МОНОПОЛЬНЫЙ МАСС-АНАЛИЗАТОР С ПРОДОЛЬНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ

Полезная модель относится к масс-спектрометрии, в частности к динамическим гиперболоидным масс-спектрометрам пролетного типа, и может быть использована для создания монопольного масс-анализатора с улучшенными аналитическими характеристиками.
Известны устройства монопольных масс-спектрометров пролетного типа, которые состоят из системы ввода анализируемых ионов в анализатор, системы сортировки ионов по удельным зарядам и системы вывода отсортированных ионов из анализатора в измерительное устройство [1].
Системы ввода и вывода ионов обычно представляют плоские диафрагмы с отверстием, расположенным вблизи оси электродной системы анализатора, имеющие нулевой потенциал. Такая конструкция приводит к искажению квадратичного распределения электрического поля в областях ввода и вывода ионов. Появление таких переходных областей приводит к снижению характеристик прибора. Для решения этой проблемы известен способ уменьшения влияния переходной области на параметры прибора, который заключается в том, что в анализаторе квадрупольного масс-спектрометра (типа фильтр масс, «монополь», «триполь»), содержащего устройство сортировки ионов по удельным зарядам, выполненного в виде четырех гиперболических электродов для фильтра масс и «триполя» и двух гиперболических электродов для монополя, устройство ввода анализируемых ионов в устройство сортировки и устройство вывода отсортированных ионов из устройства сортировки, устройством ввода и устройством вывода являются двухэлектродные квадрупольные ячейки, способные наряду с квадрупольным полем создавать продольное (вдоль оси z) однородное электрическое поле [2].
Система сортировки ионов в монопольном масс-анализаторе состоит из гиперболического и уголкового электрода. При этом анализатор должен обеспечить формирование в рабочем объеме анализатора электрического поля с распределением потенциала, максимально приближенным к идеальному - квадратичному. Известен способ изготовления монопольного масс-анализатора, при котором изготавливают с высокой точностью две металлические формы, внешние поверхности которых соответствуют внутренним поверхностям уголкового и гиперболического электродов монопольного анализатора, наносят на формы слой металла, например, путем электрического осаждения, толщиной 0,1÷1 мм для обеспечения требуемой прочности анализатора, после чего форму удаляют путем нагрева уголкового и охлаждения гиперболического электродов вместе с формами. На электроды наносят защитное покрытие, например, путем электрического осаждения, толщиной 5÷10 мкм, и электроды соединяют друг с другом с помощью оправки и изоляторов, изготовленных в виде прямоугольных параллелепипедов [3].
Главными недостатками монопольных масс-анализаторов остаются невысокие аналитические характеристики, в частности низкая чувствительность, по сравнению с квадрупольными фильтрами масс и ионными ловушками.
Техническим результатом данной полезной модели является увеличение чувствительности монопольного масс-анализатора. Результат достигается созданием продольного электрического поля в объеме анализатора. Известны способы создания продольного электрического поля в квадрупольном фильтре масс (состоящем из 4-х стержневых электродов), такие как:
- использование конических электродов;
- установка электродов под углом относительно друг друга;
- сегментация стержневых электродов;
- создание сегментированной оболочки вокруг стержневых электродов;
- использование резистивно-покрытых или сегментированных вспомогательных электродов;
- применение множества проводящих металлических полос, размещенных по длине стержневых электродов с резистивным покрытием между ними;
- формирование каждого электрода в виде трубки, в которой внешняя поверхность покрывается резистивным материалом, внутренняя - проводящим. Применение продольного электрического поля в квадрупольных фильтрах масс позволяет повысить чувствительность прибора [4].
В данной полезной модели продольное электрическое поле в монопольном масс-анализаторе создается наклоном стержневого электрода относительно уголкового. Распределение электрического потенциала монопольного масс-анализатора в присутствии продольной составляющей описывается по формуле:
0
где U - амплитуда питающего напряжения; r - начальный радиус поля; l - длина электродов; d - смещение края стержневого электрода.
Появление продольного электрического поля меняет условия сортировки заряженных частиц. При наклоне электрода так, что расстояние между электродами линейно увеличивается, до определенного момента, происходит увеличение чувствительности прибора, при дальнейшем увеличении наклона стержневого электрода происходит рост разрешающей способности. При смещении стержневого электрода изменяется распределение потенциала в поперечном сечении масс-анализатора [5]. В результате этого, к квадратичной составляющей распределения потенциала электрического поля добавляются составляющие высших порядков. В целом, это приводит к снижению разрешающей способности. С другой стороны, возникающее продольное электрическое поле оказывает тормозящее действие на ионы, что увеличивает время их сортировки. К тому же, как показали расчеты, изменение радиуса приводит к сужению стабильной зоны диаграммы стабильности, что тоже повышает разрешающую способность.
0
Фиг. 1 показывает профиль электродной системы монопольного масс анализатора с продольным электрическим полем. 1 - стержневой электрод, 2 - уголковый электрод, 3 - входная диафрагма, 4 - выходная диафрагма, r - начальный радиус поля, d - смещение края стержневого электрода; L - длина электродной системы.
T
Э
0
0
Фиг. 2 показывает зависимости разрешающей способности от смещения края стержневого электрода. Для сравнения теоретической (R) и экспериментальной (R) кривых, значения разрешающей способности нормированы на значения разрешающей способности в отсутствии смещения края стержневого электрода (R). Значения смещения (d) нормированы на начальный радиус поля (r).
T
Э
На фиг. 3 изображены теоретическая (I) и экспериментальная (I) зависимости интенсивности массового пика от смещения края стержневого электрода.
0
-5
По предложенному методу проведены эксперименты на монопольном масс-анализаторе с тонкостенными электродами. Параметры электродной системы анализатора: начальный радиус поля r=6 мм; длина электродной системы L=130 мм. В ходе эксперимента проводился масс-анализ остаточных газов при давлении 3·10 мм рт.ст. Ток эмиссии электронов с катода ионного источника 20 мкА, энергия ионизирующих электронов 80 эВ. Начальная энергия ионов 3 эВ. В эксперименте использовался импульсный ВЧ генератор с частотной разверткой спектра. Амплитуда импульсного напряжения типа «меандр» составляла 40 В при постоянном смещении -6,8 В. Эксперименты показали увеличение чувствительности в 1,8 раза.
Литература
1. Von Zahn U. Monopole spectrometer, a new electric field mass spectrometer // Rev. Sci. Instrum. - 1963. - №34. - P. 1-4.
2. Патент РФ №2447539.
3. Патент РФ №2393580.
4. Патент US №5,847,386
5. Гуров В.С., Дубков М.В., Буробин, М.А., Рожков О.В., Харланов И.А.
Увеличение интенсивности массового пика монопольного масс-анализатора с продольным электрическим полем // Вестник РГРТУ. - 2013. - Вып. 44. - С. 73-76.