способ ввода анализируемых ионов в рабочий объем масс-анализатора гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки

Формула изобретения

Способ ввода анализируемых ионов в рабочий объем анализатора гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки, по которому в рабочий объем анализатора вблизи радиальной плоскости вводят ионы, образованные вне рабочего объема, через один или несколько каналов, выполненных в кольцевом электроде, под углом к прямой, соединяющей точку ввода и центр электродной системы анализатора, отличающийся тем, что анализируемые ионы в рабочем объеме анализатора заставляют двигаться по траекториям, огибающие которых являются окружностями, путем задания угла ввода в соответствии с соотношением

и относительной скорости в соответствии с соотношением

где _i являются элементами матрицы преобразования общего решения дифференциального уравнения движения ионов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гиперболоидной масс-спектрометрии и может быть использовано при разработке приборов данного вида с высокой чувствительностью и разрешающей способностью.

Известны гиперболоидные масс-спектрометры с анализаторами типа трехмерной ловушки, в которых анализируемые ионы вводят в рабочий объем анализатора путем ионизации молекул либо атомов газа, находящихся в этом объеме, электронным ударом. Для реализации известного способа в рабочий объем анализатора вводят извне ионизирующий электронный поток [1].

Известный способ имеет ряд преимуществ, одно из которых простота конструкции и совмещение области ионизации и области анализа. Последнее увеличивает коэффициент использования анализируемого вещества. Однако известный способ имеет существенный недостаток, обусловленный тем, что ввод в рабочий объем большого потока заряженных частиц приводит к быстрому росту диэлектрических пленок на рабочих поверхностях электродов анализатора и, как следствие, ухудшению поля, формы массового пика и срока службы масс-спектрометра.

Известен способ ввода анализируемых заряженных частиц в рабочий объем анализатора типа трехмерной ловушки, по которому анализируемые ионы вводят в объем анализатора извне, образуя их вне рабочего объема, и, соответственно, тем самым существенно уменьшают вводимый в анализатор поток заряженных частиц [2]. Для реализации известного способа во время ввода ионов изменяют форму ВЧ сигнала, подаваемого на электроды анализатора.

Недостатком известного способа является принципиально ограниченное время ввода заряженных частиц в рабочий объем анализатора. Это резко ограничивает чувствительность масс-спектрометра и возможность реализации процедуры накопления ионов в рабочем объеме, что является существенным преимуществом масс-спектрометров типа трехмерной ловушки.

Известен способ ввода анализируемых ионов в рабочий объем анализатора гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки, по которому анализируемые ионы вводят извне в рабочий объем анализатора вблизи радиальной плоскости через канал, выполненный в кольцевом электроде, под углом к прямой, соединяющей точку ввода и центр электродной системы анализатора. По известному способу можно непрерывно вводить ионы в анализатор извне и реализовывать процедуру накопления, что позволяет существенно повысить чувствительность прибора [3].

Недостатком известного способа является малая производительность метода, обусловленная значительными отклонениями траектории вводимых ионов от начала координат, что приводит к быстрому попаданию анализируемых ионов на полеобразующие электроды и существенному уменьшению относительного количества захваченных полем ионов. Это, в конечном итоге, ограничивает получаемую чувствительность прибора и его разрешающую способность.

Целью настоящего изобретения является создание способа ввода анализируемых ионов в рабочий объем анализатора гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки, при котором устраняются недостатки известного способа и, как следствие, повышается чувствительность анализа и его разрешающая способность.

Указанная цель достигается тем, что ионы, образованные вне рабочего объема, вводят в анализатор вблизи радиальной плоскости через один или несколько каналов, выполненных в кольцевом электроде, под углом к прямой, соединяющей точку ввода и центр электродной системы анализатора. Новым является то, что после ввода анализируемые ионы заставляют двигаться в рабочем объеме анализатора по траекториям, огибающие которых являются окружностями, путем задания угла ввода в соответствии с соотношением:

и относительной скорости ввода в соответствии с соотношением:

где _i - элементы матрицы преобразования общего решения дифференциального уравнения движения ионов.

Траектории ионов в анализаторах гиперболоидных масс-спектрометров таковы, что по любой координатной оси, если рабочая точка иона находится в стабильной зоне, диаграммы стабильности, максимальное отклонение иона от начала координат всегда больше его начальной координаты. Таким образом, существует своеобразный теоретический запрет на ввод ионов извне в анализатор гиперболоидного масс-спектрометра через поверхность электродов электродной системы. Существуют, однако, несколько методов преодоления этого запрета. В случае прототипа преодолеть запрет удается путем разделения во времени процесса ввода ионов и процесса сортировки (захвата) в поле анализатора. Наиболее распространенным в настоящее время является способ, использующий трение вводимых ионов на молекулах буферного газа. Вводимые ионы теряют энергию при соударениях с молекулами буферного газа, их амплитуда колебаний уменьшается и они захватываются полем ловушки, т.к. в этом поле существует для стабильных ионов своеобразная потенциальная яма. Для высокой эффективности захвата, в таком случае, необходимо, чтобы максимальное отклонение вводимого иона от начала координат было бы минимальным, а путь, проходимый в рабочем объеме анализатора за время пролета, был бы максимальным.

Этим условиям удовлетворяет способ ввода ионов, при котором огибающие траектории ионов является окружностью. При этом максимальное отклонение иона от начала координат минимально, а проходимый путь за время пролета максимален (при заданной энергии вводимых ионов).

Для реализации предлагаемого способа ввода анализируемых ионов в рабочий объем анализатора гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки необходимо их вводить вблизи радиальной плоскости под углом к радиусу-вектору точки ввода, который следует выбирать из соотношения:

а скорость ввода из соотношения:

где _i - элементы матрицы преобразования общего решения уравнения движения иона за период ВЧ поля. Приведенные выше соотношения справедливы для любой формы ВЧ напряжений, подаваемых на электроды анализатора.

На Фиг.1 приведена общая диаграмма стабильности для осесимметричной ловушки при импульсном сигнале («меандр»).

На Фиг.2 приведены траектории ионов, рабочие точки которых показаны на Фиг.1 (точки 1 и 2). Траектории построены при начальных параметрах движения (скорость и угол ввода), заданных в соответствии с заявляемым способом. Траектория (А) рассчитана для рабочей точки a₁=a₂=0.75 (точка 1 на Фиг.1); ион вводился через кольцевой электрод в точке с координатами x ₀=0, y₀=1.0, начальные скорости ввода: Vx ₀=0.078385; Vy₀=0. Траектория (В) получена для точки a₁=a₂=1.8 (точка 2 на Фиг.1); ион вводился через кольцевой электрод в точке с координатами x ₀=0, y₀=1.0; начальные скорости ввода: Vx ₀=0.380551; Vy₀=0.

На Фиг.3 приведена зависимость числа ионов 28 а.е.м., захваченных ВЧ полем ловушки, N_ocm, от их угла ввода, , в анализатор при скоростях ввода, соответствующих заявляемому способу. Здесь доля ионов, оставшихся в объеме анализатора, рассчитывалась с учетом столкновений с буферным газом (гелий) при давлениях буферного газа р=0.5 мм рт.ст. (сплошная линия) и р=0.75 мм рт.ст. (штриховая линия). Соответствующие углы ввода на Фиг.3 обозначены _кр1, _кр2, _кр3. Кривые 3 на Фиг.3 получены для фазы ввода t₀=0.3 (критическая скорость соответствует энергии ввода 11 эВ, критический угол ввода 24.17°); кривые 4 получены для фазы ввода 0.375 (критическая скорость соответствует энергии ввода 22.098 эВ, критический угол ввода 48.067°); кривые 5 соответствуют фазе ввода 0.5 (критическая скорость соответствует энергии ввода 71.67 эВ, критический угол ввода 61.218°). В ловушку при расчетах вводилось 5000 ионов.

Из Фиг.2 видно, что при использовании предлагаемого способа ввода огибающие траектории (внутренняя и внешняя) являются окружностями. При этом величина радиуса внешней огибающей близка к расстоянию от начала координат до точки ввода иона. Это означает, что относительное максимальное отклонение иона от центра анализатора минимально и поэтому максимальна вероятность захвата иона при наличии потерь энергии из-за соударений с атомами буферного газа.

Из Фиг.3 видно, что при разных давлениях буферного газа вблизи режима, соответствующего заявляемому способу, резко возрастает эффективность захвата ионов и чувствительность ловушки возрастает на порядок.

Таким образом, предлагаемый способ ввода анализируемых ионов в рабочий объем анализатора гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки позволяет больше чем на порядок увеличить эффективность захвата вводимых ионов и, соответственно, чувствительность и разрешающую способность масс-спектрометра.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зенкин В.А. Болигатов О.И. Трехмерный квадрупольный масс-спектрометр с накоплением. /Приборы и техника эксперимента, 1971, №1.

2. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И. Новый трехмерный квадрупольный масс-спектрометр с непосредственным вводом ионов /Письма в ЖТФ, I,1975. В. 3, с.149-152.

3. Шеретов Э.П., Шеретов А.Э. Способ вода анализируемых ионов в рабочий объем анализатора гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки. Патент РФ №2133519, приор. 25.06.1997, опубл. 20.07.1999.