Квадрупольный масс-спектрометр
QUADRUPOLE MASS SPECTROMETER

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть применено в газовых хромато-масс-спектрометрах, газоанализаторах и других устройствах, использующих квадрупольный масс-анализатор с источником ионов электронного удара.
Известен квадрупольный масс-спектрометр, содержащий источник ионов электронного удара, ионно-оптическую систему, квадрупольный фильтр масс, приемник ионов (патент США №5302827, МПК H01J 49/42, 1993). Недостатком данного устройства является отсутствие средств снижения влияния краевых полей квадрупольного фильтра масс и, как следствие, низкая чувствительность, особенно к ионам тяжелых масс.
Известен также квадрупольный масс-спектрометр, включающий источник ионов электронного удара, ионно-оптическую систему, квадрупольный фильтр масс с префильтром, приемник ионов (патент США №9209006, МПК H01J 49/42, H01J 49/06, 2012, ближайший аналог). Недостатком известного устройства является низкая чувствительность вследствие несогласованности характеристики выходящего из ионно-оптической системы пучка ионов (эмиттанса) и приемной характеристики (аксептанса) квадрупольного фильтра масс с префильтром.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является устранение указанного недостатка, а именно увеличение чувствительности квадрупольного масс-спектрометра.
Указанная задача решается тем, что в квадрупольном масс-спектрометре, содержащем квадрупольный фильтр масс, к электродам которого попарно подведены переменные и постоянные составляющие напряжений обоих знаков, префильтр, к электродам которого попарно подведены переменные составляющие напряжений обоих знаков, источник ионов электронного удара, включающий магнитное поле, ионно-оптическую систему для формирования ионного пучка источника ионов, приемник ионов, ось электродов квадрупольного фильтра масс с отрицательной постоянной составляющей напряжения расположена параллельно оси магнитного поля источника ионов.
В результате такого расположения, исходящий из ионно-оптической системы пучок ионов, имеющий профиль поперечного сечения, вытянутый в направлении силовых линий магнитного поля источника ионов, т.е., вдоль оси магнитного поля, направляется в квадрупольный фильтр масс с префильтром таким образом, что наиболее протяженная сторона профиля пучка ионов направлена вдоль электродов квадрупольного фильтра масс с отрицательной постоянной составляющей. Это позволяет квадрупольному фильтру масс с префильтром принять наибольшее количество ионов, выходящих из ионно-оптической системы, и передать их в приемник ионов, что означает получение максимальной чувствительности масс-спектрометра, поскольку аксептанс квадрупольного фильтра масс с префильтром в направлении отрицательной постоянной составляющей имеет большую величину, чем аксептанс в направлении с положительной постоянной составляющей, а эмиттанс пучка ионов в направлении оси магнитного поля имеет большую величину, чем эмиттанс в поперечном к этой оси направлении.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показаны основные компоненты устройства.
На фиг. 2 показан пример согласования эмиттанса ионного пучка, исходящего из ионно-оптической системы, и аксептанса квадрупольного фильтра масс с префильтром путем наложения их двумерных диаграмм.
Устройство содержит:
- Источник ионов электронного удара, состоящий из камеры 1 ионизации, магнитов 2, катода 3.
- Ионно-оптическую систему 4.
0
0
O
1
0
- Квадрупольный фильтр масс с префильтром, представляющий собой четыре электрода 5 и четыре электрода 6, попарно расположенные вдоль взаимно перпендикулярных осей 7 и 8. На электроды 5, расположенные вдоль оси 7, подается напряжение вида: U+V⋅cos(ωt+ϕ), где U - постоянная составляющая напряжения, V - амплитуда переменной составляющей напряжения, ω - угловая частота, t - время, ϕ - начальная фаза. В свою очередь, на электроды 5, расположенные вдоль оси 8, подается напряжение вида: -U-V⋅cos(ωt+ϕ). Таким образом, ось 7 является осью положительной постоянной составляющей напряжения квадрупольного фильтра масс, а ось 8 - осью отрицательной постоянной составляющей напряжения квадрупольного фильтра масс. На электроды 6 префильтра подаются переменные составляющие напряжения (±V⋅cos(ωt+ϕ)) того же знака, что и на смежные электроды 5 квадрупольного фильтра масс.
- Приемник 9 ионов, в качестве которого может служить детектор ионов, ионно-фокусирующее устройство, ячейка фрагментации, другой масс-анализатор и т.п.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Магниты 2 в источнике ионов создают магнитное поле, силовые линии которого направлены вдоль оси 10. Перпендикулярно оси 10, вдоль оси 11 в камеру 1 ионизации вводится поток 12 анализируемых веществ. Катод 3 испускает электроны, при этом, магнитное поле, созданное магнитами 2, формирует из них узкий пучок, направленный внутрь камеры 1 ионизации вдоль оси 10. Образующееся в результате взаимодействия пучка электронов с молекулами пробы ионное облако 13 имеет вытянутую форму в виде стержня, направленного вдоль оси 10 магнитного поля. Далее ионное облако 13 втягивается и фокусируется ионно-оптической системой 4, после чего направляется в квадрупольный фильтр масс с префильтром вдоль основной оси 14. Получаемый на выходе ионно-оптической системы 4 ионный пучок 15 все еще имеет осевую несимметричность, что подразумевает больший размер поперечного сечения пучка и больший угловой разброс в направлении оси 10, чем в перпендикулярном ей направлении. Это означает, что эмиттанс пучка ионов в направлении вдоль оси 10 магнитного поля больше эмиттанса пучка ионов в направлении, перпендикулярном оси 10.
Было установлено, что аксептанс квадрупольного фильтра масс с префильтром в направлении оси отрицательной постоянной составляющей больше аксептанса в направлении оси положительной постоянной составляющей [В.Б. Алмазов, Н.В. Коненков. «Аксептанс и пропускание квадрупольного фильтра масс с префильтром». Журнал технической физики, 2017, том 87, вып. 10, стр. 1562-1570], т.е., в направлении оси 8 отрицательной постоянной составляющей квадрупольный фильтр масс с префильтром способен принять ионный пучок с большим координатным и угловым разбросом, чем в направлении оси 7 положительной постоянной составляющей.
Отсюда следует, что наибольшее количество ионов будет достигать приемника 9 ионов (что означает максимальную чувствительность масс-спектрометра) в случае, если больший аксептанс квадрупольного фильтра масс с префильтром будет совмещен с большим эмиттансом ионно-оптической системы, а меньший аксептанс - с меньшим эмиттансом, т.е., для достижения наилучшей чувствительности необходимо совмещение направления оси 8 отрицательной постоянной составляющей квадрупольного фильтра масс с префильтром с направлением оси 10 магнитного поля источника ионов.
На фиг. 2 (а, б) на плоскостях поперечных координат и скоростей в одинаковом масштабе показан пример согласования эмиттанса ионного пучка, исходящего из ионно-оптической системы 4, и аксептанса квадрупольного фильтра масс с префильтром. На фиг. 2 (а, б) области пересечения двух фигур, обозначенные двойной штриховкой, есть фазовые площади тех ионов, которые будут переданы в приемник 9 ионов и создадут полезный сигнал. Чем больше площадь пересечения фигур, заштрихованная двойной штриховкой, тем большую чувствительность масс-спектрометра можно получить. На фиг. 2 (а) показано наложение диаграммы эмиттанса пучка ионов в направлении, перпендикулярном оси 10 магнитного поля, и диаграммы аксептанса квадрупольного фильтра масс с префильтром, вдоль оси 7 с положительной постоянной составляющей. На фиг. 2 (б) показано наложение диаграммы эмиттанса пучка ионов в направлении, совпадающем с осью 10 магнитного поля, и диаграммы аксептанса квадрупольного фильтра масс с префильтром, вдоль оси 8 с отрицательной постоянной составляющей.