ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР
TOF MASS SPECTROMETER

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