Способ масс-спектрол\етрического анализа

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

254867

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства ¹

Кл, 42L, 3/09

Заявлено 27.VII1.1968 (№ 1267158/26-25) с присоединением заявки J¹

МПК G 01п

УДК 543.51(088.8) Приоритет

Опубликовано 17.Х.1969. Бюллетень № 32

Дата опубликования описания 9.Ill.1970

Комитет ао селам изобретений и открытий ори Совете Министров

СССР, ; 1:"., Авторы изобретения А. Ф. Борнгардт, Л. Н. Галль, А. М. Могельницкий и В. А. Яавлейко

Заявитель Специальное конструкторское бюро аналитического приборо троенйя

AH СССР

СПОСОБ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Изобретение относится к области массспектрометрии и может быть использовано при конструировании масс-спектрометрических приборов.

Способ обеспечения разрешающей способ- 5 ности в известных масс-спектрометрических приборах не позволяет выполнять требование увеличения чувствительности и скорости развертки, так как оно находится в противоречии с требованием высокой разрешающей способ- 10 ности, поскольку последнее накладывает ограничения на площадь сечения ионного пучка на выходе из источника.

Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что пучок ионов, вы- 15 ходящий из источника ионов, кодируют с помощью маски в плоскости, перпендикулярной к направлению пучка, и декодируют с помощью тождественной маски на входе приемника ионов. 20

Предлагаемый способ масс-спектрометрического анализа в значительной степени разрешит противоречивость требований между чувствительностью, скорстью развертки и разрешающей способностью, возникающую при 25 конструировании масс-спектрометрических приборов. Это достигается тем, что поперечному сечению ионного пучка на выходе источника придают форму, обеспечивающую большую площадь при малой эффективной ши- 30 рине пучка, т. е. когда выходной эффект по своей величине получается таким же, как при пучке с узким прямоугольным сечением.

Г1а фиг. 1 представ. лена схема процесса прохождения ионов через выходное отверстие источника ионов в известных масс-спектрометрах; на фпг. 2 — схема процесса приема ионных пучков (графпк выходного эффекта) в известных .масс-спектромеграх; на фиг. 3 показаны схемы процессов формирования и приема двойных пучков по предлагаемому способу.

Для гояснения сущности предлагаем ого способа рассмотрим более подробно процесс приема ионных пучков на коллектор в известIbIx масс-спектрометрах и прнведем два элементарных примера реализации предлагаемого способа.

Ионы поступают из источника в анализатор через выходную коллимирующую щель источника. Поэтому распределение плотности тока в сечении ионного пучка при входе. в анализатор описывает форму выходной щели источника ионов, которая в известных масс-спекгрометрах представляет собой прямоугольник ширинои ri. Далее ионный пучок разлагается в анализаторе вдоль координаты х факальной плоскости соответственно каждому значению отношения массы ионов к заряду (т/l) .

254867

Распределения плотности тока в сечениях этих пучков на,фокальной .плоскости, отличаясь постоянными множителями, характеризующими интенсивность пучков, также описывают форму выходной щели источника ионов.

Для этого, разумеется, необходимо, чтобы аберрации были сведены к минимуму.

Изменяя траектории при развертке напряженности магнитного поля анализатора, ионные пучки смещают свои сечения в фокальной плоскости так, что они поочередно и плавно надвигаются на приемную щель и затем сходят с нее. Если, представить смещение каждого из пучков, как сумму бесконечно малых приращений, то каждому из,этих приращений соответствует прохождение какой-то доли пучка через приемную щель на коллектор. Величина совпадающей доли пучка сначала нарастает от нуля (пучок еще не попал на щель) до единицы (пучок совместился со щелью), а затем спадает вновь до нуля (пучок сошел со щели).

На фиг. 1 схематически представлен процесс прохождения ионов через выходное коллимирующее устройство 1 источника ионов, разложения в анализаторе ионного пучка по и, т m, отношениям —, —, — на, соответственно, 1 / пучки 4, 5 и 6 и приема пучка 5 с помощью коллектора 3 и приемного коллимирующеть устройства 2.

Описанный процесс приема ионных пучков поясняется графиком выходного эффекта (тока коллектора), обозначенного R(6), в зависимостии от величины смещения (6) пр иним аемого ионного пучка относительно приемной щели см, фиг. 2.

Показанная на фиг. 2 треугольная (остроконечная) форма, ширина и достигаемое значение максимума R(6) имеет место только в том случае, когда ширина приемной щели равна ширине пучка в месте приема, т. е. равна ширине выходной щели источника ионов, если коэффициент увеличения ионнооптической системы равен 1, а аберрации отсутствуют.

Если форма приемной щели не будет повторять форму выходной тцели источника (в понятие формы в данном случае включается и параллельность расположения), то это приведет только к тому, что R(6) будет иметь пологую вершину и либо расширится, либо уменьшится по амплитуде. Пик 8 (6) будет единственным для ионов данной массы, а ширина его будет равна удвоенной, ширине пучка, только в том случае, когда законы коллимации (формы щелей) на выходе источника и входе приемника имеют простую прямоугольную форму и одинаковы.

Если же придать им более сложную форму, но по-прежнему одинаковую, например двух раздельных прямоугольников той же длины, но шириной ф2, то каждый пучок будет состоять из двух элементарных пучков и R(6) 5

55 б0 б5

4 будет имегь три пика (только в этом примере) шириной d — основной и два боковых.

Причем основной пик (при 6=0) будет иметь вдвое большую амплитуду, чем боковые, так как он образуется в момент полного совпадения, когда оба элементарных пучка проходят на коллектор.

На фиг. 3 показан, процесс формирования двойных пучков в статическом масс-анализаторе, причем обозначения сохранены те же, что и для фиг. 1. На фиг. 4 показан, процесс приема ионного пучка в этом случае и приведен график выходного эффекта R(6).

Как видно из фиг. 4, в этом .примере двойной пучок имеет такую же общую площадь сечения, что и в обычном случае (см. фиг. 2), а потому и амплитуда основного пика R(6) достигает такой же величины, что и на фиг. 2, но при этом эффективная ширина пучка вдвое меньше (она равна ширине одного из двух элементарных пучков), а потому и основной пик ЯЯ) на фиг. 4 вдвое уже, чем пик на фиг. 2. То есть, в данном примере, для основного пика будет обеспечена вдвое большая разрешающая способность при той же чувствительности, что и в обычном случае.

Можно вдвое выиграть (по основному пику) в чувствительности при той же разрешающей способности, если взять ширину элементарного пучка d вместо d/2, так как при этом эффективная ширина пучка такая же, как и в обычном случае (см. фиг. 2), а общая площадь сечения (она равна сумме площадей сечений элементарных пучков) вдвое больше, чем в обычном случае. Этот пример иллюстрирует фиг. 5. Между этими двумя крайними случаями использования двойного. пучка имеется множество промежуточных, когда по сравнению с обычным пучком будет иметь место выигрыш как в чувствительности, так и в разрешающей способности (все по основному пику), но менее, чем в два раза.

Следует отметить, что для пучка, поперечное сечение которого имеет сложную форму, в частности, для описанного двойного пучка, тождественность приемной щели сечению пучка дает количественно новые результаты.

Действигельно, если увеличить расстояние между приемными щелями более, чем на ширину элементарного пучка, то основного пика вообще не будет, т. е. он ничем не будет отличаться от боковых. Разумеется, применять на практике реализацию предлагаемого способа в виде двойного пучка бессмыслен но изза большего уровня боковых лепестков, так как различить:сигналы на выходе от двух близко расположенных соседних по массам пучков возможно только в том случае, если они мало отличаются по амплитуде. К тому же выигрыш, который дает двойной пучок, весьма незначителен.

Рассмотрим еще один пример (см. фиг. 6), показывающий, что с увеличением числа элементарных пучков падает интенсивность боковых лепестков R(6) по отношению к основ254867

60 ному, а выигрыш в чувствительности и разрешающей способности для основного пика

R(6) по отношению к обычному случаю уве. личивается. Придадим выходной щели источника форму трех параллельных прямоугольников TOH же длины, что и в предыдущих случаях и шириной d, а расстояния между соседними щелями сделаем некратными друг другу (за единицу измерения этих расстояний возьмем d) . Сформированный такой щелью пучок ионов будет состоять из трех элементарных пучков и соответственно из трех элементарных пучков будут состоять и ионные пучки каждой массы на выходе анализатора. Приемная щель, как и в предыдущих случаях, повторяет щель источника. Поскольку интервалы между элементарными пучками, так,же как и между щелями, некратны, все три элементарных пучка одновременно пройдут через приемные щели только при смещении, равном нулю (6=0), когда лучок полностью совпал с,прием ными щелями, при всех остальных значениях смещения (6) )О совпадать будет не более, чем один элементарный пучок с одной из приемных щелей. Поэтому основной пик выходного эффекта R(5) будет в три раза превышать боковые. Общая площадь сечения пучка теперь втрое превышает площадь пучка для обычного случая, при той же эффективной ширине. Сужая щели, будем, как и в предыдущем примере, получать выигрыш в разрешающей способности, а выигрыш в чувствительности (общей площади сечения пучка) будет уменьшаться, и при ширине каждой из составляющих щелей d/3 общая площадь сечения пучка станет такая же, как и в обычном случае, но зато его эффективная ширина áóдет втрое меньше.

Приведенные примеры можно обобщить и пояснить физическую сущность предлагаемого способа, представив сложную форму поперечного сечения пучка, состоящей из множества непересекающихся простых прямоугольников одинаковой ширины. Закон расположения этих прямоугольников, определяющий форму поперечного сечения лучка, выбирается таким, что за время перемещения сечения пучка в фокальной плоскости мимо тождественной ему приемной щели только однажды достигается совмещение всех элементарных прямоугольников с соответствующими им прямоугольниками приемной щели. При этом выходной эффект по ширине равен эффекту от одного элементарного прямоугольника, а по амплитуде сумме эффектов от всех элементарных прямоугольников. За все остальное время перемещения сечения пучка мимо приемной щели должно совмещаться лишь незначительное число элементарных прямо5

45 угольников пучка с другими элементарными прямоугольниками приемной щели, производя соответственно боковые пики выходного эффекта, амплитуда которых много меньше основного пика.

Если обозначить распределвние плотности тока в сечении пучка i-той массы на выходе анализатора S (х, у) — эта функция описывает также и вид закона коллимации на выходе источника ионов, — то при каждом 6ecконечно малом смещении пучка мимо приемной щели производится умножение на передаточную характеристику приемной щели, повторяющую S(x, у), но зависящую от величины смещения Ь, а результаты суммируются коллектором для всех приращений. Следовательно, масс-спектрометр представляет собой оптимальную приемную систему, вырабатывающую на выходе автокорреляционную функцию Р(б) передаваемых сообщений о законе коллимации на выходе источника ионов.

Действительно, во время приема пучка проверяется схожесть формы его сечения с формой коллимирующей приемной щели, которая тождественна этому сечению. Другими словами, во время приема пучка производится декодирование хода, введенного в ионный пучок на выходе из источника ионов.

Для повышения чувствительности и разрешающей способности масс-спектрометрических приборов законам кодирования (т. е. коллимации) на выходе источника необходимо придать такой вид, чтобы при заданной ширине достигалась максимальная амплитуда основного пика выходной автокорреляционной функции, а ее боковые лепестки (в процентах к основному) были минимальными.

Предлагаемый способ масс-спектрометрического анализа позволяет при конструировании масс-спектрометрических приборов, задаваясь необходимым выходным эффектом (автокорреляционная функция закона кодирования), с помощью математического аппарата или методом подбора получать закон кодирования на входе анализатора.

Предмет изобретения

Способ масс-спектрометрического анализа, в котором с помощью источника ионов образуют пучок ионов, разделяют его по массам в статическом поле анализатора и регистрируют с помощью приемника ионов, отличаюи(ийая тем, что, с,целью увеличвния чувстви1ельности и разрешающей способности, пучок ионов, выходящий из источника ионов, кодируют с помощью маски в плоскости, перпендикулярной к направлению пучка, и декодируют с помощью тождественной маски на входе приемника ионов.

254867 2

Составитс1ь H. В. Алимова

Редактор Э. Н. Шибаева . Техред Л. Я. Левина Корректор Г. С. Мухина

Заказ 414/3 Тираж 480 Подписное

LIHHHHH Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва 5К-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2