УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАПРАВЛЕНИЯ ПУЧКА ИОНОВ, СОДЕРЖАЩЕЕ ЭЛЕКТРОДЫ, РАЗМЕЩЕННЫЕ НА ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ПЛАСТИНАХ
DEVICE FOR DIRECTING ION BEAM, HAVING ELECTRODES ON PARALLEL PLATES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройству транспортировки заряженных частиц, в котором система электродов расположена так, чтобы фокусировать заряженные частицы в поперечном направлении. Конкретнее, настоящее изобретение относится к формированию необходимых поперечных полей электродными полосами на плоских пластинах, расположенными по существу параллельно друг другу, а также к вариантам и применениям.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В известном уровне техники заряженные частицы транспортируют в вакууме или в буферном газе с помощью действующих в поперечном направлении сил, вызванных электрическими многополюсными полями, сформированными стержневидными электродами, которые расположены параллельно пучку частиц и вокруг него. Такими полями могут быть поле постоянного тока или ВЧ-поле, т.е. быстро меняющееся высокочастотное поле. Такие поля применяют во многих устройствах, в которых необходима транспортировка заряженных частиц на достаточно длинные расстояния без потери интенсивности пучка. Как правило, эти устройства можно оценить по давлению буферного газа в области транспортировки или по давлению остаточного газа в вакууме.
Известный уровень техники включает следующие варианты транспортировки частиц:
1. Транспортировка заряженных частиц в области, в которой давление буферного газа составляет от нескольких мбар до нескольких бар, как изложено в [G.Eiceman, "Спектрометрия подвижности ионов", CRC-Press, Boca Raton, 2006] в этой области могут быть размещены:
1.1 спектрометр ионной подвижности или
1.2 спектрометр дифференциальной подвижности, также известный как спектрометр ионной подвижности в несимметричном поле высокой интенсивности.
2. Транспортировка заряженных частиц в области, в которой давление буферного газа составляет от менее мкбар до нескольких мбар. В этой области могут быть размещены:
2.1 "охладитель пучка", в котором ионы сталкиваются с атомами или молекулами буферного газа и в процессе этого передают им свою кинетическую энергию. Тем самым происходит "охлаждение" ионов и уменьшение фазового пространства, занимаемого пучком ионов.
2.2 "ионизационная камера", в которой молекулярные ионы распадаются на части при столкновении с атомами или молекулами буферного газа.
2.3 "транспортная линия", по которой ионы транспортируют из области высокого давления в область низкого давления или наоборот.
3. Транспортировка заряженных частиц в область, в которой давление остаточного газа меньше примерно 1 мкбар. В такой области могут быть размещены:
3.1 канал транспортировки пучка как в ускорителях частиц или системах направления пучка частиц, или
3.2 масс-спектрометр, состоящий из секторного поля, высокочастотного четырехполюсника или изохронной времяпролетной энергосистемы [P.H.Dawson, "Квадрупольная масс-спектрометрия и ее применение", Elsevier, Amsterdam, 1976].
В вышеприведенных примерах важно то, что по существу все (или по меньшей мере большая часть) первоначально существующие заряженные частицы поступают в конец транспортной линии. В известном уровне техники это может быть достигнуто при использовании одной или множества линз, которые многократно перефокусируют пучок заряженных частиц вдоль транспортной линии с криволинейной осью Z пучка.
Для одновременного фокусирования заряженных частиц на оси пучка в направлении осей Х и Y, если расположить декартову систему координат XY перпендикулярно оси пучка, могут быть использованы осесимметричные электростатические или магнитные линзы. Однако также могут быть использованы магнитные или электростатические квадрупольные, т.е. 4-полюсные, линзы преимущественно для фокусировки заряженных частиц в направлении оси Х или оси Y и расфокусировки их в другом направлении, как изложено в [H.Wollnik, "Оптика Заряженных Частиц", Acad. Press, Orlando, 1987].
В некоторых случаях могут быть использованы магнитные или электростатические гексапольные или октапольные, т.е. с 6 полюсами или 8 полюсами, системы, которые создают нелинейные силы, сдвигающие заряженные частицы ближе к оси пучка или дальше от оси пучка. Во всех 4-, 6- или 8-полюсных устройствах, обычно называемых многополюсниками, общее действие на заряженные частицы таково, что заряженные частицы собираются в области оси пучка по обеим осям Х и Y. Это общее действие происходит потому, что в каждом многополюснике силы, действующие на заряженные частицы в направлении к оси пучка, в целом больше сил, которые действуют на заряженные частицы в направлении от оси пучка. Причина этого в том, что эти силы растут с увеличением расстояния от оси, когда они проходят через многополюсник, и еще в том, что диаметры пучка всегда больше, когда на частицы действуют силы, направленные к оси пучка, в то время как диаметры пучка меньше, когда на частицы действуют силы, направленные от оси пучка.
Хотя пучки заряженных частиц могут быть эффективно транспортированы отдельными короткими 4-, 6- и 8-полюсными устройствами, также может быть использовано и более длинное одиночное устройство, если приложить к его электродам высокочастотные потенциалы [P.H.Dawson, "Квадрупольная масс-спектрометрия и ее применение", Elsevier, Amsterdam, 1976]. В этом случае на ионы будут действовать схожие фокусирующие и расфокусирующие силы во время их прохождения через высокочастотный многополюсник.
No
No
0
В известном уровне техники электрические многополюсники формируют из 2N=4, 6, 8… стержневидных электродов, расположенных параллельно оси пучка ионов и вокруг него через равные полярные углы Δθ=π/N, причем к электродам с четными номерами приложен потенциал +V, а к электродам с нечетными номерами приложен потенциал -V. Самые распространенные многополюсники представляют собой четырехполюсники с конфигурацией 2N=4 полюса, как показано на фиг.1, в которых 4 электрода расположены через равные полярные углы π/2 вокруг отверстия диаметром 2G.
N
В цилиндрических R, θ, Z координатах потенциал V(R, θ) в 2N-полюснике не зависит от Z и может быть описан как:
Здесь θ - полярный угол вокруг оси Z и Ф - полярный угол, на который конфигурация из 2N электродов повернута относительно плоскости θ=0, т.е. плоскости XZ, как показано на фиг.1. Однако на практике точное распределение потенциала согласно формуле (1) носит приблизительный характер, поскольку используются реальные электроды, форма которых ограничена допусками.
2
20
20
20
20
2
2
2
2
0
0
В случае классического электрического 2N-полюсника с N=2, как показано на фиг.1, распределение потенциала V(R, θ-Ф) в формуле (1) аппроксимировано приложением потенциалов +V, -V, +V, -V к электродам с вершинами в θ-Ф=0, π/2, π, 3π/4, где θ представляет собой полярный угол. Для точного представления V(R, θ-Ф) в формуле (1) электроды в плоскости XY должны иметь гиперболическую форму. Благодаря симметрии электродов распределение потенциала V(R, θ-Ф) имеет 4-кратную симметрию, где Ф - это угол, на который конфигурация электродов повернута относительно плоскости θ=0, как показано на фиг.1 для случаев Ф=0 и Ф=π/4. Потенциал принимает нулевое значение вдоль пунктирных линий на фиг.1, в то время как поле E=gradV(G) постоянно вдоль так называемой окружности отверстия диаметром 2G. Тем самым результирующие силы, действующие на заряженные частицы, постоянны вдоль этой окружности, но меняют направление, как обозначено маленькими стрелками на фиг.1.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Особенности вариантов реализации сводятся к устройству для направления пучка ионов вдоль по существу непрерывной оси пучка по меньшей мере в одном поле, в котором на ионы в пучке действует сила. Это устройство содержит по меньшей мере одну секцию, которая содержит по существу плоский пластинчатый многополюсник, имеющий верхнюю плоскую пластину и нижнюю плоскую пластину, причем действующая на заряженные частицы сила по существу симметрична в параллельном направлении или по существу асимметрична в перпендикулярном направлении относительно плоскости, содержащей ось пучка, и каждую из указанных пластин, а именно верхнюю плоскую пластину и нижнюю плоскую пластину, содержащих первые электродные полосы, к которым приложены соответствующие потенциалы, причем первые электродные полосы генерируют по меньшей мере часть по меньшей мере одного поля, при этом граница краевого поля расположена на каждом конце по меньшей мере одной секции, и первые электродные полосы по существу тонкие и плоские.
В этом устройстве верхняя плоская пластина и нижняя плоская пластина расположены по существу параллельно или наклонно плоскости по меньшей мере одной секции, причем экстраполированная линия пересечения верхней плоской пластины и нижней плоской пластины по существу перпендикулярна оси пучка ионов.
В устройстве по меньшей мере одна секция включает по меньшей мере одну секцию, в качестве которых указаны прямая секция и изогнутая секция, которая изогнута внутри плоскости, причем прямые секции по меньшей мере одной секции содержат по существу четырехугольные первые электродные полосы, параллельные оси пучка ионов, и изогнутые секции по меньшей мере одной секции содержат по существу изогнутые первые электродные полосы, расстояние до которых от оси пучка ионов по существу постоянно.
В устройстве ось пучка ионов по меньшей мере в одной секции обладает по меньшей мере одним из свойств, включающих прямоту, изогнутость и криволинейность.
В устройстве каждая из первых электродных полос имеет по меньшей мере один из краев, в качестве которых указаны (а) прямой и (b) изогнутый край, а ширина, по существу перпендикулярная оси пучка ионов, меньше длины вдоль оси пучка ионов для каждой из первых электродных полос. Кроме того, длины или углы отклонения первых электродных полос равны по меньшей мере, соответственно, длинам или углам отклонения смежной с ними одной первой электродной полосы. Кроме того, длины или углы отклонения первых электродных полос не равны по меньшей мере длинам или углам отклонения, соответственно, смежной с ними одной первой электродной полосы, и изменяются линейно либо нелинейно в зависимости от соответствующего расстояния до них от оси пучка ионов.
В устройстве ширина по меньшей мере одной из первых электродных полос увеличивается вдоль оси пучка ионов. Также отношение ширин первых электродных полос к расстоянию между верхней плоской пластиной и нижней плоской пластиной представляет собой постоянную или переменную величину, изменяющуюся вдоль оси пучка ионов. Кроме того, по меньшей мере к двум первым электродным полосам в течение некоторого периода времени приложены потенциалы для формирования поля вдоль оси пучка ионов.
В устройстве ширина по меньшей мере одной из первых электродных полос увеличивается и уменьшается вдоль оси пучка ионов так, что ширина максимальна в средней части.
В устройстве ширина первых электродных полос больше на более удаленных от пучка ионов расстояниях.
В устройстве ширина центральной из первых электродных полос равна или больше ширин смежных с ней первых электродных полос.
В устройстве ионы направлены к одной из указанных пластин, в качестве которых указаны верхняя плоская пластина и нижняя плоская пластина, а именно к пластине, имеющей больший притягивающий ионы потенциал, приложенный к этой пластине в течение некоторого периода времени, и также имеющей отверстие, позволяющее производить эмиссию по меньшей мере части ионов.
В устройстве ионы направлены вдоль плоскости под действием различных потенциалов, приложенных в течение некоторого периода времени к первым электродным полосам для формирования поля, параллельного плоскости.
Устройство также содержит вторые электродные полосы, расположенные по существу перпендикулярно плоскости первой поверхности и второй поверхности, причем вторые электродные полосы являются по существу тонкими и плоскими. В устройстве вторые электродные полосы (а) по существу прямоугольные или (b) по существу изогнутые и расположены на постоянном минимальном расстоянии от оси пучка ионов. Кроме того, ширины вторых электродных полос больше на более удаленных расстояниях от указанной плоскости. Также ширина по меньшей мере одной из вторых электродных полос увеличивается вдоль оси пучка ионов. Кроме того, ширина по меньшей мере одной из вторых электродных полос увеличивается и уменьшается вдоль оси пучка ионов таким образом, что ширина максимальна в средней части. Кроме того, ионы направлены к одной из указанных поверхностей, в качестве которых указаны первая поверхность и вторая поверхность, а именно к поверхности, имеющей больший притягивающий ионы потенциал, приложенный ко вторым электродным полосам в течение некоторого периода времени, причем в этих поверхностях имеется отверстие, позволяющее производить эмиссию по меньшей мере части ионов. Также в системе использован пластинчатый многополюсник для транспортировки пучка ионов в буферном газе низкого давления в вакуумной системе транспортировки ионов, в которой давление остаточного газа настолько низкое, что ион испытывает по существу минимальное количество ион-атомных и ион-молекулярных столкновений, причем сформированы высокочастотные многополюсные поля и многополюсные поля постоянного тока для возможности проведения масс-анализа, при этом расстояние между первой поверхностью и второй поверхностью по существу меньше расстояния между верхней плоской пластиной и нижней плоской пластиной. Дополнительно в устройстве к каждой из вторых электродных полос приложен по меньшей мере один из таких потенциалов, как (а) по существу постоянные потенциалы и (b) синусоидальные потенциалы. Кроме того, в устройстве к каждой из вторых электродных полос приложен по меньшей мере один из таких потенциалов, как (а) по существу постоянные потенциалы и (b) прямоугольно переключаемые потенциалы. Кроме того, по меньшей мере один из высокочастотных потенциалов, включающий по меньшей мере одну частоту, приложен к одной из вторых электродных полос, и каждая по меньшей мере одна частота может отличаться от других по меньшей мере одной из характеристик, включающих амплитуду и фазу.
В устройстве первые электродные полосы содержат проводящий материал или материал, имеющий проводящую поверхность, причем потенциал вдоль каждой из электродных полос является по существу постоянным.
В устройстве первые электродные полосы сформированы по меньшей мере из одного провода.
В устройстве первые электродные полосы содержат накладки из проводящего материала на соответствующих изоляционных подложках или подложках с небольшой проводимостью, и сформированы в виде печатных плат. Кроме того, накладки разделены областью, которая меньше или равна толщине любой из первых электродных полос. Также предусмотрен проводящий слой, который выполнен с возможностью экранировать высокочастотное поле, сформированное накладками, если приложены высокочастотные потенциалы.
В устройстве по меньшей мере один из высокочастотных потенциалов, изменяемый по меньшей мере с одной частотой, приложен к одной из первых электродных полос, и каждая, по меньшей мере одна, частота может отличаться от других по меньшей мере одной из характеристик, включающих амплитуду и фазу. Кроме того, по меньшей мере дипольное поле может быть модулировано частотой, независимой от других многополюсных полей, по меньшей мере для одной секции.
В устройстве к каждой из первых электродных полос приложен по меньшей мере один из таких потенциалов, как (а) по существу постоянные потенциалы и (b) синусоидальные потенциалы.
В устройстве к каждой из первых электродных полос приложен по меньшей мере один из таких потенциалов, как (а) по существу постоянные потенциалы и (b) прямоугольно переключаемые потенциалы.
В устройстве к внешним из первых электродных полос приложен общий потенциал, и к нецентральным внутренним из первых электродных полос приложен потенциал по существу больший, чем общий потенциал, и к центральной из первых электродных полос приложен потенциал по существу меньший, чем потенциал, приложенный к внутренним первым электродным полосам.
В устройстве использован пластинчатый многополюсник для фокусирования пучка ионов в направлении к плоскости в буферном газе высокого давления от нескольких бар до менее 1 мбар в спектрометре ионной подвижности или в спектрометре дифференциальной подвижности, причем наличие высокочастотных многополюсных полей и многополюсных полей постоянного тока во время пролета указанных ионов вдоль указанной оси пучка ионов обеспечено пластинчатым многополюсником.
В устройстве использован пластинчатый многополюсник для транспортировки пучка ионов в буферном газе среднего давления от примерно 1 мбар до менее 1 мкбар в охладителе пучка, в котором ионы теряют энергию в результате ион-атомных и ион-молекулярных столкновений так, что в результате фазовое пространство пучка иона уменьшается, причем во время пролета указанных ионов вдоль оси пучка ионов обеспечено наличие в пластинчатом многополюснике высокочастотных многополюсных полей.
В устройстве использован пластинчатый многополюсник для транспортировки пучка ионов в буферном газе среднего давления примерно от 1 мбар до менее 1 мкбар в ионизационной камере, в которой молекулы распадаются на части в результате ион-атомных и ион-молекулярных столкновений, и выделяются осколочные ионы.
В устройстве использован пластинчатый многополюсник для транспортировки пучка ионов в буферном газе низкого давления, в вакуумной системе транспортировки ионов, в которой давление остаточного газа настолько мало, что иона испытывает по существу минимальное количество ион-атомных или ион-молекулярных столкновений, причем сформированы высокочастотный многополюсный поля и многополюсный поля постоянного тока с возможностью проведения масс-анализа.
В устройстве поле пластинчатых многополюсников ограничено по существу прямоугольными электродами щелевого типа, являющимися телами вращения, или решетками, расположенными в местах потенциалов, которые отталкивают ионы относительно оси пучка ионов так, что ионы в пластинчатом многополюснике захвачены как в линейной квадрупольной ионной ловушке, причем высокочастотные многополюсные поля и многополюсные поля постоянного тока образованы с возможностью проведения масс-анализа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеупомянутые особенности вариантов реализации станут более ясными при описании конкретных вариантов реализации настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 иллюстрирует форму электрода электрического четырехполюсника известного уровня техники со стержневидными электродами, которые имеют вершины в θ-Ф=0, π/2, к, 3π/4, где θ представляет собой полярный угол. В примере А такая конфигурация электродов показана для Ф=0, и в примере В для Ф=π/4.
0
1
2
3
4
5
Фиг.2 иллюстрирует вариант реализации, в котором плоские и тонкие первые электродные полосы с длиной L расположены на двух параллельных пластинах, расстояние между которыми 2G. Если описать различные электродные полосы координатами X, Y центров их ширин w, w, w, w, w и приложить к этим электродным полосам потенциалы, которые по существу идентичны потенциалам в координатах X, Y в многополюснике известного уровня техники со стержневидными электродами, то можно добиться однородного распределения потенциала в многополюснике.
0
1
2
3
2
3
ρ
3
4
3
4
5
Фиг.3 иллюстрирует примерный вариант реализации, в котором плоские и тонкие первые электродные полосы расположены на двух параллельных пластинах, расстояние между которыми 2G, как на фиг.2. В этом примере электродные полосы изогнуты и, таким образом, представляют собой кольцевые сегменты, если ось Z пучка представляет собой дугу окружности радиуса ρ, которая имеет угол отклонения Ф. Далее представлены средние длины различных электродных полос, перечисленные слева направо: Ф[ρ+(w/2+w+w/2)], Ф[ρ+(w+w)/2], Ф, Ф[ρ-(w+w)/2], Ф[ρ-(w/2-w-w/2)].
u
d
l
r
Фиг.4 иллюстрирует примерный вариант реализации, в котором плоские и тонкие первые электродные полосы расположены на двух пластинах на Y и Y, a также плоские и тонкие вторые электродные полосы расположены на двух перпендикулярно установленных поверхностях, помещенных на X и Х. Такая конфигурация электродных полос обозначена как А для прямой оси Z пучка ионов и как В для изогнутой оси Z пучка ионов.
Фиг.5 иллюстрирует вариант реализации конфигурации электродных полос, который представляет собой изменение фиг.2 и показывает плоские и тонкие первые электродные полосы, расположенные на двух пластинах, которые наклонены относительно друг друга так, чтобы разделяющее их расстояние 2G(Z) менялось с изменением Z. Это вызывает изменение полей и напряженности многополюсника вдоль координаты Z.
Фиг.6 иллюстрирует вариант реализации настоящего изобретения, показывающий два возможных способа использования "сужающихся первых электродных полос" в конфигурациях электродных полос, изображенных на фиг.2 и фиг.5, т.е. это примеры, в которых ширины w(Z) сужающихся первых электродных полос 2, 3, 4 меняются вдоль оси Z, что, в свою очередь, вызывает изменение напряженности полей в многополюсниках, которая изменяется в направлении Z, как показано в примере В. В примере А отношение w(Z)/G(Z) между шириной w(Z) конкретной электродной полосы и расстоянием 2G(Z), разделяющим две пластины, называется соотношением w/G, которое по существу не зависит от Z.
Фиг.7 иллюстрирует вариант реализации двух возможных способов создания поля постоянного тока в направлении Z в конфигурации электродных полос, показанной на фиг.2 или фиг.5, при помощи "сужающихся первых электродных полос", показанных на фиг.6. Здесь электродные полосы расположены на двух параллельных пластинах, причем в примере А тот же самый высокочастотный и постоянный потенциал, который приложен к электродным полосам 3, также приложен к электродным полосам 3а, несмотря на то что к этим электродным полосам может быть приложен добавочный постоянный и высокочастотный потенциал. В примере В то же самое сделано в отношении электродных полос 2а, 3а и 4а.
Фиг.8 иллюстрирует вариант реализации двух устройств, подобных показанным на фиг.7, в котором плоские и тонкие первые электродные полосы имеют различные средние длины, что приводит к изогнутому и также преимущественно наклонному входному или выходному контуру пластинчатого многополюсника. В примере А разные электродные полосы выполнены с одинаковой шириной и таким образом имеют прямые стороны, тогда как в примере В четыре электродные полосы выполнены с разной шириной и имеют изогнутые стороны.
Фиг.9 иллюстрирует вариант реализации пластинчатого многополюсника, который функционирует подобно показанному на фиг.7 и в котором на ионы действуют силы в направлении оси Z, которые концентрируют ионы приблизительно в середине показанной конфигурации электродных полос, если притягивающий ионы потенциал дополнительно приложен к этим центральным электродным полосам. В примере А это достигнуто двойной трапециевидной центральной электродной полосой, тогда как в примере В эта двойная трапециевидная центральная электродная полоса снабжена дополнительным кругообразным выступом, который увеличивает действие силы, направленной к центру системы. Также в обоих примерах показаны отверстия, через которые ионы могут быть извлечены по существу перпендикулярно первым электродным полосам на верхней или нижней пластинах. Центральные электродные полосы также обозначены как разделенные в направлении оси Z, причем в варианте А, поле постоянного тока может быть сформировано в направлении оси Z в течение короткого периода времени после того, как ионы были сконцентрированы. То же самое может быть сделано и в варианте В. Перед извлечением ионов они могут быть перемещены по направлению к середине кругообразного выступа.
Фиг.10 иллюстрирует вариант реализации, в котором плоские и тонкие первые электродные полосы (2, 3) выполнены в виде металлических накладок на изолированной или малопроводящей подложке (5) и изготовлены по технологии печатных плат, получаемых методом травления. В показанном примере также предусмотрено заземление и экранирование (1, 4) активной конфигурации электродных полос.
1
2
3
4
1
2
3
4
Фиг.11 иллюстрирует ограничители краевого поля, размещенные как перед пластинчатым многополюсником, так и за ним. В примере А показаны два таких ограничителя краевого поля на каждом конце многополюсника со всеми ограничителями A, A, A, A, выполненными в форме конструкции щелевого типа. В примере В два таких ограничителя краевого поля показаны на каждом конце многополюсника со всеми ограничителями В, В, В, В, выполненными в форме каркасной конструкции.
Фиг.12 иллюстрирует ограничители краевого поля (А) прямоугольного каркасного типа, (В) щелевого типа и (С) кольцевого типа. Эти примеры показаны с проволочными решетками и без них, причем они могут быть заменены сетчатыми решетками.
Фиг.13 иллюстрирует комбинацию четырех пластинчатых многополюсников A, B, C, D и квадрупольного масс-анализатора стержневого типа известного уровня техники, причем все части расположены на одной прямой оси Z. В этом примере четырехполюсник стержневого типа расположен по ходу пучка после пластинчатого многополюсника D, хотя он может быть расположен между любыми двумя из пластинчатых многополюсников. Как показано на чертеже, все пластинчатые многополюсники разделены ограничителями краевого поля щелевого типа, хотя эти ограничители могут быть уменьшены до одного между двумя пластинчатыми многополюсниками, удалены совсем или заменены на ограничители краевого поля другого типа. Показано также, что ионы могут быть извлечены перпендикулярно пластинчатому многополюснику D.
Фиг.14 иллюстрирует комбинацию нескольких пластинчатых многополюсников, которые расположены вдоль прямых осей Z, кроме многополюсника С, который расположен вдоль изогнутой оси Z. Этот пластинчатый многополюсник особенно подходит для использования в качестве ионизационной камеры, в которой молекулярные ионы распадаются на части в результате ион-атомных и ион-молекулярных столкновений, которые, например, могут быть исследованы посредством масс-анализа в пластинчатом многополюснике D, если соответствующие высокочастотный потенциал и постоянный потенциал будут приложены к электродным полосам так, чтобы устройство действовало как высокочастотный квадрупольный фильтр или линейная ионная ловушка для масс-анализа. Пластинчатый многополюсник D также может быть использован как пластинчатый многополюсник, который концентрирует ионы в своей средней части и выталкивает их перпендикулярно своей верхней пластине или направляет пучок ионов в квадрупольный масс-анализатор стержневого типа.
Фиг.15 иллюстрирует 5 электродных полос на двух параллельных пластинах Рu и Pd, сегментированных в направлении оси Z. Эта конфигурация обеспечивает приложение зависимых от оси Х постоянного и высокочастотного потенциалов ко всем электродным полосам, которые охарактеризованы некоторым значением X, и позволяет добавлять зависимые от оси Z высокочастотный и постоянный потенциалы к потенциалам всех электродных полос, которые охарактеризованы заданным значением Z. Фиг.15 также иллюстрирует, как разные потенциалы могут быть приложены к разным электродам с помощью соединительных проводников Lu и Ld, расположенных между заземляющими пластинами G2u, G1u и G1d, G2d соответственно, что может быть выполнено технологией многослойных печатных плат.
Фиг.16 иллюстрирует 5 электродных полос, сегментированных в направлении оси Z и размещенных на двух параллельных пластинах Рu и Pd, как показано на Фиг.15. Однако на Фиг.16 активные элементы размещены очень близко к электродным полосам так, что необходимая высокочастотная энергия уменьшена, и также ослаблены высокочастотные поля рассеяния. Эти активные элементы размещены в корпусе, в котором давление остаточного газа может отличаться от давления остаточного газа, в котором перемещаются ионы. В некоторых случаях в этом корпусе может быть обеспечено водяное охлаждение Сu и Cd.
Фиг.17 иллюстрирует электродные полосы, образованные таким образом, что они могут формировать поле одиночной линзы, если подходящие высокочастотный или постоянный потенциалы приложены к соответствующим электродам. Тем же самым способом могут быть сформированы "иммерсионная линза" и поле ионного зеркала, причем они обычно формируются только осесимметричными электродами.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее подробно описаны варианты реализации настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи. В следующем описании одинаковые номера позиций использованы для обозначения одинаковых элементов на разных чертежах. В описании приведены только те конкретные значения, например подробная конструкция и форма элементов, которые необходимы для всестороннего понимания изобретения. Таким образом, очевидно, что настоящее изобретение может быть выполнено и без этих описанных конкретных значений. Кроме того, известные из уровня техники функции или конструкции не описаны подробно, поскольку они усложнили бы описание изобретения излишними деталями.
0
1
2
3
4
5
1
5
Фиг.2 иллюстрирует вариант реализации настоящего изобретения, в котором произведена суперпозиция многополюсных распределений потенциалов пятью двойными электродными полосами, хотя в ряде случаев может быть рекомендовано большее или меньшее число электродных полос. Конфигурация электродных полос выполнена на параллельных пластинах, расположенных на расстоянии 2G, причем диаметр отверстия такой же как в показанном на фиг.1 четырехполюснике известного уровня техники. Как показано на фиг.2, имеется по 5 электродных полос, расположенных на каждой пластине и имеющих ширины w, w, w, w, w, причем w, и w больше других ширин и могут быть удлинены до очень больших значений Х и -X. Кроме того, в средней плоскости отмечены точки 1а, 2а, 3а, 4а, 5а и линии, проходящие через эти точки параллельно оси Z. Для упрощения конфигурации электродных полос на фиг.2:
- расположение и ширины электродных полос показаны по существу симметричными относительно оси X;
- ширины различных электродных полос показаны по существу идентичными на верхней и нижней пластинах, т.е. они также по существу симметричны относительно оси Y.
Вместе с тем пластинчатые многополюсники (т.е. верхняя пластина и нижняя пластина по существу параллельны друг другу, и каждая из них содержит тонкие и плоские электродные полосы) также могут быть выполнены, если электродные полосы расположены асимметрично относительно оси Х или оси Y или асимметрично относительно этих обеих осей.
0
0
0
Хотя распределение потенциалов в 2N-полюснике по формуле (1) для N>2 может быть сформировано электродами стержневого типа, расположенными через равные полярные углы Δθ=π/N вокруг оси пучка на равных расстояниях G, по существу такое же распределение потенциалов, или по меньшей мере близкое, может быть сформировано тонкими плоскими электродными полосами на параллельных пластинах (также называемых "пластинчатыми многополюсниками"), расположенными на расстоянии 2G. Электродные полосы на этих плоских поверхностях могут быть установлены с высокой механической точностью так, что распределение потенциала может быть в точности воспроизведено от одного устройства к следующему. Также эта конфигурация электродных полос позволяет построить устройство, для которого расстояние 2Gявляется по существу небольшим, и также многополюсник при N=1, т.е. диполь, который может быть выполнен с высокой точностью.
0
0
0
0
10
0
Если поместить систему координат так, что плоскость XZ находится посередине между показанными на фиг.2 пластинами, то эти пластины расположены в координатах Y=±G, координаты электродных полос и, таким образом, точек, в которых должна работать формула (1), могут быть найдены из формул θ=arctg(G/X) и R=G/sinθ, где Х - приблизительно координата центра каждой полосы. В этой конфигурации электродных полос упомянутое точное дипольное распределение потенциала (N=1) добавлено к установленному многополюсному распределению потенциала посредством увеличения потенциалов всех электродных полос на ±V в координатах Y=±G.
N
В случае таких двухпластинчатых компоновок электродных полос предпочтительно описывать распределение потенциала V не в цилиндрических координатах, а скорее в декартовой системе координат XYZ. В этом случае формула (1) должна быть переписана следующим образом:
0
0
Для области между пластинами, показанными на фиг.2, т.е. для -G≤Y≤Gпри N=1, 2, 3, 4… получено:
N0
0
где V представляет собой максимальный потенциал в точке окружности отверстия диаметром 2G. Если необходимо сформировать распределения потенциала при Ф=0, то потенциалы на электродных полосах в +Х и -X должны быть по существу равными при условии, что сами электроды расположены симметрично относительно Х=0.
0
0
В случае по существу большого числа электродных полос, расположенных в позициях с различной координатой Х на двух таких параллельных пластинах, расстояние между которыми Y=±G, могут быть использованы формулы (3)(а)-(d) для определения подходящих потенциалов V(X, ±G), приложенных к электродным полосам:
N
0
Если электродные полосы охарактеризованы не одиночным значением X, а скорее диапазоном значений X, то потенциалы, которые могут быть определены по формулам (4a)-(4d), представляют собой лишь приблизительные значения, и окончательно полученное распределение потенциала только аппроксимирует суммирование V(X, Y) желаемой суперпозиции многополюсных потенциалов. Однако соответствующее распределение потенциала может быть точно определено посредством численного решения уравнения Лапласа с граничными условиями, заданными геометрией и потенциалами электродных полос. С помощью полученного таким способом распределения потенциала вдоль показанной на фиг.2 окружности диаметром 2G могут быть найдены значения различных многополюсных компонентов из Фурье-анализа распределения этого потенциала. Причина в том, что значения полей различных 2N-полюсников изменяются вдоль этой окружности как соs[N(θ-Ф)]. Изменяя потенциалы различных электродов можно аппроксимировать желаемую суперпозицию для многополюсников. Далее этот результат затем можно многократно улучшить путем повторения этой процедуры для различно выбранных ширин Х разных электродных полос.
0
1
2
3
4
5
1
5
Хотя в ряде случаев требуется прямая ось Z, т.е. линия пучка ионов, существуют случаи, в которых эта ось должна быть изогнутой или даже округлой. Соответствующее поле "тороидального конденсора", как описано в [Н.Wollnik, "Оптика Заряженных Частиц", Acad. Press, Orlando, 1987], может быть сформировано в соответствии с конфигурацией электродных полос, схожей с показанной на фиг.2 и показанной на фиг.3, на которой четырехсторонние (например, но не в качестве ограничительных признаков, прямоугольной или трапециевидной формы) электродные полосы на фиг.2 заменены изогнутыми (например, но не в качестве ограничительного признака, кольцевыми) сегментами. Как и на фиг.2, на фиг.3 также показано только пять двойных электродных полос, хотя во многих случаях может быть рекомендовано меньшее или большее число электродных полос. Если потенциалы разных изогнутых сегментов отличаются, то может быть сформировано поле в радиальном направлении, т.е. в направлении X, на фиг.3 в этом случае ось пучка является по существу округлой и она расположена в плоскости XZ, которая также содержит ее центр кривизны. Конфигурация электродов, показанная на фиг.3, обеспечивает по существу тот же самый диаметр отверстия 2G, как и на фиг.2. Как и на фиг.2, на фиг.3 также показано 5 электродных полос, расположенных на каждой пластине и имеющих ширины w, w, w, w, w, причем w, w больше ширин остальных электродных полос. Кроме того, в средней плоскости отмечены точки 1а, 2а, 3а, 4а, 5а и линии, которые проходят через эти точки и являются концентрическими относительно изогнутой оси Z. Здесь эта концентричность имеется в виду как параллельность.
Хотя на фиг.2 и фиг.3 ширина всех электродных полос по существу одинакова, она предпочтительно может быть выбрана различной. Чтобы точно определить потенциалы, близкие к пучку ионов, можно заменить одну или несколько электродных полос, близких к пучку ионов, на несколько небольших электродных полос, к которым могут быть приложены немного отличающиеся потенциалы. Также можно выбрать более широкую по сравнению с соседними центральную электродную полосу, что в случае, если ширина этой центральной электродной полосы по существу больше, чем расстояние между пластинами, может обеспечить усиление восьмиполюсного компонента в распределении потенциала многополюсника.
0
u
d
u
d
l
r
u
d
l
r
u
d
Конфигурация электродных полос, показанная на фиг.2, может обеспечить четкие поля четырехполюсника или другого многополюсника с прямой осью, и то же самое можно сказать о конфигурации электродных полос, показанной на фиг.3, в отношении четкого поля тороидального конденсора, ось Z которого округлая. Однако по меньшей мере для больших значений G в направлении оси Х необходима по существу широкая конструкция. Эта широкая конструкция может быть сделана меньше, если к электродным полосам на параллельных пластинах на Y и Y добавить дополнительные электродные полосы на поверхностях, перпендикулярно пересекающих плоскость начала отсчета XZ, т.е. на ортоповерхностях, как упомянуто выше. В таких системах в случае прямой оси Z электродные полосы на пластинах на Y и Y и электродные полосы на ортоповерхностях на X и Х по существу представляют прямоугольники. В случае изогнутой оси Z электродные полосы на пластинах Y и Y по существу представляют собой кольцевые сегменты, и электродные полосы на перпендикулярных поверхностях по существу представляют собой цилиндры. Формы этих вторых электродных полос проиллюстрированы на фиг.4. В такой системе может быть образована область поля прямоугольного многополюсника, для которой распределение потенциала вдоль ортоповерхностей на X и Хограничивает поля наибольшим и наименьшим значениями X, тогда как точность распределения потенциала по существу задана формой и потенциалами электродных полос на параллельных пластинах на Y и Y.
0
u
d
Хотя в дополнение к электродным полосам в параллельных пластинах часто рекомендуют использовать также дополнительные электродные полосы на ортоповерхностях, следует отметить, что те же самые желаемые распределения потенциала могут быть получены только электродными полосами на параллельных пластинах без электродных полос на ортоповерхностях. В таких случаях распределение потенциала вдоль окружности отверстия диаметром 2G в основном формируют ширинами w электродных полос 2, 3, 4 и приложенными к ним потенциалами. В этом случае влияние электродных полос 1 и 5 такое же, хотя и намного меньшее. Следует отметить, что такие изменения также повлияют на потенциал в точках вдоль оси Z. Вместе с тем, чтобы поддерживать потенциал вдоль оси Z неизменным, всегда можно добавить некоторый высокочастотный и постоянный потенциал V ко всем электродным полосам на верхней пластине или вычесть его из них, что также касается другого высокочастотного и постоянного потенциала V относительно всех электродных полос на нижней пластине.
0
0
2
3
4
0
20
0
В случае если потенциалы электродных полос 1 и 5 выбраны соответствующими электрическому потенциалу Земли, и к электродным полосам 3 также приложен примерно такой же потенциал, то обычно могут быть найдены подходящие конфигурации полей посредством приложения потенциалов к электродным полосам 2 и 4, по существу идентичных значению V. В случае если ширина электродных полос 2, 3, 4 равна примерно 2G, т.е. w=w=w=2G, то очевидно, например, что распределение потенциала вокруг оси Z по существу представляет собой распределение потенциала правильного четырехполюсника, как описано в формуле (1) для N=2, в котором V представляет собой значительную часть V.
1
2
3
4
5
2
4
2
4
2
0
4
0
1
3
5
Количественное вычисление потенциалов V, V, V, V, V в точках 1а, 2а, 3а, 4а, 5а на фиг.2 и фиг.3, которые определяют середину зазоров между каждой парой u, d электродных полос с разными ширинами w и w, показывает, что потенциалы V и V по существу увеличиваются с ростом соотношений w/G и w/G и что небольшие потенциалы V, V, V показывают сходную зависимость.
Хотя подробное распределение потенциала между электродными полосами на двух параллельных пластинах должно быть численно определено, можно утверждать, что при изменении зависимых от Z расстояний 2G(Z) и ширин w(Z) различных электродных полос потенциал вдоль оси Z остается примерно постоянным, если соотношение (w/G) существенно не изменяется с изменением Z. Значит, в таких случаях можно ожидать, что напряженности поля в многополюснике увеличиваются или уменьшаются с изменением Z. В других случаях следует ожидать более сложных распределений поля, а также форм поля в направлении оси Z. Таким образом, для этих случаев выяснено, что приложение высокочастотных потенциалов к различным электродным полосам приводит к действию соответствующих сил на ионы в направлении оси Z, а приложение постоянных потенциалов к различным электродным полосам приводит к ускорению или замедлению ионов в направлении Z.
Изменение упомянутого соотношения w/G может быть достигнуто:
0
0
G
1) уменьшением G(Z) при увеличении Z от G до G(1-δ) по всей длине электродных полос, например, наклоном двух пластин относительно друг друга, как показано на фиг.5, и
2
2
2
w2
4
4
4
w4
w2
w4
w2
w4
2) применением "сужающихся четырехугольных" электродных полос (см. фиг.6) в отличие от "прямоугольных" электродных полос, показанных на фиг.2, или применением "сужающихся изогнутых" электродных полос (не показаны на чертежах) в отличие от "изогнутых" электродных полос, показанных на фиг.3, т.е. увеличением ширины w электродных полос 2u, 2d с w до w(1+δ) и ширины wэлектродных полос 4u, 4d с w до w(1+δ) с изменением Z. В самом общем случае δ не равно δ, хотя в большинстве случаев выбирают δ≈δ, как показано на фиг.6.
Таким образом, изменение соотношения (w/G) в зависимости от Z может быть достигнуто как изменением расстояния G(Z) между пластинами, так и использованием сужающихся электродных полос с шириной w(Z). Кроме того, эти два варианта изменений также могут быть использованы вместе.
Две конфигурации сужающихся прямых электродных полос проиллюстрированы на фиг.6, хотя также возможно применение не показанных на чертеже сужающихся изогнутых электродных полос. В обоих случаях поперечная напряженность поля в многополюснике растет с увеличением Z. Кроме того, в случае В, потенциал также меняется вдоль оси Z, в то время как в случае А потенциал вдоль оси Z по существу не зависит от Z, потому что углы сужения различных электродных полос с шириной w(Z), так же как и расстояние между пластинами G(Z), выбраны так, что соотношение (w/G) по существу постоянно.
Изменение потенциала вдоль оси Z создает постоянное электрическое поле в направлении Z внутри пластинчатого многополюсника. Такое поле очень эффективно при транспортировке пучка ионов вдоль оси Z конфигурации электродных полос, подобной показанным на фиг.2 или фиг.3 конфигурациям, заполненным буферным газом. В этом случае ионы теряют энергию в результате ион-атомных или ион-молекулярных столкновений и в конечном счете прекращают свое движение вперед, если только нет градиента давления газа или электрического поля, действующего в направлении Z, которые бы двигали ионы вдоль оси Z. Такие поля могут быть созданы стержневидными или кольцеобразными конструкциями, известными из уровня техники, но согласно варианту реализации настоящего изобретения в данном примере такое поле создано наклонными или сужающимися электродными полосами, показанными на фиг.5, фиг.6 и фиг.7. Такое поле может быть сформировано приложением постоянных потенциалов к электродным полосам 3 в конфигурации сужающихся электродных полос, показанной в примере В на фиг.6. В направлении Z такое поле также может быть сформировано с помощью конфигурации сужающихся электродных полос, показанной в примере А на фиг.7, если к электродным полосам "3а" приложены высокочастотный и постоянный потенциалы, также приложенные к электродным полосам "3", плюс дополнительный притягивающий или отталкивающий ионы постоянный потенциал, и в примере В на фиг.7, если к электродным полосам "2а, 3а, 4а" приложены высокочастотный и постоянный потенциалы, также приложенные к электродным полосам "2, 3, 4", плюс дополнительный притягивающий или отталкивающий ионы постоянный потенциал.
В некоторых случаях может быть целесообразным изменение длин различных электродных полос, как показано на фиг.8 для случая изогнутых входных контуров пластинчатых многополюсников. Такие контуры могут быть сформированы как на входе, так и на выходе пластинчатого многополюсника, и могут быть изогнуты, как показано на фиг.8, но они также могут быть наклонными или иметь некругообразный изгиб. Все эти изменения обеспечивают дополнительный способ управления действующими на пучок ионов в поперечном направлении силами.
Нестандартное изменение формы сужающихся электродных полос показано на фиг.9. Как показано на чертеже, электродные полосы сужены с двух сторон таким образом, что постоянные потенциалы, добавленные к этим электродным полосам, вызывают силы, которые направлены к средней позиции на оси Z. Этот способ может быть применен к пластинчатым многополюсникам, секции которых имеют прямую ось, а также к пластинчатым многополюсникам, секции которых имеют изогнутую ось. В обоих случаях ионы будут сгруппированы вместе в виде небольшого облака в средней позиции на оси Z. Затем из этой позиции ионы могут быть извлечены:
1) в направлении оси Y через показанное на фиг.9 отверстие для извлечения, которое может быть прямоугольным, как показано на фиг.9, или другой формы, чтобы обеспечить оптимальное извлечение ионов, которое может быть достигнуто приложением на короткий период времени различных потенциалов к электродным полосам на верхней и нижней пластинах;
2) в направлении оси Х приложением на короткий период времени различных потенциалов к различным электродным полосам с различной позицией на оси X, причем потенциалы, которые в течение короткого периода времени приложены к электродным полосам на верхней пластине, и потенциалы, которые в течение короткого периода времени приложены к электродным полосам на нижней пластине, по существу идентичны. Такое извлечение ионов в направлении оси Х может быть особенно эффективным в случае секции с изогнутой осью, причем ионы будут стремиться концентрироваться в облако, если извлечение осуществляют в вогнутом направлении, и рассеиваться, если извлечение осуществляют в выпуклом направлении;
3) в направлении Z применением поля, действующего в направлении Z, которое может быть сформировано различными потенциалами, приложенными к ограничителям краевого поля на входе и выходе пластинчатого многополюсника, или делением сужающейся с двух сторон электродной полосы на две сужающиеся полосы, первая из которых увеличивается по ширине вдоль оси Z, а вторая уменьшается по ширине вдоль оси Z. В этом случае в течение короткого периода времени могут быть приложены различные постоянные потенциалы к этим двум сужающимся электродным полосам.
Многополюсники с наложенным дипольным полем или без него могут быть выполнены, как показано на фиг.2-9, со сформированными по-разному электродными полосами на "пластинах". Они могут быть:
1) выполнены из изолированных металлических заготовок, причем эти электродные полосы должны быть смонтированы так, чтобы смонтированная конструкция совсем не могла быть видна или только лишь немного видна с места расположения ионов;
2) выполнены из изолированных металлических проводов, к которым приложены потенциалы, различные для каждого провода или различные для различных групп проводов. Такая конструкция может быть предпочтительна в случае, если воздух из пространства, в котором происходит перемещение ионов, сильно откачан до такой степени, чтобы окончательное остаточное давление было очень низкое;
3) выполнены как металлические накладки на печатных платах (см. фиг.10), размещенные, например, на подложках из керамического материала или на подложках из эпоксидного материала, которые для большинства применений должны быть выбраны с низким содержанием адсорбированных газов. Это отличный способ, который обеспечивает выравнивание электродных полос с высокой точностью. Такая конструкция также обеспечивает эффективное экранирование высокочастотных полей посредством размещения заземляющих проводящих слоев на противоположной стороне материала подложки, как показано на фиг.10. При использовании многослойных печатных плат этот слой экранирования может быть размещен посредине толщины подложки. В этой технологии также может быть применено двухслойное или многослойное экранирование. В случае применения печатных плат предпочтительно разделять электродные полосы лишь небольшими зазорами, ширина которых в лучшем случае меньше толщины металлических накладок, так, чтобы накопленный заряд изолированного материала подложки оказывал лишь небольшое влияние на полное распределение потенциала;
4) выполнены как металлические накладки на печатных платах с малой проводимостью. Это может быть достигнуто нанесением малопроводящей пленки на всю поверхность печатной пластины или использованием малопроводящего материала подложки, например, так называемой " необожженной керамики". В этом случае потенциал между различными электродными накладками может быть линейно интерполирован.
N0
Отличительная особенность пластинчатого многополюсника состоит в том, что потенциал V любого многополюсного распределения потенциала, как определено в формуле (1), может быть легко изменен, и, таким образом, может быть легко изменена напряженность в соответствующем многополюснике. Это может быть осуществлено или постоянно для постоянной составляющей, или как функция времени. Таким образом, особенно возможно менять напряженности многополюсных полей с одинаковой или другой частотой или фазовым сдвигом, как у дипольного поля. Это позволяет, например, добавлять к многополюсному полю одной частоты вращающееся поле другой частоты. Такая конструкция может быть предпочтительной для фрагментации молекулярных ионов [В.Разников и др., Rap. Comm. in Mass Spectrom. 15 (2001) 1912].
Кроме того, любая из этих частот может быть изменена во времени. Это может быть предпочтительным, например, для спектрометра ионной подвижности или спектрометра дифференциальной подвижности, так что на ионы с меньшей и большей массами действуют разные фокусирующие силы. Более того, пластинчатые многополюсники, в которых доминирующая полярность является полярностью четырехполюсника, представляют собой гибкие устройства, на основе которых могут быть созданы четырехполюсники с переменной напряженностью поля или углом наклона Ф, значения которого можно выбрать так, чтобы они были постоянными или изменяющимися во времени.
Кроме того, управление пластинчатым многополюсником может быть осуществлено не частотами, а предпочтительнее быстро изменяемыми напряжениями, как, например, это выполнено в цифровой ионной ловушке [P.H.Dawson, "Квадрупольная масс-спектрометрия и ее применение", Acad. Press, Orlando, 1976], сконструированной из электродов стержневого типа. Это особенно целесообразно, если необходимо применение сложных композиций разных частот, и если необходимо также добавление неизменного потенциала или импульсного постоянного потенциала.
Пластинчатые многополюсники часто ограничивают ограничителями краевого поля, две их формы показаны на фиг.11. Такие ограничители предотвращают распространение полей, сформированных в пластинчатом многополюснике, слишком далеко от пластинчатого многополюсника. Такие ограничители краевого поля показаны на фиг.12. Они могут быть:
а) образованы в виде рамки прямоугольной, круглой или эллиптической формы;
b) выполнены в виде диафрагмы "щелевого типа", которая может быть легко интегрирована в конструкцию многополюсника, собранного из печатных плат.
Все эти диафрагмы могут также быть ограничены решетками, как показано на фиг.12, в этом случае конструкция рамки несущественна.
2
3
2
3
1
4
1
4
Если к электродным полосам А, А или B, В приложить по существу тот же самый потенциал, что потенциал в плоскости XZ начала отсчета, то поле пластинчатого многополюсника будет ограничено надлежащим образом. В этом случае электродные полосы A, A или B, B могут быть удалены. Вместе с тем существуют другие варианты использования этих ограничителей краевого поля.
2
3
2
3
1. При приложении к электродам А, А или В, В отталкивающего ионы постоянного потенциала те ионы, которые уже находятся внутри пластинчатого многополюсника, не могут вылететь наружу и потому перемещаются туда и обратно вдоль оси Z. Таким образом, если к электродным полосам приложены надлежащие потенциалы, то пластинчатый многополюсник может быть использован как ионная ловушка, которая просто удерживает ионы, исследует их посредством масс-анализа или готовит их к сгруппированному извлечению в направлении осей X, Y или Z, как уже описано выше при описании фиг.9. Такому захвату ионов в ловушку может содействовать наличие или, как описано выше, достигнуто только наличием сужающихся с двух сторон электродных полос.
3
3
4
4
4
4
2. При приложении притягивающего ионы постоянного потенциала к электродам А или В, расположенным на выходных сторонах пластинчатых многополюсников, показанных на фиг.11, и отталкивающего ионы постоянного потенциала к электродам А или В можно заметить, что сформирована небольшая захватывающая ионы область, из которой ионы могут быть извлечены в направлении оси Z простой заменой потенциала на электродных полосах А или В на притягивающий ионы потенциал.
Пластинчатые многополюсники могут быть использованы в различных случаях, некоторые из которых перечислены ниже и которые частично проиллюстрированы на фиг.13 и на фиг.14, хотя есть много других конфигураций, в которых они могут быть использованы.
1. Пластинчатые многополюсники могут транспортировать ионы от одной секции до следующей. Это может быть всего лишь преодолением ионами промежутка вдоль оси Z или перемещение ионов от одного типа анализа к другому.
2. Пластинчатый многополюсник может быть использован как охладитель пучка, в котором ионы теряют энергию в результате ион-атомных или ион-молекулярных столкновений, при этом ионное облако сжимается до небольшого объема фазового пространства. Это может быть сделано простым переносом ионов через всю длину пластинчатого многополюсника или захватом ионов, как сказано выше при описании фиг.11.
3. Пластинчатый многополюсник может быть использован как ионизационная камера, в которой молекулярные ионы распадаются на части в результате ион-молекулярных или ион-атомных столкновений. Получившиеся фрагменты ионов затем могут быть подвергнуты масс-анализу в анализаторе секторного поля, квадрупольном фильтре или во времяпролетном масс-спектрометре. Такая фрагментация молекулярных ионов может быть достигнута посредством простого одноразового переноса ионов через всю длину пластинчатого многополюсника, используемого в качестве ионизационной камеры, или посредством захвата ионов, как обсуждалось выше при описании фиг.11.
4. Пластинчатый многополюсник может быть использован как квадрупольный масс-анализатор. Такое применение может быть достигнуто простым одноразовым переносом ионов через всю длину пластинчатого многополюсника, и в этом случае может быть упомянут масс-фильтр. Вместе с тем масс-анализ также может быть выполнен при использовании пластинчатого многополюсника в качестве ионной ловушки для масс-анализа, с помощью которой могут быть захвачены ионы, как описано выше при описании фиг.11.
Для вариантов 1, 2, 3, в большинстве случаев достаточно лишь приложить к различным электродным полосам высокочастотные напряжения. Однако в этом случае могут быть устранены лишь ионы с малой массой, в то время как все другие ионы могут пройти. Дополнительно применяя постоянные напряжения к различным электродным полосам можно обеспечить сохранение ионов лишь особого, обычно короткого, диапазона масс. В случаях 2 и 3 также могут быть реализованы такие возможности масс-анализа приложением не только высокочастотных, но также и постоянных потенциалов к различным электродным полосам. В этих случаях, тем не менее, обычно достаточно ограниченного масс-анализа.
Комбинации различных пластинчатых многополюсников показаны на фиг.13 и на фиг.14. На обоих чертежах не отражены все задачи, которые могут решать различные пластинчатые многополюсники. Описания некоторых практически выполнимых конфигураций предложены ниже. Однако могут быть реализованы и другие варианты.
На фиг.13 показаны четыре пластинчатых многополюсника А, В, С, D, к которым на той же самой оси Z добавлен известный из уровня техники четырехполюсник стержневого типа. В этой конфигурации пластинчатый многополюсник А может быть использован в качестве спектрометра подвижности ионов, пластинчатый многополюсник В в качестве секции переноса, пластинчатый многополюсник С в качестве масс-анализатора и пластинчатый многополюсник D в качестве ионизационной камеры для фрагментирования молекулярных ионов, которые затем перемещаются в конечный квадрупольный масс-анализатор стержневого типа. Однако следует также указать, что ионы могли бы быть извлечены из пластинчатого многополюсника D перпендикулярно пластинам, например, для того чтобы быть введенными в не показанный на чертеже времяпролетный масс-анализатор.
Дополнительные пластинчатые многополюсники также могут быть размещены в конфигурации, показанной на фиг.13, например, в качестве устройств переноса, которые бы, например, хорошо решали задачу разделения различных анализаторов или которые бы могли использоваться в качестве дополнительных охладителей пучка. Конечно, квадрупольный масс-анализатор стержневого типа также может быть размещен между двумя пластинчатыми многополюсниками вместо того, чтобы быть расположенным после пластинчатого многополюсника D. Все пластинчатые многополюсники показаны разделенными ограничителями краевого поля, которые при необходимости могут быть упрощены или которые могут быть использованы как отражатели ионов, причем в этом случае соответствующий пластинчатый многополюсник будет использоваться в качестве ионной ловушки.
На фиг.14 показана конфигурация пластинчатых многополюсников, подобная показанной на фиг.13. В этом случае один из пластинчатых многополюсников показан с явно изогнутой осью. Для удобства угол отклонения этого пластинчатого многополюсника с изогнутой осью выбран π, хотя также может быть выбран любой другой угол. Если этот многополюсник С с изогнутой осью используют в качестве ионизационной камеры, то пластинчатый многополюсник D может быть использован в качестве масс-анализатора или устройства переноса ионов к другому масс-анализатору (не показан), если необходимые высокочастотный и постоянный потенциалы приложены к его электродным полосам. Пластинчатый многополюсник D также может быть использован как пластинчатый многополюсник, который концентрирует ионы в своей середине и выталкивает их перпендикулярно верхней пластине, например во времяпролетный масс-анализатор. Вместе с тем этот пластинчатый многополюсник D также может быть использован как устройство переноса в другой масс-анализатор, например, подобно показанному выше известному из уровня техники четырехполюснику стержневого типа. В таком случае пластинчатый многополюсник А можно использовать, например, как охладитель пучка, а пластинчатый многополюсник В можно использовать как масс-анализатор, который выбирает ионы-предшественники с определенной молекулярной массой для фрагментации в ионизационной камере, которая здесь может быть пластинчатым многополюсником С.
Фиг.15 показывает 5 электродных полос на двух параллельных пластинах Рu и Pd, имеющих пять различных значений координаты X, причем все они расположены параллельно оси Z (см. также фиг.2). Однако на фиг.15 эти 5 электродных полос разделены на 4 секции, отличающиеся различными средними значениями координаты Z. В этом варианте реализации соответствующие зависимые от Х постоянный и высокочастотный потенциалы приложены ко всем электродным полосам, которые характеризуются некоторым значением X, и к этим потенциалам добавлены по существу те же самые зависимые от Z высокочастотный и постоянный потенциалы, также приложенные ко всем электродным полосам, отличающимся некоторым значением координаты Z. Так как это дополнение должно быть сделано для электродных полос на пластинах Рu и Pd, в результате может быть сформировано постоянное поле в направлении оси Z.
Поскольку для подачи различных потенциалов к различным электродным полосам имеется по существу много проводов, на чертеже показано, как эта задача может быть выполнена при использовании соединительных проводников Lu и Ld, расположенных между заземляющими пластинами G2u, G1u и G1d, G2d, соответственно. Такое расположение обеспечивает формирование соединительных проводников по технологии полосковых волноводов и в то же время обеспечивает эффективное высокочастотное экранирование сформированных различными электродными полосами высокочастотных полей. Такая конструкция может быть выполнена по технологии многослойных печатных плат. В этом случае для верхней пластины Рu, так же как для нижней пластины Pd, необходимы изолирующие трехслойные подложки. Для большей простоты и ясности эти подложки на чертеже не показаны.
На фиг.16 также показаны пять сегментированных в направлении Z электродных полос, размещенных на двух параллельных пластинах Рu и Pd, как показано на фиг.15. В этом случае окончательные активные элементы управления действующим напряжением размещены по существу близко к соответствующим окончательным электродным полосам, причем соединительные проводники не создают дополнительных емкостных сопротивлений с заземленным экраном, так же как и никаких дополнительных резистивных нагрузок. Такая конфигурация уменьшает величину необходимой высокочастотной энергии, так же как и высокочастотных полей в остальной части ионно-оптической системы. Однако такой вариант реализации может требовать наличия охлаждения печатных плат, на которых размещены эти активные элементы, с помощью воды или некоторой другой жидкости. Такие охлаждающие трубки показаны на чертеже и обозначены как Сu и Cd. Как показано на чертеже, эти активные элементы размещены в корпусе, в котором давление остаточного газа может отличаться от давления остаточного газа в области, в которой перемещаются ионы.
0
m
1
1
0
1
0
На фиг.17 показаны электродные полосы, сформированные так, что они могут создать поле осесимметричной ускоряющей или замедляющей линзы, если к соответствующим электродам приложены правильные высокочастотный или постоянный потенциалы. В этом случае ионы начнут перемещение от потенциала V, затем могут быть ускорены или замедлены до потенциала V, после чего они могут быть замедлены или ускорены до потенциала V. В случае V≠V описанная конфигурация реализует осесимметричную иммерсионную линзу, и в случае V=V описанная конфигурация реализует осесимметричную одиночную линзу.
С помощью подобной конфигурации электродных полос также может быть сформировано поле осесимметричного ионного зеркала, известного из уровня техники, которое используют во времяпролетных масс-спектрометрах, в которых такое поле обычно формируется осесимметричными электродами.
Вышеупомянутые варианты реализации и их преимущества приведены лишь в качестве примера и не должны толковаться как ограничение. Настоящее изобретение может быть легко применено к другим типам устройств. Кроме того, описание примерных вариантов реализации предназначено лишь для иллюстративных целей и никак не ограничивает объем настоящего изобретения, и многие его варианты и модификации будут очевидны для специалистов в данной области техники.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Варианты реализации настоящего изобретения могут быть использованы в различных типах анализаторов заряженных частиц. Такие анализаторы заряженных частиц включают спектрометры подвижности ионов, используемые для анализа следа частицы в среде, и масс-спектрометры, используемые в биологии, медицине или фармакологии, а также в неорганической химии применительно к геологии или материаловедению. Вместе с тем варианты реализации также могут быть применены при анализе электронного луча или при анализе или транспортировке аэрозолей.