HU193176B

HU193176B - Method for optimum adjustment of tripping voltage of mass spectrograph and apparatus for carrying out thereof

Info

Publication number: HU193176B
Application number: HU270683A
Authority: HU
Inventors: Denes Marton; Tibor Behringer; Andras Blazsek; Gyoergy Hars; Janos Giber; Lajos Bori; Jozsef Balint; Ferenc Pavlyak; Istvan Fabian; Margit Mako
Original assignee: Budapesti Mueszaki Egyetem
Priority date: 1983-07-29
Filing date: 1983-07-29
Publication date: 1987-08-28
Also published as: HUT35113A

Abstract

A találmány a kvadrupol tömegspektrométer vezérlésének mint eljárásnak és mint berendezésnek olyan kiegészítése, amely lehetővé teszi, hogy a kvadrupol tömegspektrométer transzmissziója és tömegfeloldása szempontjából optimális energiával jussanak be az elemzés tárgyát képező ionok a tömegspektrométer terébe. Az említett optimalizálást a behúzó feszültség változtatásával valósítjuk meg olymódon, hogy az U»=C./log A/2 függvény szerint változtatjuk a behúzófeszültséget. /A a tömegszám, C a kvadrupol mechanikai konstrukciójától függő állandó, tipikusan 5 V — 20 V között./ A találmány szerinti berendezés vákuumberendezésből /8/, a benne elhelyezkedő ionforrásból /5/ és kvadrupol rúdrendszerből /4/, továbbá ionforrás tápegységből /6/, a kvadrupol tápegységből /1/ és a kvadrupol meghajtó fokozatból /3/ áll, azzal jellemezve, hogy az ionforrás tápegységnek /6/ a saját potenciálját meghatározó bemenete a behúzó feszültség tápegység /7/ beavatkozó kimenetével össze van kötve, továbbá a behúzó feszültség tápegység /7/ vezérlő bemenete a kvadrupol vezérlő elektronika /2/ időalap kimenetével össze van kötve. /2. ábra/ 2. ábra -1-The present invention is a supplement to the control of quadrupole mass spectrometer as a method and apparatus that allows optimum energy to be transmitted to the mass spectrometer by the energy of the quadrupole mass spectrometer for transmission and mass release. This optimization is accomplished by varying the input voltage by varying the input voltage according to the function U »= C. / log A / 2. / A is the number of mass, C is a constant, typically between 5 V and 20 V, depending on the mechanical construction of the quadrupole. /, consisting of a quadrupole power supply / 1 / and a quadrupole drive stage / 3 /, characterized in that the input power of the ion source power supply / 6 / a is connected to the output of the input voltage supply / 7 / actuator and the input voltage is connected power supply / 7 / controller input connected to quadrupole control electronics / 2 / time base output. / Second Figure 2 / Figure -1-

Description

A találmány kvadrupol tömegspektrométerek vezérlésének, mint eljárásnak és mint berendezésnek olyan kiegészítése, amely lehetővé teszi, hogy a- kvadrupol tömegspektrométer transzmissziója szempontjából optimális energiával jussanak be az elemzés tárgyát képező ionok a tömegspektrométerbe.The present invention is an addition to the control of quadrupole mass spectrometers as a method and apparatus which allows the ions to be analyzed to enter the mass spectrometer with optimum energy for transmission of the quadrupole mass spectrometer.

Ismeretes, hogy azok a kezdeti feltételek, amelyekkel a kvadrupol tömegspektrométer botrendszerének terébe az elemzendő ionok bekerülnek, alapvetően megszabják az elemzés hatásosságát úgy, hogy azok az ionok, amelyeknek a kvadrupol tengelyétől való távolsága és impulzusának a kvadrupol tengelyére merőleges /radiális/ komponense a belépéskor bizonyos értéket meghalad, a kvadrupol tömegspektrométer adott Am felbontóképessége mellett nem jutnak el az iondetektorba annak ellenére, hogy tömegük nagysága szerint a kvadrupol botrendszerének adott feszültségértékei mellett oda el kellene jutniok /W.Paul, H.P.Reinhard és U. von Zahn, Zeitschrift für Physik, Bd 152, 5 143—182, 1958/.It is known that the initial conditions under which the ions to be analyzed enter the quadrupole mass spectrometer stick system essentially determine the efficiency of the analysis such that ions whose distance from the quadrupole axis and a certain momentum perpendicular to the quadrupole axis enter above the specified resolution, the quadrupole mass spectrometer does not reach the ion detector at a given resolution of Am, despite the fact that they should reach the given voltage values of the quadrupole stick system according to their mass / W. Paul, HPReinhard and U. von Zahn, 152, 5 143-182, 1958 /.

Ismeretes az is, hogy ahhoz, hogy a törr.egszürés hatásos legyen, az ionoknak a kvadrupol tömegspektrométerben adott A m felbontóképesség mellett meghatározott számú lengést kell végezniök, amely szám a kvadrupol botrendszerre adott nagyfrekvenciás feszültség v frekvenciájával és a botrendszer hosszával együtt az ionoknak a kvadrupol tömegspektrométerbe való bejuttatásához alkalmazott U_B behúzó feszültség / az ionforrás potenciálja és a tértengely potenciálja közötti különbség/ értékére felső korlátot jelent:It is also known that in order for filtering to be effective, the ions must perform a specified number of oscillations in the quadrupole mass spectrometer at a resolution A, which, together with the frequency v of the high-frequency voltage applied to the quadrupole stick system and the length of the stick system. is the upper limit to the difference between the input voltage U _B / the potential of the ion source and the spatial axis potential used for introducing into the mass spectrometer:

Umox»4,2· 10-’° v²!² A /2/ ahol A a vizsgált elem tömegszáma és m a vizsgált elem atomjának tömege, 1 a kvadrupol hossza, v a frekvencia, Am a kvadrupol áteresztési tömegének szélessége.Umox »4,2 · 10- '° v ² ! ² A / 2 / where A is the mass of the test item and the mass of the atom of the item being examined, 1 is the length of the quadrupole, va frequency, Am is the width of the throughput of the quadrupole.

A szakirodalom azonban nem foglalkozott az alábbi jelenséggel: a kvadrupol tömegspektrométer tengelye mentén haladó ionnyaláb tértöltésének taszító hatása alatt a nyaláb átmérője fokozatosan növekszik és ha az ionok sebessége túl kicsi, akkor előállhat az a helyzet, hogy az ionok egy része emiatt nem jut el a tömegspektrométeren át az iondetektorba. Ez a hatás a kvadrupol tömegspektrométer transzmisszióját csökkenti és a transzmisszióval szemben támasztott követelmény megadása esetén alsó korlátot jelent az Ub behúzó feszültség számára. Az ionoknak a kvadrupol tömegspektrométerbe való bejuttatására nézve létezik tehát egy Uemají és Uemin felső és alsó korlát az ionokat gyorsító feszültségre, miközben ezek az értékek az ionok tömegszámától még függhetnek. Az Ub behúzó feszültség optimális megválasztása alatt az az eljárás értendő, amelynek segítségével azHowever, the following phenomenon has not been addressed in the literature: under the repulsive action of the ion beam traveling through the quadrupole mass spectrometer, the diameter of the beam gradually increases, and if the velocity of ions is too low, some ions may not reach the mass spectrometer to the ion detector. This effect reduces the transmission of the quadrupole mass spectrometer and, if a requirement for transmission is specified, provides a lower limit for the input voltage Ub. Thus, there is an upper and lower limit for the ion-accelerating voltage for the introduction of ions into the quadrupole mass spectrometer, while these values may still depend on the mass of ions. Optimal selection of the input voltage Ub is understood to mean the procedure by which it

Ub _min < U-b < Ub max /1/ viszonyt minden tömegszám esetében, amely az adott kvadrupol tömegspektrométerrel vizsgálható, fenntartjuk.The ratio Ub _m in <Ub <Ub max / 1 / is maintained for each mass number that can be assayed with a given quadrupole mass spectrometer.

Az eljárás tényleges lefolytatásának feltétele Ül» max és Ub min meghatározása. Ez számítás útján végezhető el. A számításnak az Ue _mi_n számítására vonatkozó részét eddig nem végezték el, mert magát a jelenséget sem ismerték fel. Ennek oka nagyrészt az, hogy a kvadrupol tömegspektrométerek transzmissziójának vizsgálata rendkívül nehézkes és ezért az a tény, hogy a transzmisszió pl. egy adott Ub behúzó feszültség esetében nem optimális, nem szembetűnő. Ennek megfelelően nincs ismert eljárás U^mm számítására. /A.S. Arora, A. Agerwal, P.K.Ghosh: Ion transmission factors in ^uadrupole mass filters International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics, 24 /1977/ 1—9/.A prerequisite for the procedure to actually run is to determine »max and Ub min. This can be done by calculation. The part of the calculation concerning the calculation of Ue _m i _n has not yet been carried out because the phenomenon itself has not been recognized. This is largely due to the fact that the transmission of quadrupole mass spectrometers is extremely difficult to investigate and, therefore, the fact that is not optimal for a given input voltage Ub, not obvious. Accordingly, there is no known method for calculating Ummm. (A. Arora, A. Agerwal, A. G.Ghosh: Ion Transmission Factors in In-line Mass Filters International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics, 24/1977 / 1-9).

A jelen találmány tárgya tehát egy olyan eljárás, amely lehetővé teszi, hogy U» behúzó feszültséget a felbontóképesség szempontjából még elég kicsi, de a transzmisszió szempontjából már elég nagy értékűre válasszuk meg minden egyes tömegszám vizsgálatánál, valamint olyan berendezés, amely az említett optimalizálást megvalósítja.Thus, the present invention provides a method which allows the draw voltage to be sufficiently low for each resolution, but sufficiently high for transmission, for each mass number test, and apparatus for implementing said optimization.

A találmány legáltalánosabb megfogalmazása a főigénypontokkal összhangban a következő:The most general formulation of the invention, in accordance with the main claims, is as follows:

Eljárás kvadrupol tömegspektrométer optimális Ub behúzó feszültségének beállítására, amelynek során a lü^-3 Pa—10~· Pa nyomástartományban működő maradékgáz ionforrás által előállított gázionokat kvadrupol tömegspektrométerbe vezetjük, a kvadrupol spektrométeren átjutó ionok jelét elektronsokszorozóval, amelynek feszültségeA method of adjusting the optimum Ub draw-in voltage of a quadrupole mass spectrometer by introducing gas ions produced by a residual gas ion source operating in the pressure range of lU ^-3 Pa to 10 ~ · Pa into a quadrupole mass spectrometer, signaling the ions passing through the quadrupole spectrometer with an electron

1,5 kV—3kV nagyságú, felerősítjük, a felerősített áramjelet elektrométerrel, amelynek érzékenysége 10“ ^CA—10“’A tartományba esik, mérjük, a mért jelet oszcilloszkop függőleges eltérítő egységére vezetjük, az aszcilloszkóp vízszintes eltérítő egységét a tömegspektrométer áteresztési tömeg értéket meghatározó ú.n. időalap 0—10 V tartományú analóg jelével szinkronizáljuk és az oszcilloszkóp ernyőjén megjelenő maradékgáz spektrumot transzmisszió és tömegfeloldás szerint optimalizáljuk, azzal jellemezve, hogy az említett optimalizálást az U_B behúzó feszültség változtatásával valósítjuk meg olymódon /1. ábra/, hogy az U_B=C. /lóg Ar függvény szerint változik. / A a tömegszám; C a kvadrupol mechanikai konstrukciójától függő állandó tipikusan 5 V—20 V között./1.5 kV-3kV amplified, amplified current signal with an electrometer having a sensitivity within the range of 10 " ^C A-10" A, measured, applied to a vertical oscilloscope deflector, horizontal divergence of the ascilloscope mass spectrometer defining a so-called time base with a 0 to 10 V analog signal and optimizing the residual gas spectrum on the screen of the oscilloscope according to transmission and mass resolution, characterized in that said optimization is accomplished by varying the U _B input voltage / 1. Fig. 2A shows that U _B = C. / hangs according to Ar. / A is the mass number; C is a constant depending on the mechanical design of the quadrupole, typically between 5 V and 20 V. /

Berendezés a 2. ábra jelölései szerint, amely 8 vákuumberendezésből, a benne elhelyezkedő 5 ionforrásból és 4 kvadrupol rúdrendszerből, továbbá 6 ionforrás tápegységből,az 1 kvadrupol tápegységből és benne a 2 kvadrupol vezérlő elektronikából és a 3 kvadrupol meghajtó fokozatból áll, azzal jellemezve, hogy a 6 ionforrás tápegységnek a saját potenciálját meghatározó bemenete a 7 behúzó feszültség tápegység beavatkozó kimenetével össze van kötve, továbbá aAn apparatus as shown in FIG. 2, comprising a vacuum apparatus 8, an ion source 5 therein and a quadrupole rod system 4, an ion source power supply 6, a quadrupole power supply 1 and a quadrupole control electronics 3, the input of the ion source power supply 6, which determines its own potential, is connected to the actuator output of the feed-in voltage supply unit 7;

-2193176 behúzó feszültség tápegység vezérlő bemenete a 2 kvadrupol vezérlő elektronika időalap kimenetével össze van kötve.-2193176 feed-in voltage power supply control input is connected to the time base output of the quadrupole control electronics 2.

Berendezés a 3. ábra jelölései szerint, azzal jellemezve, hogy a 3 kvadrupol meghajtó fokozatnak a saját potenciálját meghatározó bemenete a 9 tértengely feszültség tápegység beavatkozó kimenetével össze van kötve, továbbá 9 tértengely feszültség tápegység vezérlő bemenete a 2 kvadrupol vezéplő elektronika időalap kimenetével össze van kötve.An apparatus as shown in FIG. 3, characterized in that the quadrupole drive stage 3's own potential determining input is coupled to the spatial axis voltage supply actuator output output, and the spatial axis voltage supply control input input 9 is connected to the quadrupole control electronics time base output. .

Példaként meghatároztuk két különböző konstrukciójú és beállítású kvadrupol tömegspektrométer U-Bffiflx és Uem/n feszültségeit és ábrázoltuk az 1. ábrán. A 11 és 12 görbe az Usmin értékeket, a 13 és 14 görbe az Uftmax értékeket mutatja a tömegszám függvényében. A számítás paraméterei a következők voltak:By way of example, the U-Bffiflx and Uem / n voltages of two quadrupole mass spectrometers of different designs and configurations were determined and depicted in Figure 1. Curves 11 and 12 show Usmin values, curves 13 and 14 show Uftmax values as a function of weight. The parameters of the calculation were as follows:

a/ eset /11 és 13 görbe/the / case / curves 11 and 13 /

T=90%, 1=1 pA b/ eset /12 és 14 görbe/T = 90%, 1 = 1 pA b / case / curves 12 and 14 /

1=0,1 m, r_o=l,5 cm, v=4 MHz, -^-= = 15001 = 0.1 m, r _o = 1.5 cm, v = 4 MHz, - ^ - = 1500

T=90%, 1=1 pA ahol 1 a. kvadrupol tömegspektrométer hossza, r₀ a térrádiusz, a meghajtó frekvencia, m a vizsgált elem atomjának tömege, Am a kvadrupol áteresztési tömegének szélessége, T a kvadrupol transzmissziója. Az 1. ábrán feltüntetett görbék közötti vonalkázott területek jelentik az adott feltételek között azon 0» behúzó feszültség értékeket, amelyeket a szabályozásnak a példákban felhozott esetekben meg kell valósítania.T = 90%, 1 = 1 pA where 1 a. quadrupole mass spectrometer length, r _{0 is} the radius of the field, the drive frequency, the atomic mass of the element examined today, Am is the width of the quadrupole throughput mass, and T is the transmission of the quadrupole. The shaded areas between the curves in Figure 1 represent, under the given conditions, the values of the pull-in voltage 0 »that the control must implement in the cases shown in the examples.

Az 1. ábrából látszik az is, hogy ha a szabályozást elmulasztjuk és pl. az a/ esetben állandó U»=20 V feszültséggel működtetjük a tömegspektrométert, akkor A<55 esetében U_B>UB_max, ezért a felbontóképesség a nominális értéknél kisebb lesz, A=209 esetben viszont Ue < Ub min, és ezért a transzmisszió a vártnál kisebb lesz. A találmány szerinti szabályozás esetében ezeket a hibákat elkerülhetjük.It can also be seen from Figure 1 that if regulation is neglected and eg. in the case a / we operate the mass spectrometer at constant voltage U = 20 V, then for A <55 U _B > UB _ma x, therefore the resolution will be lower than the nominal value, but in case A = 209 Ue <Ub min and therefore the transmission will be smaller than expected. In the control of the invention, these errors can be avoided.

A találmány szerinti eljárás megvalósítására alkalmazható berendezés egyik változatát a 2. ábra szerinti elektromos kapcsolással valósítjuk meg. A 1 kvadrupol tápegységnek 2 kvadrupol vezérlő elektronikája vezérli a 3 kvadrupol meghajtó fokozatot, amely 8 vákuumberendezésbe helyezett 4 kvadrupol rúdrendszerre juttatja a vizsgált tömegszámtól függő nagyságú egyen- és nagyfrekvenciás feszültségeket. Az 5 ionforrás potenciálját a 6 ionforrás tápegységen keresztül a 7 behúzó feszültség tápegység biztosítja a 2 kvadrupol vezérlő elektronika vezérlő jele alapján. Ebben a rendszerben a 4 kvadrupol rúdrendszer tértengely potenciálja állandó értéken marad, míg az 5 ionforrás potenciálja az ismertetett módon változik.An embodiment of the apparatus for carrying out the process of the present invention is implemented by the electrical circuit of FIG. The quadrupole control electronics 2 of the quadrupole power supply unit 1 controls the quadrupole drive stage 3, which supplies the quadrupole rod system 4 in a vacuum system with a series of DC and HF voltages of a mass-dependent magnitude. The potential of the ion source 5 is provided by the supply voltage 7 via the ion source power supply 6 based on the signal from the quadrupole control electronics 2. In this system, the spatial axis potential of the quadrupole rod system 4 remains constant, while the potential of the ion source 5 varies as described.

A találmány szerinti eljárás megvalósítására alkalmazható berendezés másik változatát a 3. ábra szerinti elektromos kapcsolással valósítjuk meg. Az 5 ionforrás potenciálja ebben az esetben a 6 tápegység által meghatározott állandó érték. A 2 kvadrupol vezérlő elektronika vezérlő jele a 9 tértengely feszültség tápegységbe kerül, amely.előállítja a tömegszámnak megfelelő tértengely feszültséget. Ez a tértengely feszültség a 3 kvadrupol meghajtó fokozatba kerül, amely a szükséges egyen- és nagyfrekvenciás jeleken kívül a tértengely feszültséget is biztosítja a 4 kvadrupol rúdrendszer számára. Ebben a rendszerben a 4 kvadrupol rúdrendszer tértengely potenciálja változik, míg az 5 ionforrás potenciálja állandó.Another embodiment of the apparatus for carrying out the process of the present invention is implemented by the electrical circuit of FIG. In this case, the potential of the ion source 5 is a constant value determined by the power supply 6. The control signal of the quadrupole control electronics 2 is fed to the spatial axis voltage supply unit 9 which produces the spatial axis voltage corresponding to the mass number. This spatial axis voltage is transmitted to the quadrupole drive stage 3 which, in addition to the required DC and HF signals, also supplies spatial axis voltage to the quadrupole rod system 4. In this system, the spatial axis potential of the quadrupole rod system 4 changes, while the potential of the ion source 5 is constant.

Claims

PATENT CLAIMS

1. A method for adjusting the optimum input voltage of a quadrupole mass spectrometer, wherein the gas ions produced by a residual gas ion source operating in the pressure range of 10 ^-3 Pa to 10 Pa * are introduced into a quadrupole mass spectrometer by signaling ions passing through a quadrupole spectrometer with a voltage of 1.5V. 3 kV amplified, amplified current signal with an electrometer having a sensitivity within the range of 10 " ^e A to 107 * A, measured the signal being applied to an oscilloscope vertical deflection unit, the oscilloscope horizontal deflection unit defining a mass spectrometer throughput, time base is synchronized with a 0 to 10 V analogue signal and the residual gas spectrum on the oscilloscope canopy is optimized for transmission and mass resolution, characterized in that said optimization is achieved by the input voltage (U _B ) by varying the feed-in voltage according to the function Ub = C / log A / ² , where A is the mass number, C is a constant depending on the mechanical construction of the quadrupole, typically between 5V and 20V.

Method according to claim 1, characterized in that the input voltage (Ue) is changed by the signal (2) of the quadrupole control electronics by changing the potential of the ion source (5) and maintaining the potential of the quadrupole spatial axis at a constant diet.

Method according to claim 1, characterized in that the input voltage (Ue) is varied by the signal (2) of the quadrupole control electronics such that the spatial axis potential of the quadrupole is changed and the potential of the ion source (5) is kept constant.

4. / Apparatus for carrying out the process of claim 1, comprising a vacuum apparatus / 8, containing an ion source3.

-3193176 (5) and quadrupole rod system (4), ion source power supply (6), quadrupole power supply (1) and quadrupole control electronics (2) and quadrupole drive stage (3), characterized in that the ion source power supply / 6 / ^, which determines its own potential, is connected to the actuator power supply / 7 / actuator output, and the input voltage supply unit / 7 / control input is connected to the quadrupole control electronics / 2 / time base output.

Device according to claim 4, characterized in that the input of the quadrupole drive stage / 3 / which determines its own potential is connected to the actuator output of the quadrupole spatial voltage supply unit / 9 / and the control input of the spatial axis voltage supply unit / 9 / connected to the output of the quadrupole controller.electronics / 2 / time base.