Мультипольная электродная система (варианты)
MULTIPOLE ELECTRODE SYSTEM (OPTIONS)

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и оптики заряженных частиц и может быть применено в качестве анализатора масс, устройства транспортировки и фокусировки заряженных частиц.
Известны мультипольные электродные системы порядка N=2, 3, 4…, состоящие из 2N протяженных электродов, расположенных симметрично вокруг общей продольной оси. Питающие напряжения в таких системах подаются к электродам попарно, так, что к парам противолежащих электродов подаются равные потенциалы, а соседние пары электродов имеют равные по модулю потенциалы противоположной полярности. Такие мультипольные электродные системы применяются в качестве фильтров масс и линейных ионных ловушек, радиочастотных ионопроводов, а также в качестве электростатических линз [1-2].
N
N
0
0
В идеальном случае контуры профилей электродов мультипольной электродной системы представляют собой гиперболы, которые описываются выражением: Re(x+iy)=r, где r - радиус окружности, вписанной между контурами электродов, х, у - координаты на поперечной плоскости,, N - порядок мультиполя.
Однако изготовление электродов такого профиля с требуемой высокой точностью представляет собой технологически сложную задачу. Для упрощения изготовления гиперболическая форма профиля электрода чаще всего заменяется круговой формой, что было впервые предложено в [3]. Недостатком такого подхода являются существенные искажения рабочего поля мультипольной электродной системы, которые приводят к ухудшению аналитических характеристик устройства - чувствительности и разрешающей способности.
Известны также другие варианты замены гиперболической формы профиля электрода.
В [4] предлагается специальная форма профиля электродов в виде треугольника, удобная для построения линейной ионной ловушки. Недостатком такой формы профиля является то, что она неприменима для других вариантов использования, таких как фильтр масс, из-за еще более значительных искажений поля, чем в случае электродов с круговым профилем.
В [5-7] предложено построение электродной системы из множества параллельных электродов, распределенных в четырех плоскостях, окружающих замкнутую область. Напряжения на электроды подаются таким образом, что в области между плоскостями создается гиперболическое распределение потенциала. Недостатками этих решений являются низкое качество поля вблизи электродов и сложность электронных блоков для питания электродов.
В качестве ближайшего аналога была выбрана мультипольная электродная система, состоящая из электродов ступенчатого профиля, при этом форма каждой ступени может быть различной [8]. Недостатками данного устройства является сложная в изготовлении форма профиля электродов при невысоком качестве создаваемого ими поля.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение качества поля, создаваемого мультипольной электродной системой с простой формой профиля электродов, обеспечивающей легкость их изготовления.
По первому варианту изобретения указанная задача решается тем, что в мультипольной электродной системе, состоящей из двух или более пар протяженных электродов, расположенных в плоскостях симметрии, каждая из которых пересекает единую ось системы, каждый электрод выполнен составным, состоящим из основного протяженного электрода кругового профиля и по крайней мере двух дополнительных протяженных электродов, установленных симметрично относительно плоскости симметрии основного электрода и с зазором относительно него, при этом потенциал дополнительных электродов кратен или равен потенциалу основного электрода.
По второму варианту изобретения указанная задача решается тем, что в мультипольной электродной системе, состоящей из двух или более пар протяженных электродов, расположенных в плоскостях симметрии, каждая из которых пересекает единую ось системы, каждый электрод выполнен составным, состоящим из основного протяженного электрода кругового профиля и по крайней мере двух дополнительных протяженных электродов, установленных симметрично относительно плоскости симметрии основного электрода и примыкающих к нему, при этом потенциал дополнительных электродов равен потенциалу основного электрода.
Формы выполнения дополнительных протяженных электродов по первому и второму вариантам изобретения могут включать:
- протяженные электроды круговой формы профиля,
- протяженные электроды клиновидной формы профиля;
- протяженные электроды в виде плоских пластин с прямоугольной формой профиля.
Техническим результатом изобретения является повышение качества рабочего поля мультипольной электродной системы, состоящей из электродов кругового профиля, при сохранении простоты ее изготовления.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан изометрический вид мультипольной электродной системы 2-го порядка с основными круглыми и дополнительными клиновидными электродами, установленными с зазором относительно основных круглых электродов, как одной из форм выполнения предлагаемого изобретения.
На фиг. 2 показан поперечный вид мультипольной электродной системы 2-го порядка, показанной на фиг. 1.
На фиг. 3 показан поперечный вид мультипольной электродной системы 2-го порядка с электродами кругового профиля с наложенными контурами воображаемых электродов гиперболического профиля (показаны пунктиром). Разница между электродами кругового и гиперболического профилей показана штриховкой.
На фиг. 4 показана форма выполнения изобретения в виде мультиполя 2-го порядка, состоящего из основных электродов кругового профиля и дополнительных электродов также кругового профиля, установленных с зазором относительно основных электродов кругового профиля.
На фиг. 5 показана форма выполнения изобретения в виде мультиполя 2-го порядка, состоящего из основных электродов кругового профиля и дополнительных электродов в виде плоских пластин, примыкающих к основным электродам кругового профиля, а также приведены размерные параметры.
На фиг. 6 показаны формы массовых пиков, полученные в результате моделирования работы формы выполнения изобретения, показанного на фиг. 5, в качестве квадрупольного фильтра масс, в сравнении с формами массовых пиков, полученными при таких же условиях для квадрупольных фильтров масс, состоящих из круглых электродов и из гиперболических электродов.
Первый вариант изобретения предполагает установку дополнительных электродов с зазором относительно основных электродов кругового профиля, что позволяет располагать дополнительные электроды широкого диапазона размеров профилей в произвольных областях вблизи основного электрода кругового профиля. Однако такое решение требует подачи на дополнительные электроды отдельных напряжений питания, величины которых могут не совпадать с величинами питающих напряжений основных электродов, что усложняет блоки питания.
Этого недостатка лишен второй вариант изобретения, согласно которому дополнительные электроды примыкают к основным электродам кругового профиля, что дает возможность исключить подвод отдельных питающих напряжений к дополнительным электродам, поскольку в таком случае имеется электрический контакт между дополнительными электродами и основными электродами кругового профиля. Но такой подход ограничивает диапазон размеров профилей дополнительных электродов, а также область их установки.
Формы выполнения изобретения с дополнительными электродами кругового профиля (фиг. 4) имеют наибольшие возможности для снижения искажений поля, но в то же время такие конструктивные исполнения наиболее сложны в изготовлении из-за необходимости закрепления тонких дополнительных электродов по всей длине электродной системы. Для решения этой проблемы могут быть применены формы выполнения изобретения с дополнительными электродами в виде плоских пластин (фиг. 5), однако качество поля в таком случае будет снижено. Для дальнейшего упрощения изготовления могут быть использованы формы выполнения изобретения с дополнительными электродами клиновидного профиля (фиг. 1, фиг. 2), имеющими большую жесткость по сравнению с плоскими дополнительными электродами, что, с другой стороны, приведет к еще большему искажению поля.
Возможно применение других форм профилей дополнительных электродов, поэтому изобретение не ограничивается описанными выше формами выполнения.
Устройство согласно предлагаемому изобретению содержит:
R
- протяженные основные электроды 1 кругового профиля радиусом r, расположенные симметрично вокруг оси 2, на которые подаются чередующиеся потенциалы ±u(t);
A
- протяженные дополнительные электроды 3, имеющие потенциалы ±u(t) и расположенные симметрично относительно плоскостей 4 симметрии электродов 1 кругового профиля, при этом плоскости 4 симметрии пересекаются по оси 2.
Полярность потенциала пар дополнительных электродов 3, расположенных симметрично относительно плоскости 4, соответствует полярности потенциала близлежащего электрода 1.
Величина потенциала дополнительных электродов 3 равна:
A
R
±u(t)=±k⋅u(t),
R
где u(t) - потенциал круглых электродов 1, t - время, k>0 - коэффициент кратности, т.е. потенциалы на дополнительных электродах 3 повторяют потенциалы основных электродов 1 с коэффициентом кратности k.
0
Рабочая область устройства, в которой происходит транспортировка, фокусировка или сортировка заряженных частиц, в поперечной плоскости ограничена круговым контуром области 5 радиусом r, вписанным между электродами 1, с центром в начале координат. Электроды 1 и 3 создают в круговой области 5 потенциал φ(х, у, r), где х, у - поперечные координаты, t - время. Качество поля, создаваемого мультипольной электродной системой тем выше, чем ближе потенциал φ(х, у, t) к идеальному потенциалу, создаваемому гиперболическими электродами.
R
H
B
Электродная система, показанная на фиг. 3, состоит из электродов 1 кругового профиля, наиболее часто применяемых в качестве аппроксимации электродов 7 гиперболического профиля. Электроды 1 кругового профиля создают в рабочей области 5 потенциал φ (х, у, t), который отличается от потенциала φ (x, y, t), создаваемого в области 5 электродами 7 гиперболического профиля на величину φ (х, у, t), обусловленную заштрихованными областями 6.
B
A
A
В
Н
R
Действие изобретения основано на том, что для компенсации отсутствующего в области 5 потенциала φ (х, у, t), в электродную систему, состоящую из электродов 1 кругового профиля, вводятся дополнительные электроды 3, создающие в рабочей области 5 потенциал φ (х, у, t). При правильном выборе формы, расположения и потенциала дополнительных электродов 3, потенциал φ (х, у, t) в рабочей области 5, создаваемый дополнительными электродами 3, будет приближен к потенциалу φ (х, у, t) заштрихованных областей 6, что в результате позволит достичь лучшего приближения суммарного потенциала φ (х, у, t) рабочей области 5 электродной системы из основных круглых и дополнительных электродов к потенциалу гиперболических электродов 7 φ (х, у, t), чем в случае потенциала φ (х, у, t) электродной системы, состоящей только из основных электродов кругового профиля (фиг. 3).
0
0
На фиг. 6 представлены результаты моделирования в качестве квадрупольного фильтра масс мультипольной электродной системы 2-го порядка, показанной на фиг. 5 (профиль 8 массового пика), мультипольной электродной системы 2-го порядка из круглых электродов (фиг. 3) с отношением r/r=1.13 (профиль 9 массового пика), мультипольной электродной системы 2-го порядка из круглых электродов (фиг. 3) с отношением r/r=1.12 (профиль 10 массового пика), и мультипольной электродной системы 2-го порядка из гиперболических электродов (профиль 11 массового пика).
0
0
0
0
0
A
R
Профиль 8 массового пика был получен для электродной системы, показанной на фиг. 5, со следующими геометрическими соотношениями: r=1.045r, η=0.04r, λ=1.3r, σ=0.2r, ρ=0.02r. Потенциал дополнительных электродов u(t) был равен потенциалу основных круглых электродов u(t).
Как видно из фиг. 6, форма массового пика 8 системы с дополнительными электродами приближается к форме массового пика 11 системы с гиперболическими электродами и существенно лучше форм массовых пиков 9, 10 системы с круглыми электродами по следующим признакам:
- смещение пика. Пик 8 значительно менее смещен от пика 11, чем пики 9 и 10;
- ширина и высота. Пики 9, 10 имеют большую ширину при меньшей высоте, чем пик 8;
- форма склонов. Задний склон пика 9 затянут и искажен, передние склоны пиков 9, 10 также имеют искажения, которых нет у пика 8;
- наличие «хвостов». Перед пиками 9, 10 присутствуют протяженные «хвосты», у пика 8 «хвост» отсутствует.
Это доказывает то, что электродная система из основных круглых и плоских дополнительных электродов (фиг. 5) формирует поле, качественно превосходящее поле, создаваемое электродной системой только из основных круглых электродов (фиг. 3).
Приведенное описание показывает, что предлагаемая мультипольная электродная система не имеет сложных форм профилей электродов и проста в изготовлении, но при этом позволяет получать улучшенные аналитические характеристики по сравнению с аналогами.
Источники информации
1. Баранова Л.А., Явор С.Я. Электростатические электронные линзы. - М: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986, 192 с.
nd
2. R.E. March, J.F.J. Todd. Quadrupole Ion Trap Mass Spectrometry. 2 ed. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2005, 346 p.
3. Патент ФРГ №944900, МПК H01J 49/4215, H01J 49/424, H01J 49/009, 1953.
4. Патент РФ №2466475, МПК H01J 49/42, 2010.
5. Патент США №4985626, МПК H01J 49/42, 1990.
6. Патент США №9184040, МПК H01J 49/26, H01J 49/42, H01J 49/06, 2011.
7. Патент РФ №2372687, МПК H01J 49/42, G01N 30/72, 2005.
8. Патент РФ №2368980, МПК H01J 49/42, 2006.