SU1725289A1

SU1725289A1 - Time-of-flight mass spectrometer with multiple reflection

Info

Publication number: SU1725289A1
Application number: SU894722073A
Authority: SU
Inventors: Леонид Михайлович Назаренко; Любовь Михайловна Секунова; Евгений Михайлович Якушев
Original assignee: Институт Ядерной Физики Ан Казсср
Priority date: 1989-07-20
Filing date: 1989-07-20
Publication date: 1992-04-07

Abstract

Изобретение относитс к масс- спектрометрии. Целью изобретени вл етс увеличение светосилы и повышение разрешающей способности за счет обеспечени пространственной фокусировки. Цель достигаетс тем, что в устройство введены два бессеточных электростатических зеркала, каждое из которых состоит из электродов 3, , 5 и 6, 7, 8 соответственно . Электроды зеркал выполнены в виде пластин, симметрично располо- . женных относительно средней плоскости , а источник 1 и приемник 2 ионов расположены в бесполевом простран- стве между ионными зеркалами. Зеркала обеспечивают многократное отражение ионного пакета. -1 ил. с е (ЛThis invention relates to mass spectrometry. The aim of the invention is to increase the luminosity and increase the resolution by providing spatial focusing. The goal is achieved by introducing two gridless electrostatic mirrors into the device, each of which consists of electrodes 3, 5, 6, 7, 8, respectively. The electrodes of the mirrors are made in the form of plates, symmetrically arranged. with respect to the median plane, and the source 1 and the receiver 2 ions are located in the no-field space between the ion mirrors. Mirrors provide multiple reflection of the ion packet. -1 il. with e (L

Description

Изобретение относитс к масс- спектрометрии, физической электрони ке и электронной оптике.This invention relates to mass spectrometry, physical electronics, and electron optics.

Известны врем пролетные масс- спектрометры с многократным отражением ионного пучка, в которых в качестве отражающих элементов используютс электростатические зеркала, составленные из электродов, выполненных в виде диафрагм и трубок или в виде сетокоThe time is known of passing-through mass spectrometers with multiple reflection of an ion beam, in which electrostatic mirrors composed of electrodes made in the form of diaphragms and tubes or in the form of grids are used as reflecting elements.

Зеркала обеспечивают беспреп тственное прохождение ионного пучка, одновременную пространственную фокусировку и врем пролетную фокусировку по энергии второго пор дка. Каждое отражение ионного пучка осуществл етс отдельным ионным зеркалом что усложн ет конструкцию прибора и накладывает определенные трудности в юстировке при реализации многокраного отражени . Многократное ртраже ние может .осуществл тьс двум зеркалами . Отражение ионного пучка в них производитс электростатическимThe mirrors ensure unimpeded passage of the ion beam, simultaneous spatial focusing, and time of flight focusing on the second-order energy. Each reflection of the ion beam is carried out by a separate ion mirror, which complicates the design of the device and imposes certain difficulties in adjusting the implementation of multi-reflection. Repeated abuse can be carried out with two mirrors. The reflection of the ion beam in them is produced by electrostatic

-полыми, формируемыми сеточными э л е ктродами. Проход сквозь эти эле- ктроды, ионный пакет тер ет часть-full, formed by grid electrodes. Passing through these electrodes, the ion packet loses part of

интенсивности вследствие физическо- го перекрыти пучка сетками и его рассе ни на них. Электростатические зеркала обеспечивают только врем пролетную фокусировку. С целью ввода и вывода ионов обеспечиваетс импульсное питание элек- тродов ионных зеркал, что накладывает дополнительные ограничени на частоту подачи анализируемых пакетовthe intensity due to the physical overlapping of the beam by grids and its scattering on them. Electrostatic mirrors provide only time-of-flight focusing. For the purpose of input and output of ions, pulsed power is provided to the electrodes of ionic mirrors, which imposes additional restrictions on the frequency of delivery of the analyzed packets.

, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому вл етс верм пролетный масс-спектрометр, содержащий источник и приемник ионо и два ионных зеркала, обеспечивающих многократное отражение ионного пакета Электроды каждого из зеркал выполнены в виде плоских, параллельных одна другрй сеток, наход щихс под посто нными потенциала- ми. Ионные зеркала расположены по обе стороны от дрейфового.пространства и параллельны между собой.The closest in technical essence to the present invention is a verm passing mass spectrometer containing an ion source and receiver and two ion mirrors providing multiple reflection of the ion packet. The electrodes of each of the mirrors are made in the form of flat, parallel one other grids that are constant potentials. Ion mirrors are located on both sides of the drift. Space and parallel to each other.

Недостатком известного прибора вл етс то, что на пути движени The disadvantage of the known device is that on the way of movement

ионного пакета расположены сеточные электроды, которые частично перекрыion package are grid electrodes that are partially blocked

jj

г | g |

. | . . | .

10ten

1515

2020

2525

72528947252894

вают ионный поток из-за ограниченной прозрачности и рассеивают его вслед- I ствие наличи линзовых эффектов на чейках сетки. Кроме того, под воздействием ионного потока сами сетки зар жаютс , что приводит к возникновению неконтролируемых потенциалов , ухудшающих характеристики прибора . Сетки в процессе работы подвержены таким влени м, как провисание , перекосы, вздутие и так Далее , которые также привод т к неконтролируемому изменению электрического пол Указанные недостатки сетчатых зеркал привод т к уменьшению разрешени и светосилы, причем при многократном отражении и с учетом того, что ионный поток проходит каждую из сеток дважды, ситуаци существенно усугубл етс и становитс непрогнозируемой. Кроме того, отсутствует пространственна фокусировка , что определ ет малую его светосилу.ion flux due to limited transparency and dissipate it due to the presence of lens effects on the grid cells. In addition, under the influence of the ion flux, the grids themselves are charged, which leads to the appearance of uncontrolled potentials that degrade the characteristics of the device. The grids in the course of work are subject to such phenomena as sagging, distortion, swelling and so on, which also lead to an uncontrolled change of the electric field. The indicated disadvantages of mesh mirrors also lead to a decrease in resolution and luminosity, and with repeated reflection and The ion flux passes each of the grids twice, the situation is greatly aggravated and becomes unpredictable. In addition, there is no spatial focusing, which determines its low luminosity.

В известном устройстве источник и детектор ионов расположены с двух противоположных сторон пространства, зан того ионными зеркалами и дрейфовым пространством. Такое расположение исключает возможность изменени числа отражений ионного пакета без нарушени выбранных начальных параметров ионно оптической схемы. Это накладывает ограничени на аналитические возможности прибора, так как не позвол ет в процессе работы варьировать величины разрешающей способности и светосилы в зависимости от условий аналитической задачи.In the known device, the source and the ion detector are located on two opposite sides of space, occupied by ionic mirrors and drift space. This arrangement eliminates the possibility of changing the number of reflections of the ion packet without disturbing the selected initial parameters of the ion-optical scheme. This imposes limitations on the analytical capabilities of the device, since it does not allow the process of varying the resolution and luminosity depending on the conditions of the analytical problem.

Целью изобретени вл етс увеличение светосилы и повышение разрешающей способности путем обеспечени пространственной фокусировки врем - пролетного масс-спектрометра с многократным отражением.The aim of the invention is to increase the luminosity and increase the resolution by providing spatial focusing of the time-of-flight mass spectrometer with multiple reflection.

Во врем пролетном масс-спектрометре с многократным отражением, содержащем источник и детектор ионов и два ионных зеркала, состо щих из электродов, соединенных с источниками посто нного напр жени , каждый из электродов ионных зеркал выполнен в виде пары пластин, симметрично расположенных относительно общей дл обоих зеркал средней плоскости, при- . чем источник и приемник ионов распо30During a transverse-reflectance mass spectrometer containing a source and detector of ions and two ion mirrors consisting of electrodes connected to sources of constant voltage, each of the electrodes of ion mirrors is made in the form of a pair of plates symmetrically located relative to the common for both mirrors of the average plane, at -. What is the source and receiver of ions?

5five

4040

4545

5050

5555

ложены в свободном от пол пространстве между ионными зеркалами.They are located in the floor-free space between the ion mirrors.

Указанные зеркала создают свободный дл прохождени ионов йонно-оп- тический тракт. При этом полностью устран ютс такие характерные дл сеточных зеркал потери разрешени и чувствительности, которые св заны с перекрытием пучка, а также с возникновением неконтролируемых зар дов. При этом при определенных соотношени х потенциалов на электродах таких зеркал нар ду с врем пролетной можно обеспечить и пространственную фокусировку ионов на детектор, что устран ет указанный недостаток известного устройства и.приводит к повышению по сравнению с известным разрешающей способности и светосилы во врем пролетном масс-спектр ометре с многократным, отражением сThese mirrors create an ion-optical path free for ions to pass through. At the same time, the resolution and sensitivity losses characteristic of grid mirrors are completely eliminated, which are associated with beam overlap, as well as with the occurrence of uncontrolled charges. In this case, at certain ratios of the potentials on the electrodes of such mirrors, along with the transit time, spatial focusing of the ions on the detector can be ensured, which eliminates the indicated drawback of the known device and leads to an increase in comparison with the known resolution and luminosity multiple spectrum meter with reflection

Расположение источника и детектора ионов в бесполевом пространстве между зеркалами обеспечивает возможность изменени числа отражений без нарушени выбранных начальных .параметров ионно-оптическои схемы и качествапространственно-временной фокусировки из-за возможности обеспечени пространственно-временной фокусировки при каждом отражении (многократна фокусировка), что расшир ет аналитические возможности i прибора, так как позвол ет в процессе работы, простым перемещением источника или детектора ионов варьировать величины разрешающей способности и. светосилы в зависимости от условий аналитической задачи.The location of the source and ion detector in the zero-gap space between the mirrors provides the ability to change the number of reflections without disturbing the selected initial parameters of the ion-optical scheme and the quality of the space-time focusing due to the possibility of providing space-time focusing at each reflection (multiple focusing), which expands analytical capabilities of the device i, as it allows in the process of operation, by simply moving the source or ion detector to vary the magnitudes resolving power and. luminosity depending on the conditions of the analytical problem.

Врем пролетный масс-спектрометр с многократным отражением отличаетс тем, что каждый из электродов ионных зеркал выполнены в виде пары пластин-, симметрично расположенных относительно общей дл обоих зеркал средней плоскости, причем источник и .детектор ионов расположены в свободном от пол пространстве между ионными зеркалами.The time-of-flight mass spectrometer with multiple reflection is characterized in that each of the electrodes of ionic mirrors are made in the form of a pair of plates, symmetrically located relative to the common plane common to both mirrors, and the source and ion detector are located in the field-free space between the ionic mirrors.

Известно использование дл однократного отражени во врем пролетном масс-спектрометре одного ионного зеркала, составленного из электродов , выполненных в виде пары пластин симметрично расположенных относительно средней плоскости, котороеIt is known to use for single reflection during a transient mass spectrometer a single ion mirror composed of electrodes made in the form of a pair of plates symmetrically located with respect to the mid-plane, which

25289 6.25289 6.

обеспечивает в плоскости детектора ионов как пространственную, так и врем пролетную фокусировку. Однако в предлагаемом устройстве два подобных зеркала используютс дл многократного отражени ионных пакетов во врем пролетном масс-спектрометре, причем электроды того и другого зерJQ кала определенным образом ориентированы один относительно другого - они имеют общую плоскость симметрии. Вследствие указанного по вл етс новое свойство, привод щее к увели5 ченетю разрешающей способности врем - пролетного масс-спектрометра (специфическое расположение электродов обоих зеркал),provides in the plane of the ion detector both spatial and time-of-flight focusing. However, in the proposed device, two such mirrors are used for multiple reflection of ion packets during the transit mass spectrometer, and the electrodes of both the other mirrors of the stool are oriented in a certain way relative to the other - they have a common plane of symmetry. Due to this, a new property appears that leads to an increase in the resolution of the time-of-flight mass spectrometer (the specific arrangement of the electrodes of both mirrors),

На чертеже представлена аналитиче0 ека часть врем пролетного масс- спектрометра с многократным отражением , общий вид.The drawing shows the analytical part of the time of the transit mass spectrometer with multiple reflection, a general view.

Масс-спектрометр содержит источ5 ник 1 ионов, приемник 2 ионов, два идентичных ионных зеркала, каждое из которых состоит из электродов 3-5 и 6-8 соответственно. Каждый эле-, ктрод состоит из двух пластин а иThe mass spectrometer contains a source of 1 ions, a receiver of 2 ions, two identical ion mirrors, each of which consists of electrodes 3-5 and 6-8, respectively. Each eletrod consists of two plates a and

0 К , параллельных между собой, наход щихс под одинаковым потенциалом и расположенных симметрично относительно общей дл обоих зеркал средней плоскости хг, в которой наход тс 0 K, parallel to each other, under the same potential and located symmetrically relative to the common for both mirrors, the mean plane xg, in which there are

центры выходного и входного окон источника и приемника ионов. Пунктирной линией показана траектори движени ионного пакета при многократном отражении . Центры входного и выходногоcenters of the output and input windows of the source and receiver of ions. The dotted line shows the trajectory of the ion packet during multiple reflection. Input and Output Centers

окон источника и приемника ионов наход тс на линии СС пересечени взаимно перпендикул рных плоскостей симметрии ионных зеркал (плоскости xz и ху)оThe ion source and receiver windows are located on the SS line of intersection of mutually perpendicular symmetry planes of ionic mirrors (xz and xy planes) about

Масс-спектрометр работает следующим образом.Mass spectrometer works as follows.

Ионный пакет, вылетевший из источника ионов по направлению к одномуThe ion packet escaping from the ion source towards one

из зеркал, отражаетс в нем и попадает в другое зеркало, отразившись в котором, снова попадает в поле первого зеркала и т.д. В процессе дрейфа ионный пакет расслаиваетс поfrom mirrors, it is reflected in it and gets into another mirror, having reflected in it, again gets into the field of the first mirror, etc. During the drift process, the ion packet is stratified by

массам и, отразившись многократно в поле ионных зеркал, попадает в приемное окно детектора. При этом дисперси прибора равнаto the masses and, having reflected many times in the field of ionic mirrors, falls into the receiving window of the detector. In this case, the dispersion of the device is equal to

DD

, 9т, 9t

km эшkm ash

где Т - врем прохождени ионамиwhere T is the time of passage of ions

участка пути, ограниченного плоскостью ху;the section of the path bounded by the xy plane;

m - масса ионаm is the ion mass

k - число отражений в ионных зеркалах.k is the number of reflections in ionic mirrors.

Положение источника и приемника ионов выбрано так, что плоскость ху в которой лежат центры входного и .выходного окон источника и приемника , совпадает с главной плоскостью врем пролетной фокусировки, в котоЭтThe position of the source and receiver of ions is chosen so that the xy plane in which the centers of the input and output windows of the source and receiver lie, coincides with the main plane of the time of flight focusing, in which

лТГ О причем специальным выооLTG Oh and special

роиswarm

kfctkfct

CJ)CJ)

мала по сравнениюsmall compared

бором геометрических и электрических параметров ионных зеркал здесь же обеспечиваетс одновременно врем - пролетна фокусировка по энергииthe boron of the geometric and electrical parameters of ionic mirrors here simultaneously provides time-of-flight focusing on energy

а тa t

второго пор дка ---- 0 и простЭЕ9 уsecond order is ---- 0 and just EE9

ранственна фокусировка Оfocusing on

орop

ионного пучка в направлении, перпендикул рном к средней плоскости xz, где Ј - начальный разброс энергий в пакете относительно средней энер- гии Р - начальный угол расходимости ионного пакета в плоскости yz.the ion beam in the direction perpendicular to the xz mean plane, where Ј is the initial energy spread in the packet relative to the average energy P is the initial angle of divergence of the ion packet in the yz plane.

При этом разрешающа способность равнаIn this case, the resolution is equal to

Т R kT((5))где fit - начальна длительность импульса ,T R kT ((5)) where fit is the initial pulse duration,

At1 - врем пролетна аберраци третьего пор дка малости по энергии при однократ- . ном отражении.At1 is the time of flight aberration of the third order of smallness in energy with a single time. Mr. Reflection.

Величина R увеличиваетс с.ростом числа отражений до тех пор, пока величинаThe value of R is increased by increasing the number of reflections until the value of

cut. -....cut. -....

Перемещение источника или детек- тора ионов в направлении оси х позвол ет использовать масс-спектрометр с различным числом отражений при сохранении выбранных начальных параметров его ионно-оптической схемы, причем качество пространственно-временной фокусировки не нарушаетс . Этим обеспечиваетс работа при повышенных разрешении или светосиле в завйсимоMoving the source or ion detector in the x-axis direction allows the use of a mass spectrometer with a different number of reflections while maintaining the selected initial parameters of its ion-optical scheme, while the quality of space-time focusing is not impaired. This ensures operation at elevated resolution or luminosity for a reason

сти от условий поставленнойаналитиче- : ской задачи, т.е. расшир ютс аналитические возможности прибора.conditions of the analytical task, i.e. The analytical capabilities of the instrument are expanded.

Параметры ионно-оптической схемы, при которых реализуетс пространственно-временна фокусировка, наход тс решением уравнений движени с учетом распределени потенциала в средней плоскости ионных зеркалThe parameters of the ion-optical scheme, at which the space-time focusing is realized, are solved by the equations of motion taking into account the potential distribution in the middle plane of the ion mirrors.

- (г- у(к) -V. + I (V. - VarctMt- V- (y-y (k) -V. + I (V. - VarctMt- V

ftft

t x (V5 - VJatctge1t x (V5 - VJatctge1

j()j ()

2020

и наложени условийand imposing conditions

0. 0

2525

AETAet

где V4, V4, V (или соответственноwhere v4, v4, v (or respectively

30thirty

V , V, Vg)- потенциалы на электродах (или 6-8);V, V, Vg) - potentials at the electrodes (or 6-8);

рассто ние пластинами электрода jspacing electrode plates j

между каждогоbetween each

5five

00

5five

54 ;7654; 76

И ИAnd and

4S 5i7) 4S 5i7)

I ИЛИ.I or.

истist

И ZAnd z

АЕТкоординаты середины межэлектродных щелей ,AET coordinates of the mid-electrode gaps,

врем пролета ионов с произвольной энергией участка пути, ограниченного плоскостью ху; координаты выходного и входного окон источника и приемника ионов.time of flight of ions with an arbitrary energy of the section of the path bounded by the xy plane; coordinates of the output and input windows of the source and receiver of ions.

Например, прибор содержит трехэлек- .тродное зеркало со следующими парамет- ,|рами: размер электродов 3 и 5 (6 и 8) в направлении оси г не менее 3d, размер электрода А(.7) .- 0,83d, рассто ние от плоскости ху до параллельной ей плоскости, проход щей через ,центр щели между электродами 3 wk (7и 8) равно . Зазор, между электродами составл ет 0,Id.For example, the device contains a three-electrode mirror with the following parameters: the size of electrodes 3 and 5 (6 and 8) in the direction of the g axis is not less than 3d, the size of the electrode A (.7) .- 0.83 d, distance from the xy plane to the plane parallel to it passing through, the center of the gap between the electrodes 3 wk (7 and 8) is equal. The gap between the electrodes is 0, Id.

9172528991725289

нциалов на электров относительных едиntsialov on elekrov relative unity

п о и ст бо но воp o and b no bo

10ten

по сравнению с известным вследствие отсутстви сеток на пути движени ионного пакета и наличи пространственной фокусировки светосила при бора увеличиваетс в 10-20 раз. Одновременно расшир ютс аналитические возможности прибора.in comparison with the known, due to the absence of grids in the path of the ion packet and the presence of spatial focusing, the luminosity of the instrument increases by 10–20 times. At the same time, the analytical capabilities of the instrument are expanded.

де eVd - средн энерги ионов в пакете} е - зар д иона.de eVd is the average energy of ions in a package} e is the ion charge.

Выбор размера электродов в на- i правлении оси х зависит от максималь-15 но задаваемого числа отражений и угла наклона траектории ионов к оси z в момент вылета их из источника в проекции на среднюю плоскость. В конкретном приборе при п тикратном отражении и угле падени «3° этотThe choice of the size of the electrodes in the direction of the x axis depends on the maximum 15 settable number of reflections and the angle of inclination of the ion trajectory to the z axis at the time of their departure from the source in the projection onto the middle plane. In a specific device with five-fold reflection and an angle of incidence of "3 ° this

размер равен 8,5d.size is 8.5d.

Предлагаемый масс-спектрометр несложен в исполнении, его детали и узлы технологичны. В нем осуществл -The proposed mass spectrometer is simple to perform, its parts and assemblies are technologically advanced. It implemented -

етс двойна фокусировка ионного пучка: по времени пролета (с точностью до аберраций второго пор дка малости) .и пространственна фокуси- о ровка в одном направлений. При этомDual focusing of an ion beam: in time of flight (up to second-order aberrations) and spatial focusing in one direction. Wherein

2020

2525

10 ten

10 ф10 f

ормула изобретени formula of invention

Врем пролетный масс-спектрометр с многократным отражением, содержащий источник и детектор ионов и два ионных зеркала, состо щих из элек- тродов, соединенных с источником посто нного напр жени , отличающийс тем, что, с целью увеличени светосилы и повышени разрешающей способности путем обеспечени простра/нственной фокусировки, каждый из электродов ионных зеркале выполнен в виде пары пластин, симметрично расположенных относительно общей дл обоих зеркал средней плоскости , приЦемз источник и приемник ионов располонййны в свободном от пол пространстве между ионными зеркалами ..The time-of-flight mass spectrometer with multiple reflection, containing a source and detector of ions and two ion mirrors, consisting of electrodes connected to a source of constant voltage, characterized in that in order to increase the aperture and increase resolution by providing space / focusing, each of the electrodes of an ionic mirror is made in the form of a pair of plates symmetrically located relative to the common plane for both mirrors of a median plane, and the source and receiver of ions are open in a free of floor space between the ion mirrors ..

Claims

Формула изобретенияClaim

Времяпролетный масс-спектрометр с многократным отражением, содержащий источник и детектор Ионов и два ионных зеркала, состоящих из электродов, соединенных с источником постоянного напряжения, обличающийся тем, что, с целью увё2Q личения светосилы и повышения разрешающей способности путем обеспечения пространственной фокусировки, каждый из электродов ионных зеркалё выполнен в виде пары пластин, сим25 метрично расположенных относительно общей для обоих зеркал средней плоскости, примем’источник и приемник ионов расположёны в свободном от поля пространстве между ионными зер30 калами.A time-of-flight multiple-reflection mass spectrometer containing an ion source and detector and two ion mirrors consisting of electrodes connected to a constant voltage source, revealing that, in order to increase the aperture ratio and increase the resolution by providing spatial focusing, each of the electrodes The ion mirror is made in the form of a pair of plates symmetrically located relative to the mid-plane common to both mirrors, let’s accept the source and receiver of ions are located in a free t field space between ionic mirrors.