Э. П. Шеретов Рязанский радиотехнический институтВСЕ-^ОЮ31-1АЯПАТ"1; .•.--^•оХ=ШЧ;СКАЯбггЗлис гена f.ibA

Номер патента: 296578


>, Союз Советских Социалистических Республик
Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

ОПИСАНИЕ 296578 ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Зависимое от авт. свидетельства №    —
Заявлено 08.VIII.1969 (№ 1354063/26-25)    МПК В Old 59/44
с присоединением заявки №    —
Приоритет —
УДК 721.384.8.08 (088.8)

Опубликовано 02.111.1971. Бюллетень № 9 Дата опубликования описания 15.IV.1971
Автор
изобретения
Заявитель

Э. П. Шеретов
Рязанский радиотехнический институт

ВСЕСОЮЗНАЯ ПАТЗс А'-^ХПЙЧ'СКАЯ _бгп>лие г GKti [»¡ЦА

СПОСОБ АНАЛИЗА ИОНОВ В КВАДРУПОЛЬНОМ МАСС-СПЕКТРОМЕТРЕ
1
Изобретение относится к области масс-спектрометрического анализа газов.
Известен способ образования ионов в рабочем объеме квадрупольного масс-
спектрометра с накоплением, при котором в рабочий объем входят ионизирующий
электронный поток, и ионы образуются в рабочем объеме датчика за счет
ионизации. Электронный поток пронизывает весь объем датчика и образует
медленные ионы не только в активной области, лежащей непосредственно у
центра симметрии системы, но и за ее пределами.
Ионы, образовавшиеся, за пределами «активной области», не накапливаются в
датчике масс-спектрометра, даже если их рабочие точки лежат в стабильной зоне.
Но наличие этих ионов приводит к значительному увеличению пространственного
заряда и искажений, вносимых им в распределение потенциала в рабочем объеме.
Это, в свою очередь, ухудшает аналитические характеристики прибора.
Целью предлагаемого изобретения является разработка такого способа ввода ионов
в анализирующий объем датчика, при котором «пространственный заряд»,
нестабильных ионов значительно уменьшается и, соответственно возрастает
чувствительность и разрешающая способность масс-спектрометра.
Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что ионизацию
осущест-
2
вляют вне пределов рабочего объема датчика, затем пакеты ионов вводят в
анализатор импульсно, производят пространственно-временное разделение пакета
ионов при движе-5 нии пакета от места ввода до центра системы и задерживают
ионы анализируемой массы в центре системы. Ионы анализируемой массы задерживают
в центре системы в момент смены полярности высокочастотного поля путем 10
подбора фазы ввода ионного пакета.
Предлагаемый способ ввода ионов в рабочий объем датчика предполагает увеличение
разрешающей способности и чувствительности анализатора за счет введения наряду
с раз-15 делением в квадрупольном высокочастотном поле времяпролетного и
фазового разделения заряженных частиц по массовым числам.
На чертеже показан датчик квадрупольного масс-спектрометра с накоплением.
20 Можно показать, что при питаниии датчика импульсным двуполярным сигналом,
траектории движения частиц по направлениям могут быть «стабильными» или
«нестабильными» в зависимости от значения массового числа час-25 типы,
длительностей и амплитуд подаваемых импульсов напряжения. Другими словами, при
импульсном питании датчика, также как и при питании гармоническим с
постоянной составляющей напряжением, можно построить 30 диаграммы стабильности
и разместить рабо-


296578

3

4

чую прямую (линию развертки масс) в непосредственной близости от вершины зоны,
добиваясь высокой разрешающей способности анализатора.
Поэтому в дальнейшем изложении сущнос- 5 ти предлагаемого изобретения будем
рассматривать импульсный режим питания датчика, предполагая, что нет
принципиальных трудностей при использовании предлагаемого метода и при питании
датчика гармоническим 10 сигналом.
Пусть по оси г анализатора в момент времени 1, = 0 входит ионный пакет, причем
разные по массам ионы пакета имеют одну и ту же начальную кинетическую энергию,
опреде- 15 ляемую потенциалом 1)у . При этом в течение времени движения ионного
пакета до центра системы на электрод а подан положительный импульсный
потенциал, так что сила, действующая на ионы вдоль оси г со стороны поля
20 анализатора, направлена против вектора их начальной скорости. При движении в
тормозящем квадратичном поле ионный пакет начнет расплываться из-за различия в
начальных скоростях для ионов различных масс. Други- 25 ми словами, при
движении к центру системы будет происходить пространственное разделение ионного
пакета по массовым числам. Учитывая что распределение потенциала
в квадрупольном анализаторе с накоплением за- 30 дается выражением

/(П г) =

и

а

1 +

га2
2Л2

■[

г2 . г2Д2 ‘ Ы2\ ’

35

можно показать, что если ион массы Мг в данный момент времени проходит центр
системы, то ион массы М1 будет находится от него на относительном расстоянии,
определяемом со- 40 отношением:

Иг

сЬ

— АгсЬ —
+ р    Д1/.

45

Агсй —
+ р    д‘Д

где

и У -Уо .
иV

50

м,

Р =    АМ = М'-М-Т^

м,

ив

и„

1 +

га2
2Д2

потенциал центра системы, 55

Очевидно, что р является разрешающей способностью по времяпролетному (прост-
60 ранственному) разделению ионного пакета, а А определяет относительную
скорость, которую частица имеет при прохождении центра системы. Подбором
напряжения 11у можно сделать А как угодно малой величиной, т. е. 65

добиться того, чтобы заряженная частица проходила центральную область
анализатора со скоростью, близкой к тепловой. При этом, если момент ввода
ионного пакета подобрать таким образом, чтобы частицы «стабильной» массы
проходили центральную область в момент смены полярности напряжения на электроде
а, то дальнейшее движение этих частиц будет описываться уравнениями их
движения в импульсных квадрупольных полях с очень малыми начальными
координатами и скоростями по г и 2. Ионы отличных масс начнут движение в
квадрупольном импульсном поле с большими начальными скоростями и поэтому
довольно быстро нейтрализуются на электродах системы. При этом для отсеивания
нестабильных ионов потребуется значительно меньшее время, что существенно
увеличит скорость считывания всего спектра. При движении вне малой центральной
области ионы имеют значительные скорости и происходит расплывание ионного
пакета. Это приводит к значительному уменьшению плотности пространственного
заряда и, соответственно, к увеличению чувствительности и
разрешающей способности анализатора. Даже при ДгЮ-3
и р -> оз величина больше относительных
размеров «активной области» у центра системы, в которой могут образовываться
ионы, удерживаемые в геометрических пределах поля при разрешающей способности
масс-спектрометра ~300—400.
Другим важным преимуществом предлагаемого способа является то, что он позволяет
проводить анализ ионных потоков не только по массам, но и с большой точностью
по энергиям, ибо удерживаться в объеме смогут только стабильные ионы, входная
энергия которых определяется центральным потенциалом, определяемым напряжением
на электроде а и геометрией поля.
Предмет изобретения
1.    Способ анализа ионов в квадрупольном масс-спектрометре с накоплением
путем ионизации анализируемого газа, разделения но массам в высокочастотном
квадрупольном поле и регистрации ионов анализируемой массы, отличающийся тем,
что, с целью увеличения чувствительности, разрешающей способности и
быстродействия масс-спектрометра, ионизацию осуществляют вне пределов рабочего
объема датчика, затем пакеты ионов вводят в анализатор импульсно,
производят пространственно-временное разделение пакета ионов при движении
пакета от места ввода до центра системы и задерживают ионы анализируемой массы
в центре системы.
2.    Способ по п. 1, отличающийся тем, что ионы анализируемой массы
задерживают в центре системы в момент смены полярности высокочастотного поля
путем подбора фазы ввода ионного пакета.


§96578

Составитель Н. Алимова
Редактор О. Н. Кузнецова Техред Е. Борисова Корректор Т.
Заказ 867/15    Изд. № 410    Тираж 473
ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Москва, Ж-35,
Раушская наб., д. 4/5
Типография, пр. Сапунова, 2
А. Джаманкулова

Подписное Министров СССР