Изобретение относится к динамической масс-спектрометрии и может быть использовано для улучшения технологических и аналитических свойств гиперболоидных масс-спектрометров. Технический результат заключается в упрощении анализатора, эффективном решении проблем ввода и вывода ионов и улучшении аналитических параметров гиперболоидных масс-спектрометров. Способ разделения частиц по удельному заряду основан на ограничении объема ионной ловушки плоскостью z= 0, где под действием переменного электрического поля ионы анализируемой массы m0 совершают по оси z однополярные, а по оси r двуполярные колебания с ограниченной амплитудой. Рабочие точки анализируемых ионов по оси сортировки находятся на границе зоны стабильности, а по другим координатам в глубине зоны стабильности. Анализатор гиперболоидного масс-спектрометра на ограниченной ионной ловушке состоит из торцевого, кольцевого, ограниченного плоскостью z=0, гиперболоидных электродов, экранирующего электрода в форме усеченного конуса и полупрозрачного корректирующего электрода. Образование ионов происходит под действием ионизирующих электронов или в объеме анализатора, или вне объема анализатора. Размеры полеобразующих электродов определены с учетом свободного прохождения пучка электронов. Фаза переменного поля согласована с начальными координатами и скоростями частиц. Вывод отсортированных ионов осуществляется через отверстие в кольцевом электроде. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к динамической масс-спектрометрии и может быть использовано для улучшения технологических и аналитических свойств гиперболоидных масс-спектрометров.
Анализаторы квадрупольных масс-спектрометров состоят из трех или четырех электродов и сложны в изготовлении и сборке [1, 2]. Монопольный масс-спектрометр с двумя гиперболоидными электродами имеет низкую разрешающую способность. Чувствительность одномерного однополярного анализатора с двумя гиперболоидными электродами ограничена малым диаметром отверстия в нижнем электроде [3] . За прототип приняты трехмерная ионная ловушка [1] и одномерный масс-анализатор с двумя гиперболоидными электродами [3]. Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в упрощении конструкции анализатора, эффективном решении проблем ввода и вывода ионов и улучшении аналитических параметров гиперболоидных масс-спектрометров.
Предлагаемый способ разделения частиц по удельному заряду основан на ограничении объема ионной ловушки плоскостью z=0 и создании в части 0

z

2r
01 рабочей области анализатора поля с распределением потенциала, отличным от квадратичного. Под действием переменного электрического поля ионы анализируемой массы m
0 совершают по оси z однополярные, а по оси r двуполярные колебания с ограниченной амплитудой. Ионы других масс m

m
0 в пространстве предлагаемого анализатора являются нестабильными. В качестве устройства для разделения ионов по удельному заряду используется ограниченная плоскость z=0 трехмерная ионная ловушка с экранирующем электродом в форме усеченного конуса и полупрозрачным электродом, расположенным за отверстием в кольцевом электроде.
Схема электродной системы гиперболоидного анализатора на ограниченной трехмерной ловушке представлена на фиг. 1. Анализатор состоит из двух гиперболоидных электродов - торцевого 1 и кольцевого 2, экранирующего электрода 3 в форме усеченного конуса и полупрозрачного электрода 4. Кольцевой электрод 2 ограничен плоскостью z=0 и составляет половину кольцевого электрода ионной ловушки. Минимальные расстояния z
01 и r
01 гиперболоидных электродов 1 и 2 от начала координат берут в соотношении r
01
0.2z
01. Область сортировки анализатора имеет форму цилиндра с радиусом r
c=r
01. Ввод ионов в анализатор под действием ионизирующих электронов осуществляется двумя способами. В первом случае образование ионов с начальными координатами z
0 
z
01 происходит в рабочем объеме анализатора при пропускании ионизирующих электронов между электродами 1,2 и 3 (Фиг. 1). Для свободного прохождения пучка электронов толщиною d
э диаметр кольцевого электрода ограничивается величиною

B другом случае заряженные частицы образуются вне объема анализатора при пропускании пучка электронов между электродами 2 и 4, а после завершения ионизации под действием положительного потенциала на электроде 4 ионы вводятся в анализатор. В обоих случаях исключаются попадание ионизирующих электронов на рабочие поверхности гиперболоидных электродов и образование на них диэлектрических пленок. Вывод отсортированных ионов осуществляется через отверстие в кольцевом электроде 2. Электроды 3 и 4 используются для экранирования и коррекции поля в анализаторе. Во время сортировки между гиперболоидными электродами действует переменное напряжение U(t). Начальная фаза питающего напряжения U(t) согласована с начальными координатами z
0 и скоростями v
0 ионов. Напряжение U
э=(0.3-0.6)U(t) на экранирующем электроде создается с помощью делителя на межэлектродных емкостях. Напряжение на электроде 4 формируется прибавлением к напряжению U
2 на кольцевом электроде постоянного напряжения U
к.
Из-за ограничения кольцевого электрода плоскостью z=0 в рабочей области анализатора вблизи начала координат z

2r
0 распределение потенциала заметно отличается от квадратичного. Величина и знак отклонения потенциала

U(z, r) от квадратичного распределения устанавливается напряжением U
к. Во время сортировки в область z<2r
попадают ионы легких масс m<m. Характер траекторий по координате z ионов с m<m зависит от знака отклонения потенциала
U (Фиг. 2). Случай
U(z, r)=0 соответствует неограниченной трехмерной ловушке, в пространстве которой ионы легких масс по координате z являются стабильными. В ограниченной ловушке при
U(z, r)>0 из-за знакопеременного характера траекторий z(t) легкие ионы становятся нестабильными и сортировка ионов по удельному заряду осуществляется по одной координате z. По оси r легкие ионы находятся в глубине зоны стабильности. При
U(z, г)<0 колебания ионов с m<m в пространстве 0<z являются стабильными в силу их однополярности. Сортировка ионов в этом случае осуществляется как в неограниченной ионной ловушке по координатам z и r, рабочие точки анализируемых ионов располагают вблизи вершины диаграммы стабильности. Цикл масс-анализа в ограниченной ионной ловушке состоит из ионизации, сортировки и регистрации (Фиг. 2, а). Во время ионизации на электродах анализатора действуют нулевые потенциалы и ионы образуются с малыми тепловыми начальными скоростями. Сортировка частиц по удельному заряду происходит под действием ВЧ напряжения U(t)=U1(t)-U2(t) импульсной формы, создаваемого двумя генераторами импульсов. При образовании ионов с начальными координатами z0
z01 начальная фаза
01= 0 ВЧ напряжения устанавливается длительностью Т/2 и положительной полярностью первого импульса питающего напряжения (Фиг.2,а). При z0=0.3z01 ВЧ напряжение начинается с импульса отрицательной полярности, что соответствует фазе ввода
02=
/2. Режим сортировки при фазе ввода
02 характеризуется большей чувствительностью, так как в этом случае на траектории анализируемых ионов в меньшей мере влияют начальные скорости ионов, а амплитуда колебаний по координате r не превышает начальной координаты r0 для всех рабочих точек в I зоне диаграммы стабильности. В процессе сортировки ионы анализируемой массы m0 совершают по оси z периодические и близкие к периодическим однополярные колебания и значительная их часть удерживается в рабочей области анализатора. Тяжелые ионы с m>m0 по координате z смещаются в сторону торцевого электрода. Легкие массы с m<m при
U>0 выводятся из анализатоpa через отверстие в кольцевом электроде, а при
U<0 отсортировываются по координате r. Цикл сортировки завершается в фазе
в=
/4 ВЧ напряжения, когда скорость анализируемых ионов по оси z максимальная и направлена в сторону отверстия в кольцевом электроде. Малый разброс начальных координат и синхронный характер колебаний частиц одинаковой массы при фазовом вводе обеспечивают высокую скорость масс-анализа, а значительный размер rА рабочей области и выходного отверстия анализатора - его высокую чувствительность. Предлагаемый способ сортировки частиц по удельному заряду и устройство для его осуществления улучшают технологические свойства анализатора, исключают образование диэлектрических пленок на рабочих поверхностях электродной системы, улучшают форму массовых пиков и повышают скорость и чувствительность масс-анализа. Литература 1. Э. П.Шеретов. Гиперболоидные масс-спектрометры. Измерения, контроль, автоматизация 1980, N 11-12. 2. Г.И. Слабоденюк. Квадрупольные масс-спектрометры. Атомиздат, 1974. 3. Е.В.Мамонтов. Способ разделения заряженных частиц по удельному заряду и устройство для его осуществления. Положительное решение 98100694/09, 1999.Формула изобретения
1. Способ разделения заряженных частиц по удельному заряду заключается в воздействии на находящиеся в трехмерном гиперболоидном анализаторе с параметрами z01, r01, где z01 и r01 радиусы граничных эквипотенциалей по координатам z и r, ионы переменным электрическим полем, отличающийся тем, что путем ограничения рабочего пространства анализатора по координате z положительными значениями z
0 в части 0
r
2r01 рабочей области анализатора создают поле с распределением потенциала, отличным от квадратичного и на заряженные частицы с параметрами z0
z01 или z0 = 0,3 z01, где z0 - начальная координата ионов по оси z, воздействуют переменным электрическим полем с начальной фазой соответственно
01 = 0 или
02 =
. 2. Устройство для разделения заряженных частиц по удельному заряду, содержащее электродную систему из гиперболоидных торцевого и кольцевого электродов трехмерной ионной ловушки, отличающееся тем, что в качестве электродной системы анализатора используют гиперболоидные торцевой и ограниченный плоскостью z = 0 кольцевой электроды трехмерной ионной ловушки с параметрами z01
0,2r01, где z01 и r01 радиусы граничных эквипотенциалей по координатам z и r, с диаметром кольцевого электрода
где dэ - толщина пучка ионизирующих электронов, причем по границам гиперболоидных электродов установлен экранирующий электрод в форме усеченного конуса, а за отверстием в кольцевом электроде расположен плоский полупрозрачный электрод диаметром dк
4r01.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2