АНАЛИЗАТОР КВАДРУПОЛЬНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА ПРОЛЕТНОГО ТИПА С ТРЕХМЕРНОЙ ФОКУСИРОВКОЙ
ANALYSER FOR FLIGHT-TYPE QUADRUPOLE MASS-SPECTROMETER WITH THREE-DIMENSIONAL FOCUSING

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано при создании квадрупольных масс-спектрометров пролетного типа с высокой разрешающей способностью и чувствительностью.
Известно устройство анализатора квадрупольного масс-спектрометра (фильтра масс) [1], которое состоит из четырех стержневых электродов (круглого либо гиперболического сечения), расположенных вдоль оси z параллельно друг другу так, что система имеет две перпендикулярные плоскости симметрии (плоскость x-z и плоскость y-z). Справа и слева от электродной системы вдоль оси z расположены две (входная и выходная) диафрагмы, имеющие отверстия по оси z для ввода и вывода анализируемых ионов.
Недостатками известного устройства при использовании в режиме трехмерной фокусировки являются высокие требования, предъявляемые к разбросу вводимого в анализатор ионного потока по продольным скоростям; трудности реализации традиционного для квадрупольных масс-спектрометров амплитудного режима развертки спектра масс при трехмерной фокусировке; высокий уровень паразитного сигнала, обусловленный соосностью входного и выходного отверстий для ввода и вывода анализируемых частиц.
Известно устройство анализатора квадрупольного масс-спектрометра, которое содержит электродную систему, рабочие поверхности которой описываются соотношениями:
,
a
a
0
где ,  и  - отнесенные к x соответствующие координаты декартовой системы и x - наименьшее расстояние от точки x=y=z=0 до электродов анализатора в плоскости z=0, Р - безразмерный параметр. Входная диаграмма, расположенная в плоскости z=0, имеет два отверстия для ввода и вывода анализируемых ионов. В известном устройстве практически полностью снимаются требования к разбросу вводимого в анализатор ионного потока по продольным скоростям [2]. В анализаторе известного устройства введенные в анализатор ионы совершают вдоль оси z возвратное движение, а поскольку вдоль оси z реализовано квадратичное распределение потенциала, то время пролета ионов через анализатор, выраженное в периодах высокочастотного поля, оказывается независимым от их начальной скорости по этой оси. К тому же реализация амплитудного метода развертки спектра масс в масс-спектрометре с известным устройством не вызывает затруднений.
Недостатком известного устройства является трудность разделения входного и выходного ионных потоков в пространстве и неопределенность значений геометрических параметров, определяющих геометрию рабочих поверхностей электродов анализатора, в котором возможно реализовать режим трехмерной фокусировки.
Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков прототипа.
Указанная цель достигается тем, что анализатор квадрупольного масс-спектрометра пролетного типа с трехмерной фокусировкой содержит электродную систему, включающую четыре электрода, рабочие поверхности которых описываются соотношениями:
a
0
0
x
y
x
y
z
z
где  и x - наименьшее расстояние от точки x=0, y=0, z=0 до электродов анализатора в плоскости z=0; x, y и z - координаты декартовой системы; P - безразмерный параметр, который может принимать значения от 0 до 1, также анализатор содержит два электрода, ограничивающие электродную систему по оси z, один из которых расположен справа, а другой - слева от электродной системы. В одном из них выполнены два отверстия: одно для ввода анализируемых ионов в рабочий объем анализатора, а другое для вывода отсортированных ионов. Отличается анализатор тем, что значения координат центров отверстий для ввода и вывода ионов по одноименным координатным осям равны по модулю, но хотя бы одна пара соответствующих значений координат имеет разные знаки. При этом значение P выбрано так, чтобы значение параметра  было кратно значениям параметров S и S, где S, S и S - целые числа, β - параметр стабильности движения анализируемого иона по оси z.
Предлагаемое устройство позволяет значительно улучшить электрические и механические параметры квадрупольного пролетного масс-спектрометра с тройной фокусировкой:
- существенно (почти в три раза) уменьшить длину анализатора;
- практически полностью снять ограничения по допустимому разбросу вводимого ионного потока по продольным скоростям, что позволит в разы увеличить вводимый ионный поток и, соответственно, чувствительность масс-спектрометра;
- значительно уменьшить влияние переходной области анализатора на параметры вводимого ионного потока, что приведет к увеличению разрешающей способности масс-спектрометра:
- даже при уменьшении длины анализатора увеличить скорость вводимых в анализатор ионов, что позволит поднять чувствительность прибора и, главное, многократно повысить устойчивость работы ионного источника на сроке службы (и повысить срок службы всего прибора);
- использовать амплитудный режим развертки спектра масс;
- уменьшить амплитуду подаваемого на электроды анализатора ВЧ-напряжения, т.е. мощность питающих анализатор ВЧ-генераторов.
a
0
На фиг.1 приведены сечения электродов предлагаемого устройства анализатора в плоскостях x-z и y-z и совмещенные с ними соответствующие проекции траектории анализируемого иона, вводимого и выводимого в плоскости входной диафрагмы через отверстия ввода и вывода, координаты центров которых по одноименным координатным осям совпадают по модулю, но противоположны по знаку. Траектории ионов рассчитывались при подаче на электроды анализатора импульсного противофазного напряжения (меандр) размахом 200 В; x=6 мм; длина электродной системы 78,3 мм; P=0,00195. Координата центра входного отверстия по оси x+4 мм, а выходного -4 мм. Соответственно, по оси y +0,7 мм и -0,7 мм. Через входное отверстие ионы вводились параллельно оси z с продольной скоростью, соответствующей энергии 4,62 эВ. Фиг.1 показывает, что при использовании предлагаемого устройства в режиме трехмерной фокусировки удается разделить входной и выходной потоки ионов в плоскости входной диафрагмы более чем на 8 мм, что вполне достаточно для практической реализации изобретения.
а
2
На фиг.2 иллюстрируется форма массового пика, полученная численным моделированием для квадрупольного пролетного масс-спектрометра с трехмерной фокусировкой при использовании предлагаемого устройства анализатора. На фиг.2А пик представлен в линейном масштабе как зависимость коэффициента прохождения ионного потока (из входного в выходное отверстие) в % от значения коэффициента , а на фиг.2Б - тот же пик представлен в логарифмическом масштабе и в относительных единицах.
0
где U - размах импульсного напряжения в Вольтах, T - период ВЧ-напряжения в секундах, e=заряд в Кулонах и m - масса иона в кг. При расчетах ионный поток вводился в анализатор под углом 10,6 градусов к оси z в плоскости y-z через отверстие диаметром 0,3 мм и выводился через отверстие диаметром 0,3 мм. При этом время пролета ионов через анализатор 70 периодов ВЧ-поля. На фиг.2А приведена таблица, иллюстрирующая зависимость разрешающей способности от значения уровня, на котором определено разрешение. Видно, что практически ниже уровня 0,01 вплоть до уровня 0,00001 разрешение остается практически постоянным, что является несомненным преимуществом предлагаемого устройства. На фиг.3 приведены массовые пики, рассчитанные при вводе в анализатор ионных потоков, имеющих энергию 1-5,55 ЭВ, 2-2,57 ЭВ, различия по продольным энергиям, достигающие 70% от значения средней энергии ионов. Видно, что при таком существенном различии по продольным энергиям форма массового пика не претерпевает существенных изменений.
Таким образом, численное моделирование показало, что использование предлагаемого устройства анализатора в квадрупольном пролетном масс-спектрометре с тройной фокусировкой позволяет:
- снять ограничения по допустимому разбросу вводимого в анализатор ионного потока по продольным скоростям и, благодаря этому, повысить разрешающую способность и чувствительность масс-спектрометра;
- в несколько раз уменьшить длину анализатора;
- даже при уменьшении длины анализатора увеличить продольную скорость вводимых ионов, что позволяет повысить стабильность работы ионного источника и увеличить срок службы всего прибора.
Библиографические данные
1. Paul W., Reinchard H.P., von Zahn U. Das elektrische Massenfilter als Massenspectrometer und Isotopentrener // Z. fur Physik. 1958. №152. S.143-182.
2. AC СССР №589573, опубл. 25.01.78. Бюл. №3.