СПОСОБ ВРЕМЯПРОЛЕТНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ИОНОВ ПО МАССАМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR TIME-OF-FLIGHT SEPARATION OF IONS ACCORDING TO MASS AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области масс-анализа заряженных частиц в линейных электрических ВЧ полях и может быть использовано для улучшения конструкторско-технологических и коммерческих характеристик времяпролетных масс-спектрометров. Времяпролетное разделение ионов может осуществляться в ВЧ полях с двумерным линейным распределением потенциала в полупространстве y>0, создаваемых одним заземленным и парой эквипотенциальных гиперболических или плоских с дискретно-линейным распределением потенциала электродов, с приложенными к ним противофазными ВЧ напряжениями [1, 2]. Для получения высокой разрешающей способности и точности определения масс в этом случае необходимо обеспечить высокую степень симметрии геометрии электродной системы масс-анализатора, а так же симметрию ВЧ питающих ее напряжений. Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в усовершенствовании конструкции радиочастотных времяпролетных масс-анализаторов ионов и устройств их ВЧ питания.
В известных радиочастотных времяпролетных масс-анализаторах траектории ионов при движении в двумерном линейном ВЧ поле без постоянной составляющей в первом приближении описываются гармоническими функциями [1]:
0
х=х·cosΩt
0
y
A
А
0
где x и ν - начальная координата и скорость ионов по осям Х и Y, Ω - секулярная частота колебаний ионов. За время дрейфа t=2π/Ω, ионы по оси Y совершают возвратные колебания, а по оси Х их координата изменяет знак x(t)=-x. При этом пространство дрейфа анализатора должно состоять из двух, расположенных в полупространстве y≥0, симметричных относительно оси Y, областей с линейным распределением потенциала вида
Такое распределение создается в дипольных анализаторах с гиперболическими или плоскими дискретными электродами [2].
Схема электродной системы радиочастотного времяпролетного масс-анализатора и способ его ВЧ питания существенно упростятся, если колебания ионов по координате x модифицировать в однополярные с координатами x>0. Тогда в качестве радиочастотного времяпролетного масс-анализатора можно использовать монопольную систему из уголкового заземленного и потенциального электродов с однофазной системой ВЧ питания.
m
0
Для преобразования колебаний ионов по оси Х из двухполярных в монополярные достаточно к гармонической составляющей V·sinωt питающего напряжения добавить постоянную составляющую U<0. В этом случае колебания ионов по оси X будут описываться функцией
m
0
A
где , e и m - заряд и масса ионов, y - амплитуда колебаний ионов по оси Y. Из (3) видно, что при определенных значениях U дрейф ионов в течение интервала t происходит в монополярном пространстве x>0, y>0 с распределением потенциала вида (2).
x
y
Двумерное линейное электрическое поле в одном квадранте может быть образовано в монополярных анализаторах с заземленным уголковым и одним потенциальным электродами. В качестве потенциального может быть использован гиперболический или плоский электрод с дискретно-линейным распределением потенциала [2, 3]. В первом случае размеры анализатора вдоль оси Х значительно превышают размеры рабочей области в этом направлении. В другом случае плоский с дискретно-линейным распределением потенциала электрод имеет сложную систему ВЧ питания. Более эффективным является компромиссный вариант анализатора, у которого одна часть потенциального электрода образована гиперболическим электродом 2, а другая часть плоским дискретным электродом 3 (Фиг.1). При этом до величины L≅0,2L сокращается размер анализатора по оси Х и в 4-5 раз уменьшается число элементов плоского дискретного электрода, что делает электродную систему анализатора приемлемой для практической реализации как по габаритным, так и по конструктивно-технологическим параметрам.
щ
x
щ
z
щ
x
щ
z
om
z
om
x
om
z
В уголковом электроде в плоскости y=0 имеется щель с размерами Δx≅0,1L и Δz≅0,1L с координатами центра x≅0,025L, z≅0,4L для ввода ионов и отверстие диаметром d≅0,2L с координатами центра x≅0,25L и z≅0,6L для вывода ионов из анализатора.
m
0
m
max
min
0
0
Из (3) следует, что при постоянных значениях параметров V, U и ω ВЧ напряжения с увеличением m максимальные координаты x траекторий ионов линейно возрастают и диапазон D=m/m анализируемых масс оказывается ограниченным. Диапазон может быть расширен до величины D=10 при добавлении к гармонической составляющей питающего напряжения вместо постоянной U медленно изменяющейся компоненты U·exp(-t/τ), где параметр τ≅π/Ω.
0
x
0
0
z
y
z
A
A
x
A
0
z
A
A
В этом случае на ионы, образованные с начальными координатами 0<x<0.1L, y=0, z<L/2 и начальными скоростями ν>>ν>0 по осям Y и Z, обратно пропорциональными массам анализируемых частиц, будет действовать линейное по осям Х и Y переменное электрическое поле, под воздействием которого ионы за время дрейфа t, пропорциональное их массам m, совершат по оси Y возвратные колебания, по оси Х колебания с конечными координатами 0<x(t)<L/4, а по оси Z поступательное движение с конечной координатой z(t)=z+ν·t. В результате за время дрейфа t ионы достигнут выходного отверстия анализатора.
z
A
Для пространственного разделения вводимых и выводимых ионов угол ввода заряженных частиц в плоскости OYZ выбирается в пределах α=1-3°. В этом случае за время дрейфа t ионы по координате Z из области щели перемещаются в область отверстия и затем выводятся из анализатора.
Предлагаемый способ масс-разделения ионов в линейных ВЧ полях по времени пролета и устройство для его осуществления упрощают конструкцию и систему ВЧ питания электродных систем радиочастотных времяпролетных масс-анализаторов ионов, делает ее более технологичной, что способствует улучшению потребительских и коммерческих характеристик масс-спектрометрических приборов времяпролетного типа.