источник ионов для непрерывного инжектирования ионов в масс-анализатор или в промежуточное устройство, предшествующее масс-анализатору.
Заявляемое устройство может быть использовано как источник ионов для импульсного инжектирования ионов в масс-анализатор или в промежуточное устройство, предшествующее масс-анализатору.
Заявляемое устройство может быть использовано как фильтр масс.
Заявляемое устройство может быть использовано как масс-селективное накопительное устройство.
Заявляемое устройство может быть использовано как масс-анализатор.
Заявляемое устройство может быть использовано в интерфейсе для транспортировки в масс-анализатор заряженных частиц из газонаполненных источников ионов.
В случае использования в интерфейсе для транспортировки в масс-анализатор заряженных частиц заявляемое устройство может применяться, в частности, для транспортировки ионов, по крайней мере, по части пути между источником ионов и масс-анализатором.
В случае использования в интерфейсе для транспортировки в масс-анализатор заряженных частиц заявляемое устройство, в частности, может охватывать несколько стадий дифференциальной откачки.
В случае использования в интерфейсе для транспортировки в масс-анализатор заряженных частиц заявляемое устройство может применяться, в частности, для объединения потоков ионов из нескольких источников, включая сюда: 1) попеременное оперирование с индивидуальными источниками, загружающими ионы в устройство для транспортировки, фокусировки и манипулирования ионами, 2) периодическое переключение между основным источником и источником, содержащем вещество, используемое для калибровки, 3) одновременное оперирование с несколькими источниками для смешения потоков ионов либо с целью реагирования ионов разных типов, либо с целью калибровки масс-анализатора по массам, либо с целью калибровки масс-анализатора по чувствительности.
В случае использования в интерфейсе для транспортировки в масс-анализатор заряженных частиц заявляемое устройство может применяться, в частности, для дополнительного возбуждения внутренней энергии ионов с целью: 1) разбивки ионных кластеров, 2) фрагментации ионов, 3) стимулирования ион-молекулярных реакций, 4) подавления ион-молекулярных реакций.
В случае использования в интерфейсе для транспортировки в масс-анализатор заряженных частиц заявляемое устройство может применяться, в частности, для: 1) прямого и непрерывного либо импульсного ввода ионов в непрерывно работающий масс-анализатор, 2) импульсного ввода ионов в масс-анализатор, работающий в импульсном режиме, 3) импульсного ввода ионов в масс-анализатор, работающий в импульсном режиме, с помощью преобразования непрерывного потока ионов в импульсный поток ионов при посредстве ортогонального ускорительного устройства.
Заявляемое устройство может быть использовано в преобразователе непрерывного потока ионов в дискретный поток ионов.
В случае использования в преобразователе непрерывного потока ионов в дискретный поток ионов заявляемое устройство, в частности, может загружаться непрерывным потоком ионов на входе и выдавать поток дискретных пакетов ионов на выходе непосредственно в выходное устройство, работающее в импульсном режиме.
В случае использования в преобразователе непрерывного потока ионов в дискретный поток ионов в заявляемом устройстве, в частности, выходные дискретные пакеты ионов могут быть существенно синхронизированными во времени.
В случае использования в преобразователе непрерывного потока ионов в дискретный поток ионов заявляемое устройство, в частности, может охватывать несколько стадий дифференциальной откачки, при этом давление газа может существенно меняться на протяжении длины упомянутого устройства, а инжектирование ионов внутрь упомянутого устройства может происходить при существенно более высоком давлении по сравнению с областью выхода ионов и упомянутого устройства.
Заявляемое устройство может быть использовано в накопительном устройстве для ионов, в котором накопление ионов происходит внутри заявляемого устройства.
В случае использования заявляемого устройства в накопительном устройстве для ионов, заявляемое устройство может обеспечивать масс-селективность устройства.
Заявляемое устройство может быть использовано в составе источника ионов, при этом генерация ионов может осуществляться внутри заявляемого устройства.
В случае применения заявляемого устройства в составе источника ионов, создаваемые в заявляемом устройстве высокочастотные поля могут использоваться для: 1) удержания ионов, 2) транспортировки ионов по заданному пути, 3) возбуждения внутренней энергии ионов, 4) столкновительного гашения скорости ионов, 5) столкновительного охлаждения внутренней энергии ионов, 6) превращения дискретного потока ионов в непрерывный или квази-непрерывный поток ионов, 7) защиты твердых поверхностей источника от загрязнения исследуемым веществом и от накопления электрических зарядов, 8) удержания ионов с противоположными зарядами, 9) удержания ионов в широком диапазоне масс, 10) грубой фильтрации ионов по параметру отношения массы к заряду.
Заявляемое устройство может быть использовано в составе ячейки для фрагментации ионов, в которой внутри заявляемого устройства может осуществляться удержание ионов за счет высокочастотных электрических полей заявляемого устройства, а фрагментация ионов вызывается за счет: 1) инжектирования ионов внутрь упомянутого устройства с достаточно большой кинетической энергией, 2) падения ионов на поверхность элементов упомянутого устройства, 3) бомбардировки ионов быстрыми частицами, 4) освещения ионов фотонами, 5) воздействия на ионы быстрыми электронами, 6) воздействия на ионы медленными электронами и диссоциации ионов в результате захвата электронов, 7) ион-молекулярных реакций ионов с частицами противоположного заряда, 8) ион-молекулярных реакций с агрессивно действующими парами.