Квадрупольный фильтр масс

Квадрупольный фильтр масс относится к области масс-спектрометрии Предлагаемая конструкция содержит квадрупольную электродную систему, источник высокочастотного и постоянного напряжений, источник и приемник ионов, входную и выходную диафрагмы, расположенные внутри электродной системы, причем входная диафрагма выполнена в виде уголкового электрода с углом раствора 120-130°, направленным внутрь электродной системы, причем линия пересечения плоскостей, образующих уголковый электрод, перпендикулярна оси симметрии электродной системы и лежит в плоскости симметрии, проходящей через электроды, на которые подается отрицательное постоянное напряжение смещения. Это позволяет увеличить чувствительность и разрешающую способность квадрупольного фильтра масс.

Полезная модель относится к области масс-спектрометрии и может быть использована при создании квадрупольных масс-спектрометров с высокой разрешающей способностью и чувствительностью.

Квадрупольные масс-спектрометры имеют высокие аналитические характеристики только при большой однородности гиперболического поля квадрупольного анализатора. Однако на входе известных квадрупольных масс-спектрометров [1] существует краевое поле. В этом поле стабильные ионы оказываются принципиально нестабильными, амплитуда их колебания нарастает экспоненциально с числом колебаний в краевом поле, что приводит к резкой потере чувствительности масс-спектрометра. Кроме того, при прохождении ионами краевого поля, у них возрастает продольная составляющая скорости, что приводит к значительному снижению разрешающей способности масс-спектрометра.

Известна конструкция квадрупольного масс-спектрометра [2], в которой для уменьшения влияния краевых полей ионы вводят внутрь квадрупольного анализатора через осевое отверстие в специальном конусном электроде. При этом концы стержней анализатора выполняют в виде поверхности, образованной вращением поперечного сечения электрода вокруг оси симметрии этого сечения. Концы стержней заключены в полые полуконусы, соприкасающиеся между собой по образующим, лежащим в плоскостях нулевого потенциала анализатора. В точке соприкосновения вершин конусов имеются отверстия для ввода и вывода ионов. Однако практическая реализация известного устройства сопряжена с большими технологическими трудностями:

- точностью изготовления, юстировки и крепления конусных электродов;

- выполнения специального профиля на концах полеобразующих электродов.

В противном случае наличие дополнительного конусного электрода может нарушить симметрию в распределении потенциала в рабочем объеме анализатора и ухудшить условия ввода и вывода ионов.

Известна конструкция квадрупольного масс-спектрометра [3], в которой ввод и вывод ионов в датчик квадрупольного фильтра масс осуществляют через плоские диафрагмы с осевыми отверстиями, расположенные на расстоянии нескольких мм снаружи от торцов электродов. Наличие диафрагм на входе и выходе анализатора позволяет локализовать в заданном объеме краевое поле и уменьшить его влияние на характер движения анализируемых ионов.

Однако влияние краевого поля в известной конструкции достаточно велико, уменьшить которое можно вдвигая плоские входную и выходную диафрагмы внутрь электродной системы квадрупольного фильтра масс [4].

Недостатком известной конструкции квадрупольного фильтра масс является то, что он эффективно работает только при достаточно малых осевых отверстиях в диафрагме, что ограничивает чувствительность и разрешающую способность известных устройств.

Целью полезной модели является повышение чувствительности и разрешающей способности квадрупольного фильтра масс.

Указанная цель достигается тем, что входная диафрагма, расположенная внутри электродной системы, выполнена в виде уголкового электрода с углом раствора 120-130°, направленным внутрь электродной системы, причем линия пересечения плоскостей, образующих уголковый электрод, перпендикулярна оси симметрии электродной системы и лежит в плоскости симметрии, проходящей через электроды, на которые подается отрицательное постоянное напряжение смещения. Это позволяет свести к минимуму влияние краевого поля на вводимый ионный поток за счет фокусирующего действия уголковой диафрагмы, определенным образом расположенной внутри квадрупольной электродной системы и тем самым увеличить разрешающую способность и чувствительность фильтра масс.

На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый квадрупольный фильтр масс; на фиг. 2 - результаты экспериментального подтверждения эффективности предлагаемого технического решения.

Квадрупольный фильтр масс содержит источник ионов 1; входную диафрагму 2; квадрупольную электродную систему 3, состоящую из четырех стержней круглого или гиперболического сечения; выходную диафрагму 4; приемник ионов 5; источник высокочастотного и постоянного напряжений 6.

Анализируемые ионы из источника ионов через входную диафрагму попадают в поле квадрупольного анализатора, где разделяются по удельным зарядам q/m в высокочастотном с постоянной составляющей электрическом поле. Электрическое поле в анализаторе создается путем подачи на полеобразующие электроды высокочастотного напряжения U_~cost и постоянного смещения ±U₌ от специального источника. Ионы с

определенным значением q/m покидают анализатор через входную диафрагму и регистрируются приемником ионов. Фокусирующее действие входной уголковой диафрагмы, расположенной внутри квадрупольной электродной системы, определенным образом ориентированной относительно электродов, позволяет существенно увеличить чувствительность и разрешающую способность фильтра масс.

На фиг. 2 приведены экспериментально полученные зависимости эффективности Q анализатора от разрешения R_0,5 (на уровне 0,5 от высоты массового пика) для фильтра масс с известной плоской диафрагмой (а) и предлагаемой уголковой (б), имеющих одинаковые осевые отверстия диаметром 0,1 r₀ (r₀ - минимальное расстояние от оси симметрии электродной системы до электрода). Эффективность находилась как произведение чувствительности на разрешение, которые определялись экспериментально по массовому пику воды (m - 18 а.е.м.). Из приведенных зависимостей видно, что применение уголковой входной диафрагмы позволяет увеличить эффективность анализа в 2-2,5 раза по сравнению с известным техническим решением.

Литература

1. Г.И. Слободенюк. Квадрупольные масс-спектрометры. М.: Атомиздат, 1974.

2. А.С. СССР 393662, опубл. 10.08.1973 г. в Б.И. 33.

3. АС. СССР 257126, опубл. 11.11.1969 г. в Б.И. 35.

4. Решение о выдаче патента на полезную модель по заявке 2014134661/07(056101) от 25.08.2014 г. «Квадрупольный масс-спектрометр», заявитель ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет».

Конструкция квадрупольного фильтра масс, содержащая квадрупольную электродную систему, источник высокочастотного и постоянного напряжений, входную и выходную диафрагмы, имеющие соосные отверстия и расположенных внутри электродной системы, отличающаяся тем, что входная диафрагма выполнена в виде уголкового электрода с углом раствора 120-130°, направленным внутрь электродной системы, причем линия пересечения плоскостей, образующих уголковый электрод, перпендикулярна оси симметрии электродной системы и лежит в плоскости симметрии, проходящей через электроды, к которым подключен источник отрицательного постоянного напряжения смещения.

РИСУНКИ