RU113611U1 - DEVICE FOR MANIPULATING CHARGED PARTICLES - Google Patents
DEVICE FOR MANIPULATING CHARGED PARTICLES Download PDFInfo
- Publication number
- RU113611U1 RU113611U1 RU2011119296/07U RU2011119296U RU113611U1 RU 113611 U1 RU113611 U1 RU 113611U1 RU 2011119296/07 U RU2011119296/07 U RU 2011119296/07U RU 2011119296 U RU2011119296 U RU 2011119296U RU 113611 U1 RU113611 U1 RU 113611U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- charged particles
- channel
- frequency
- electrodes
- pseudopotential
- Prior art date
Links
Landscapes
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
1. Устройство для манипулирования заряженными частицами, содержащее совокупность электродов, расположенных с образованием канала для перемещения заряженных частиц, а также средство электропитания, обеспечивающее приложение к электродам питающего напряжения, обуславливающего создание в канале неоднородного высокочастотного электрического поля, псевдопотенциал которого имеет один или более локальных экстремумов вдоль длины канала для перемещения заряженных частиц, причем, по меньшей мере, один из указанных экстремумов псевдопотенциала перемещается во времени, по меньшей мере, по части длины канала для перемещения заряженных частиц. ! 2. Устройство по п.1, в котором указанный псевдопотенциал имеет вдоль длины канала для перемещения заряженных частиц чередующиеся максимумы и минимумы. ! 3. Устройство по п.1, в котором экстремум или экстремумы псевдопотенциала перемещаются во времени по заданному закону, по меньшей мере, по части длины канала. ! 4. Устройство по п.1, в котором направление перемещения экстремума или экстремумов псевдопотенциала, по меньшей мере, для части длины канала меняет знак. ! 5. Устройство по п.1, в котором перемещение экстремума или экстремумов псевдопотенциала, по меньшей мере, по части длины канала имеет осциллирующий характер. ! 6. Устройство по п.1, в котором псевдопотенциал, по меньшей мере, на некоторой длине канала транспортировки является однородным по длине канала. ! 7. Устройство по п.1, в котором последовательные экстремумы, или только последовательные максимумы, или только последовательные минимумы псевдопотенциала являются монотонно нарастающими, по меньшей мере, по части дли� 1. A device for manipulating charged particles, containing a set of electrodes located to form a channel for moving charged particles, as well as a power supply that provides a supply voltage to the electrodes, causing the creation in the channel of an inhomogeneous high-frequency electric field, the pseudopotential of which has one or more local extrema along the length of the channel for moving charged particles, and at least one of the said extrema of the pseudopotential moves in time, at least along a part of the length of the channel for moving charged particles. ! 2. The device according to claim 1, wherein said pseudopotential has alternating maxima and minima along the length of the channel for moving charged particles. ! 3. The device according to claim 1, in which the extremum or extrema of the pseudopotential move in time according to a predetermined law, at least along part of the channel length. ! 4. The device according to claim 1, in which the direction of movement of the extremum or extrema of the pseudopotential changes sign for at least part of the channel length. ! 5. The device according to claim 1, in which the movement of the extremum or extrema of the pseudopotential, at least along part of the channel length, has an oscillating character. ! 6. The apparatus of claim 1, wherein the pseudopotential is uniform along the length of the channel at least over some length of the conveying channel. ! 7. The device according to claim 1, in which successive extrema, or only successive maxima, or only successive minima of the pseudopotential are monotonically increasing, at least over a part of the length.
Description
Устройство относится к области оптики заряженных частиц и масс-спектрометрии, а именно к радиочастотным системам транспортировки и манипулирования заряженными частицами.The device relates to the field of optics of charged particles and mass spectrometry, namely to radio-frequency systems for transporting and manipulating charged particles.
Используемые в масс-спектрометрии источники ионов продуцируют непрерывные или квази-непрерывные пучки заряженных частиц. Даже когда источник ионов работает в импульсном режиме, может потребоваться накопление заряженных частиц за несколько циклов работы в специальном накопительном устройстве. Поэтому в случае, когда масс-анализаторы работают в импульсном режиме, применяются специальные устройства, обеспечивающие разбиение непрерывного пучка заряженных частиц или содержимого накопительного устройства на отдельные порции и их транспортировку на вход масс-анализатора. В современных устройствах транспортировки заряженных частиц также могут эффективно решаться задачи охлаждения и пространственного сжатия пакетов заряженных частиц с целью уменьшения эмиттанса (размера пакета в фазовом пространстве), а в процессе транспортировки производиться дополнительные манипуляции с заряженными частицами (например, фрагментация заряженных частиц, образование вторичных заряженных частиц, селективный отбор заряженных частиц, подвергаемых детальному анализу, и др.).The ion sources used in mass spectrometry produce continuous or quasi-continuous beams of charged particles. Even when the ion source is operating in a pulsed mode, it may be necessary to accumulate charged particles over several cycles of operation in a special storage device. Therefore, in the case when the mass analyzers operate in a pulsed mode, special devices are used that ensure the splitting of a continuous beam of charged particles or the contents of the storage device into separate portions and their transportation to the input of the mass analyzer. Modern devices for transporting charged particles can also effectively solve the problems of cooling and spatial compression of packets of charged particles in order to reduce emittance (the size of the packet in phase space), and during the process of transportation, additional manipulations with charged particles (for example, fragmentation of charged particles, the formation of secondary charged particles, selective selection of charged particles subjected to detailed analysis, etc.).
В масс-спектрометрии используется несколько типов радиочастотных устройств для манипулирования заряженными частицами. Первой близкой к описываемому изобретению группой устройств являются масс-анализаторы (а также масс-сепараторы и масс-фильтры). Их задачей является отобрать из совокупности заряженных частиц те частицы, которые характеризуются определенным отношением массы к заряду. Основными типами масс-анализаторов, использующих радиочастотные поля, являются квадрупольные фильтры масс и ионные ловушки.Mass spectrometry uses several types of radio frequency devices to manipulate charged particles. The first group of devices close to the described invention is mass analyzers (as well as mass separators and mass filters). Their task is to select from the set of charged particles those particles that are characterized by a certain ratio of mass to charge. The main types of mass analyzers using radio frequency fields are quadrupole mass filters and ion traps.
Радиочастотные квадрупольные фильтры масс и ионные ловушки Пауля известны примерно с 1960-х годов. Оба типа масс-анализаторов предложены в патенте US 2939952. Сравнительно недавно были придуманы линейные ионные ловушки с радиальным выбросом заряженных частиц из ловушки (патент US 420425) и выбросом ионов вдоль оси ловушки (патент US 617768). Детальное описание принципов работы указанных устройств приводится, например, в R.E.March, J.F.J.Todd, Quadrupole Ion Trap Mass Spectrometry, 2nd edition, Wiley-Interscience, 2005; F.J.Major, V.N.Gheorghe, G.Werth, Charged Particle Traps, Springer, 2005; G.Werth. V.N.Gheorghe, F.J.Major, Charged Particle Traps II, Springer, 2009.Paul's radio frequency quadrupole mass filters and ion traps have been known since about the 1960s. Both types of mass analyzers are proposed in US Pat. No. 2,993,952. More recently, linear ion traps have been invented with radially ejected charged particles from the trap (US Pat. No. 4,20425) and ion ejection along the axis of the trap (US Pat. No. 6,177,768). A detailed description of the operating principles of these devices is given, for example, in REMarch, JFJTodd, Quadrupole Ion Trap Mass Spectrometry, 2 nd edition, Wiley-Interscience, 2005; FJMajor, VNGheorghe, G.Werth, Charged Particle Traps, Springer, 2005; G.Werth. VNGheorghe, FJMajor, Charged Particle Traps II, Springer, 2009.
Работа квадрупольных масс-фильтров основана на теории устойчивости решений уравнения Матье (см., например, Н.В.Мак-Лахлан, Теория приложения функций Матье, Изд-во иностранной литературы, М., 1953, с.71-127, М.Абрамовиц и И.Стиган, Справочник по специальным функциям, М., Наука, 1979, с.532-535 и с.537-540). При правильно подобранных параметрах напряженности постоянного квадрупольного электрического поля, напряженности радиочастотного квадрупольного электрического поля и частоты радиочастотного квадрупольного электрического поля только заряженные частицы с определенным отношением массы к заряду проходят через квадрупольный радиочастотный масс-фильтр. Остальные заряженные частицы теряют устойчивость движения и выбрасываются за пределы канала масс-фильтра.The work of quadrupole mass filters is based on the theory of stability of solutions of the Mathieu equation (see, for example, N.V. Mac-Lachlan, Theory of the application of Mathieu functions, Publishing House of Foreign Literature, M., 1953, pp. 71-127, M. Abramowitz and I. Stigan, Handbook of Special Functions, M., Nauka, 1979, p. 532-535 and p. 537-540). With correctly selected parameters of the intensity of the constant quadrupole electric field, the intensity of the radio-frequency quadrupole electric field and the frequency of the radio-frequency quadrupole electric field, only charged particles with a certain mass-to-charge ratio pass through the quadrupole radio-frequency mass filter. The remaining charged particles lose their motion stability and are thrown out of the mass filter channel.
Работа масс-анализаторов на основе ионных ловушек также в основном базируется на теории уравнения Матье. Эти масс-анализаторы используют квадратичное или почти квадратичное электрическое поле, достигаемое за счет применения идеальных гиперболических электродов, и заполнены легким газом при достаточно низком давлении газа. В этих устройствах заряженные частицы, после того, как их скорость гасится в результате многочисленных столкновений с молекулами газа, последовательно выбрасываются из устройства посредством раскачки группы заряженных частиц с нужным отношением массы к заряду с помощью радиочастотного электрического поля нужной частоты. Описываемая здесь картина является в достаточной степени приближенной, так как в практической масс-спектрометрии ионных ловушек разработаны и используются достаточно сложные способы изолирования, фрагментации и селективного выбрасывания из ловушки заряженных частиц за счет воздействия на частицы специальным образом сконструированными радиочастотными полями.The work of mass analyzers based on ion traps is also mainly based on the theory of the Mathieu equation. These mass analyzers use a quadratic or almost quadratic electric field, achieved through the use of ideal hyperbolic electrodes, and are filled with light gas at a fairly low gas pressure. In these devices, charged particles, after their speed is quenched as a result of numerous collisions with gas molecules, are sequentially ejected from the device by rocking a group of charged particles with the desired mass-to-charge ratio using the radio frequency electric field of the desired frequency. The picture described here is fairly approximate, since in practical mass spectrometry of ion traps, quite sophisticated methods for isolating, fragmenting, and selectively ejecting charged particles from the trap by exposing the particles to specially designed radio frequency fields have been developed and are used.
Еще одной важной группой радиочастотных устройств являются транспортирующие радиочастотные устройства. Их задачей является удержание пучка заряженных частиц различной массы в ограниченной области внутри устройства (например, вблизи оси устройства) и передача заряженных частиц из одной точки пространства (вход) в другую точку пространства (выход).Another important group of radio frequency devices are transporting radio frequency devices. Their task is to hold a beam of charged particles of different masses in a limited area inside the device (for example, near the axis of the device) and transfer charged particles from one point in space (entrance) to another point in space (exit).
Широкий класс таких устройств основан на двумерном мультипольном поле или приближенном двумерном мультипольном поле, вытянутом вдоль третьей координаты. Эти устройства используются, например, для передачи ионов из газонаполненного источника ионов, функционирующего при достаточно высоких давлениях газа, в устройство для анализа ионов, функционирующее при гораздо более низком давлении газа или просто в вакууме. Поскольку подобные линейные мультипольные ловушки не используются непосредственно для масс-анализа, строгая квадратичность или строгая мультипольность электрического поля не является столь уж необходимой, и для упрощения технологического изготовления этих устройств гиперболические и мультипольные электроды, как правило, заменяются цилиндрическими стержнями или даже еще более огрубленными формами электродов.A wide class of such devices is based on a two-dimensional multipole field or an approximate two-dimensional multipole field elongated along the third coordinate. These devices are used, for example, to transfer ions from a gas-filled ion source, operating at sufficiently high gas pressures, to an ion analysis device, operating at a much lower gas pressure or simply in a vacuum. Since such linear multipole traps are not used directly for mass analysis, strict quadratic or strict multipole electric fields are not so necessary, and to simplify the technological manufacture of these devices, hyperbolic and multipole electrodes are usually replaced by cylindrical rods or even more roughened shapes electrodes.
При загрузке заряженных частиц в линейную мультипольную ловушку столкновения заряженных частиц с молекулами газа снижают их кинетическую энергию и заставляют группироваться вблизи оси устройства (патент US 4963736). При этом обеспечивается выполнение такой важной функции, как охлаждение и пространственное сжатие пучка заряженных частиц с целью уменьшения эмиттанса пучка (то есть размера в фазовом пространстве ансамбля заряженных частиц, соответствующих пучку). Радиочастотное электрическое поле обеспечивает радиальную локализацию заряженных частиц на этапе, когда снижение кинетической энергии заряженных частиц еще не произошло, даже при относительно больших кинетических энергиях, и «поджимает» частицы к оси по мере потери ими кинетической энергии.When loading charged particles into a linear multipole trap, collisions of charged particles with gas molecules reduce their kinetic energy and force them to group near the axis of the device (US Pat. No. 4,963,736). This ensures the performance of such an important function as cooling and spatial compression of a beam of charged particles in order to reduce the emittance of the beam (that is, the size in the phase space of an ensemble of charged particles corresponding to the beam). The radio-frequency electric field provides radial localization of charged particles at the stage when the decrease in the kinetic energy of charged particles has not yet occurred, even at relatively high kinetic energies, and “compresses” the particles to the axis as they lose kinetic energy.
Описанные линейные газонаполненные мультипольные транспортирующие устройства часто используются одновременно и как ячейки для фрагментации заряженных частиц в тандемных масс-спектрометрах (например, см. патент US 6093929). Направленное вдоль оси устройства постоянное электрическое поле, формируемое дополнительными электродами, может использоваться для форсирования транспортировки заряженных частиц вдоль канала транспортировки (транспортирующее устройство для ионов в патенте US 5847386, ячейка для фрагментации ионов в патенте US 6111250).The described linear gas-filled multipole transporting devices are often used simultaneously and as cells for fragmentation of charged particles in tandem mass spectrometers (for example, see US Pat. No. 6,093,929). A constant electric field directed along the device’s axis, formed by additional electrodes, can be used to force the transport of charged particles along the transport channel (ion transport device in US Pat. No. 5,847,386; cell for ion fragmentation in US Pat. No. 6,111,150).
Если концы линейного мультипольного транспортирующего устройства заглушены барьерами из электрических полей, получается еще один тип радиочастотных устройств, используемых в масс-спектрометрии - линейная мультипольная ионная ловушка, или накопительное устройство для заряженных частиц. Такие ловушки широко используются для накопления заряженных частиц и импульсной передачи заряженных частиц в анализирующее устройство (патенты US 5179278, WO 02078046, US 5763878, US 6020586, US 6507019, GB 2388248 и др.). Мультипольные ловушки также часто используются для того, чтобы целенаправленно подвергнуть заряженные частицы ион-молекулярным реакциям с нейтральными частицами (патенты US 6140638, US 6011259), с электронами (патенты GB 2372877, GB 2403845, GB 2403590), заряженными частицами с противоположным зарядом (патент US 6627875), обеспечить дополнительную фрагментацию заряженных частиц за счет воздействия на заряженные частицы, например, фотонами или другими внешними физическими факторами.If the ends of a linear multipole transporting device are drowned out by barriers from electric fields, one more type of radio frequency devices used in mass spectrometry is obtained — a linear multipole ion trap, or a storage device for charged particles. Such traps are widely used for the accumulation of charged particles and the pulsed transfer of charged particles to the analyzer (US Pat. Nos. 5,179,278, WO 02078046, US 5763878, US 6020586, US 6507019, GB 2388248, etc.). Multipole traps are also often used to purposefully subject charged particles to ion-molecular reactions with neutral particles (US Pat. Nos. 6,140,638, US 6,011,259), with electrons (GB Pat. US 6627875), to provide additional fragmentation of charged particles due to exposure to charged particles, for example, by photons or other external physical factors.
С той же целью, что и мультипольная линейная ловушка, может использоваться радиочастотная ловушка Пауля или линейная радиочастотная ловушка, когда вместо последовательного резонансного выбрасывания друг за другом нужных групп ионов сразу все содержимое ловушки инжектируется в анализирующее устройство импульсом электрического напряжения (патенты WO 2006/129068, US 2008/0035841). Точно также мультипольная линейная ловушка, в которой инжектирование в анализирующее устройство сделано масс-селективным, может использоваться как грубый фильтр масс, отбирающий нужные группы заряженных частиц для дальнейшего детального анализа (патент US 2007/0158545).For the same purpose as a multipole linear trap, a Paul radiofrequency trap or a linear radiofrequency trap can be used, when instead of sequentially resonantly ejecting the necessary groups of ions one after another, the entire contents of the trap are injected into the analyzer by an electric voltage pulse (patents WO 2006/129068, US 2008/0035841). Similarly, a multipole linear trap in which injection into the analyzer is made mass-selective can be used as a coarse mass filter that selects the desired groups of charged particles for further detailed analysis (US patent 2007/0158545).
Близкими по выполняемым функциям к транспортирующим устройствам, имеющим указанное выше конструктивное исполнение, являются транспортирующие устройства, и/или накопительные устройства, использующие электроды в виде набора пластин с отверстиями, к которым приложены высокочастотные электрические напряжения со сдвигом фаз между соседними пластинами (патенты US 6812453, US 6894286, US 5818055) или между частями одной пластины (патент GB 2010/001076). В этом случае в силу симметрии электродов возникающее высокочастотное поле вблизи оси устройства практически равно нулю, в то время как при приближении к границам транспортирующего канала оно резко возрастает. Поэтому, как и в случае линейных мультипольных транспортирующих устройств, заряженные частицы будут отталкиваться от поверхностей электродов и удерживаться радиочастотным полем в ограниченном объеме, окружающем ось устройства, а по мере снижения кинетической энергии в результате столкновения с молекулами газа заряженные частицы будут группироваться вблизи оси устройства.Similar in function to the conveying devices having the aforementioned design are conveying devices and / or storage devices using electrodes in the form of a set of plates with holes to which high-frequency electrical voltages with phase shift between adjacent plates are applied (patents US 6812453, US 6894286, US 5818055) or between parts of one plate (patent GB 2010/001076). In this case, due to the symmetry of the electrodes, the emerging high-frequency field near the axis of the device is practically zero, while when approaching the boundaries of the transport channel, it sharply increases. Therefore, as in the case of linear multipole transporting devices, charged particles will be repelled from the electrode surfaces and held by a radio frequency field in a limited volume surrounding the axis of the device, and as kinetic energy decreases as a result of collision with gas molecules, charged particles will group together near the axis of the device.
При отсутствии дополнительных электрических полей можно видеть, что в окрестности оси устройства силы, способствующие перемещению заряженных частиц вдоль оси транспортирующего устройства, практически отсутствуют в силу симметрии электродов и высокой частоты электрического поля (патенты US 5818055, US 6894286), и перемещение заряженных частиц вдоль длины канала для транспортировки происходит не слишком эффективно. Поэтому в патентах US 5818055 и US 6894286 захвата заряженных частиц волной электрического потенциала, перемещающейся вдоль оси устройства, не происходит, частицы с разными массами и разными начальными условиями (координатами и скоростями) перемещаются вдоль канала транспортировки с разной эффективной скоростью, и как результат, нет разбиения пучка заряженных частиц на отдельные пространственно сепарированные и синхронно перемещаемые пакеты заряженных частиц. (В терминах заявляемого устройства можно сказать, что при подаче указанных в этих патентах электрических напряжений отсутствует волна псевдопотенциала, перемещающаяся вдоль канала транспортировки заряженных частиц и обеспечивающая захват заряженных частиц в локальные зоны минимумов псевдопотенциала.) Приложение между соседними пластинами постоянной разницы напряжений, способствующей созданию вдоль оси устройства постоянного электрического поля по аналогии с патентами US 5847386 и US 6111250 решает проблему транспортировки вдоль оси устройства, но при этом выход заряженных частиц из устройства по-прежнему не является дискретным и синхронизированным во времени.In the absence of additional electric fields, it can be seen that in the vicinity of the axis of the device, the forces promoting the movement of charged particles along the axis of the conveying device are practically absent due to the symmetry of the electrodes and the high frequency of the electric field (US patents 5818055, US 6894286), and the movement of charged particles along the length The transport channel is not very efficient. Therefore, in patents US 5818055 and US 6894286, capture of charged particles by an electric potential wave moving along the axis of the device does not occur, particles with different masses and different initial conditions (coordinates and speeds) move along the transport channel with different effective speeds, and as a result, no splitting the beam of charged particles into separate spatially separated and synchronously moving packets of charged particles. (In terms of the claimed device, it can be said that when the voltages indicated in these patents are applied, there is no pseudopotential wave traveling along the charged particle transport channel and allowing charged particles to be captured in local zones of pseudopotential minima.) The application between the neighboring plates of a constant voltage difference, which helps to create along the axis of the constant electric field device, by analogy with the patents US 5847386 and US 6111250 solves the problem of transportation along the axis of the device CTBA, but the output of the charged particle device is still not a discrete and synchronized in time.
Наиболее удачным решением из числа имеющихся следует признать суперпозицию высокочастотного электрического поля, неоднородного по радиусу и обеспечивающего локализацию заряженных частиц в окрестности оси устройства по радиальному направлению, и квазистатической бегущей волны электрического поля вдоль оси устройства, обеспечивающей разбиение пучка заряженных частиц с разной массой на пространственно сепарированные пакеты и синхронную транспортировку указанных пакетов вдоль оси устройства (см., например, US 6812453, GB 2010/001076).The most successful solution among those available should be recognized as a superposition of a high-frequency electric field that is nonuniform in radius and ensures the localization of charged particles in the vicinity of the device axis in the radial direction, and a quasistatic traveling wave of the electric field along the device axis, which splits the beam of charged particles of different masses into spatially separated packages and synchronous transportation of these packages along the axis of the device (see, for example, US 6812453, GB 2010/001076).
Однако, поскольку положительно заряженные частицы группируются в окрестностях минимумов бегущей волны потенциала квазистатического электрического поля, а отрицательно заряженные частицы группируются в окрестностях максимумов бегущей волны потенциала квазистатического электрического поля, обеспечить транспортировку положительно и отрицательно заряженных частиц в едином пакете заряженных частиц по этому способу не удается.However, since positively charged particles are grouped in the vicinity of the minima of the traveling wave of the potential of the quasistatic electric field, and negatively charged particles are grouped in the vicinity of the maxima of the traveling wave of the potential of the quasistatic electric field, it is not possible to transport positively and negatively charged particles in a single packet of charged particles by this method.
Основой функционирования большинства радиочастотных масс-спектрометрических устройств является свойство высокочастотного электрического поля «выталкивать» заряженные частицы, независимо от знака заряда, из области с большой амплитудой электрического поля в область с меньшей амплитудой электрического поля. Это свойство является следствием инерции движения заряженных частиц с ненулевой массой, происходящего под воздействием быстро осциллирующего электрического поля.The basis for the functioning of most radio frequency mass spectrometric devices is the property of a high-frequency electric field to “push” charged particles, regardless of the sign of the charge, from a region with a large amplitude of the electric field to a region with a smaller amplitude of the electric field. This property is a consequence of the inertia of the motion of charged particles with a nonzero mass occurring under the influence of a rapidly oscillating electric field.
Количественно данный эффект описывается с помощью теории эффективного потенциала, или псевдопотенциала, впервые введенного П.Л.Капицей (см. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц, Механика, сер. Теоретическая физика, М., Физматлит, 2004, с.124-127; Г.М.Заславский и Р.З.Сагдеев, Введение в нелинейную физику: от маятника до турбулентности и хаоса, М., Наука, 1988, с.49-51 и с.52-54; M.I.Yavor, Optics of Charged Particle Analyzers, Ser. Advances of Imaging and Electron Physics, Vol.157, Elsevier, 2009, с.142-144). А именно, если частота ω осцилляции электрического поля , происходящих по закону , достаточно высока (где - это амплитуда осцилляции электрического поля в точке пространства (x, y, z), ω - частота осцилляции, φ - начальная фаза осцилляции, t - время), а смещение заряженной частицы с массой m и зарядом q за один период изменения электрического поля мало, то движение заряженной частицы можно представить в виде «усредненного», или «медленного» движения, к которому добавлено быстро осциллирующее движение, имеющее, впрочем, маленькую амплитуду. В таком случае уравнение для усредненного движения выглядит так, как будто усредненное движение происходит в электрическом поле с потенциалом , где величины q, , m и ω, характеризующие осциллирующее электрическое поле и заряженную частицу, были определены ранее. Подробности и обоснование теории можно найти в упомянутых выше ссылках.Quantitatively, this effect is described using the theory of effective potential, or pseudopotential, first introduced by P.L. Kapitsa (see L.D. Landau, E.M. Lifshits, Mechanics, ser. Theoretical Physics, M., Fizmatlit, 2004, p. .124-127; G.M. Zaslavsky and R.Z. Sagdeev, Introduction to nonlinear physics: from the pendulum to turbulence and chaos, M., Nauka, 1988, pp. 49-51 and pp. 52-54; MIYavor, Optics of Charged Particle Analyzers, Ser. Advances of Imaging and Electron Physics, Vol. 157, Elsevier, 2009, p. 142-144). Namely, if the frequency ω of the oscillations of the electric field occurring by law high enough (where is the amplitude of the electric field oscillations at the point in space (x, y, z), ω is the oscillation frequency, φ is the initial phase of the oscillation, t is time), and the displacement of a charged particle with mass m and charge q for one period of change in the electric field is small , then the motion of a charged particle can be represented in the form of an “averaged” or “slow” motion, to which a rapidly oscillating motion is added, which, however, has a small amplitude. In this case, the equation for the averaged motion looks as if the averaged motion occurs in an electric field with a potential where q , m and ω, characterizing an oscillating electric field and a charged particle, were determined earlier. Details and justification of the theory can be found in the links mentioned above.
В силу того, что в выражение для потенциала входят заряд q и масса m, потенциал одинаково действует на положительные и отрицательные заряженные частицы, а также его действие оказывается зависящим от массы заряженной частицы. В случае истинного электрического потенциала U(x, y, z) на положительно заряженные частицы действует сила, направленная против градиента электрического потенциала, а на отрицательно заряженные частицы - сила, направленная по градиенту электрического потенциала, причем эта сила не зависит от массы частицы. Из выражения для потенциала следует, что заряженная частица «выталкивается» из области, где амплитуда осцилляции высокочастотного поля высока, в область, где указанная амплитуда осцилляции высокочастотного поля будет меньше (то есть из области, где потенциал имеет большее значение, частица перемещается в область, где потенциал имеет меньшее значение). Выталкивающее действие высокочастотного электрического поля не зависит от знака заряженной частицы и перемещает как положительные, так и отрицательные заряженные частицы в одном и том же направлении. На заряженные частицы с большей массой выталкивающее действие высокочастотного электрического поля влияет с меньшей силой, чем на более легкие заряженные частицы. Выталкивающее действие высокочастотного электрического поля поддается регулировке за счет изменения частоты осцилляции электрического поля.Due to the fact that in the expression for the potential charge q and mass m, potential acts equally on positive and negative charged particles, and also its effect is dependent on the mass of the charged particle. In the case of the true electric potential U (x, y, z), positively charged particles are affected by a force directed against the gradient of the electric potential, and negatively charged particles are affected by a force directed along the gradient of the electric potential, and this force does not depend on the particle mass. From the expression for potential it follows that the charged particle is “ejected” from the region where the amplitude of the high-frequency field oscillation is high, to the region where the indicated amplitude of the high-frequency field oscillation will be less (that is, from the region where the potential matters more, the particle moves to the area where the potential less important). The repulsive effect of the high-frequency electric field is independent of the sign of the charged particle and moves both positive and negative charged particles in the same direction. For charged particles with a larger mass, the buoyant action of the high-frequency electric field affects with less force than for lighter charged particles. The repulsive effect of the high-frequency electric field can be adjusted by changing the oscillation frequency of the electric field.
Потенциал называется эффективным потенциалом, или псевдопотенциалом, и является удобным математическим инструментом для описания и анализа усредненного движения заряженной частицы (хотя на самом деле он, конечно же, не соответствует никаким физическим полям). Приведем без доказательства некоторые его свойства. Для электрического поля , которое меняется во времени t по закону гармонических осцилляции с постоянной амплитудой в точке (x, y, z), постоянной частотой ω и с постоянным сдвигом фаз φ=const, псевдопотенциал , действующий на заряженную частицу с зарядом q и массой m, вычисляется по приведенной выше формуле . Если фаза высокочастотного поля не является постоянной во всем пространстве, а меняется от точки к точке по заданному закону φ=φ(x, y, z), так что закон изменения высокочастотного электрического поля от времени t имеет более сложный вид , где - амлитуда гармоники cosωt в точке пространства (x, y, z), - амлитуда гармоники sinωt в точке пространства (x, y, z), а величины , ω и φ(x, y, z) были определены ранее, то соответствующий данному высокочастотному электрическому полю псевдопотенциал вычисляется по формуле , где q - заряд частицы, а m - ее масса. Если высокочастотное поле является периодической во времени функцией, так что напряженность электрического поля в точке пространства (x, y, z) в момент времени t представляется с помощью рядов Фурье в виде выражения , где - это амплитуда гармоники coskωt электрического поля в точке пространства (x, y, z), - это амплитуда гармоники sinkωt электрического поля в точке пространства (x, y, z), k - номер гармоники, ω - базовая частота высокочастотного электрического поля, то псевдопотенциал такого высокочастотного электрического поля вычисляется как сумма вкладов отдельных гармоник по формуле , где q - заряд частицы, а m - ее масса.. Если кроме высокочастотного электрического поля имеется статическое электрическое поле с потенциалом U(x, y, z), статический потенциал U(x, y, z) и псевдопотенциал суммируются. Если имеется несколько различных высокочастотных электрических полей с существенно разными частотами, суммируются индивидуальные псевдопотенциалы для этих электрических полей, но если частоты высокочастотных полей отличаются незначительно, это правило не действует. Если для имитации гашения кинетической энергии заряженной частицы в результате столкновений с молекулами газа мы введем эффективное вязкое трение, действующее на заряженную частицу с силой , где - скорость частицы в момент времени t, - скорость газа в точке (x, y, z), а γ - не зависящий ни от времени, ни от координат, ни от электрического поля коэффициент вязкого трения, то результат «медленного» движения заряженной частицы будет такой, как будто все три фактора (статический потенциал, псевдопотенциал и вязкое трение) действуют на заряженную частицу одновременно и независимо.Potential called the effective potential, or pseudopotential, and is a convenient mathematical tool for describing and analyzing the averaged motion of a charged particle (although in reality it, of course, does not correspond to any physical fields). We give without proof some of its properties. For electric field , which varies in time t according to the law of harmonic oscillations constant amplitude at the point (x, y, z), with a constant frequency ω and with a constant phase shift φ = const, the pseudopotential acting on a charged particle with a charge q and mass m, is calculated by the above formula . If the phase of the high-frequency field is not constant in the whole space, but changes from point to point according to a given law φ = φ (x, y, z), so that the law of variation of the high-frequency electric field from time t has a more complex form where is the harmonic amplitude cosωt at the point in space (x, y, z), is the harmonic amplitude sinωt at the point in space (x, y, z), and the quantities , ω and φ (x, y, z) were previously determined, then the pseudopotential corresponding to a given high-frequency electric field calculated by the formula , where q is the particle charge, and m is its mass. If the high-frequency field is a time-periodic function, so that the electric field at a point in space (x, y, z) at time t is represented using Fourier series in the form of an expression where is the harmonic amplitude coskωt of the electric field at a point in space (x, y, z), is the harmonic amplitude of the sinkωt of the electric field at the point in space (x, y, z), k is the harmonic number, ω is the base frequency of the high-frequency electric field, then the pseudopotential such a high-frequency electric field is calculated as the sum of the contributions of individual harmonics by the formula , where q is the particle charge, and m is its mass .. If, in addition to the high-frequency electric field there is a static electric field with potential U (x, y, z), a static potential U (x, y, z) and a pseudopotential are summarized. If there are several different high-frequency electric fields with substantially different frequencies, the individual pseudopotentials for these electric fields are summed, but if the frequencies of the high-frequency fields differ slightly, this rule does not apply. If, to simulate the quenching of the kinetic energy of a charged particle as a result of collisions with gas molecules, we introduce effective viscous friction acting on the charged particle with force where is the particle velocity at time t, is the gas velocity at the point (x, y, z), and γ is the coefficient of viscous friction, which does not depend on time, or on coordinates, or on the electric field, then the result of the “slow” motion of a charged particle will be as if all three factors (static potential, pseudopotential and viscous friction) act on a charged particle simultaneously and independently.
Следует подчеркнуть, что описание движения заряженной частицы с помощью псевдопотенциала является лишь математическим приближением, полученным при определенных допущениях относительно движения заряженной частицы, и может не соответствовать ее истинному движению. Так, для анализа движения заряженных частиц в упомянутых выше радиочастотных квадрупольных масс-фильтрах и радиочастотных ионных ловушках необходимо использовать полноценный анализ движения заряженной частицы в истинном электрическом поле (то есть теорию уравнения Матье), чтобы получить правильную структуру зон устойчивости движения. Подход, основанный на псевдопотенциале, не даст в этом случае правильный ответ, поскольку в условиях, когда заряженная частица движется на границе зоны устойчивости и происходит резонанс между «медленными» осцилляциями заряженной частицы и высокочастотным электрическим полем, смещение заряженной частицы за один период изменения высокочастотного электрического поля никак нельзя считать малым.It should be emphasized that the description of the motion of a charged particle using a pseudopotential is only a mathematical approximation obtained under certain assumptions regarding the motion of a charged particle, and may not correspond to its true motion. So, to analyze the movement of charged particles in the above-mentioned radio-frequency quadrupole mass filters and radio-frequency ion traps, it is necessary to use a full-fledged analysis of the movement of a charged particle in a true electric field (i.e., the theory of the Mathieu equation) in order to obtain the correct structure of the motion stability zones. The approach based on the pseudopotential will not give the correct answer in this case, since under conditions when a charged particle moves at the boundary of the stability zone and there is a resonance between the “slow” oscillations of the charged particle and the high-frequency electric field, the charged particle is displaced in one period of a change in the high-frequency electric fields can not be considered small.
В качестве наиболее близкого аналога заявляемого устройства авторами выбрано устройство для манипулирования заряженными частицами (US 6812453).As the closest analogue of the claimed device, the authors selected a device for handling charged particles (US 6812453).
Рассматриваемое устройство содержит систему электродов, представляющую собой последовательность соосных пластин с отверстиями, расположенных с образованием между электродами внутреннего объема, ориентированного вдоль продольной оси устройства и предназначенного для перемещения в нем ионов. Устройство также содержит средство электропитания, обеспечивающее приложение к электродам электрического питающего напряжения, включающего переменную высокочастотную составляющую напряжения, положительная и отрицательная фазы которого поочередно приложены к электродам, а также квазистатическую составляющую напряжения, для создания которой к электродам последовательно и поочередно прикладываются статические или квазистатические напряжения, в частности, однополярные или разнополярные импульсы постоянного напряжения.The device in question contains an electrode system, which is a sequence of coaxial plates with holes located to form an internal volume between the electrodes, oriented along the longitudinal axis of the device and designed to move ions in it. The device also contains a power supply device that provides an electric supply voltage to the electrodes, including an alternating high-frequency voltage component, the positive and negative phases of which are alternately applied to the electrodes, as well as a quasistatic voltage component, for which static or quasistatic voltages are applied to the electrodes sequentially and alternately, in particular, unipolar or bipolar pulses of constant voltage.
В указанном устройстве формируется электрическое поле, напряженность которого описывается выражением , где - меняющееся вдоль длины канала для транспортировки заряженных частиц квазистатическое электрическое поле, зависящее от пространственных координат (x, y, z) и времени t, - стационарная во времени и неоднородная по крайней мере в радиальном направлении амплитуда высокочастотного электрического поля, зависящая от пространственных координат (x, y, z) и не зависящая от времени t, f(t)=cos(ωt+φ) - быстро осциллирующая функция времени t, описывающая в данном случае строго гармонические осцилляции с частотой ω и начальной фазой φ. Квазистатичность функции и быстрота осцилляции функции f(t) понимаются в том смысле, что за время, когда функция f(t) успеет совершить несколько осцилляции, функция практически не изменится. Математически это условие записывается в виде неравенства , которое должно быть выполнено, чтобы устройство правильно функционировало. Тем самым изменение электрического поля во времени обладает двумя масштабами времени: «быстрым временем», за которое заметным образом меняется значение функции , и «медленным временем», за которое заметным образом меняется значение функции .An electric field is formed in said device, the intensity of which described by the expression where - a quasistatic electric field that varies along the length of the channel for transporting charged particles, depending on the spatial coordinates (x, y, z) and time t, is the amplitude of a high-frequency electric field that is stationary in time and non-uniform at least in the radial direction, depending on the spatial coordinates (x, y, z) and not depending on time t, f (t) = cos (ωt + φ) is a rapidly oscillating function time t, which in this case describes strictly harmonic oscillations with a frequency ω and an initial phase φ. Quasistatic function and the oscillation speed of the function f (t) are understood in the sense that during the time when the function f (t) manages to make several oscillations, the function practically will not change. Mathematically, this condition is written as inequality which must be completed in order for the device to function properly. Thus, a change in the electric field in time has two time scales: “fast time”, during which the value of the function changes noticeably , and “slow time”, during which the value of the function changes noticeably .
На фиг.1 показана круговая диафрагма, используемая в качестве одиночного электрода для устройства патента US 6812453, а на фиг.2 показано расположение совокупности круговых диафрагм относительно канала для перемещения заряженных частиц согласно патенту US 6812453. На фиг.3 показано распределение осевой компоненты напряженности электрического поля для патента US 6812453 вдоль канала транспортировки для нескольких близко расположенных моментов времени t, t+δt, t+2δt, t+3δt, … (то есть в «быстром» масштабе времени). На фиг.4 показано, как меняется огибающая осевой компоненты напряженности электрического поля для патента US 6812453 вдоль канала для некоторых достаточно далеко отстоящих друг от друга моментов времени t и t+Δt (то есть в «медленном» масштабе времени). Радиальная компонента электрического поля на оси устройства для патента US 6812453 равна нулю в силу симметрии конфигурации электродов. На фиг.5 показано двумерное распределение вдоль длины канала транспортировки и в радиальном направлении канала транспортировки псевдопотенциала , который соответствует высокочастотному электрическому полю для патента US 6812453. На фиг.6 показано возможное двумерное распределение (в некоторый момент времени) потенциала Ua(x, y, z, t) квазистатического электрического поля для патента US 6812453. На фиг.7 показано возможное распределение потенциала Ua(x, y, z, t) квазистатического электрического поля для патента US 6812453 вдоль длины канала транспортировки. На фиг.8 показаны возможные суммарные электрические напряжения, которые могут прикладываться к первому, второму, третьему, четвертому электродам соответственно в каждой из периодически повторяющихся четверок электродов согласно патенту US 6812453. (В данных примерах рассмотрен простейший возможный случай бегущей волны квазистатического потенциала Ua(x, у, z, t), образующейся вдоль канала для перемещения заряженных частиц согласно патенту US 6812453 - а именно, случай волны с чисто синусоидальной формой.)Figure 1 shows the circular diaphragm used as a single electrode for the device of the patent US 6812453, and figure 2 shows the location of the set of circular diaphragms relative to the channel for moving charged particles according to the patent US 6812453. Figure 3 shows the distribution of the axial component of the electric fields for US 6812453 along the transportation channel for several closely spaced instants of time t, t + δt, t + 2δt, t + 3δt, ... (that is, on a “fast” time scale). Figure 4 shows how the envelope of the axial component of the electric field for U.S. Pat. No. 6,812,453 changes along the channel for some rather distant moments of time t and t + Δt (that is, on a "slow" time scale). The radial component of the electric field on the axis of the device for patent US 6812453 is equal to zero due to the symmetry of the configuration of the electrodes. Figure 5 shows a two-dimensional distribution along the length of the transport channel and in the radial direction of the transport channel of the pseudopotential , which corresponds to a high-frequency electric field for US patent 6812453. FIG. 6 shows a possible two-dimensional distribution (at some point in time) of the potential U a (x, y, z, t) of a quasistatic electric field for patent US 6812453. In Fig.7 shows a possible distribution of the potential U a (x, y, z, t) of a quasistatic electric field for patent US 6812453 along the length of the transportation channel. Fig. 8 shows the possible total electric voltages that can be applied to the first, second, third, fourth electrodes in each of the periodically repeated fours of electrodes, respectively, according to the patent US 6812453. (In these examples, the simplest possible case of a traveling wave of a quasistatic potential U a ( x, y, z, t) formed along the channel for moving charged particles according to US Pat. No. 6,812,453 - namely, the case of a wave with a purely sinusoidal shape.)
Согласно патенту US 6812453 в результате действия радиочастотного поля и образования при удалении от оси устройства по радиусу барьера псевдопотенциала , заряженные частицы «поджимаются» к оси устройства и после затухания кинетической энергии до равновесного значения оказываются сосредоточенными в окрестности оси устройства. В силу того, что вдоль оси устройства имеется распределение квазистатического электрического потенциала с чередующимися максимумами и минимумами, положительно заряженные частицы не просто концентрируются в окрестностях оси устройства, но собираются в локальных минимумах квазистатического электрического потенциала, как только их кинетическая энергия оказывается меньше локальных максимумов квазистатического электрического потенциала. Соответственно, отрицательно заряженные частицы после охлаждения в результате столкновений с молекулами газа собираются локальных максимумах квазистатического электрического потенциала (на положительно заряженные частицы действует сила, направленная против градиента электрического потенциала, на отрицательно заряженные частицы - сила, направленная по градиенту электрического потенциала).According to the patent US 6812453 as a result of the action of the radio frequency field and the formation of a pseudopotential along the radius of the barrier when moving away from the axis of the device , the charged particles are "pressed" to the axis of the device and after attenuation of kinetic energy to an equilibrium value, they are concentrated in the vicinity of the axis of the device. Due to the fact that along the device axis there is a distribution of a quasistatic electric potential with alternating maxima and minima, positively charged particles do not just concentrate in the vicinity of the device axis, but are collected in local minima of the quasistatic electric potential, as soon as their kinetic energy is less than the local maxima of the quasistatic electric potential. Accordingly, negatively charged particles after cooling as a result of collisions with gas molecules gather local maxima of the quasistatic electric potential (positively charged particles act against the gradient of the electric potential, negatively charged particles act against the gradient of the electric potential).
Тот факт, что на части длины оси (в частности, в окрестностях минимумов электрического потенциала для положительно заряженных частиц и в окрестностях максимумов электрического потенциала для отрицательно заряженных частиц) при удалении от оси радиальное электрическое поле квазистатического потенциала отталкивает заряженные частицы от оси устройства, не имеет особого значения, поскольку отталкивающее действие радиочастотного поля, возвращающего заряженные частицы обратно к оси устройства, перевешивает. Когда волна квазистатического потенциала Ua(x, y, z, t) медленно перемещается вдоль оси устройства, она захватывает с собой заряженные частицы, сосредоточенные вблизи оси устройства в окрестностях локальных максимумов и минимумов квазистатического потенциала, заставляя частицы с разными массами и разными кинетическими энергиями перемещаться синхронно. Этот процесс схематически показан на фиг.9.The fact that the radial electric field of the quasistatic potential repels the charged particles from the axis of the device does not of particular importance, since the repulsive effect of the radio frequency field, which returns the charged particles back to the axis of the device, outweighs. When a wave of quasistatic potential U a (x, y, z, t) moves slowly along the axis of the device, it captures charged particles concentrated near the axis of the device in the vicinity of local maxima and minima of the quasistatic potential, forcing particles with different masses and different kinetic energies move synchronously. This process is shown schematically in FIG. 9.
Численное моделирование истинного движения заряженных частиц в описываемых электрических полях подтверждает эту качественную картину движения. Для выходных устройств, работающих в импульсном режиме, данный метод разделения непрерывного потока заряженных частиц на дискретные порции представляется наиболее удачным. При правильной настройке интервалов времени между поступлением отдельных дискретных порций заряженных частиц на выход транспортирующего устройства и, соответственно, на вход следующего за ним устройства (которое, как правило, представляет собой масс-анализатор, работающий в импульсном режиме), и времени последующего анализа поступившей порций заряженных частиц, данный способ позволяет анализировать все заряженные частицы, поступающие из непрерывного пучка в анализатор практически без потерь.Numerical modeling of the true motion of charged particles in the described electric fields confirms this qualitative picture of motion. For output devices operating in pulsed mode, this method of dividing a continuous stream of charged particles into discrete portions seems to be the most successful. With the correct setting of the time intervals between the receipt of individual discrete portions of charged particles at the output of the transporting device and, accordingly, at the input of the device following it (which, as a rule, is a mass analyzer operating in a pulsed mode), and the time of subsequent analysis of the received portions charged particles, this method allows you to analyze all charged particles coming from a continuous beam into the analyzer with virtually no loss.
Рассматриваемое устройство не обеспечивает возможность объединять в едином транспортируемом пакете положительно и отрицательно заряженные частицы.The device under consideration does not provide the ability to combine positively and negatively charged particles in a single transportable package.
Задачей заявляемой полезной модели является обеспечение возможности объединения в едином транспортируемом пакете положительно и отрицательно заряженных частиц.The objective of the claimed utility model is to provide the possibility of combining in a single transportable package of positively and negatively charged particles.
Сущность полезной модели заключается в том, что устройство для манипулирования заряженными частицами содержит совокупность электродов, расположенных с образованием канала для перемещения заряженных частиц, а также средство электропитания, обеспечивающее приложение к электродам питающего напряжения, обуславливающего создание в канале неоднородного высокочастотного электрического поля, псевдопотенциал которого имеет один или более локальных экстремумов вдоль длины канала для перемещения заряженных частиц, по меньшей мере, на некотором интервале времени, причем, по меньшей мере, один из указанных экстремумов псевдопотенциала перемещается во времени, по меньшей мере, на некотором интервале времени, по меньшей мере, по части длины канала для перемещения заряженных частиц.The essence of the utility model lies in the fact that the device for manipulating charged particles contains a set of electrodes located to form a channel for moving charged particles, as well as a means of power supply, which provides a voltage supply to the electrodes, causing a non-uniform high-frequency electric field in the channel, whose pseudopotential has one or more local extrema along the length of the channel for moving charged particles at least by some A second time interval, at least one of the indicated extremes of the pseudopotential moves in time, at least at some time interval, at least in part of the channel length for moving charged particles.
Новым в заявляемой полезной модели по сравнению с ближайшим аналогом является то, что псевдопотенциал созданного в канале высокочастотного электрического поля имеет один или более локальных экстремумов вдоль длины канала для перемещения заряженных частиц, по меньшей мере, на некотором интервале времени, причем, по меньшей мере, один из указанных экстремумов псевдопотенциала перемещается во времени, по меньшей мере, на некотором интервале времени, по меньшей мере, по части длины канала для перемещения заряженных частиц.New in the claimed utility model in comparison with the closest analogue is that the pseudopotential created in the channel of a high-frequency electric field has one or more local extrema along the length of the channel for moving charged particles, at least for some time interval, and at least one of these extremes of the pseudopotential moves in time, at least at some time interval, at least in part of the channel length for moving charged particles.
В частном случае выполнения полезной модели псевдопотенциал имеет вдоль, по меньшей мере, части длины канала для перемещения заряженных частиц чередующиеся максимумы и минимумы.In the particular case of the utility model, the pseudopotential has alternating highs and lows along at least part of the channel length for moving charged particles.
В частном случае выполнения полезной модели экстремум или экстремумы псевдопотенциала перемещаются во времени по заданному закону, по меньшей мере, по части длины канала, по меньшей мере, на некотором интервале времени.In the particular case of the utility model, the extremum or extrema of the pseudopotential move in time according to a given law, at least in part of the channel length, at least in a certain time interval.
В частном случае выполнения полезной модели направление перемещения экстремума или экстремумов псевдопотенциала, по меньшей мере, для части длины канала, в некоторый момент или некоторые моменты времени меняет знак.In the particular case of the utility model, the direction of movement of the extremum or extrema of the pseudopotential, at least for a part of the channel length, changes sign at some moment or some time points.
В частном случае выполнения полезной модели перемещение экстремума или экстремумов псевдопотенциала, по меньшей мере, по части длины канала, по меньшей мере, на некотором интервале времени, имеет осциллирующий характер.In the particular case of the utility model, the movement of the extremum or extrema of the pseudopotential, at least in part of the channel length, at least in a certain time interval, has an oscillating character.
В частном случае выполнения полезной модели псевдопотенциал, по меньшей мере, на некотором интервале времени, по меньшей мере, на некоторой длине канала транспортировки, является однородным по длине канала.In the particular case of the utility model, the pseudopotential, at least at some time interval, at least at some length of the transportation channel, is uniform along the length of the channel.
В частном случае выполнения полезной модели последовательные экстремумы, или только последовательные максимумы, или только последовательные минимумы псевдопотенциала являются монотонно нарастающими, по меньшей мере, по части длины канала, по меньшей мере, на некотором интервале времени.In the particular case of the utility model, consecutive extrema, or only consecutive maxima, or only consecutive minimums of the pseudopotential, are monotonically increasing, at least in part of the channel length, at least in some time interval.
В частном случае выполнения полезной модели последовательные экстремумы, или только последовательные максимумы, или только последовательные минимумы псевдопотенциала являются монотонно убывающими, по меньшей мере, по части длины канала, по меньшей мере, на некотором интервале времени.In the particular case of the utility model, consecutive extrema, or only consecutive maxima, or only consecutive pseudopotential minima, are monotonically decreasing, at least in part of the channel length, at least in some time interval.
В частном случае выполнения полезной модели значение псевдопотенциала в одной или более точках локального максимума псевдопотенциала вдоль длины канала меняется, по меньшей мере, на некотором интервале времени.In the particular case of the utility model, the value of the pseudopotential at one or more points of the local maximum of the pseudopotential along the channel length varies, at least in a certain time interval.
В частном случае выполнения полезной модели значение псевдопотенциала в одной или более точках локального минимума псевдопотенциала вдоль длины канала меняется, по меньшей мере, на некотором интервале времени.In the particular case of the utility model, the value of the pseudopotential at one or more points of the local minimum of the pseudopotential along the channel length changes at least in some time interval.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложены дополнительные постоянные, и/или квазистатические, и/или переменные, и/или импульсные, и/или высокочастотные напряжения, обеспечивающие управление радиальным удержанием заряженных частиц в окрестности канала транспортировки заряженных частиц.In the particular case of the utility model, additional constant and / or quasistatic and / or alternating and / or pulsed and / or high-frequency voltages are applied to the electrodes to control the radial confinement of charged particles in the vicinity of the charged particle transport channel.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложены дополнительные постоянные, и/или квазистатические, и/или переменные, и/или импульсные, и/или высокочастотные напряжения, отпирающие и/или блокирующие выход заряженных частиц через концы канала транспортировки заряженных частиц.In the particular case of performing the utility model, additional constant and / or quasistatic and / or alternating and / or pulsed and / or high-frequency voltages, which unlock and / or block the exit of charged particles through the ends of the channel for transporting charged particles, are applied to the electrodes.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложены дополнительные постоянные, и/или квазистатические, и/или переменные, и/или импульсные, и/или высокочастотные напряжения, обеспечивающие управление пространственной изоляцией пакетов заряженных частиц друг от друга вдоль длины канала транспортировки заряженных частиц.In the particular case of the utility model, additional constant and / or quasistatic and / or alternating and / or pulsed and / or high-frequency voltages are applied to the electrodes to control the spatial isolation of the packets of charged particles from each other along the length of the channel for transporting charged particles.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложены дополнительные постоянные, и/или квазистатические, и/или переменные, и/или импульсные, и/или высокочастотные напряжения, обеспечивающие управление временной синхронизацией транспортировки пакетов заряженных частиц.In the particular case of the utility model, additional constant and / or quasistatic and / or alternating and / or pulsed and / or high-frequency voltages are applied to the electrodes, providing control of the time synchronization of the transport of packets of charged particles.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложены дополнительные постоянные, и/или квазистатические, и/или переменные, и/или импульсные, и/или высокочастотные напряжения, обеспечивающие дополнительное управление транспортировкой заряженных частиц.In the particular case of the utility model, additional constant and / or quasistatic and / or alternating and / or pulsed and / or high-frequency voltages are applied to the electrodes, providing additional control over the transport of charged particles.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложены дополнительные постоянные, и/или квазистатические, и/или переменные, и/или импульсные, и/или высокочастотные напряжения, обеспечивающие управление движением заряженных частиц внутри локальных зон захвата заряженных частиц.In the particular case of the utility model, additional constant and / or quasistatic and / or alternating and / or pulsed and / or high-frequency voltages are applied to the electrodes to control the movement of charged particles inside the local capture zones of charged particles.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложены дополнительные постоянные, и/или квазистатические, и/или переменные, и/или импульсные, и/или высокочастотные напряжения, обеспечивающие создание дополнительных потенциальных или псевдопотенциальных барьеров, и/или потенциальных или псевдопотенциальных ям вдоль канала транспортировки заряженных частиц, по крайней мере, в одной точке пути канала, по крайней мере, на каком-то интервале времени.In the particular case of the utility model, additional constant and / or quasistatic and / or alternating and / or pulsed and / or high-frequency voltages are applied to the electrodes to provide additional potential or pseudopotential barriers and / or potential or pseudopotential wells along the channel transporting charged particles at least at one point of the channel path, at least at some time interval.
В частном случае выполнения полезной модели упомянутые потенциальные или псевдопотенциальные барьеры, и/или потенциальные или псевдопотенциальные ямы меняются во времени или перемещаются во времени вдоль канала транспортировки, по крайней мере, на каком-то интервале времени.In the particular case of the utility model, the mentioned potential or pseudopotential barriers, and / or potential or pseudopotential barriers change in time or move in time along the transport channel, at least at some time interval.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложены дополнительные постоянные, и/или квазистатические, и/или переменные, и/или импульсные, и/или высокочастотные напряжения, обеспечивающие создание дополнительных зон устойчивости и/или дополнительных зон неустойчивости вдоль канала транспортировки заряженных частиц, по крайней мере, в одной точке пути канала, по крайней мере, на каком-то интервале времени.In the particular case of the utility model, additional constant and / or quasistatic and / or alternating and / or pulsed and / or high-frequency voltages are applied to the electrodes, providing for the creation of additional stability zones and / or additional instability zones along the charged particle transport channel, at least at one point on the channel path, at least at some time interval.
В частном случае выполнения полезной модели упомянутые зоны устойчивости и/или зоны неустойчивости меняются во времени или перемещаются во времени вдоль канала транспортировки, по крайней мере, на каком-то интервале времени.In the particular case of the utility model, the mentioned stability zones and / or instability zones change in time or move in time along the transportation channel, at least at some time interval.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложены дополнительные постоянные, и/или квазистатические, и/или переменные, и/или импульсные, и/или высокочастотные напряжения, обеспечивающие селективный отбор заряженных частиц.In the particular case of the utility model, additional constant and / or quasi-static and / or alternating and / or pulsed and / or high-frequency voltages are applied to the electrodes, providing selective selection of charged particles.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложены дополнительные постоянные, и/или квазистатические, и/или переменные, и/или импульсные, и/или высокочастотные напряжения, обеспечивающие управление существенной зависимостью движения заряженных частиц от массы заряженных частиц.In the particular case of the utility model, additional constant and / or quasistatic and / or alternating and / or pulsed and / or high-frequency voltages are applied to the electrodes, which provide control over the significant dependence of the motion of charged particles on the mass of charged particles.
В частном случае выполнения полезной модели к электродам приложено питающее напряжение, частота которого, по крайней мере, на каком-то интервале времени изменяется.In the particular case of the utility model, a supply voltage is applied to the electrodes, the frequency of which changes at least over a certain time interval.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц имеет прямолинейную ориентацию.In the particular case of the utility model, the channel for moving charged particles has a rectilinear orientation.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц имеет криволинейную ориентацию.In the particular case of the utility model, the channel for moving charged particles has a curvilinear orientation.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц имеет переменный профиль вдоль длины канала.In the particular case of the utility model, the channel for moving charged particles has a variable profile along the channel length.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц замкнут в петлю или кольцо.In the particular case of the utility model, the channel for moving charged particles is closed in a loop or ring.
В частном случае выполнения полезной модели в центральной части канала для перемещения заряженных частиц расположен дополнительный электрод или электроды.In the particular case of the utility model in the central part of the channel for moving charged particles is an additional electrode or electrodes.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц разбит на сегменты.In the particular case of the utility model, the channel for moving charged particles is divided into segments.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц состоит из нескольких состыкованных друг с другом каналов, возможно, разделенных дополнительными областями или устройствами.In the particular case of the utility model, the channel for moving charged particles consists of several channels connected to each other, possibly separated by additional regions or devices.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц образован несколькими параллельными каналами для перемещения заряженных частиц, по крайней мере, в какой-то части канала.In the particular case of the utility model, the channel for moving charged particles is formed by several parallel channels for moving charged particles, at least in some part of the channel.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц расщеплен каком-то участке на несколько параллельных каналов.In the particular case of the utility model, the channel for moving charged particles is split into several parallel channels in a certain section.
В частном случае выполнения полезной модели нескольких параллельных каналов для перемещения заряженных частиц соединены на каком-то участке в единый канал для перемещения заряженных частиц.In the particular case of the implementation of the utility model of several parallel channels for moving charged particles are connected at some point in a single channel for moving charged particles.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц содержит область, выполняющую функцию накопительного объема для заряженных частиц, расположенную на входе канала, и/или выходе из канала, и/или внутри канала.In the particular case of the utility model, the channel for moving charged particles contains a region that performs the function of the cumulative volume for charged particles located at the channel inlet and / or outlet from the channel and / or inside the channel.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц является заглушенным, по крайней мере, с одного из концов, по крайней мере, в течение некоторого интервала времени.In the particular case of the utility model, the channel for moving charged particles is muffled from at least one of the ends, at least for a certain time interval.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц имеет управляемую электрическим полем заглушку, по крайней мере, с одного из концов.In the particular case of the utility model, the channel for moving charged particles has a plug controlled by an electric field, at least from one of the ends.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц содержит управляемое электрическим полем зеркало, размещенное в канале для перемещения заряженных частиц, по крайней мере, с одного из концов.In the particular case of the utility model, the channel for moving charged particles comprises an electric field-controlled mirror placed in the channel for moving charged particles from at least one of the ends.
В частном случае выполнения полезной модели устройство содержит устройство для ввода заряженных частиц, размещенное в канале для перемещения заряженных частиц, работающее в непрерывном режиме.In the particular case of performing a utility model, the device comprises a device for inputting charged particles located in a channel for moving charged particles, operating in a continuous mode.
В частном случае выполнения полезной модели устройство содержит устройство для ввода заряженных частиц, размещенное в канале для перемещения заряженных частиц, работающее в импульсном режиме.In the particular case of performing a utility model, the device comprises a device for inputting charged particles located in a channel for moving charged particles, operating in a pulsed mode.
В частном случае выполнения полезной модели устройство содержит устройство для ввода заряженных частиц, размещенное в канале для перемещения заряженных частиц, способное переключаться между непрерывным режимом работы и импульсным режимом работы.In the particular case of performing a utility model, the device comprises a device for inputting charged particles located in a channel for moving charged particles, capable of switching between a continuous mode of operation and a pulsed mode of operation.
В частном случае выполнения полезной модели устройство содержит устройство для вывода заряженных частиц, размещенное в канале для перемещения заряженных частиц, работающее в непрерывном режиме.In the particular case of the implementation of the utility model, the device comprises a device for outputting charged particles located in the channel for moving charged particles, operating in a continuous mode.
В частном случае выполнения полезной модели устройство содержит устройство для вывода заряженных частиц, размещенное в канале для перемещения заряженных частиц, работающее в импульсном режиме.In the particular case of performing a utility model, the device comprises a device for outputting charged particles located in the channel for moving charged particles, operating in a pulsed mode.
В частном случае выполнения полезной модели устройство содержит устройство для вывода заряженных частиц, размещенное в канале для перемещения заряженных частиц, способное переключаться между непрерывным режимом работы и импульсным режимом работы.In the particular case of performing a utility model, the device comprises a device for outputting charged particles located in a channel for moving charged particles, capable of switching between a continuous mode of operation and a pulsed mode of operation.
В частном случае выполнения полезной модели устройство содержит устройство для генерирования заряженных частиц, размещенное в канале для перемещения заряженных частиц, работающее в непрерывном режиме.In the particular case of executing a utility model, the device comprises a device for generating charged particles located in a channel for moving charged particles, operating in a continuous mode.
В частном случае выполнения полезной модели устройство содержит устройство для генерирования заряженных частиц, размещенное в канале для перемещения заряженных частиц, работающее в импульсном режиме.In the particular case of performing a utility model, the device comprises a device for generating charged particles located in the channel for moving charged particles, operating in a pulsed mode.
В частном случае выполнения полезной модели устройство содержит устройство для генерирования заряженных частиц, размещенное в канале для перемещения заряженных частиц, способное переключаться между непрерывным режимом работы и импульсным режимом работы.In the particular case of executing a utility model, the device comprises a device for generating charged particles located in a channel for moving charged particles, capable of switching between a continuous mode of operation and a pulsed mode of operation.
В частном случае выполнения полезной модели в качестве питающего напряжения используют высокочастотные гармонические напряжения, и/или периодические негармонические высокочастотные напряжения, и/или высокочастотные напряжения, содержащие в своем частотном спектре две или более частоты, и/или высокочастотные напряжения, содержащие в своем частотном спектре бесконечный набор частот, и/или высокочастотные импульсные напряжения, к которым применена амплитудная модуляция, или суперпозицию таких напряжений.In the particular case of the utility model, high-frequency harmonic voltages, and / or periodic non-harmonic high-frequency voltages, and / or high-frequency voltages containing two or more frequencies in their frequency spectrum, and / or high-frequency voltages containing in their frequency spectrum are used as a supply voltage an infinite set of frequencies, and / or high-frequency pulse voltages to which amplitude modulation is applied, or a superposition of such voltages.
В частном случае выполнения полезной модели в качестве питающего напряжения используют высокочастотные гармонические напряжения, и/или периодические негармонические высокочастотные напряжения, и/или высокочастотные напряжения, содержащие в своем частотном спектре две или более частоты, и/или высокочастотные напряжения, содержащие в своем частотном спектре бесконечный набор частот, и/или высокочастотные импульсные напряжения, к которым применена частотная модуляция, или суперпозицию таких напряжений.In the particular case of the utility model, high-frequency harmonic voltages, and / or periodic non-harmonic high-frequency voltages, and / or high-frequency voltages containing two or more frequencies in their frequency spectrum, and / or high-frequency voltages containing in their frequency spectrum are used as a supply voltage an infinite set of frequencies, and / or high-frequency pulse voltages to which frequency modulation is applied, or a superposition of such voltages.
В частном случае выполнения полезной модели изобретения в качестве питающего напряжения используют высокочастотные гармонические напряжения, и/или периодические негармонические высокочастотные напряжения, и/или высокочастотные напряжения, содержащие в своем частотном спектре две или более частоты, и/или высокочастотные напряжения, содержащие в своем частотном спектре бесконечный набор частот, и/или высокочастотные импульсные напряжения, к которым применена фазовая модуляция, или суперпозицию таких напряжений.In the particular case of the implementation of the utility model of the invention, high-frequency harmonic voltages and / or periodic non-harmonic high-frequency voltages and / or high-frequency voltages containing two or more frequencies and / or high-frequency voltages containing in their frequency frequency are used as a supply voltage The spectrum has an infinite set of frequencies, and / or high-frequency impulse voltages to which phase modulation is applied, or a superposition of such voltages.
В частном случае выполнения полезной модели в качестве питающего напряжения используют высокочастотные гармонические напряжения, и/или периодические негармонические высокочастотные напряжения, и/или высокочастотные напряжения, содержащие в своем частотном спектре две или более частоты, и/или высокочастотные напряжения, содержащие в своем частотном спектре бесконечный набор частот, и/или высокочастотные импульсные напряжения, которые характеризуются двумя или более близкими базовыми частотами, или суперпозицию таких напряжений.In the particular case of the utility model, high-frequency harmonic voltages and / or periodic non-harmonic high-frequency voltages and / or high-frequency voltages containing two or more frequencies in their frequency spectrum and / or high-frequency voltages containing in their frequency spectrum are used as a supply voltage an infinite set of frequencies, and / or high-frequency pulse voltages, which are characterized by two or more close base frequencies, or a superposition of such voltages.
В частном случае выполнения полезной модели в качестве питающего напряжения используют высокочастотных гармонических напряжений, и/или периодических негармонических высокочастотных напряжений, и/или высокочастотных напряжений, содержащих в своем частотном спектре две или более частоты, и/или высокочастотных напряжений, содержащих в своем частотном спектре бесконечный набор частот, и/или высокочастотные импульсные напряжения, которые превращены в синхронизированные во времени цуги высокочастотных напряжений, или суперпозицию таких напряжений.In the particular case of the utility model, high-frequency harmonic voltages and / or periodic non-harmonic high-frequency voltages and / or high-frequency voltages containing two or more frequencies and / or high-frequency voltages containing in their frequency spectrum are used as a supply voltage an endless set of frequencies, and / or high-frequency impulse voltages, which are turned into time-synchronized trains of high-frequency voltages, or a superposition of the same stress.
В частном случае выполнения полезной модели в качестве питающего напряжения используют высокочастотные напряжения, синтезированные цифровым способом.In the particular case of the utility model, high-frequency voltages synthesized digitally are used as the supply voltage.
В частном случае выполнения полезной модели совокупность электродов представляет собой периодически повторяющиеся электроды.In the particular case of the utility model, the set of electrodes is periodically repeated electrodes.
В частном случае выполнения полезной модели совокупность электродов представляет собой периодически повторяющиеся каскады электродов, при этом конфигурация электродов в отдельном каскаде не обязательно является периодической.In the particular case of the utility model, the set of electrodes is periodically repeated cascades of electrodes, while the configuration of the electrodes in a separate cascade is not necessarily periodic.
В частном случае выполнения полезной модели некоторые или все электроды могут быть сплошными, тогда как остальные электроды или часть остальных электродов распадаются на периодическую последовательность элементов.In the particular case of the utility model, some or all of the electrodes can be solid, while the remaining electrodes or part of the remaining electrodes break up into a periodic sequence of elements.
В частном случае выполнения полезной модели к некоторым электродам могут не прикладываться высокочастотные напряжения.In the particular case of the utility model, some high-frequency voltages may not be applied to some electrodes.
В частном случае выполнения полезной модели в совокупности электродов некоторые или все электроды имеют мультипольный профиль.In the particular case of performing a utility model in a set of electrodes, some or all of the electrodes have a multipole profile.
В частном случае выполнения полезной модели в совокупности электродов некоторые или все электроды имеют огрубленный мультипольный профиль, образованный плоскими, ступенчатьми, кусочно-ступенчатыми, линейными, кусочно-линейными, круговыми, скругленными, кусочно-скругленными, криволинейными, кусочно-криволинейными профилями или комбинацией указанных профилей.In the particular case of performing a utility model in a set of electrodes, some or all of the electrodes have a roughened multipole profile formed by flat, steps, piecewise-stepped, linear, piecewise-linear, circular, rounded, piecewise-rounded, curved, piecewise curved profiles, or a combination of these profiles.
В частном случае выполнения полезной модели в совокупности электродов некоторые или все электроды представляют собой тонкие металлические пленки, нанесенные на непроводящую подложку.In the particular case of performing a utility model in a set of electrodes, some or all of the electrodes are thin metal films deposited on a non-conductive substrate.
В частном случае выполнения полезной модели в совокупности электродов некоторые или все электроды являются проволочными и/или сеточными и/или имеют разрезы и/или другие дополнительные отверстия, делающие их прозрачными для потока газа или уменьшающие сопротивление, оказываемое электродами потоку газа.In the particular case of performing a utility model in a set of electrodes, some or all of the electrodes are wire and / or grid and / or have cuts and / or other additional holes that make them transparent to the gas flow or reduce the resistance provided by the electrodes to the gas flow.
В частном случае выполнения полезной модели в канале для перемещения заряженных частиц создан вакуум.In the particular case of performing a utility model, a vacuum is created in the channel for moving charged particles.
В частном случае выполнения полезной модели канал для перемещения заряженных частиц заполнен нейтральным и/или (частично) ионизированным газом.In the particular case of the utility model, the channel for moving charged particles is filled with a neutral and / or (partially) ionized gas.
В частном случае выполнения полезной модели в канале для перемещения заряженных частиц создан поток нейтрального и/или (частично) ионизированного газа.In the particular case of the utility model in the channel for the movement of charged particles, a stream of neutral and / or (partially) ionized gas is created.
В частном случае выполнения полезной модели некоторые или все электроды имеют щели и/или отверстия, предназначенные для ввода в устройство и/или вывода из устройства заряженных частиц.In the particular case of the utility model, some or all of the electrodes have slots and / or holes designed to enter charged particles into the device and / or output from the device.
В частном случае выполнения полезной модели промежуток между электродами использован для ввода в устройство и/или вывода из устройства заряженных частиц.In the particular case of the utility model, the gap between the electrodes is used to enter charged particles into the device and / or output from the device.
В частном случае выполнения полезной модели, по меньшей мере, к части электродов, по меньшей мере, на каком-то интервале времени, приложены дополнительные импульсные или ступенчатые напряжения, обуславливающие ввод в устройство и/или вывод из устройства и/или запирание внутри устройства заряженных частиц.In the particular case of performing a utility model, at least part of the electrodes, at least at some time interval, additional impulse or step voltages are applied, causing the input to the device and / or output from the device and / or locking inside the device of charged particles.
В отличие от описанного выше ближайшего аналога в заявляемом устройстве поведение быстро осциллирующего электрического поля, неоднородного по пространству канала для перемещения заряженных частиц, подчиняется другим закономерностям. Это позволяет не только разбивать имеющийся ансамбль заряженных частиц на пространственно сепарированные пакеты заряженных частиц и синхронно перемещать их вдоль канала транспортировки независимо от массы и кинетической энергии, но и дополнительно объединять в едином пакете как положительно заряженные, так и отрицательно заряженные частицы.In contrast to the closest analogue described above, in the inventive device, the behavior of a rapidly oscillating electric field inhomogeneous in the space of the channel for moving charged particles obeys other laws. This allows not only to split the existing ensemble of charged particles into spatially separated packets of charged particles and synchronously move them along the transport channel, regardless of mass and kinetic energy, but also to additionally combine both positively charged and negatively charged particles in a single package.
Рассмотрим особенности поведения высокочастотного электрического поля, используемого в заявляемом устройстве, на конкретном примере. Возьмем электрическое поле, напряженность которого описывается выражением , где - меняющаяся вдоль длины и вдоль радиуса канала для транспортировки заряженных частиц квазистатическая амплитуда осцилляции электрического поля, которая зависит от пространственных координат (x, y, z) и времени t, а f(t) - быстро осциллирующая функция времени с нулевым средним значением, в частном случае имеющая вид гармонических осцилляции f(t)=cos(ωt+φ), где ω - частота гармонических осцилляции, а φ - начальная фаза гармонических осцилляции. Квазистатичность функции и быстрота осцилляции функции f(t) понимаются в том смысле, что за время, когда функция f(t) успеет совершить несколько осцилляции, функция практически не изменится. Математически это условие может быть записано в виде неравенства , и в полной производной по времени t от напряженности электрического поля вклад члена существенно перевешивает вклад члена .Consider the behavior of the high-frequency electric field used in the inventive device, using a specific example. Take the electric field, the tension which is described by the expression where is the quasistatic amplitude of the electric field oscillation, which varies along the length and along the radius of the channel for transporting charged particles, which depends on the spatial coordinates (x, y, z) and time t, and f (t) is a rapidly oscillating function of time with a zero mean value, in in the particular case, which has the form of harmonic oscillations f (t) = cos (ωt + φ), where ω is the frequency of harmonic oscillations, and φ is the initial phase of harmonic oscillations. Quasistatic function and the oscillation speed of the function f (t) are understood in the sense that during the time when the function f (t) manages to make several oscillations, the function practically will not change. Mathematically, this condition can be written as inequality , and in the total time derivative t of the electric field member contribution Outweighs Member Contribution .
Изменение указанного электрического поля во времени t обладает двумя масштабами времени: «быстрым временем», за которое заметным образом меняется значение функции f(t), и «медленным временем», за которое заметным образом меняется значение функции . В первом приближении «медленное», или «усредненное» движение заряженной частицы в таком поле описывается медленно меняющимся во времени псевдопотенциалом , где термин «медленно» означает, что характерное время заметного изменения псевдопотенциала много больше характерного времени, требуемого для однократной осцилляции высокочастотного электрического поля по закону f(t).Change in indicated electric field in time t has two time scales: “fast time”, for which the value of the function f (t) changes noticeably, and “slow time”, for which the value of the function changes noticeably . In a first approximation, the “slow” or “averaged” motion of a charged particle in such a field is described by a slowly varying pseudopotential over time , where the term "slow" means that the characteristic time of a noticeable change in the pseudopotential much more than the characteristic time required for a single oscillation of a high-frequency electric field according to the law f (t).
Для случая, когда закон изменения электрического поля во времени имеет вид , где - «медленная» функция времени, а cos(ωt+φ) - «быстрая» функция времени, описывающая гармонические осцилляции с частотой ω и начальной фазой φ, медленно меняющийся псевдопотенциал , действующий на заряженную частицу с зарядом q и массой m, выражается через квазистатическую амплитуду осцилляции электрического поля как . В более общем случае, когда закон изменения электрического поля во времени является периодическим, но не гармоническим, и напряженность электрического поля в точке пространства (x, y, z) как функция времени t представляется в канонической форме в виде ряда Фурье , где - это «медленная» амплитуда «быстрой» гармоники cos(kωt) электрического поля - это «медленная» амплитуда «быстрой» гармоники sin(kωt) электрического поля , k - номер гармоники, ω=2π/T - базовая круговая частота периодической во времени функции , обладающей периодом Т, то медленно меняющийся во времени псевдопотенциал вычисляется как , где q - заряд частицы и m - масса частицы. В самом общем случае, если напряженность электрического поля в точке пространства (x, y, z) в момент времени t допускает представление в виде , где и - это «медленные» функции времени t, a cos(ωkt) и sin(ωkt) - «быстрые» гармонические осцилляции с частотами ωk, которые достаточно далеко разнесены друг от друга, то медленно меняющийся во времени псевдопотенциал вычисляется как , где q - заряд частицы и m - масса частицы.For the case when the law of variation of the electric field in time has the form where Is a “slow” function of time, and cos (ωt + φ) is a “fast” function of time describing harmonic oscillations with a frequency ω and an initial phase φ, a slowly varying pseudopotential acting on a charged particle with a charge q and mass m is expressed in terms of the quasistatic amplitude oscillations of the electric field as . In a more general case, when the law of variation of the electric field in time is periodic, but not harmonic, and the electric field at a point in space (x, y, z) as a function of time t is represented in canonical form in the form of a Fourier series where is the “slow” amplitude of the “fast” harmonic cos (kωt) of the electric field is the “slow” amplitude of the “fast” harmonic sin (kωt) of the electric field , k is the harmonic number, ω = 2π / T is the basic circular frequency of the time-periodic function having a period T, then the pseudopotential slowly varying in time calculated as , where q is the particle charge and m is the particle mass. In the most general case, if the electric field strength at a point in space (x, y, z) at time t admits a representation in the form where and are the “slow” functions of time t, a cos (ω k t) and sin (ω k t) are “fast” harmonic oscillations with frequencies ω k that are far enough apart from each other, then the pseudopotential slowly varying in time is calculated as , where q is the particle charge and m is the particle mass.
(Для разделения функций от времени на «медленные» и «быстрые» вводятся верхняя граница «медленных» частот δ и нижняя граница «быстрых» частот Δ, причем Δ>>δ. Функция h(t} называется «медленной», если ее спектр равен нулю (или пренебрежимо мал) вне интервала частот ω∈(-δ,+δ). функция H(t) называется «быстрой», если ее спектр равен нулю (или пренебрежимо мал) на интервале частот ω∈(-Δ,+Δ). Указанные ограничения на спектр функций влекут за собой справедливые «в среднем» неравенства и . Условие, что частота ωk, является «быстрой», будет эквивалентно неравенству |ωk|≥Δ. Условие, что частоты ωm и ωn «достаточно далеко» разнесены друг от друга, будет эквивалентно неравенству |ωm-ωn|≥Δ. Для того, чтобы электрическое поле могло быть представлено в виде , достаточно, чтобы прикладываемые к электродам напряжения изменялись как , где pk(t) и qk(t) - «медленные» функции, а ωk - «быстрые» и «далеко разнесенные» частоты. При этом для того чтобы сигнал f(t) мог быть представлен в таком каноническом виде, требуется, чтобы после преобразования Фурье спектр сигнала распадался на достаточно далеко разнесенные друг от друга и достаточно короткие интервалы, вне которых спектральная функция F(ω) может считаться равной нулю (см. фиг.10). Технически такие сигналы могут быть сгенерированы, например, с помощью амплитудной модуляции, и/или фазовой модуляции, и/или частотной модуляции высокочастотных сигналов, и/или в результате суперпозиции нескольких высокочастотных напряжений с несколькими близкими частотами, и/или как цуги высокочастотных напряжений заданной формы, синхронизированных во времени. Детальное изложение теории медленно меняющихся псевдопотенциалов выходит за рамки данного описания.)(To separate functions from time to “slow” and “fast”, the upper boundary of the “slow” frequencies δ and the lower boundary of the “fast” frequencies Δ are introduced, and Δ >> δ. The function h (t} is called "slow" if its spectrum vanishes (or is negligible) outside the frequency range ω∈ (-δ, + δ). A function H (t) is called “fast” if its spectrum is zero (or negligible) in the frequency interval ω∈ (-Δ, + Δ). The indicated restrictions on the spectrum of functions entail fair “average” inequalities and . The condition that the frequency ω k is “fast” will be equivalent to the inequality | ω k | ≥Δ. The condition that the frequencies ω m and ω n are far enough apart from each other will be equivalent to the inequality | ω m -ω n | ≥Δ. So that the electric field can be represented as , it is sufficient that the voltages applied to the electrodes change as , where p k (t) and q k (t) are “slow” functions, and ω k are “fast” and “far-spaced” frequencies. Moreover, in order for the signal f (t) to be represented in such a canonical form, it is required that, after the Fourier transform, the signal spectrum decays into sufficiently far apart and sufficiently short intervals outside which the spectral function F (ω) can be considered equal zero (see figure 10). Technically, such signals can be generated, for example, by amplitude modulation and / or phase modulation and / or frequency modulation of high-frequency signals, and / or as a result of superposition of several high-frequency voltages with several close frequencies, and / or as trains of high-frequency voltages of a given forms synchronized in time. A detailed account of the theory of slowly varying pseudopotentials is beyond the scope of this description.)
Рассмотрим частный случай заявляемого устройства, когда радиальная компонента электрического поля на оси OZ тождественно равна нулю, а осевая компонента Ez(z,t) электрического поля изменяется во времени t по закону Ez(z,t)=E0cos(z/L-t/T)·cos(ωt), где E0 - амплитуда чередующихся максимумов и минимумов осевого распределения электрического поля, z - пространственная координата вдоль оси устройства, L - характерный пространственный масштаб вдоль оси устройства, Т - характерный временной масштаб «медленного» времени, ω - «быстрая» частота гармонических осцилляций электрического поля. Условие квазистатичности амплитуды осцилляций электрического поля сводится к условию ωТ>>1. На фиг.11 показано распределение осевой компоненты напряженности электрического поля вдоль канала транспортировки для нескольких близко расположенных моментов времени t, t+δt, t+2δt, t+3δt, … (то есть в «быстром» масштабе времени). На фиг.12 показано, как меняется огибающая осевой компоненты напряженности электрического поля вдоль канала для некоторых достаточно далеко отстоящих друг от друга моментов времени t и, t+Δt (то есть в «медленном» масштабе времени). Такой закон изменения осевой компоненты электрического поля во времени принципиальным образом отличается от графиков, показанных на фиг.3 и фиг.4.Consider a special case of the claimed device, when the radial component of the electric field on the OZ axis is identically equal to zero, and the axial component E z (z, t) of the electric field changes in time t according to the law E z (z, t) = E 0 cos (z / Lt / T) · cos (ωt), where E 0 is the amplitude of alternating maxima and minima of the axial distribution of the electric field, z is the spatial coordinate along the device axis, L is the characteristic spatial scale along the device axis, T is the characteristic time scale of “slow” time , ω is the “fast” frequency of harmonic oscillations lation of the electric field. The condition for the quasistatic amplitude of the electric field oscillations is reduced to the condition ωT >> 1. 11 shows the distribution of the axial component of the electric field along the transport channel for several closely spaced instants of time t, t + δt, t + 2δt, t + 3δt, ... (that is, on a “fast” time scale). Fig. 12 shows how the envelope of the axial component of the electric field strength along the channel changes for some rather distant moments of time t and, t + Δt (that is, on a "slow" time scale). Such a law of variation of the axial component of the electric field in time is fundamentally different from the graphs shown in figure 3 and figure 4.
Двумерный график псевдопотенциала этого высокочастотного электрического поля показан на фиг.13. Поведение псевдопотенциала вдоль оси OZ описывается формулой , где Е0 - амплитуда высокочастотного поля; m - масса иона; ω - частота высокочастотного поля; L и Т - характерные длина и время соответственно; то есть представляет собой медленно двигающуюся вдоль оси OZ синусоидальную волну (см. фиг.14). Точно также, как это происходит в высокочастотном электрическом поле прототипа, псевдопотенциал которого показан на фиг.5, заряженные частицы отталкиваются высокочастотным электрическим полем с псевдопотенциалом, показанном на фиг.13, от электродов и концентрируются вблизи оси устройства. Однако, подобно тому, как заряженные частицы отталкиваются псевдопотенциальным барьером от электродов и концентрируются вблизи оси, максимумы псевдопотенциала отталкивают заряженные частицы и заставляют их концентрироваться в окрестностях тех точек оси, где быстро меняющееся электрическое поле характеризуется минимумами псевдопотенциала. В отличие от случая квазистатического электрического потенциала, заряженные частицы с зарядами обоих знаков одинаково концентрируются вблизи минимумов псевдопотенциала. При «медленном» перемещении минимума псевдопотенциала вдоль оси OZ заряженные частицы вынуждены перемещаться синхронно с минимумами псевдопотенциала. Этот процесс иллюстрируется фиг.15.A two-dimensional graph of the pseudopotential of this high-frequency electric field is shown in Fig. 13. Pseudopotential Behavior along the OZ axis is described by the formula where E 0 is the amplitude of the high-frequency field; m is the mass of the ion; ω is the frequency of the high-frequency field; L and T are characteristic length and time, respectively; i.e represents a sine wave moving slowly along the OZ axis (see Fig. 14). Just as this happens in the high-frequency electric field of the prototype, the pseudopotential of which is shown in Fig. 5, the charged particles are repelled by the high-frequency electric field with the pseudopotential shown in Fig. 13, from the electrodes and are concentrated near the axis of the device. However, just as the charged particles are repelled by the pseudopotential barrier from the electrodes and concentrated near the axis, the maxima of the pseudopotential repel the charged particles and cause them to concentrate in the vicinity of those points of the axis where the rapidly changing electric field is characterized by the pseudopotential minima. In contrast to the case of a quasistatic electric potential, charged particles with charges of both signs are equally concentrated near the minima of the pseudopotential. When the pseudopotential minimum moves along the OZ axis “slowly”, the charged particles are forced to move synchronously with the pseudopotential minima. This process is illustrated in FIG.
Существенное различие между электрическим полями, используемыми прототипом, и электрическими полями, используемыми в заявляемом устройстве, заключается в качественно разных законах изменения электрических полей во времени, что наглядно иллюстрируется фиг.3-4 и фиг.11-12, а количественно описывается разницей в поведении псевдопотенциалов соответствующих высокочастотных полей, как показано на фиг.5 и фиг.13-14.A significant difference between the electric fields used by the prototype and the electric fields used in the inventive device is in qualitatively different laws of changes in electric fields over time, which is clearly illustrated in Figures 3-4 and 11-12, and quantitatively described by the difference in behavior pseudopotentials of the corresponding high-frequency fields, as shown in Fig.5 and Fig.13-14.
Численное моделирование движения заряженных частиц в указанном высокочастотном электрическом поле при наличии нейтрального газа подтверждает приведенную здесь качественную картину движения. На фиг.16-18 показаны решения соответствующих дифференциальных уравнений для набора заряженных частиц, равномерно распределенных в начальный момент времени на некотором отрезке канала транспортировки с некоторым смещением в радиальном направлении относительно оси. На фиг.16 показана зависимость координаты z(t) (которая соответствует оси устройства) от времени t. На фиг.17 показана зависимость z(t)-νt, где ν - скорость перемещения минимумов псевдопотенциала вдоль канала транспортировки, являющаяся характеристикой высокочастотного электрического поля. На фиг.18 показана зависимость координаты r(t) (которая соответствует радиальному направлению) от времени t. Наглядно видно, что происходит разбиение совокупности заряженных частиц на пространственно сепарированные пакеты, которые затем синхронно транспортируются с постоянной скоростью ν вдоль канала транспортировки в соответствии с перемещением минимумов псевдопотенциала быстро осциллирующего электрического поля.Numerical simulation of the motion of charged particles in the indicated high-frequency electric field in the presence of a neutral gas confirms the qualitative picture of motion presented here. On Fig-18 shows the solutions of the corresponding differential equations for a set of charged particles uniformly distributed at the initial time in a certain segment of the transportation channel with a certain offset in the radial direction relative to the axis. On Fig shows the dependence of the coordinate z (t) (which corresponds to the axis of the device) on time t. On Fig shows the dependence z (t) -νt, where ν is the speed of movement of the minima of the pseudopotential along the transport channel, which is a characteristic of a high-frequency electric field. On Fig shows the dependence of the coordinate r (t) (which corresponds to the radial direction) from time t. It is clearly seen that the set of charged particles is divided into spatially separated packets, which are then synchronously transported at a constant speed ν along the transport channel in accordance with the movement of the minima of the pseudopotential of a rapidly oscillating electric field.
Указанная картина происходит как при транспортировке заряженных частиц в вакууме, так и при транспортировке заряженных частиц в разреженном газе, когда рассеяние заряженных частиц при столкновениях с молекулами нейтрального газа моделируется методом Монте-Карло. Различие состоит в том, что при наличии демпфирующего газа те заряженные частицы, которые не попали изначально в область устойчивости в окрестности минимума псевдопотенциала, перескакивают в одну из предшествующих областей устойчивости, захватываются ею и продолжают синхронно двигаться вдоль канала транспортировки с соответствующим постоянным смещением пакета заряженных частиц вдоль канала транспортировки (этот процесс наглядно виден на фиг.17). При отсутствии демпфирующего действия газа частицы, оказавшиеся в области неустойчивости, последовательно перескакивают назад по каналу транспортировки от одной области неустойчивости к другой, одновременно раскачиваясь в радиальном направлении - пока, в конце концов, не выйдут за пределы устройства или не столкнутся с электродами.This picture occurs both during the transportation of charged particles in vacuum and during transportation of charged particles in a rarefied gas, when the scattering of charged particles in collisions with neutral gas molecules is simulated by the Monte Carlo method. The difference is that in the presence of a damping gas, those charged particles that did not initially fall into the stability region in the vicinity of the pseudopotential minimum jump to one of the previous stability regions, are captured by it, and continue to move synchronously along the transport channel with the corresponding constant displacement of the packet of charged particles along the transportation channel (this process is clearly visible in Fig.17). In the absence of the damping effect of the gas, particles that are in the region of instability sequentially jump backward along the transport channel from one region of instability to another, simultaneously swaying in the radial direction - until, in the end, they leave the device or collide with the electrodes.
Приведенный пример иллюстрирует общий принцип, на котором основана работа заявляемого устройства. Если высокочастотное поле некоторого устройства характеризуется меняющимся во времени псевдопотенциалом, у которого вдоль канала транспортировки заряженных частиц имеется минимум, перемещающийся во времени вдоль канала транспортировки, то заряженные частицы в результате воздействия указанного высокочастотного поля группируются в окрестности минимума псевдопотенциала, а при перемещении минимума вдоль канала транспортировки осуществляется синхронизированное во времени перемещение образовавшегося пакета заряженных частиц (фиг.19). Точно также наличие вдоль канала транспортировки движущегося максимума псевдопотенциала «выпихивает» из канала транспортировки заряженные частицы, оказавшиеся впереди максимума (фиг.20). В случае если псевдопотенциал имеет вдоль канала транспортировки перемежающиеся максимумы и минимумы, как в приведенном выше примере, происходит разбиение совокупности заряженных частиц, попавших в канал транспортировки, на локализованные в пространстве пространственно сепарированные пакеты заряженных частиц, синхронно перемещаемые от входа к выходу (фиг.21).The above example illustrates the general principle on which the operation of the claimed device is based. If the high-frequency field of a device is characterized by a time-varying pseudopotential, for which along the transport channel of charged particles there is a minimum moving in time along the transport channel, then charged particles are grouped as a result of the indicated high-frequency field in the vicinity of the minimum of the pseudopotential, and when the minimum moves along the transport channel time-synchronized movement of the resulting packet of charged particles is carried out (Fig.19) . In the same way, the presence of a moving maximum of the pseudopotential along the transport channel pushes charged particles out of the transport channel ahead of the maximum (Fig. 20). If the pseudopotential has alternating maxima and minima along the transport channel, as in the above example, the set of charged particles falling into the transport channel is divided into spatially separated packets of charged particles that are synchronously moved from input to output (Fig. 21 )
В силу специфики псевдопотенциала, указанные пакеты заряженных частиц объединяют как положительно заряженные, так и отрицательно заряженные частицы с разными массами и кинетическими энергиями (кинетическая энергия не должна быть настолько большой, чтобы заряженные частицы могли преодолеть псевдопотенциальные барьеры, ограничивающие пространственно сепарированные пакеты заряженных частиц).Due to the specifics of the pseudopotential, these packets of charged particles combine both positively charged and negatively charged particles with different masses and kinetic energies (kinetic energy should not be so large that charged particles can overcome pseudopotential barriers that limit spatially separated packets of charged particles).
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемой полезной модели, является обеспечение возможности объединения в едином транспортируемом пакете положительно и отрицательно заряженных частиц.Thus, the technical result achieved by the implementation of the claimed utility model is the possibility of combining positively and negatively charged particles in a single transportable package.
При этом заявляемое устройство, как будет показано ниже, обеспечивает широкие возможности манипулирования заряженными частицами.Moreover, the inventive device, as will be shown below, provides ample opportunities for manipulating charged particles.
В заявляемом устройстве наличие буферного газа в канале для транспортировки заряженных частиц для гашения их кинетической энергии не является безусловно необходимым, и процесс перемещения заряженных частиц может осуществляться в вакууме, если псевдопотенциальные барьеры достаточно высоки.In the inventive device, the presence of a buffer gas in the channel for transporting charged particles to quench their kinetic energy is not absolutely necessary, and the process of moving charged particles can be carried out in vacuum if the pseudopotential barriers are high enough.
Электрические поля, используемые в заявляемом устройстве и в его прототипе в патенте US 6812453, выполняют двоякую функцию: удержание заряженных частиц в окрестности канала транспортировки и перемещение заряженных частиц вдоль канала транспортировки. Если разбить в патенте US 6812453 высокочастотные напряжения, прикладываемые к электродам устройства, на удерживающие напряжения (то есть преимущественно обеспечивающие удержание заряженных частиц в радиальном направлении) и управляющие напряжения (то есть преимущественно обеспечивающие перемещение заряженных частиц вдоль канала для перемещения заряженных частиц), то управляющие напряжения и создаваемое ими электрическое поле в заявляемом устройстве будут принципиальным образом отличаться от используемых в прототипе из патента US 6812453 как по форме, так и по воздействию, оказываемому ими на заряженные частицы. То же самое справедливо для полного электрического поля, являющегося суммой управляющего электрического поля и удерживающего электрического поля.The electric fields used in the inventive device and its prototype in US Pat. If, in US Pat. voltage and the electric field created by them in the inventive device will fundamentally differ from those used in the prototype from the patent US 6812453 ak in shape, and on the effects exerted by them on the charged particles. The same is true for the total electric field, which is the sum of the controlling electric field and the holding electric field.
Вообще говоря, наличие дополнительных удерживающих полей в заявляемом устройстве не является необходимым, поскольку эту функцию с успехом могут выполнять те же электрические поля, которые обеспечивают транспортировку заряженных частиц. В случае присутствия в заявляемом устройстве удерживающих электрических полей (см. далее) они, по большей части, имеют такой же вид, что и для ближайшего аналога. Однако в то время как для ближайшего аналога наличие удерживающих высокочастотных электрических полей является неотъемлемой компонентой изобретения, для заявляемого устройства наличие отдельных удерживающих высокочастотных полей не является необходимым, если псевдопотенциальные барьеры, образуемые управляющим высокочастотным полем, достаточно высоки.Generally speaking, the presence of additional confining fields in the inventive device is not necessary, since this function can be successfully performed by the same electric fields that ensure the transport of charged particles. In the case of the presence of confining electric fields in the inventive device (see below), they, for the most part, have the same form as for the closest analogue. However, while for the closest analogue the presence of holding high-frequency electric fields is an integral component of the invention, for the inventive device, the presence of separate holding high-frequency fields is not necessary if the pseudopotential barriers formed by the controlling high-frequency field are high enough.
Для идентификации, что конкретное высокочастотное электрическое поле относится к заявляемому классу высокочастотных электрических полей, необходимо определить способ вычисления значения медленно меняющегося псевдопотенциала по заданному высокочастотному электрическому полю. По определению, псевдопотенциал - это такая скалярная функция, высчитываемая по определенным правилам через имеющееся в системе высокочастотное поле, что усредненное движение заряженной частицы в данном высокочастотном электрическом поле описывается уравнениями движения заряженной частицы в псевдоэлектрическом поле с точностью до поправочных членов малого порядка. Когда напряжения Un(t)=Un0·fn(t), приложенные к электродам, меняются во времени как где pnk(t) и qnk(t) - «медленные» функции, а ωk - «быстрые» и «далеко разнесенные» частоты, высокочастотное электрическое поле в точке пространства (x, y, z) в момент времени t может быть представлено в виде , где функции и - это «медленные» функции времени, a cos(ωkt) и sin(ωkt) - «быстро» осциллирующие по гармоническому закону функции, частоты ωk которых далеко разнесены друг от друга. В этом случае медленно меняющийся во времени псевдопотенциал , который описывает усредненное движение заряженной частицы, вычисляется в соответствии с формулой , где q - заряд частицы, а m - масса частицы. Для того чтобы сигналы указанные fn(t) могли быть представлены в требуемом каноническом виде, требуется, чтобы после преобразования Фурье спектр сигнала распадался на достаточно далеко разнесенные друг от друга и достаточно короткие интервалы, вне которых спектральная функция может считаться равной нулю (см. фиг.10). Данное математическое выражение для псевдопотенциала выводится из его физического смысла, где физический смысл является определяющим. Для случая импульсных функций формула для вычисления псевдопотенциала строится похожим образом с заменой континуальных гармоник на дискретные гармоники. Обобщение классической теории псевдопотенциала на класс медленно меняющихся псевдопотенциалов является новым и ранее не использовалось.To identify that a particular high-frequency electric field belongs to the claimed class of high-frequency electric fields, it is necessary to determine a method for calculating the value of a slowly changing pseudopotential from a given high-frequency electric field. By definition, pseudopotential - this is such a scalar function, calculated according to certain rules through the high-frequency field available in the system, that the average motion of a charged particle in a given high-frequency electric field is described by the equations of motion of a charged particle in a pseudoelectric field up to correction terms of small order. When the voltages U n (t) = U n0 · f n (t) applied to the electrodes change in time as where p nk (t) and q nk (t) are “slow” functions, and ω k are “fast” and “far-spaced” frequencies, a high-frequency electric field at a point in space (x, y, z) at time t can be represented as where are the functions and are the “slow” functions of time, and cos (ω k t) and sin (ω k t) are “fast” functions that oscillate according to the harmonic law, whose frequencies ω k are far apart from each other. In this case, the slowly varying in time pseudopotential , which describes the average motion of a charged particle, is calculated in accordance with the formula where q is the particle charge and m is the particle mass. In order for the signals indicated by f n (t) to be represented in the required canonical form, it is necessary that after the Fourier transform the signal spectrum decays into sufficiently far spaced apart and sufficiently short intervals outside which the spectral function can be considered equal to zero (see figure 10). This mathematical expression for a pseudopotential is derived from its physical meaning, where the physical meaning is decisive. For the case of impulse functions, the formula for calculating the pseudopotential is constructed in a similar way with the replacement of continuum harmonics by discrete harmonics. The generalization of the classical theory of pseudopotential to the class of slowly varying pseudopotentials is new and has not been used before.
Разбиение заряженных частиц на локальные пространственно сепарированные пакеты и их транспортировка от входа устройства к выходу устройства - далеко не единственная возможность управлять поведением заряженных частиц с помощью указанных высокочастотных электрических полей.Dividing charged particles into locally spatially separated packets and transporting them from the input of the device to the output of the device is far from the only way to control the behavior of charged particles using these high-frequency electric fields.
Так, если вместо осевого высокочастотного электрического поля, меняющегося по закону Еz(z,t)=E0cos(z/L-t/T)·cos(ωt), где Е0 - амплитуда высокочастотного поля; ω - частота высокочастотного поля; L и Т - характерные длина и время соответственно; мы синтезируем высокочастотное электрическое поле, осевая компонента которого меняется по закону Ez(z,t)=E0cos[z/L-g(t))·cos(ωt), где g(t) - заданная квазистатическая функция времени, медленно меняющаяся во времени по сравнению с функцией ωt, то тем самым вместо равномерной транспортировки мы обеспечим перемещение центров пакетов заряженных частиц по закону zk(t)=L·g{t)-πL(k+1/2) вдоль канала транспортировки вместо равномерного перемещения. Тем самым, в частности, мы получим возможность переправлять заряженные частицы на вход последующего устройства в заданные моменты времени, синхронизированные во времени с импульсным режимом функционирования выходного устройства, если это необходимо.So, if instead of the axial high-frequency electric field, changing according to the law E z (z, t) = E 0 cos (z / Lt / T) · cos (ωt), where E 0 is the amplitude of the high-frequency field; ω is the frequency of the high-frequency field; L and T are characteristic length and time, respectively; we synthesize a high-frequency electric field whose axial component varies according to the law E z (z, t) = E 0 cos [z / Lg (t)) cos (ωt), where g (t) is a given quasistatic function of time, slowly changing in time in comparison with the function ωt, then instead of uniform transportation we will ensure that the centers of the packets of charged particles move according to the law z k (t) = L · g (t) -πL (k + 1/2) along the transport channel instead of uniform movement . Thus, in particular, we will get the opportunity to transfer charged particles to the input of the subsequent device at predetermined times, synchronized in time with the pulse mode of operation of the output device, if necessary.
Если вместо функции z/L мы используем в этой формуле любую другую функцию h(z), мы получаем возможность управлять положением центров пакетов заряженных частиц в процессе транспортировки и, например, целенаправленно сгущать и/или разрежать их вдоль канала транспортировки на определенных участках в определенные моменты времени.If instead of the z / L function we use any other h (z) function in this formula, we get the opportunity to control the position of the centers of the packets of charged particles during transport and, for example, to deliberately thicken and / or cut them along the transport channel in certain areas to certain moments of time.
Функция g(t), указанная ранее, не обязательно должна быть монотонной функцией времени. Если она имеет осциллирующий характер, то перемещение пакетов заряженных частиц вдоль канала транспортировки будет иметь осциллирующий характер. В частности, это можно использовать, чтобы организовать циклическое перемещение пакетов заряженных частиц от входа к выходу и обратно, создав тем самым ловушку для заряженных частиц или накопительный объем для целенаправленного манипулирования заряженными частицами.The function g (t) indicated earlier does not have to be a monotonic function of time. If it has an oscillating character, then the movement of packets of charged particles along the transport channel will have an oscillating character. In particular, this can be used to organize the cyclic movement of packets of charged particles from input to output and vice versa, thereby creating a trap for charged particles or a storage volume for targeted manipulation of charged particles.
Дополнительные возможности по манипулированию заряженными частицами на основе указанного общего принципа предоставляет целенаправленное конструирование таких высокочастотных электрических полей, у которых значения псевдопотенциала в точках минимума и максимума удовлетворяют определенным дополнительным требованиям. Рассмотрим, например, устройство, в котором закон изменения осевой компонента Ez(z,t) высокачастотного электрического поля в зависимости от времени t задан как Еz(z,t)=Е0(π/2+arctan(z/H))·cos(z/L-t/T)·cos(ωt), где Е0 - характерный масштаб изменения амплитуды осевого распределения электрического поля, z - пространственная координата вдоль оси канала перемещения заряженных частиц, Н - характерный пространственный масштаб «затухания» осцилляции псевдопотенциала, L - характерный пространственный масштаб одиночной осцилляции псевдопотенциала, Т - характерный «медленный» временной масштаб смещения осцилляции псевдопотенциала вдоль оси устройства, ω - «быстрая» частота высокочастотных гармонических колебаний электрического поля, причем Н>>L и ωТ>>1, как показано на фиг.22. Тогда при -∞<z<-2Н амплитуда высокочастотного электрического поля будет практически равна нулю, а крайне малые локальные максимумы и минимумы его псевдопотенциала, показанного на фиг.23 не будут оказывать воздействия на перемещение заряженных частиц вдоль оси OZ на данном участке длины канала для перемещения заряженных частиц. Тем самым при -∞<z<-2Н мы будем иметь область накопления заряженных частиц вместо области транспортировки заряженных частиц. Однако по мере приближения к точке z=0 можно наблюдать монотонно нарастающие максимумы псевдопотенциала, образующие уходящую в сторону z=+∞ нарастающую и перемещающуюся вдоль оси волну. Такая структура обеспечивает «откачку» заряженных частиц из накопительного устройства и последовательное перемещение их к выходу из устройства в виде набора пространственно сепарированных и синхронизированных во времени пакетов заряженных частиц.Purposeful construction of such high-frequency electric fields in which the values of the pseudopotential at the minimum and maximum points satisfy certain additional requirements provides additional opportunities for manipulating charged particles on the basis of this general principle. Consider, for example, a device in which the law of variation of the axial component E z (z, t) of a high-frequency electric field as a function of time t is given by E z (z, t) = E 0 (π / 2 + arctan (z / H) ) · Cos (z / Lt / T) · cos (ωt), where E 0 is the characteristic scale of the amplitude variation of the axial distribution of the electric field, z is the spatial coordinate along the axis of the channel for moving charged particles, H is the characteristic spatial scale of the “attenuation” of the pseudopotential oscillation , L is the characteristic spatial scale of a single oscillation of the pseudopotential, T is the characteristic slow "time offset scale pseudopotential oscillations along the axis of the device, ω -« fast "high-frequency harmonic oscillation of the electric field, and H and ωT >> L >> 1, as shown in Figure 22. Then, at −∞ <z <-2H, the amplitude of the high-frequency electric field will be practically zero, and the extremely small local maxima and minima of its pseudopotential shown in Fig. 23 will not affect the movement of charged particles along the OZ axis in this section of the channel length for movement of charged particles. Thus, at −∞ <z <-2H, we will have a region of accumulation of charged particles instead of a region of transport of charged particles. However, as we approach the point z = 0, we can observe monotonically increasing maxima of the pseudopotential, forming a growing wave moving towards z = + ∞ and moving along the axis. This structure ensures the "pumping" of charged particles from the storage device and their sequential movement to the output of the device in the form of a set of spatially separated and time-synchronized packets of charged particles.
Прибавив к описанной структуре псевдопотенциала высокочастотное поле, подчиняющееся на оси устройства закону Ez(z,t)=0,45E0(π/2-arсtan(z/H))·sin(ωt), где E0 - характерный масштаб изменения амплитуды осевого распределения электрического поля, z - пространственная координата вдоль оси канала перемещения заряженных частиц, Н - характерный пространственный масштаб «затухания» осцилляции псевдопотенциала, ω - «быстрая» частота высокочастотных гармонических колебаний электрического поля; получим отрезок с монотонно убывающими максимумами и минимумами, как на фиг.24, увеличивая тем самым эффективность захвата и откачки как положительно, так и отрицательно заряженных частиц. В этой схеме не очень приятной платой за увеличение эффективности откачки заряженных частиц является то, что в накопительной области имеется существенно ненулевое высокочастотное поле, постоянно «раскачивающее» заряженные частицы и увеличивающее их среднюю кинетическую энергию.Adding to the described structure of the pseudopotential a high-frequency field obeying the law E z (z, t) = 0.45E 0 (π / 2-arсtan (z / H)) · sin (ωt), where E 0 is the characteristic scale of change the amplitudes of the axial distribution of the electric field, z is the spatial coordinate along the channel axis of the movement of charged particles, H is the characteristic spatial scale of the “attenuation” of the pseudopotential oscillations, ω is the “fast” frequency of high-frequency harmonic oscillations of the electric field; we obtain a segment with monotonically decreasing maxima and minima, as in Fig. 24, thereby increasing the capture and pumping efficiency of both positively and negatively charged particles. In this scheme, a not very pleasant payment for increasing the efficiency of pumping out charged particles is that in the storage region there is a substantially nonzero high-frequency field that constantly “sways” charged particles and increases their average kinetic energy.
Похожая добавка к псевдопотенциалу может быть организована с помощью постоянного электрического поля с потенциалом U(z)=U0(π/2-arctan(z/H))2, где - масштаб скачка электростатического потенциала, Н - характерный пространственный масштаб «затухания» осцилляции псевдопотенциала высокочастотного электрического поля, Е0 - характерный масштаб изменения амплитуды осевого распределения электрического поля, q - заряд частицы, m - масса частицы. Однако, в этом случае происходит стягивание в область захвата заряженных частиц только одного знака (фиг.25 показывает суммарную притягивающую потенциальную функцию, действующую на положительно заряженные частицы, а фиг.26 показывает суммарную отталкивающую потенциальную функцию, действующую на отрицательно заряженные частицы). На фиг.27 и фиг.28 показан аналогичный эффект, достигаемый приложением постоянного электрического поля. На фиг.29 приведена структура электродов, которая может обеспечить высокочастотное поле, сопрягающее накопительную область с регулярной откачкой с ее края дискретных пакетов заряженных частиц.A similar addition to the pseudopotential can be organized using a constant electric field with the potential U (z) = U 0 (π / 2-arctan (z / H)) 2 , where is the scale of the jump in the electrostatic potential, H is the characteristic spatial scale of the “attenuation” of the oscillation of the pseudopotential of the high-frequency electric field, E 0 is the characteristic scale of the change in the amplitude of the axial distribution of the electric field, q is the particle charge, m is the particle mass. However, in this case, only one sign is contracted into the capture region of charged particles (Fig. 25 shows the total attractive potential function acting on positively charged particles, and Fig. 26 shows the total repulsive potential function acting on negatively charged particles). On Fig and Fig shows a similar effect achieved by applying a constant electric field. In Fig.29 shows the structure of the electrodes, which can provide a high-frequency field that mates the storage region with regular pumping from its edge of discrete packets of charged particles.
Динамическое понижение в какой-то момент времени в процессе транспортировки заряженных частиц амплитуды псевдопотенциала в точке максимума псевдопотенциала, разделяющей два соседних минимума псевдопотенциала, предоставляет новые дополнительные возможности по целенаправленному манипулированию заряженными частицами. При такой операции становится возможным объединение содержимого двух соседних пакетов заряженных частиц в один пакет заряженных частиц. При этом в зависимости от уровня, до которого понижается максимум псевдопотенциала, возможно как полное объединение соседних пакетов заряженных частиц, так и частичный переход заряженных частиц из одного пакета в другой. В частности, с учетом того, что одно и то же распределение высокочастотного поля порождает для разных масс разные псевдопотенциалы с разной высотой барьера, можно сделать обмен заряженными частицами между соседними пакетами масс-селективным.A dynamic decrease in the pseudopotential amplitude at a point in time during the transport of charged particles at the pseudopotential maximum point separating two adjacent pseudopotential minimums provides new additional possibilities for the targeted manipulation of charged particles. With this operation, it becomes possible to combine the contents of two adjacent packets of charged particles into one packet of charged particles. Moreover, depending on the level to which the maximum of the pseudopotential decreases, it is possible to completely combine the neighboring packets of charged particles, as well as a partial transition of charged particles from one packet to another. In particular, taking into account the fact that the same distribution of the high-frequency field generates different pseudopotentials with different barrier heights for different masses, it is possible to make the exchange of charged particles between neighboring packets mass-selective.
Вместо изменения значения псевдопотенциала в точке максимума или параллельно с изменением значения псевдопотенциала в точке максимума можно целенаправленно изменять значение псевдопотенциала в точке минимума. При повышении значения выбранного минимума псевдопотенциала выше некоторого порога можно избирательно разрушать отдельные пакеты заряженных частиц. По той же схеме можно «переливать» содержимое пакета заряженных частиц в соседний пакет заряженных частиц за счет синхронизированного понижения максимума псевдопотенциала, расположенного между двумя минимумами псевдопотенциала, и повышения одного из двух минимумов псевдопотенциала, а затем восстанавливать использованную область захвата заряженных частиц в прежнем состоянии, но уже без заряженных частиц внутри нее. В силу того, что значение псевдопотенциала зависит от массы заряженной частицы и для различных частиц является разным, этот процесс можно сделать масс-селективным.Instead of changing the value of the pseudopotential at the maximum point or in parallel with changing the value of the pseudopotential at the maximum point, you can purposefully change the value of the pseudopotential at the minimum point. If the value of the chosen minimum of the pseudopotential is increased above a certain threshold, individual packets of charged particles can be selectively destroyed. According to the same scheme, one can “transfer” the contents of a packet of charged particles into an adjacent packet of charged particles by synchronously lowering the maximum of the pseudopotential located between the two minima of the pseudopotential and increasing one of the two minima of the pseudopotential, and then restore the used capture region of charged particles in the previous state, but already without charged particles inside it. Due to the fact that the value of the pseudopotential depends on the mass of the charged particle and is different for different particles, this process can be made mass-selective.
Для надежного радиального удержания заряженных частиц в окрестности канала транспортировки базового высокочастотного электрического поля, характеризуемого медленно меняющимся псевдопотенциалом с экстремумом или экстремумами, перемещающимися вдоль канала транспортировки, может быть недостаточно. Для обеспечения надежного радиального удержания заряженных частиц может использоваться дополнительное высокочастотное или импульсное электрическое поле, псевдопотенциал которого не имеет экстремума или экстремумов, перемещающихся вдоль канала транспортировки, но который формирует радиочастотный барьер для заряженных частиц при их удалении от оси устройства, при приближении к электродам. В случае, если надо временно или постоянно заблокировать выход заряженных частиц через конец или концы канала транспортировки заряженных частиц, указанные высокочастотные электрические поля и создаваемые ими радиочастотные барьеры могут быть локализованы на оси канала транспортировки около соответствующего конца или концов канала транспортировки.For reliable radial confinement of charged particles in the vicinity of the transport channel of the base high-frequency electric field, characterized by a slowly changing pseudopotential with an extremum or extrema moving along the transport channel, it may not be enough. To ensure reliable radial confinement of charged particles, an additional high-frequency or pulsed electric field can be used, the pseudopotential of which does not have an extremum or extrema moving along the transport channel, but which forms a radio-frequency barrier for charged particles when they are removed from the device axis when approaching the electrodes. If it is necessary to temporarily or permanently block the exit of charged particles through the end or ends of the channel for transporting charged particles, these high-frequency electric fields and the radio frequency barriers created by them can be localized on the axis of the transport channel near the corresponding end or ends of the transport channel.
Вместо высокочастотных электрических полей для той же цели могут использоваться статические или квазистатические электрические поля. Так, радиальное удержание пучка можно обеспечить системой периодических электростатических линз, а блокировку выхода заряженных частиц через конец или концы транспортирующего устройства можно обеспечить дополнительным потенциальным барьером, обеспечиваемым приложением к концевым электродам канала транспортировки постоянного напряжения.Instead of high-frequency electric fields, static or quasistatic electric fields can be used for the same purpose. Thus, the radial confinement of the beam can be ensured by a system of periodic electrostatic lenses, and the blocking of the exit of charged particles through the end or ends of the conveying device can be provided with an additional potential barrier provided by the application of a direct voltage transmission channel to the end electrodes.
Как дополнительные высокочастотные или импульсные электрические поля, так и дополнительные статические или квазистатические поля могут использоваться в устройстве для манипулирования заряженными частицами для других целей, отличных от улучшения радиального удержания заряженных частиц и/или блокировки выхода заряженных частиц через концы канала транспортировки. К ним относятся: а) улучшение пространственной изоляции отдельных пакетов заряженных частиц друг от друга, б) улучшение временной синхронизации перемещения пакетов заряженных частиц вдоль канала транспортировки и/или временной синхронизации выхода пакетов заряженных частиц из устройства и/или временной синхронизации загрузки заряженных частиц в устройство, в) дополнительное управление транспортировкой заряженных частиц в устройстве.Both additional high-frequency or pulsed electric fields, and additional static or quasistatic fields can be used in the device for manipulating charged particles for other purposes than improving the radial confinement of charged particles and / or blocking the exit of charged particles through the ends of the transport channel. These include: a) improving the spatial isolation of individual packets of charged particles from each other, b) improving the time synchronization of the movement of packets of charged particles along the transport channel and / or the time synchronization of the exit of packets of charged particles from the device and / or the timing of the loading of charged particles into the device , c) additional control of the transportation of charged particles in the device.
Частным случаем дополнительного управления транспортировкой заряженных частиц является создание локальных потенциальных барьеров и/или локальных потенциальных ям на пути транспортировки заряженных частиц. Указанные потенциальные барьеры и/или ямы могут создаваться как высокочастотными электрическими полями, так и статическими и/или квазистатическими электрическими полями. Высокочастотные барьеры и/или ямы могут использоваться, в частности, для привнесения масс-селективных эффектов в процесс транспортировки заряженных частиц. Статические и квазистатические барьеры и/или ямы могут использоваться, в частности, для отделения положительно заряженных частиц от отрицательно заряженных частиц. Потенциальные барьеры и/или ямы как одного, так и другого типа могут использоваться для блокировки и/или разблокировки переноса заряженных частиц, изменения кинетической энергии заряженных частиц и др. Указанные потенциальные барьеры и/или ямы могут существовать постоянно, включаться и/или выключаться на определенном интервале или в определенные моменты времени, изменять свои параметры (высоту и/или глубину), перемещаться вдоль канала транспортировки или вдоль части длины канала транспортировки.A special case of additional control of the transportation of charged particles is the creation of local potential barriers and / or local potential wells in the path of transportation of charged particles. These potential barriers and / or pits can be created by both high-frequency electric fields and static and / or quasistatic electric fields. High-frequency barriers and / or pits can be used, in particular, to introduce mass-selective effects into the process of transporting charged particles. Static and quasistatic barriers and / or pits can be used, in particular, to separate positively charged particles from negatively charged particles. Potential barriers and / or wells of one type or another can be used to block and / or unlock the transport of charged particles, change the kinetic energy of charged particles, etc. These potential barriers and / or wells can exist continuously, turn on and / or off at a certain interval or at certain points in time, change their parameters (height and / or depth), move along the transportation channel or along part of the length of the transportation channel.
Частным случаем дополнительного управления транспортировкой заряженных частиц является создание локальных зон устойчивости и/или локальных зон неустойчивости движения заряженных частиц вдоль длины канала транспортировки. Указанные локальные зоны устойчивости и/или локальные зоны неустойчивости движения могут существовать постоянно, включаться и/или выключаться на определенном интервале или в определенные моменты времени, изменять свои параметры (высоту и/или глубину), перемещаться вдоль канала транспортировки или вдоль части длины канала транспортировки.A special case of additional control of the transportation of charged particles is the creation of local stability zones and / or local zones of instability of the movement of charged particles along the length of the transport channel. The indicated local zones of stability and / or local zones of instability of movement can exist continuously, turn on and / or turn off at a certain interval or at certain points in time, change their parameters (height and / or depth), move along the transportation channel or along part of the length of the transportation channel .
Например, суперпозиция статического или квазистатического поля и высокочастотного поля, как это происходит в квадрупольных масс-фильтрах, позволяет создавать отдельные зоны, через которые могут транспортироваться только те частицы, которые имеют заданный контролируемый диапазон масс. Другой способ управлять устойчивостью движения и, в частности, перестраивать окно масс, соответствующих устойчивому движению заряженных частиц, состоит в перестройке несущей частоты высокочастотного напряжения и/или приложении дополнительных высокочастотных напряжений с кратными частотами (что соответствует в теории квадрупольных радиочастотных масс-фильтров и ионных ловушек переходу от уравнения Матье к более общему уравнению Хилла, предоставляющему более широкие возможности по конфигурации зон устойчивости).For example, a superposition of a static or quasistatic field and a high-frequency field, as occurs in quadrupole mass filters, allows you to create separate zones through which only particles that have a given controlled mass range can be transported. Another way to control the stability of motion and, in particular, to rebuild the window of masses corresponding to the stable motion of charged particles, is to rearrange the carrier frequency of the high-frequency voltage and / or apply additional high-frequency voltages with multiple frequencies (which corresponds to the theory of quadrupole radio-frequency mass filters and ion traps the transition from the Mathieu equation to the more general Hill equation, which provides more opportunities for the configuration of stability zones).
Перемещающиеся вдоль канала транспортировки локальные области захвата заряженных частиц, ограниченные максимумами псевдопотенциала, фактически представляют собой набор локальных ионных ловушек, и с ними можно обращаться точно так же, как это принято в масс-спектрометрии ионных ловушек. Приложение к локальным медленно перемещающимся вдоль оси областям захвата заряженных частиц, сосредоточенных вокруг минимумов псевдопотенциала основного высокочастотного поля, резонансных раскачивающих высокочастотных напряжений позволяет осуществлять селективную экстракцию заряженных частиц определенной массы, как это происходит в ионных радиочастотных ловушках, а также осуществлять другие операции по селективному управлению ансамблем заряженных частиц, хорошо разработанных в масс-спектрометрии ионных радиочастотных ловушек. Достоинством этих операций, осуществляемых над локальными областями захвата, а не над отдельным устройством типа ионной радиочастотной ловушки, является то, что эти достаточно времяемкие операции не вызывают в данном случае специальных пауз в работе источника ионов и анализирующего ионы устройства. Действительно, указанные операции лишь замедляют время, требуемое для транспортировки конкретной группы частиц от входа к выходу, поскольку во время выполнения операций над локальной зоной захвата новые пакеты заряженных частиц продолжают загружаться в устройство для транспортировки заряженных частиц, и уже обработанные пакеты заряженных частиц поступают в анализирующее устройство.The local capture regions of charged particles moving along the transport channel, bounded by the maxima of the pseudopotential, are actually a set of local ion traps, and they can be handled in exactly the same way as is accepted in ion trap mass spectrometry. The application to the local capture regions of charged particles slowly moving along the axis, concentrated around the minima of the pseudopotential of the main high-frequency field, of resonant swinging high-frequency voltages allows the selective extraction of charged particles of a certain mass, as occurs in ion-frequency RF traps, as well as other operations for selective control of the ensemble charged particles well developed in mass spectrometry of ionic radio frequency traps . The advantage of these operations carried out on local capture regions, rather than on a separate device such as an ionic radio frequency trap, is that these rather time-consuming operations do not cause special pauses in the work of the ion source and the ion-analyzing device. Indeed, these operations only slow down the time required for transporting a specific group of particles from entrance to exit, since during the execution of operations on the local capture zone, new packets of charged particles continue to be loaded into the device for transporting charged particles, and already processed packets of charged particles enter the analyzer device.
Для создания указанных выше высокочастотных, импульсных, статических, квазистатических и переменных электрических полей могут использоваться как дополнительные электроды устройства, так и уже существующие электроды устройства, к которым прикладываются соответствующие дополнительные напряжения.To create the above high-frequency, pulsed, static, quasistatic and variable electric fields, both additional device electrodes and existing device electrodes can be used, to which the corresponding additional voltages are applied.
Канал для транспортировки заряженных частиц может быть как прямолинейным, так и криволинейным (см. фиг.30 и фиг.31). Канал для транспортировки может быть замкнут в кольцо, постоянно или на каком-то интервале времени, или устройство может осуществлять двунаправленные циклические перемещения заряженных частиц от входа к выходу и обратно, постоянно или на каком-то интервале времени (в этих случаях образуется ионная ловушка, и/или накопительное устройство, и/или выделенный объем для манипулирования заряженными частицами).The channel for transporting charged particles can be either rectilinear or curved (see Fig. 30 and Fig. 31). The transportation channel can be closed in a ring, constantly or at some time interval, or the device can carry out bi-directional cyclic movements of charged particles from entrance to exit and back, constantly or at some time interval (in these cases, an ion trap is formed, and / or storage device and / or allocated volume for handling charged particles).
Профиль сечения канала транспортировки может меняться по длине канала. Частным случаем переменного профиля является профиль канала для транспортировки, который имеет конфигурацию воронки и осуществляет сжатие потока заряженных частиц в процессе транспортировки (см. фиг.32).The cross-sectional profile of the transportation channel can vary along the length of the channel. A special case of a variable profile is the profile of the channel for transportation, which has the configuration of a funnel and compresses the flow of charged particles during transportation (see Fig. 32).
Канал для транспортировки в сечении центральной части может иметь дополнительный электрод, осуществляя тем самым транспортировку пакетов заряженных частиц, имеющих кольцевую конфигурацию. Например, на фиг.33 показана одиночная диафрагма с дополнительным электродом в центре, а на фиг.34 показан канал, составленных из подобных диафрагм, выровненных по одной оси, который обеспечивает формирование пакетов заряженных частиц, имеющих в сечении кольцевую структуру.The transportation channel in the cross section of the central part may have an additional electrode, thereby transporting packets of charged particles having an annular configuration. For example, FIG. 33 shows a single diaphragm with an additional electrode in the center, and FIG. 34 shows a channel made up of similar diaphragms aligned on one axis, which provides the formation of packets of charged particles having a ring structure in cross section.
Вместо создания пакетов заряженных частиц с кольцевым сечением дополнительный электрод или дополнительная система электродов в центре канала для перемещения заряженных частиц могут служить для того, чтобы разбить основной канал на несколько несвязанных областей захвата заряженных частиц, то есть на несколько дочерних каналов для перемещения заряженных частиц. Пример одиночной диафрагмы, обеспечивающей такую электродную конфигурацию, показан на фиг.35. Несмотря на то, что показанная на фиг.35 геометрическая область для перемещения заряженных частиц представляет собой связное кольцо, в силу особенностей структуры создаваемых в объеме канала высокочастотных электрических полей эта область распадается на несколько несвязанных между собой областей захвата заряженных частиц. В каждой области захвата заряженные частицы перемещаются независимо и в каждой области захвата есть возможность независимого управления движением заряженных частиц с помощью дополнительных электрических полей, создаваемых дополнительными напряжениями, прикладываемыми к соответствующим частям периодической последовательности диафрагм.Instead of creating packets of charged particles with an annular cross section, an additional electrode or an additional electrode system in the center of the channel for moving charged particles can serve to divide the main channel into several unconnected capture regions of charged particles, i.e. into several daughter channels for moving charged particles. An example of a single diaphragm providing such an electrode configuration is shown in FIG. 35. Despite the fact that the geometrical region for moving charged particles shown in Fig. 35 is a connected ring, due to the structural features of the high-frequency electric fields created in the channel volume, this region splits into several unconnected regions of capture of charged particles. In each capture region, charged particles move independently and in each capture region it is possible to independently control the movement of charged particles using additional electric fields created by additional voltages applied to the corresponding parts of the periodic sequence of diaphragms.
Канал для транспортировки может быть разбит на отдельные сегменты, в каждом из которых транспортировка заряженных частиц отличается своей спецификой. Канал для транспортировки может представлять собой последовательность каналов для транспортировки, разделенных переходными областями и/или устройствами.The transportation channel can be divided into separate segments, in each of which the transportation of charged particles differs in its specificity. The transport channel may be a series of transport channels separated by transition regions and / or devices.
Канал транспортировки может представлять собой несколько параллельно работающих каналов. Канал для транспортировки может расщепляться на несколько параллельных каналов (см. фиг.36), например, когда каждый канал настроен на транспортировку вполне определенного диапазона масс, «зачерпываемых» из общего канала транспортировки. Нескольких параллельных каналов для перемещения заряженных частиц могут объединяться в единый канал для перемещения заряженных частиц (см. фиг.37), например, если надо осуществлять динамическое переключение между разными источниками заряженных частиц и/или смешивание разных потоков заряженных частиц в один поток заряженных частиц. Способ, при котором расщепление канала на нескольких дочерних каналов и/или объединение нескольких дочерних каналов в общий канал осуществляется специальным образом сконструированным высокочастотным электрическим полем вместо жесткой структуры, составленной из дополнительных электродов, был продемонстрировпан ранее на фиг.35. Наконец, канал для транспортировки может содержать в своем составе область, выполняющую функцию накопительного объема для заряженных частиц (см. фиг.38).The transportation channel can be several parallel channels. The transportation channel can be split into several parallel channels (see Fig. 36), for example, when each channel is configured to transport a well-defined range of masses, "scooped" from a common transportation channel. Several parallel channels for moving charged particles can be combined into a single channel for moving charged particles (see Fig. 37), for example, if you need to dynamically switch between different sources of charged particles and / or mix different streams of charged particles into one stream of charged particles. The method in which splitting the channel into several daughter channels and / or combining several daughter channels into a common channel is carried out by a specially designed high-frequency electric field instead of a rigid structure made up of additional electrodes, was previously shown in Fig. 35. Finally, the channel for transportation may contain a region that performs the function of the storage volume for charged particles (see Fig. 38).
При попеременно-двунаправленной транспортировке заряженных частиц или в случае, когда заряженные частицы используются и/или анализируются непосредственно в канале транспортировки, один или оба конца у канала транспортировки могут быть заглушены. Заглушка может иметь вид постоянной конструктивной особенности или управляться электрическим полем. Для отражения заряженных частиц в обратном направлении и для создания задержки, необходимой для перестройки управляющих напряжений для транспортировки заряженных частиц в обратном направлении, заглушка может иметь вид электронно-оптического зеркала, использующее как статические или квазистатические электрические поля, так и высокочастотные электрические поля.When alternately bidirectional transportation of charged particles or in the case when charged particles are used and / or analyzed directly in the transportation channel, one or both ends at the transportation channel can be plugged. The plug may be in the form of a constant design feature or controlled by an electric field. To reflect charged particles in the opposite direction and to create the delay necessary for tuning control voltages for transporting charged particles in the opposite direction, the plug can take the form of an electron-optical mirror using both static or quasistatic electric fields and high-frequency electric fields.
Для ввода заряженных частиц в канал для транспортировки заряженных частиц может иметься устройство для ввода заряженных частиц, работающее в непрерывном режиме, или в импульсном режиме, или обладающее способностью переключаться между импульсным режимом и непрерывным режимом работы. Для вывода заряженных частиц из канала для транспортировки заряженных частиц может иметься устройство для вывода заряженных частиц, работающее в непрерывном режиме, или в импульсном режиме, или обладающее способностью переключаться между импульсным режимом и непрерывным режимом работы. Для генерирования заряженных частиц непосредственно в канале для транспортировки заряженных частиц может иметься устройство для генерирования заряженных частиц, работающее в непрерывном режиме, или в импульсном режиме, или обладающее способностью переключаться между импульсным режимом и непрерывным режимом работы. В частности, для генерирования заряженных частиц непосредственно в канале для транспортировки заряженных частиц может использоваться процесс фрагментации первичных заряженных частиц, процесс образования вторичных заряженных частиц в результате взаимодействия с нейтральными или противоположно заряженными частицами, ионизация заряженных частиц с помощью того или иного процесса ионизации.For introducing charged particles into the channel for transporting charged particles, there may be a device for inputting charged particles operating in continuous mode, or in a pulsed mode, or having the ability to switch between pulsed mode and continuous mode of operation. To output charged particles from a channel for transporting charged particles, there may be a device for outputting charged particles operating in a continuous mode, or in a pulsed mode, or having the ability to switch between a pulsed mode and a continuous mode of operation. To generate charged particles directly in the channel for transporting charged particles, there may be a device for generating charged particles operating in a continuous mode, or in a pulsed mode, or having the ability to switch between a pulsed mode and a continuous mode of operation. In particular, to generate charged particles directly in the channel for transporting charged particles, the process of fragmentation of primary charged particles, the process of formation of secondary charged particles as a result of interaction with neutral or oppositely charged particles, ionization of charged particles using one or another ionization process can be used.
Для создания в объеме канала транспортировки заряженных частиц требуемого высокочастотного электрического поля могут использоваться электрические напряжения разных типов.To create the required high-frequency electric field in the volume of the channel for transporting charged particles, different types of voltage can be used.
Рассмотрим в качестве примера канал для транспортировки заряженных частиц, использующий осевое высокочастотное электрическое поле вида Ez(z,t)=(U0/L)cos(z/L-t/T)·cos(ωt), где U0 - амплитуда; ω - частота высокочастотного поля; L, Т - характерные длина и время соответственно; определяемое своим электрическим потенциалом U(z,r,t)=U0sin(z/L-t/T)·(1+r2/4L2+r4/64L4+…)·cos(ωt) (величина r определена как . Этому полю соответствует псевдопотенциал, имеющий на оси устройства значение (см. фиг.39) и порождающий медленно перемещающиеся вдоль оси устройства пространственные области захвата заряженных частиц (см. фиг.40). Амплитуде высокочастотного поля E*(z,t)=(U0/L)cos(z/L-t/T) соответствует амплитуда высокочастотного потенциала U*(z,r,t)=U0sin(z/L-t/T)=U0sin(z/L)cos(t/T)-U0cos(z/L)sin(t/T), то есть данный потенциал представляет из себя суперпозицию статических потенциалов U0sin(z/L) и U0cos(z/L), квазистатически меняющихся во времени по закону cos(t/T) и sin(t/T).Consider, for example, a channel for transporting charged particles using an axial high-frequency electric field of the form E z (z, t) = (U 0 / L) cos (z / Lt / T) · cos (ωt), where U 0 is the amplitude; ω is the frequency of the high-frequency field; L, T - characteristic length and time, respectively; determined by its electric potential U (z, r, t) = U 0 sin (z / Lt / T) · (1 + r 2 / 4L 2 + r 4 / 64L 4 + ...) · cos (ωt) (the quantity r is determined as . This field corresponds to a pseudopotential having the value on the device axis (see Fig. 39) and generating spatial regions of capture of charged particles slowly moving along the device axis (see Fig. 40). The amplitude of the high-frequency field E * (z, t) = (U 0 / L) cos (z / Lt / T) corresponds to the amplitude of the high-frequency potential U * (z, r, t) = U 0 sin (z / Lt / T) = U 0 sin (z / L) cos (t / T) -U 0 cos (z / L) sin (t / T), i.e. this potential is a superposition of static potentials U 0 sin (z / L) and U 0 cos (z / L), quasistatically changing in time according to the law cos (t / T) and sin (t / T).
Хорошее приближение к осесимметричному электростатическому полю, имеющему осевое распределение U0sin(z/L) (где U0 - амплитуда; L, - характерная длина), может быть организовано следующим способом. Рассмотрим последовательность соосных кольцевых диафрагм с радиусом R, объединенных в четверки электродов, периодически повторяющиеся по длине канала транспортировки с периодом 2πL (см. фиг.1 и фиг.2 или использованный далее в качестве примера частного случая выполнения изобретения фиг.55). Если к первому и второму электроду приложить потенциалы +UR (где UR=U0(1+R2/4L2+R4/64L4+…), где U0 - амплитуда; L, - характерная длина, R - радиус кольцевых диафрагм), а к третьему и четвертому электроду приложить потенциалы -UR, то при достаточно большом радиусе R в точках на оси симметрии образуется распределение потенциала вида U0sin(z/L). Соответственно, если к первому и четвертому электроду приложить потенциалы +UR, а ко второму и третьему электроду приложить потенциалы - UR, то на оси симметрии образуется распределение потенциала вида U0cos(z/L). (Альтернативный вариант для создания на оси устройства распределений потенциала, близких к нужным нам распределениям - это приложить к четверке электродов потенциалы (0,+UR,0,-UR) для синуса и потенциалы (+UR,0,-UR,0) для косинуса.)A good approximation to an axisymmetric electrostatic field having an axial distribution of U 0 sin (z / L) (where U 0 is the amplitude; L, is the characteristic length) can be organized in the following way. Consider a sequence of coaxial annular diaphragms with radius R, combined into four electrodes, periodically repeating along the length of the transport channel with a period of 2πL (see Fig. 1 and Fig. 2 or used below as an example of a particular embodiment of Fig. 55). If potentials + U R are applied to the first and second electrodes (where U R = U 0 (1 + R 2 / 4L 2 + R 4 / 64L 4 + ...), where U 0 is the amplitude; L, is the characteristic length, R is radius of the ring diaphragms), and apply the potentials -U R to the third and fourth electrodes, then with a sufficiently large radius R, a potential distribution of the form U 0 sin (z / L) is formed at points on the axis of symmetry. Accordingly, if the first and fourth electrodes to apply the potentials + U R, and the second and third electrode to apply potentials - U R, the axis of symmetry is formed on the potential distribution of the form U 0 cos (z / L). (An alternative for creating potential distributions on the device axis close to the distributions we need is to apply potentials (0, + U R , 0, -U R ) to the four electrodes for the sine and potentials (+ U R , 0, -U R , 0) for cosine.)
Осталось вычислить суперпозицию указанных электрических полей. Итак, к первому электроду в каждой четверке электродов надо приложить высокочастотное электрическое напряжение вида cos(ωt+φ), амплитудно-модулированное по закону ко второму - напряжение, амплитудно-модулированное по закону , к третьему - напряжение, амплитудно-модулированное по закону , к четвертому - напряжение, амплитудно-модулированное по закону .It remains to calculate the superposition of the indicated electric fields. So, to the first electrode in each of the four electrodes it is necessary to apply a high-frequency electric voltage of the form cos (ωt + φ), amplitude-modulated according to the law to the second - voltage amplitude-modulated by law , to the third - voltage amplitude-modulated by law to the fourth - voltage amplitude-modulated according to the law .
Графики напряжений, приложенных к первому, второму, третьему и четвертому электроду в каждой четверке показаны на фиг.41. Для сравнения на фиг.8 были ранее показаны графики напряжений, которые надо прикладывать к этим же электродам для создания в канале транспортировки электрического поля, соответствующего устройству из патента US 6812453, которое является наиболее близким к заявляемому устройству. Поскольку амплитудная модуляция электрических напряжений, прикладываемых к первому и третьему электроду (а также ко второму и четвертому) будет одной и той же, а разность фаз высокочастотных напряжений, прикладываемых к соседним электродам, в данном случае оказывается несущественной, период повторения электрических напряжений, прикладываемых к электродам, можно сократить с 4 до 2 с одновременным сжатием в два раза последовательности пакетов заряженных частиц.Graphs of voltages applied to the first, second, third and fourth electrodes in each four are shown in FIG. 41. For comparison, FIG. 8 previously showed voltage graphs that must be applied to the same electrodes to create an electric field in the transport channel corresponding to the device from US Pat. No. 6,812,453, which is closest to the claimed device. Since the amplitude modulation of the electrical voltages applied to the first and third electrodes (as well as the second and fourth) will be the same, and the phase difference of the high-frequency voltages applied to adjacent electrodes, in this case, is insignificant, the repetition period of the electrical voltages applied to electrodes can be reduced from 4 to 2 while simultaneously compressing twice the sequence of packets of charged particles.
С помощью показанного здесь приема можно легко синтезировать электрические напряжения, требуемые для периодически повторяющейся системы диафрагм, создающих на оси устройства высокочастотное электрическое поле с псевдопотенциалом, имеющем вид , где U* - амплитуда псевдопотенциала, L - характерная длина между последовательными минимумами псевдопотенциала, Т - характерное время перемещения минимумов псевдопотенциала вдоль длины канала, n - натуральное число, характеризующее крутизну стенок образующихся псевдопотенциальных областей захвата заряженных частиц. Например, на фиг.42 показаны электрические напряжения, которые требуется приложить к повторяющимся шестеркам кольцевых электродов для создания высокочастотного электрического поля, обладающего осевым распределением псевдопотенциалом (фиг.43) и соответствующими зонами захвата заряженных частиц (фиг.44), медленно перемещающимися вдоль оси устройства.Using the technique shown here, it is possible to easily synthesize the electrical voltages required for a periodically repeating system of diaphragms creating a high-frequency electric field with a pseudopotential having the form , where U * is the amplitude of the pseudopotential, L is the characteristic length between successive minima of the pseudopotential, T is the characteristic time of movement of the minima of the pseudopotential along the channel length, n is a natural number characterizing the steepness of the walls of the resulting pseudopotential capture regions of charged particles. For example, FIG. 42 shows the electrical voltages that need to be applied to the repeating sixes of the ring electrodes to create a high-frequency electric field having an axial distribution of pseudopotential (Fig. 43) and the corresponding capture zones of charged particles (Fig. 44), slowly moving along the axis of the device.
Математически эквивалентное электрическое поле может быть создано и другим техническим приемом, без использования амплитудной модуляции высокочастотного напряжения. Пусть даны высокочастотные напряжения со сдвигом частот: U1(t)=URcos((w-1/T)t+φ), U2(t)=URsin((w-1/T)t+φ), U3(t)=URcos((w+1/T)t+φ), U4(t)=URsin((w+1/T)t+φ), где UR=U0(1+R2/4L2+R4/64L4+…), где U0 - амплитуда; L, - характерная длина, R - радиус кольцевых дифрагм; Т - характерное время; ω - частота высокочастотного напряжения; φ - начальная фаза высокочастотного напряжения. Если к первому электроду приложить сумму электрических напряжений (U1+U2+U3-U4)/2, ко второму электроду - сумму электрических напряжений (U1-U2+U3+U4)/2, к третьему электроду - сумму электрических напряжений (-U1-U2-U3+U4)/2, и к четвертому электроду - сумму электрических напряжений (-U1+U2-U3-U4)/2, то получим на каждом из электродов тождественно те же самые электрические напряжения, что и раньше. Вместо высокочастотных напряжений, имеющих близкие частоты и отличающихся друг от друга сдвигом фаз π/2, можно использовать для суммирования напряжений высокочастотные напряжения с близкими частотами и с другим ненулевым сдвигом фаз.A mathematically equivalent electric field can be created by another technical technique, without using amplitude modulation of high-frequency voltage. Let high-frequency voltages with a frequency shift be given: U 1 (t) = U R cos ((w-1 / T) t + φ), U 2 (t) = U R sin ((w-1 / T) t + φ ), U 3 (t) = U R cos ((w + 1 / T) t + φ), U 4 (t) = U R sin ((w + 1 / T) t + φ), where U R = U 0 (1 + R 2 / 4L 2 + R 4 / 64L 4 + ...), where U 0 is the amplitude; L, is the characteristic length, R is the radius of the ring diaphragms; T is the characteristic time; ω is the frequency of the high-frequency voltage; φ is the initial phase of the high-frequency voltage. If the sum of the electrical voltages (U 1 + U 2 + U 3 -U 4 ) / 2 is applied to the first electrode, the sum of the electrical voltages (U 1 -U 2 + U 3 + U 4 ) / 2 is applied to the second electrode to the third electrode - the sum of the electrical voltages (-U 1 -U 2 -U 3 + U 4 ) / 2, and to the fourth electrode - the sum of the electrical voltages (-U 1 + U 2 -U 3 -U 4 ) / 2, then we obtain on each from the electrodes the same electrical voltages are identical as before. Instead of high-frequency voltages having close frequencies and differing from each other by a phase shift π / 2, high-frequency voltages with close frequencies and with another nonzero phase shift can be used to summarize the voltages.
Вместо амплитудной модуляции высокочастотных напряжений или комбинирования нескольких высокочастотных напряжений, отличающихся друг от друга постоянным сдвигом частот и фаз, можно использовать фазово-модулированные высокочастотные напряжения, частотно-модулированные высокочастотные напряжения, цуги высокочастотных напряжений, надлежащим образом синхронизированных во времени. Наконец, требуемые электрические напряжения могут быть синтезированы цифровым способом с помощью компьютера, микропроцессора или программируемого импульсного устройства. На фиг.45-54 приведены различные способы получения требуемых высокочастотных напряжений: а) фиг.45 - амплитудная модуляция высокочастотного напряжения cos(ωt) с помощью функции sin(t/T), б) фиг.46 - амплитудная модуляция высокочастотного напряжения cos(ωt) c помощью функции sin2(t/T)=(1-cos(2t/T))/2, в) фиг.47 - амплитудная модуляция высокочастотного напряжения cos(ωt) c помощью функции (1-γt/T)sin(t/T), г) фиг.48 - сумма четырех высокочастотных напряжений с разными частотами sin((ω+1/T)t)-sin((ω-1/T)t)+cos((ω+1/T)t)+cos((ω-1/T)t), сдвинутая по фазе на π/4, д) фиг.49 - суперпозиция фазово модулированных высокочастотных напряжений, которая задается формулой cos(ωt+cos(t/T))+cos(ωt-cos(t/T))-cos(ωt), е) фиг.50 - суперпозиция фазово модулированных высокочастотных напряжений, которая задается формулой cos(ωt+sin(cos(t/T)))+cos(ωt-sin(cos(t/T)))-1.3cos(ωt), ж) фиг.51 - частотная модуляция высокочастотного напряжения cos(ωt) с помощью функции sin(t/T)/(t/T), з) фиг.52 - частотная модуляция высокочастотного напряжения cos(ωt) c помощью осциллирующей функции. Понятное дело, что требуемые электрические напряжения, прикладываемые к электродам, могут создаваться и другими техническими приемами - поведение эффективного потенциала создаваемого высокочастотного электрического поля является здесь определяющим фактором.Instead of amplitude modulation of high-frequency voltages or a combination of several high-frequency voltages, which differ from each other by a constant shift of frequencies and phases, phase-modulated high-frequency voltages, frequency-modulated high-frequency voltages, trains of high-frequency voltages properly synchronized in time can be used. Finally, the required electrical voltages can be synthesized digitally using a computer, microprocessor, or programmable pulse device. Figs. 45-54 show various methods for obtaining the required high-frequency voltages: a) Fig. 45 is the amplitude modulation of the high-frequency voltage cos (ωt) using the sin (t / T) function, b) Fig. 46 is the amplitude modulation of the high-frequency voltage cos ( ωt) using the function sin 2 (t / T) = (1-cos (2t / T)) / 2, c) Fig. 47 shows the amplitude modulation of the high-frequency voltage cos (ωt) using the function (1-γt / T) sin (t / T), d) Fig. 48 is the sum of four high-frequency voltages with different frequencies sin ((ω + 1 / T) t) -sin ((ω-1 / T) t) + cos ((ω + 1 / T) t) + cos ((ω-1 / T) t), shifted in phase by π / 4, e) Fig. 49 - superposition of phase modulated high-frequency voltages, which is given by the formula cos (ωt + cos (t / T)) + cos (ωt-cos (t / T)) - cos (ωt), f) Fig. 50 is a superposition of phase-modulated high-frequency voltages, which is given by the formula cos (ωt + sin (cos (t / T))) + cos (ωt-sin (cos (t / T))) - 1.3cos (ωt), g) Fig. 51 - frequency modulation of the high-frequency voltage cos (ωt) using the function sin (t / T) / (t / T), h) Fig. 52 - frequency modulation of the high-frequency voltage cos (ωt) using an oscillating function. It is clear that the required electrical voltages applied to the electrodes can be created by other techniques as well - the behavior of the effective potential of the generated high-frequency electric field is a determining factor here.
Напряжения, приложенные к электродам, не обязаны быть строго периодическими (см. фиг.47). Все указанные способы синтеза напряжений, прикладываемых к электродам транспортирующей системы, обеспечивают создание в канале транспортировки высокочастотного электрического поля с требуемыми свойствами.The voltages applied to the electrodes do not have to be strictly periodic (see Fig. 47). All these methods for synthesizing the voltages applied to the electrodes of the conveying system ensure the creation of a high-frequency electric field with the required properties in the transport channel.
Использование в качестве базового высокочастотного напряжения, которое подвергается амплитудной модуляции, фазовой модуляции, частотной модуляции и так далее, именно гармонического напряжения, меняющегося по закону cos(ωt+φ), не является обязательным. В качестве такого напряжения с равным успехом могут использоваться периодические негармонические высокочастотные напряжения, и/или высокочастотные напряжения, содержащие в своем частотном спектре две или более частоты, и/или высокочастотные напряжения, содержащие в своем частотном спектре бесконечный набор частот, и/или импульсные высокочастотные напряжения.The use of a base high-frequency voltage, which undergoes amplitude modulation, phase modulation, frequency modulation, and so on, is precisely the harmonic voltage that varies according to the law cos (ωt + φ), is not required. With such success, periodic non-harmonic high-frequency voltages, and / or high-frequency voltages containing two or more frequencies in their frequency spectrum, and / or high-frequency voltages containing in their frequency spectrum an infinite set of frequencies, and / or pulsed high-frequency ones can equally well be used voltage.
Для создания в объеме канала транспортировки заряженных частиц требуемого высокочастотного электрического поля могут использоваться конфигурации электродов разных типов.Electrodes of different types can be used to create the required high-frequency electric field in the volume of the channel for transporting charged particles.
Изображенная на фиг.1 и фиг.2 конфигурация из периодически повторяющихся круговых диафрагм не является ни единственной, ни оптимальной конфигурацией электродов, хотя, возможно, она является самой экономной и конструктивно простой. На фиг.53 показана одиночная диафрагма с квадратным сечением, которая будет впоследствии использована в качестве примера частного случая выполнения заявляемого изобретения. На фиг.54 показана квадруполе-подобная конфигурация, рассчитанная аналитически с целью избавиться от дополнительного радиочастотного напряжения, требуемого в случае круговых диафрагм для более эффективного прижатия заряженных частиц к оси устройства (профили электродов этой одиночной диафрагмы уже не будут в точности гиперболами, соответствующими квадратичному электрическому полю, их приближенное описание представляется кривыми четвертого порядка, а точное уравнение содержит высшие трансцендентные функции). На фиг.55, фиг.56 и фиг.57 показаны огрубленные профили электродов, аппроксимирующие упомянутую аналитически рассчитанную форму с помощью прямоугольных, треугольных и трапециедальных профилей. Аналогичным образом конструируются конфигурации электродов, использующие высшие мультипольные компоненты в качестве основы. Например, на фиг.58 показана система электродов из разрезных круговых стержней, служащая для создания в канале транспортировки высокочастотного электрического поля, состоящего из высших мультипольных (секступольных) компонент. На фиг.59 показана последовательность из чередующихся одиночных диафрагм с прямоугольными отверстиями, развернутыми относительно друг друга, которая также создает требуемые мультипольные компоненты псевдопотенциала, неоднородные вдоль канала для перемещения заряженных частиц (данная конфигурация электродов будет рассмотрена далее в качестве примера частного случая выполнения заявляемого изобретения). На фиг.60 показаны плоские разрезные диафрагмы с криволинейным профилем в сочетании со сплошным электродом с криволинейным профилем, которые также создают требуемые мультипольные компоненты псевдопотенциала вдоль канала для перемещения заряженных частиц. Данная конфигурация электродов в совокупности образует квадруполеподобную структуру электродов, а структура электрического поля внутри объема устройства может быть такова, что к сплошному электроду не надо прикладывать высокочастотные напряжения (данная конфигурация электродов будет рассмотрена далее в качестве примера частного случая выполнения заявляемого изобретения).The configuration of periodically repeating circular diaphragms shown in FIGS. 1 and 2 is neither the only nor the optimal configuration of the electrodes, although it may be the most economical and structurally simple. On Fig shows a single diaphragm with a square section, which will subsequently be used as an example of a particular case of the invention. On Fig shows a quadrupole-like configuration, calculated analytically in order to get rid of the additional radio frequency voltage required in the case of circular diaphragms to more effectively press the charged particles to the axis of the device (the electrode profiles of this single diaphragm will no longer be exactly the hyperbolas corresponding to the quadratic electric field, their approximate description is represented by fourth-order curves, and the exact equation contains higher transcendental functions). In Fig. 55, Fig. 56 and Fig. 57 shows roughened profiles of the electrodes approximating said analytically calculated shape using rectangular, triangular and trapezoidal profiles. Electrode configurations using higher multipole components as a basis are constructed in a similar way. For example, on Fig shows a system of electrodes from split circular rods, which serves to create a high-frequency electric field in the transportation channel, consisting of higher multipole (sextupole) components. On Fig shows a sequence of alternating single diaphragms with rectangular holes that are deployed relative to each other, which also creates the required multipole components of the pseudopotential, inhomogeneous along the channel for moving charged particles (this configuration of the electrodes will be considered below as an example of a particular case of the claimed invention) . On Fig shows a flat split diaphragm with a curved profile in combination with a continuous electrode with a curved profile, which also create the required multipole components of the pseudopotential along the channel for moving charged particles. This configuration of the electrodes together forms a quadruple-like structure of the electrodes, and the structure of the electric field inside the volume of the device may be such that high-frequency voltages do not need to be applied to the solid electrode (this configuration of the electrodes will be considered below as an example of a particular embodiment of the claimed invention).
Конструктивно электроды устройства могут быть выполнены в виде объемных тел, тонких сплошных поверхностей, представлять из себя проводящие слои металла, нанесенные на диэлектрическую подложку, иметь вид сеток. Сеточные электроды являются удобными, когда транспортировка заряженных частиц осуществляется в потоке газа и требуется обеспечить конфигурацию электродов, оказывающих потоку газа минимальное сопротивление. Той же самой цели служат, например, проволочные электроды и электроды с разрезами и/или специальным образом организованными отверстиями, не влияющими или влияющие слабо на создаваемое электродами электрическое поле.Structurally, the electrodes of the device can be made in the form of volumetric bodies, thin continuous surfaces, represent conductive layers of metal deposited on a dielectric substrate, have the form of grids. Mesh electrodes are convenient when charged particles are transported in a gas stream and it is required to provide a configuration of electrodes that provide minimal resistance to the gas stream. The same purpose is, for example, wire electrodes and electrodes with cuts and / or specially organized holes that do not affect or weakly affect the electric field created by the electrodes.
Устройство может использоваться как для транспортировки и манипулирования заряженными частицами в вакууме, так и в нейтральном или частично ионизированном газе. Важным случаем является случай, когда транспортировка заряженных частиц осуществляется в потоке газа, поскольку этот случай соответствует интерфейсу между газонаполненным источником ионов и анализирующим устройством, функционирующим в условиях вакуума. Для ввода и/или вывода из устройства заряженных частиц некоторые электроды могут иметь дополнительные отверстия или щели. Ввод и/или вывод из устройства заряженных частиц может осуществляться также через промежутки между электродами. Для ввода и/или вывода заряженных частиц из устройства могут требоваться дополнительные импульсные или ступенчатые напряжения, не связанные непосредственно с транспортировкой заряженных частиц внутри устройства.The device can be used both for transportation and manipulation of charged particles in vacuum, and in a neutral or partially ionized gas. An important case is when charged particles are transported in a gas stream, since this case corresponds to the interface between a gas-filled ion source and an analyzer operating in a vacuum. Some electrodes may have additional holes or slots for input and / or output of charged particles from the device. The input and / or output from the device of charged particles can also be carried out through the gaps between the electrodes. For input and / or output of charged particles from the device, additional pulse or step voltages may be required that are not directly related to the transport of charged particles inside the device.
Ниже представлено краткое описание чертежей.The following is a brief description of the drawings.
Фиг.1. Одиночная круговая диафрагма, использующаяся в качестве одного из возможных электродов в устройстве согласно патенту US 6812453.Figure 1. A single circular diaphragm used as one of the possible electrodes in the device according to patent US 6812453.
Фиг.2. Возможное расположение электродов устройства согласно патенту US 6812453. Устройство содержит систему электродов, представляющую собой последовательность соосных пластин с отверстиями, расположенных с образованием между электродами внутреннего объема, ориентированного вдоль продольной оси устройства и предназначенного для перемещения в нем ионов.Figure 2. A possible arrangement of the electrodes of the device according to the patent US 6812453. The device contains an electrode system, which is a sequence of coaxial plates with holes located between the electrodes of the internal volume, oriented along the longitudinal axis of the device and designed to move ions in it.
Фиг.3. Возможное распределение осевой компоненты напряженности электрического поля Ez(z,t) вдоль канала для перемещения заряженных частиц для нескольких близко расположенных моментов времени t, t+δt, t+2δt, t+3δt, … (для устройства согласно патенту US 6812453).Figure 3. The possible distribution of the axial component of the electric field strength E z (z, t) along the channel for moving charged particles for several closely spaced instants of time t, t + δt, t + 2δt, t + 3δt, ... (for the device according to patent US 6812453).
Фиг.4. Возможная огибающая осевой компоненты напряженности электрического поля Еa(z,t) вдоль канала для некоторых достаточно далеко отстоящих друг от друга моментов времени t и t+Δt, Δt>>δt (для устройства согласно патенту US 6812453).Figure 4. The possible envelope of the axial component of the electric field strength E a (z, t) along the channel for some rather far apart moments of time t and t + Δt, Δt >> δt (for the device according to the patent US 6812453).
Фиг.5. Возможное двумерное распределение вдоль длины канала для перемещения заряженных частиц (ось z) и в одном из перпендикулярных направлений (ось x) псевдопотенциала для устройства согласно патенту US 6812453.Figure 5. A possible two-dimensional distribution along the channel length for moving charged particles (z axis) and in one of the perpendicular directions (x axis) of the pseudopotential for the device according to patent US 6812453.
Фиг.6. Возможное двумерное распределение (в некоторый момент времени) вдоль длины канала для перемещения заряженных частиц (ось z) и в одном из перпендикулярных направлений (ось x) потенциала Ua(x, y, z, t) квазистатического электрического поля для устройства согласно патенту US 6812453.6. Possible two-dimensional distribution (at some point in time) along the channel length for moving charged particles (z axis) and in one of the perpendicular directions (x axis) of the potential U a (x, y, z, t) of the quasistatic electric field for the device according to US patent 6812453.
Фиг.7. Возможное распределение (в некоторый момент времени) потенциала Ua(z,t) квазистатического электрического поля, вдоль оси канала для перемещения заряженных частиц (ось z) для устройства согласно патенту US 6812453.7. Possible distribution (at some point in time) of the potential U a (z, t) of a quasistatic electric field along the channel axis for moving charged particles (z axis) for the device according to US Pat. No. 6,812,453.
Фиг.8. Возможные электрические напряжения U1(t), U2(t), U3(t), U4(t) на первом, втором, третьем, четвертом электродах соответственно в каждой из периодически повторяющихся четверок электродов согласно патенту US 6812453.Fig. 8. Possible electrical voltages U 1 (t), U 2 (t), U 3 (t), U 4 (t) on the first, second, third, fourth electrodes, respectively, in each of the periodically repeated fours of electrodes according to patent US 6812453.
Фиг.9. Захват вдоль канала для перемещения заряженных частиц (ось z) отрицательно заряженных частиц максимумами квазистатического потенциала Ua(z,t) и положительно заряженных частиц минимумами квазистатического потенциала Ua(z,t).Fig.9. Capture along the channel for moving charged particles (z axis) of negatively charged particles with maxima of the quasistatic potential U a (z, t) and positively charged particles with minima of the quasistatic potential U a (z, t).
Фиг.10. Пример спектра Фурье F(ω) для прикладываемых высокочастотных напряжений f(t), которые могут быть представлены в каноническом эквивалентном виде как сумма «быстрых» гармоник с «медленно» меняющимися амплитудами.Figure 10. An example of the Fourier spectrum F (ω) for applied high-frequency voltages f (t), which can be represented in canonical equivalent form as the sum of “fast” harmonics with “slowly” changing amplitudes.
Фиг.11. Возможное распределение осевой компоненты напряженности электрического поля Ez(z,t) вдоль оси канала для перемещения заряженных частиц (ось z) для нескольких близко расположенных моментов времени t, t+δt, t+2δt, t+3δt, … для заявляемого устройства.11. The possible distribution of the axial component of the electric field strength E z (z, t) along the channel axis for moving charged particles (z axis) for several closely spaced time instants t, t + δt, t + 2δt, t + 3δt, ... for the claimed device.
Фиг.12. Возможное распределение огибающей осевой компоненты напряженности электрического поля Ea(z,t) вдоль канала (ось z) для некоторых достаточно далеко отстоящих друг от друга моментов времени t и t+Δt (Δt>>δt) для заявляемого устройства.Fig. 12. The possible distribution of the envelope of the axial component of the electric field strength E a (z, t) along the channel (z axis) for some rather distant moments of time t and t + Δt (Δt >> δt) for the claimed device.
Фиг.13. Возможное двумерное распределение вдоль длины канала для перемещения заряженных частиц (ось z) и в одном из перпендикулярных направлений (ось x) для псевдопотенциала для заявляемого устройства.Fig.13. Possible two-dimensional distribution along the channel length for moving charged particles (z axis) and in one of the perpendicular directions (x axis) for the pseudopotential for the inventive device.
Фиг.14. Возможное распределение псевдопотенциала вдоль канала для перемещения заряженных частиц (ось z) для заявляемого устройства.Fig.14. Possible distribution of pseudopotential along the channel for moving charged particles (z axis) for the inventive device.
Фиг.15. Захват отрицательно и положительно заряженных частиц в местах минимумов псевдопотенциала , расположенных вдоль участка оси z.Fig.15. Capture of negatively and positively charged particles at the minimum pseudopotential sites located along a section of the z axis.
Фиг.16. Зависимость координаты z(t) (соответствует оси устройства) ионных траекторий от времени t для частного случая заявляемого устройства с осевым распределением электрического поля Еz(z,t)=Е0cos(z/L-t/T)·cos(ωt).Fig.16. The dependence of the coordinate z (t) (corresponding to the axis of the device) of the ion trajectories on time t for a particular case of the inventive device with the axial distribution of the electric field E z (z, t) = E 0 cos (z / Lt / T) · cos (ωt).
Фиг.17. Зависимость z(t)-νt от времени t, где ν - скорость перемещения минимумов псевдопотенциала вдоль канала для перемещения заряженных частиц. Данная зависимость демонстрирует синхронное перемещение ионных пакетов с общей средней скоростью ν.Fig.17. Dependence of z (t) -νt on time t, where ν is the velocity of the minima of the pseudopotential along the channel for moving charged particles. This dependence demonstrates the synchronous movement of ion packets with a total average velocity ν.
Фиг.18. Зависимость координаты r(t) (соответствует радиальному направлению относительно оси канала для перемещения заряженных частиц) от времени t.Fig. 18. The dependence of the coordinate r (t) (corresponds to the radial direction relative to the axis of the channel for moving charged particles) on time t.
Фиг.19. Синхронизированное во времени перемещение пакета заряженных частиц и минимума псевдопотенциала вдоль канала для перемещения заряженных частиц (ось z). На Фиг. показан процесс перемещения минимума псевдопотенциала для разных моментов времени t1 и t2 (t1<t2).Fig.19. Time-synchronized movement of a packet of charged particles and a minimum of pseudopotential along the channel for moving charged particles (z axis). In FIG. the process of moving the minimum of the pseudopotential for different times t 1 and t 2 (t 1 <t 2 ) is shown.
Фиг.20. «Выпихивание» заряженных частиц максимумом псевдопотенциала вдоль канала для перемещения заряженных частиц (ось z) со временем. На Фиг. показан процесс перемещения максимума псевдопотенциала для разных моментов времени t1 и t2(t1<t2)Fig.20. "Pushing" of charged particles with a maximum of pseudopotential along the channel for moving charged particles (z axis) with time. In FIG. the process of moving the maximum of the pseudopotential for different time instants t 1 and t 2 (t 1 <t 2 ) is shown
Фиг.21. Разбиение совокупности заряженных частиц, попавших в канал для перемещения заряженных частиц, на локализованные в пространстве пространственно сепарированные пакеты заряженных частиц, синхронно перемещаемые от входа к выходу в случае, когда псевдопотенциал имеет вдоль канала для перемещения заряженных частиц (ось z) перемежающиеся максимумы и минимумы. На Фиг. показан процесс перемещения максимумов и минимумов псевдопотенциала для разных моментов времени t1 и t2 (t1<t2).Fig.21. Partitioning the set of charged particles entering the channel for moving charged particles into spatially separated packets of charged particles localized in space, synchronously moving from input to output in the case when the pseudopotential has along the channel for moving charged particles (z axis) alternating maxima and minima. In FIG. The process of moving the maxima and minima of the pseudopotential for different time instants t 1 and t 2 (t 1 <t 2 ) is shown.
Фиг.22. Пример распределения высокочастотного электрического поля с неоднородным распределением Еz(z,t)=Е0(π/2+arctan(z/H))·cos(z/L-t/T)·cos(ωt) осевой компоненты электрического поля вдоль оси устройства (где Е0 - характерный масштаб изменения амплитуды осевого распределения электрического поля, z - пространственная координата вдоль оси канала перемещения заряженных частиц, Н - характерный пространственный масштаб «затухания» осцилляции псевдопотенциала, L - характерный пространственный масштаб одиночной осцилляции псевдопотенциала, T - характерный «медленный» временной масштаб смещения осцилляции псевдопотенциала вдоль оси устройства, ω - «быстрая» частота высокочастотных гармонических колебаний электрического поля, причем H>>L и ωТ>>1).Fig.22. An example of the distribution of a high-frequency electric field with a non-uniform distribution Е z (z, t) = Е 0 (π / 2 + arctan (z / H)) · cos (z / Lt / T) · cos (ωt) of the axial component of the electric field along the axis devices (where E 0 is the characteristic scale of the amplitude variation of the axial distribution of the electric field, z is the spatial coordinate along the axis of the channel for moving charged particles, H is the characteristic spatial scale of the “attenuation” of the pseudopotential oscillation, L is the characteristic spatial scale of a single pseudopotential oscillation, T is the characteristic " slow the “time” scale of the displacement of the oscillations of the pseudopotential along the device axis, ω is the “fast” frequency of high-frequency harmonic oscillations of the electric field, moreover, H >> L and ωТ >> 1).
Фиг.23. Распределение вдоль канала для перемещения заряженных частиц (ось z) псевдопотенциала высокочастотного электрического поля с осевой компонентой, показанной на Фиг.22. По мере приближения к точке z=0 можно наблюдать монотонно нарастающие максимумы псевдопотенциала, образующие уходящую в сторону z=+∞ нарастающую и перемещающуюся вдоль оси волну. Данное осевое распределение электрического поля формирует область устойчивого накопления частиц при -∞<z<-2Н, область устойчивого перемещения заряженных частиц при +2Н<z<+∞ и переходную область при -2Н<z<+2Н.Fig.23. The distribution along the channel for the movement of charged particles (z axis) of the pseudopotential a high frequency electric field with an axial component shown in FIG. As we approach the point z = 0, we can observe monotonically increasing maxima of the pseudopotential, which form a wave growing in the direction z = + ∞ and moving along the axis. This axial distribution of the electric field forms the region of stable particle accumulation at -∞ <z <-2Н, the region of stable displacement of charged particles at + 2Н <z <+ ∞ and the transition region at -2Н <z <+ 2Н.
Фиг.24. Пример псевдопотенциала для высокочастотного поля, полученного из Фиг.22 добавлением высокочастотного поля, подчиняющегося на оси устройства закону Ez(z,t)=0.45Е0(π/2-arctan(z/H))·sin(ωt). В результате суперпозиции указанных высокочастотных полей в переходной области между областью накопления заряженных частиц и областью откачки заряженных частиц получен отрезок псевдопотенциала с монотонно убывающими минимумами, увеличивающий эффективность захвата и откачки как положительно, так и отрицательно заряженных частиц.Fig.24. Pseudopotential Example for the high-frequency field obtained from Fig. 22 by adding a high-frequency field obeying the law E z (z, t) = 0.45Е 0 (π / 2-arctan (z / H)) · sin (ωt) on the device axis. As a result of a superposition of these high-frequency fields in the transition region between the region of accumulation of charged particles and the region of evacuation of charged particles, a segment of the pseudopotential is obtained with monotonously decreasing minima, increasing the efficiency of capture and pumping of both positively and negatively charged particles.
Фиг.25. Пример потенциальной функции для положительно заряженных частиц, которая соответствует суперпозиции постоянного электрического поля с осевым распределением потенциала потенциалом U(z)=U0(π/2-arctan(z/H))2 на оси канала для перемещения заряженных частиц и высокочастотного электрического поля на Фиг.22. График потенциальной функции тождественно совпадает с графиком псевдопотенциала на Фиг.24. В переходной области между областью накопления заряженных частиц и областью откачки заряженных частиц имеется отрезок с монотонно убывающими максимумами и минимумами, увеличивающий эффективность захвата и откачки положительно заряженных частиц.Fig.25. An example of a potential function for positively charged particles, which corresponds to a superposition of a constant electric field with an axial potential distribution with the potential U (z) = U 0 (π / 2-arctan (z / H)) 2 on the channel axis for moving charged particles and a high-frequency electric field on Fig. The graph of the potential function identically coincides with the graph of the pseudopotential in Fig.24. In the transition region between the region of accumulation of charged particles and the region of evacuation of charged particles, there is a segment with monotonically decreasing maxima and minima, which increases the efficiency of capture and pumping of positively charged particles.
Фиг.26. Пример потенциальной функции для отрицательно заряженных частиц, которая соответствует суперпозиции постоянного электрического поля и высокочастотного электрического поля с Фиг.25. График показывает, что в переходной области между областью накопления заряженных частиц и областью откачки заряженных частиц имеется отрезок с монотонно растущими максимумами и минимумами, уменьшающий эффективность захвата и откачки отрицательно заряженных частиц.Fig.26. An example of a potential function for negatively charged particles, which corresponds to a superposition of a constant electric field and a high-frequency electric field with Fig. 25. The graph shows that in the transition region between the region of accumulation of charged particles and the region of evacuation of charged particles, there is a segment with monotonically increasing maxima and minima, which reduces the efficiency of capture and pumping of negatively charged particles.
Фиг.27. Пример потенциальной функции для положительно заряженных частиц, соответствующей суперпозиции высокочастотного электрического поля с Фиг.22 и постоянного однородного электрического поля. График показывает, что такая суперпозиция электрических полей обеспечивает переходную область, увеличивающую эффективность захвата и откачки положительно заряженных частиц.Fig.27. An example of a potential function for positively charged particles, the corresponding superposition of the high-frequency electric field of FIG. 22 and a constant uniform electric field. The graph shows that such a superposition of electric fields provides a transition region that increases the efficiency of capture and pumping of positively charged particles.
Фиг.28. Пример потенциальной функции для отрицательно заряженных частиц, соответствующей суперпозиции высокочастотного электрического поля с Фиг.22 и постоянного однородного электрического поля. График показывает, что такая суперпозиция электрических полей обеспечивает переходную область, уменьшающую эффективность захвата и откачки отрицательно заряженных частиц.Fig.28. An example of a potential function for negatively charged particles, the corresponding superposition of the high-frequency electric field of FIG. 22 and a constant uniform electric field. The graph shows that such a superposition of electric fields provides a transition region that reduces the efficiency of capture and pumping of negatively charged particles.
Фиг.29. Структура электродов, способная обеспечить поле, сопрягающее накопительную область с регулярной откачкой с ее края дискретных пакетов заряженных частиц.Fig.29. The structure of the electrodes, capable of providing a field that mates the storage region with regular pumping of discrete packets of charged particles from its edge.
Фиг.30. Пример прямолинейного канала для перемещения заряженных частиц.Fig.30. An example of a rectilinear channel for moving charged particles.
Фиг.31. Пример криволинейного канала для перемещения заряженных частиц.Fig.31. An example of a curved channel for moving charged particles.
Фиг.32. Частный случай переменного профиля канала для перемещения заряженных частиц, имеющий конфигурацию воронки.Fig. 32. A special case of a variable channel profile for moving charged particles, having the configuration of a funnel.
Фиг.33. Пример канала для перемещения заряженных частиц, образованного одиночными диафрагмами с Фиг.34 или Фиг.35, центральная часть которых содержит в своем сечении дополнительные электроды.Fig. 33. An example of a channel for moving charged particles formed by the single diaphragms of Fig. 34 or Fig. 35, the central part of which contains additional electrodes in its cross section.
Фиг.34. Пример одиночной диафрагмы, центральная часть которой содержит в своем сечении дополнительный электрод.Fig. 34. An example of a single diaphragm, the central part of which contains an additional electrode in its cross section.
Фиг.35. Пример одиночной диафрагмы с центральной частью, в которой образуется несколько несвязанных областей захвата заряженных частиц и, соответственно, несколько независимых параллельных каналов для перемещения заряженных частиц.Fig. 35. An example of a single diaphragm with a central part in which several unconnected capture regions of charged particles are formed and, accordingly, several independent parallel channels for moving charged particles.
Фиг.36. Пример канала для перемещения заряженных частиц с расщеплением на несколько параллельных каналов. В данном случае каждый канал может быть настроен на транспортировку вполне определенного диапазона масс, «зачерпываемых» из общего канала транспортировки.Fig. 36. An example of a channel for moving charged particles with splitting into several parallel channels. In this case, each channel can be configured to transport a very specific range of masses, "scooped" from a common transportation channel.
Фиг.37. Пример слияния нескольких каналов для перемещения заряженных частиц в один канал. В данном случае может быть осуществлено динамическое переключение между разными источниками заряженных частиц и/или смешивание разных потоков заряженных частиц в один поток заряженных частиц.Fig.37. An example of merging several channels for moving charged particles into one channel. In this case, dynamic switching between different sources of charged particles and / or mixing of different flows of charged particles into one stream of charged particles can be carried out.
Фиг.38. Пример канала для перемещения заряженных частиц, содержащего в своем составе область, выполняющую функцию накопительного объема для заряженных частиц.Fig. 38. An example of a channel for moving charged particles, containing in its composition a region that performs the function of the storage volume for charged particles.
Фиг.39. Пример распределения псевдопотенциала вдоль канала для перемещения заряженных частиц (ось z), обладающегося чередующимися и перимещающимися вдоль канала для перемещения заряженных частиц максимумами и минимумами. Данный псевдопотенциал соответствует осевому распределению высокочастотного электрического поля, подчиняющегося закону Еz(z,t)=(U0/L)cos(z/L-t/T)·cos(ωt).Fig. 39. Pseudopotential distribution example along the channel for moving charged particles (z axis), which has alternating and moving along the channel for moving charged particles maxima and minima. This pseudopotential corresponds to the axial distribution of a high-frequency electric field, obeying the law E z (z, t) = (U 0 / L) cos (z / Lt / T) · cos (ωt).
Фиг.40. Распределение областей захвата заряженных частиц вдоль канала для перемещения заряженных частиц (ось z), соответствующие псевдопотенциалу , изображенному на Фиг.39.Fig.40. Distribution of capture regions of charged particles along a channel for moving charged particles (z axis) corresponding to the pseudopotential shown in Fig. 39.
Фиг.41. Напряжения U1(t), U2(t), U3(t), U4(t) на первом, втором, третьем, четвертом электродах соответственно в каждой четверке электродов-диафрагм для создания высокочастотного электрического поля с псевдопотенциалом, изображенном на Фиг.39.Fig. 41. Voltages U 1 (t), U 2 (t), U 3 (t), U 4 (t) on the first, second, third, fourth electrodes in each of the four diaphragm electrodes, respectively, to create a high-frequency electric field with a pseudopotential shown in Fig. 39.
Фиг.42. Электрические напряжения U1(t), U2(t), U3(t), U4(t), U5(t), U6(t), которые требуется приложить к повторяющимся шестеркам электродов-диафрагм для создания высокочастотного электрического поля, обладающего осевым распределением псевдо потенциала .Fig. 42. Electrical voltages U 1 (t), U 2 (t), U 3 (t), U 4 (t), U 5 (t), U 6 (t), which are required to be applied to the repeating six diaphragm electrodes to create a high-frequency electric field with an axial distribution of pseudo potential .
Фиг.43. Распределение псевдопотенциала вдоль канала для перемещения заряженных частиц (ось z), соответствующего высокочастотному электрическому полю, порожденному напряжениями на электродах устройства с Фиг.42.Fig. 43. Pseudopotential distribution along the channel for moving charged particles (z axis) corresponding to the high-frequency electric field generated by the voltages at the electrodes of the device of FIG. 42.
Фиг.44. Области захвата заряженных частиц, соответствующие псевдопотенциалу вдоль канала для перемещения заряженных частиц (ось z).Fig.44. The capture regions of charged particles corresponding to the pseudopotential along the channel for moving charged particles (z axis).
Фиг.45. Пример высокочастотного напряжения U(t), созданного с помощью амплитудной модуляции напряжения cos(ωt) функцией sin(t/T).Fig.45. An example of a high-frequency voltage U (t) created by amplitude modulation of the voltage cos (ωt) by the sin (t / T) function.
Фиг.46. Пример высокочастотного напряжения U(t), созданного с помощью амплитудной модуляции напряжения cos(ωt) функцией sin2(t/T)=(1-cos(2t/T))/2.Fig. 46. An example of a high-frequency voltage U (t) created by amplitude modulation of the voltage cos (ωt) by the function sin 2 (t / T) = (1-cos (2t / T)) / 2.
Фиг.47. Пример высокочастотного напряжения U(t), созданного с помощью амплитудной модуляции напряжения cos(ωt) функцией (1-γt/T)sin(t/T).Fig.47. An example of a high-frequency voltage U (t) created by amplitude modulation of the voltage cos (ωt) by the function (1-γt / T) sin (t / T).
Фиг.48. Пример высокочастотного напряжения U(t) как суммы четырех высокочастотных напряжений с разными частотами sin((ω+1/T)t)-sin((ω-1/T)t)+cos((ω+1/Т)t)+cos((ω-1/T)t), сдвинутых по фазе на π/4.Fig. 48. An example of a high-frequency voltage U (t) as the sum of four high-frequency voltages with different frequencies sin ((ω + 1 / T) t) -sin ((ω-1 / T) t) + cos ((ω + 1 / T) t) + cos ((ω-1 / T) t), phase shifted by π / 4.
Фиг.49. Пример высокочастотного напряжения U(t) как суперпозиции фазово-модулированных высокочастотных напряжений, которая задается формулой cos(ωt+cos(t/T))+cos(ωt-cos(t/T))-cos(ωt).Fig. 49. An example of a high-frequency voltage U (t) as a superposition of phase-modulated high-frequency voltages, which is given by the formula cos (ωt + cos (t / T)) + cos (ωt-cos (t / T)) - cos (ωt).
Фиг.50. Пример высокочастотного напряжения U(t) как суперпозиции фазово-модулированных высокочастотных напряжений, которая задается формулой cos(ωt+sin(cos(t/T)))+cos(ωt-sin(cos(t/T)))-1.3cos(ωt).Fig. 50. An example of a high-frequency voltage U (t) as a superposition of phase-modulated high-frequency voltages, which is given by the formula cos (ωt + sin (cos (t / T))) + cos (ωt-sin (cos (t / T))) - 1.3cos (ωt).
Фиг.51. Пример высокочастотного напряжения U(t), созданного частотной модуляцией высокочастотного напряжения cos(ωt) с помощью функции sin(t/T)/(t/T).Fig. 51. An example of a high-frequency voltage U (t) created by frequency modulation of a high-frequency voltage cos (ωt) using the sin (t / T) / (t / T) function.
Фиг.52. Пример напряжения U(t), созданного частотной модуляцией высокочастотного напряжения cos(ωt) с помощью осциллирующей функции.Fig. 52. An example of voltage U (t) created by frequency modulation of a high-frequency voltage cos (ωt) using an oscillating function.
Фиг.53. Плоская некольцевая диафрагма, используемой для конструирования канала для перемещения заряженных частиц, состоящего из периодически повторяющихся одиночных диафрагм.Fig. 53. A flat non-ring diaphragm used to construct a channel for moving charged particles consisting of periodically repeating single diaphragms.
Фиг.54. Квадрупольно-подобная конфигурация электродов одиночной диафрагмы, используемой для конструирования канала для перемещения заряженных частиц. Данная конфигурация позволяет более эффективно (по сравнению с простыми диафрагмами) прижимать пучок ионов к оси устройства. Аналитически рассчитанные профили данных электродов не являются гиперболическими и описываются трансцендентными уравнениями с участием высших трансцендентных функций.Fig. 54. A quadrupole-like electrode configuration of a single diaphragm used to construct a channel for moving charged particles. This configuration allows you to more efficiently (compared with simple diaphragms) to press the ion beam to the axis of the device. Analytically calculated profiles of these electrodes are not hyperbolic and are described by transcendental equations involving higher transcendental functions.
Фиг.55. Прямоугольный профиль электродов одиночной диафрагмы, используемой для конструирования канала для перемещения заряженных частиц, как пример профиля для создания электрического поля с требуемым распределением псевдопотенциала вдоль оси устройства, содержащего квадрупольные компоненты.Fig. 55. The rectangular profile of the electrodes of a single diaphragm used to construct a channel for moving charged particles, as an example of a profile for creating an electric field with the desired distribution of the pseudopotential along the axis of the device containing quadrupole components.
Фиг.56. Треугольный профиль электродов одиночной диафрагмы, используемой для конструирования канала для перемещения заряженных частиц, как пример профиля для создания электрического поля с требуемым распределением псевдопотенциала вдоль оси устройства, содержащего квадрупольные компоненты.Fig. 56. The triangular profile of the electrodes of a single diaphragm used to construct a channel for moving charged particles, as an example of a profile for creating an electric field with the desired distribution of the pseudopotential along the axis of the device containing quadrupole components.
Фиг.57. Трапециевидный профиль электродов одиночной диафрагмы, используемой для конструирования канала для перемещения заряженных частиц, как пример профиля для создания электрического поля с требуемым распределением псевдопотенциала вдоль оси устройства, содержащего квадрупольные компоненты.Fig. 57. The trapezoidal profile of the electrodes of a single diaphragm used to construct a channel for moving charged particles, as an example of a profile for creating an electric field with the desired distribution of the pseudopotential along the axis of the device containing quadrupole components.
Фиг.58. Пример профиля электродов из разрезных круговых стержней, служащего для создания в канале для перемещения заряженных частиц высокочастотного электрического поля с требуемым распределением псевдопотенциала вдоль оси устройства, содержащего высшие мультипольные (секступольные) компоненты.Fig.58. An example of the profile of electrodes from split circular rods, which serves to create a high-frequency electric field in the channel for moving charged particles with the desired distribution of the pseudopotential along the axis of the device containing higher multipole (sextupole) components.
Фиг.59. Плоские диафрагмы с прямоугольным отверстием, используемые для конструирования канала для перемещения заряженных частиц, состоящего из периодически повторяющихся чередующихся диафрагм с разными сечениями, создающими высокочастотное электрическое поле с псевдопотенциалом, имеющим неоднородные мультипольные компоненты вдоль длины канала для перемещения заряженных частиц.Fig.59. Flat diaphragms with a rectangular hole used to construct a channel for moving charged particles, consisting of periodically repeating alternating diaphragms with different sections, creating a high-frequency electric field with a pseudopotential having inhomogeneous multipole components along the channel length for moving charged particles.
Фиг.60. Плоские разрезные диафрагмы квадруполеподобной структуры в сочетании со сплошным квадруполеподобным электродом.Fig. 60. Flat split diaphragms of a quadrupole-like structure in combination with a solid quadrupole-like electrode.
Фиг.61. Общий вид заявляемого устройства.Fig. 61. General view of the claimed device.
Фиг.62. Частный вариант расположения электродов заявляемого устройства, представляющих собой периодическую последовательность прямоугольных или круговых диафрагм.Fig. 62. A particular arrangement of the electrodes of the claimed device, which is a periodic sequence of rectangular or circular diaphragms.
Фиг.63. Заявляемое устройство, функционирующее совместно с дополнительными устройствами, осуществляющее дополнительное воздействие на пакеты заряженных частиц в процессе их перемещения внутри данного устройства.Fig. 63. The inventive device, which operates in conjunction with additional devices, performing an additional effect on packets of charged particles in the process of moving them inside this device.
Фиг.64. Заявляемое устройство, функционирующее совместно с источником заряженных частиц или с накопительным устройством заряженных частиц.Fig. 64. The inventive device, operating in conjunction with a source of charged particles or with a storage device of charged particles.
Фиг.65. Заявляемое устройство, функционирующее в качестве источника заряженных частиц для некоторого выходного устройства.Fig. 65. The inventive device, functioning as a source of charged particles for some output device.
Фиг.66. Заявляемое устройство, преобразующее импульсный поток заряженных частиц на входе в квазинепрерывный поток пакетов заряженных частиц на выходе.Fig.66. The inventive device that converts a pulsed stream of charged particles at the input to a quasi-continuous stream of packets of charged particles at the output.
Фиг.67. Заявляемое устройство, преобразующее непрерывный или квазинепрерывный поток заряженных частиц на входе в дискретный поток пакетов заряженных частиц на выходе.Fig. 67. The inventive device that converts a continuous or quasi-continuous stream of charged particles at the input to a discrete stream of packets of charged particles at the output.
Фиг.68. Заявляемое устройство, включенное в состав прибора для анализа заряженных частиц.Fig. 68. The inventive device included in the device for the analysis of charged particles.
Фиг.69. Сечение вдоль оси и геометрические размеры периодических последовательностей электродов, составленной из одиночных плоских диафрагм с квадратным отверстием, использованных в качестве примера 1.Fig. 69. The cross-section along the axis and the geometric dimensions of the periodic sequences of the electrodes, composed of single flat orifice plates with a square hole, used as example 1.
Фиг.70. Геометрические размеры одиночных плоских диафрагм с квадратным сечением, использованных для периодической последовательности электродов в примере 1.Fig. 70. The geometric dimensions of a single flat diaphragm with a square section used for a periodic sequence of electrodes in example 1.
Фиг.71. Разбиение начального ансамбля заряженных частиц на пространственно сепарированные пакеты и их транспортировка вдоль канала для перемещения заряженных частиц в примере 1.Fig. 71. The partition of the initial ensemble of charged particles into spatially separated packets and their transportation along the channel for moving charged particles in example 1.
Фиг.72. Сечение вдоль оси и геометрические размеры периодических последовательностей электродов, составленной из чередующихся одиночных плоских диафрагм с прямоугольными отверстиями, использованных в качестве примера 2.Fig. 72. The cross-section along the axis and the geometric dimensions of the periodic sequences of the electrodes, composed of alternating single flat diaphragms with rectangular holes, used as example 2.
Фиг.73. Геометрические размеры чередующихся одиночных плоских диафрагм с прямоугольными сечениями, использованных для периодической последовательности электродов в примере 2.Fig. 73. The geometric dimensions of alternating single flat diaphragms with rectangular sections used for a periodic sequence of electrodes in example 2.
Фиг.74. Разбиение начального ансамбля заряженных частиц на пространственно сепарированные пакеты и их транспортировка вдоль канала для перемещения заряженных частиц в примере 2.Fig. 74. The partition of the initial ensemble of charged particles into spatially separated packets and their transportation along the channel for moving charged particles in example 2.
Фиг.75. Сечение вдоль оси и геометрические размеры периодических последовательностей электродов, составленной из чередующихся одиночных плоских диафрагм с плоскими независимыми электродами и квадрупольной конфигурацией электрического поля, использованных в качестве примера 3.Fig. 75. The cross-section along the axis and the geometric dimensions of the periodic sequences of the electrodes, composed of alternating single flat diaphragms with flat independent electrodes and a quadrupole configuration of the electric field, used as example 3.
Фиг.76. Геометрические размеры чередующихся одиночных плоских диафрагм с плоскими независимыми электродами и квадрупольной конфигурацией электрического поля, использованных для периодической последовательности электродов в примере 3.Fig. 76. The geometric dimensions of alternating single flat diaphragms with flat independent electrodes and a quadrupole configuration of the electric field used for the periodic sequence of electrodes in example 3.
Фиг.77. Разбиение начального ансамбля заряженных частиц на пространственно сепарированные пакеты и их транспортировка вдоль канала для перемещения заряженных частиц в примере 3.Fig.77. The partition of the initial ensemble of charged particles into spatially separated packets and their transportation along the channel for moving charged particles in example 3.
Фиг.78. Сечение вдоль оси и геометрические размеры периодических последовательностей электродов, составленной из секционированных периодически повторяющихся квадруполеподобных электродов и двух сплошных квадруполеподобных электродов (см. Фиг.60), обеспечивающих квадрупольную конфигурацию электрического поля и использованных в качестве примера 4.Fig.78. The cross-section along the axis and the geometric dimensions of the periodic sequences of electrodes made up of partitioned periodically repeating quadrupole-like electrodes and two solid quadrupole-like electrodes (see Fig. 60), providing a quadrupole configuration of the electric field and used as example 4.
Фиг.79. Геометрические размеры чередующихся квадруполеподобных сечений, составленных из секционированных периодически повторяющихся квадруполеподобных электродов и двух сплошных квадруполеподобных электродов (см. Фиг.60), использованных для совокупности электродов в примере 4.Fig. 79. The geometric dimensions of alternating quadrupole-like sections made up of periodically repeated sectioned quadrupole-like electrodes and two solid quadrupole-like electrodes (see FIG. 60) used for the combination of electrodes in Example 4.
Фиг.80. Разбиение начального ансамбля заряженных частиц на пространственно сепарированные пакеты и их транспортировка вдоль канала для перемещения заряженных частиц в примере 4.Fig. 80. The partition of the initial ensemble of charged particles into spatially separated packets and their transportation along the channel for moving charged particles in example 4.
Устройство для манипулирования заряженными частицами (см. фиг.61) содержит систему электродов 1, расположенных с образованием ориентированного вдоль продольной оси (ось z на чертеже) устройства канала 2, предназначенного для перемещения заряженных частиц 3. В частности, показанное на фиг.62 устройство содержит 8 секций по 4 в каждой последовательно расположенные вдоль продольной оси устройства соосных кольцевых электродов 1 с внутренним диаметром отверстий 20 мм и расстоянием между соседними электродами 2 мм; общая длина устройства составляет 320 мм. Концевые участки 4 и 5 канала 2 являются соответственно входом и выходом устройства.A device for manipulating charged particles (see Fig. 61) comprises a system of electrodes 1 arranged to form a channel 2 device oriented along the longitudinal axis (z axis in the drawing) for moving charged particles 3. In particular, the device shown in Fig. 62 contains 8 sections of 4 in each, successively arranged along the longitudinal axis of the device, coaxial ring electrodes 1 with an inner diameter of the holes of 20 mm and a distance between adjacent electrodes of 2 mm; the total length of the device is 320 mm. The end sections 4 and 5 of channel 2 are the input and output of the device, respectively.
Устройство также содержит средство (на чертеже не показано), обеспечивающее приложение к электродам 1 электрического питающего напряжения, обуславливающего создание в канале неоднородного высокочастотного электрического поля, псевдопотенциал которого имеет один или более локальных экстремумов вдоль длины канала для перемещения заряженных частиц, по меньшей мере, на некотором интервале времени, причем, по меньшей мере, один из указанных экстремумов псевдопотенциала перемещается во времени, по меньшей мере, на некотором интервале времени, по меньшей мере, по части длины канала для перемещения заряженных частиц.The device also comprises means (not shown in the drawing) for applying an electric supply voltage to the electrodes 1, which causes the creation of an inhomogeneous high-frequency electric field in the channel, the pseudopotential of which has one or more local extrema along the channel length for moving charged particles by at least a certain time interval, and at least one of these extremes of the pseudopotential moves in time, at least at some time interval or at least over a partial length of the channel for moving the charged particles.
На фиг.63 представлен частный вид заявляемого устройства, функционирующего совместно с устройствами, осуществляющими дополнительное воздействие на пакеты заряженных частиц в процессе их перемещения внутри данного устройства, которое осуществляется в области 6, расположенной внутри устройства. В качестве подобных устройств могут использоваться, например, устройства для ионизации заряженных частиц, устройства для фрагментации заряженных частиц, устройства для образования вторичных заряженных частиц, устройства для возбуждения внутренней энергии заряженных частиц, устройства для селективного отбора заряженных частиц. При этом устройство может и не являться отдельным конструктивным блоком в объеме заявляемого устройства, а представлять собой соответствующий и целенаправленным образом организованный физический процесс, происходящий в объеме заявляемого устройства.On Fig presents a private view of the inventive device, which operates in conjunction with devices that provide additional effects on packets of charged particles in the process of moving them inside this device, which is carried out in the region 6 located inside the device. As such devices can be used, for example, devices for ionizing charged particles, devices for fragmenting charged particles, devices for forming secondary charged particles, devices for exciting the internal energy of charged particles, devices for the selective selection of charged particles. In this case, the device may not be a separate structural unit in the volume of the claimed device, but rather be a corresponding and purposefully organized physical process that occurs in the volume of the claimed device.
На фиг.64 представлен частный вид заявляемого устройства, функционирующего совместно с источником 7 заряженных частиц. В качестве источников заряженных частиц могут использоваться, например, устройства для генерирования заряженных частиц и/или входные промежуточные устройства, перечисленные далее при описании фиг.68.On Fig presents a private view of the inventive device, which operates in conjunction with a source 7 of charged particles. As sources of charged particles, for example, devices for generating charged particles and / or input intermediate devices, listed below in the description of FIG. 68, can be used.
На фиг.65 представлен частный вид заявляемого устройства, функционирующего в качестве источника заряженных частиц для некоторого выходного устройства 8. В качестве выходных устройств могут использоваться, например, анализаторы заряженных частиц и/или выходные промежуточные устройства, перечисленные далее при описании фиг.68.On Fig presents a private view of the inventive device, which functions as a source of charged particles for some output device 8. As the output devices can be used, for example, analyzers of charged particles and / or output intermediate devices listed below in the description of Fig. 68.
На фиг.66 представлен частный вид заявляемого устройства, преобразующего импульсный поток заряженных частиц 9 на входе в поток пакетов заряженных частиц 11 на выходе устройства. Импульсный поток заряженных частиц 9 может поступать на вход устройства от какого-либо внешнего устройства или образовываться внутри объема заявляемого устройства.On Fig presents a private view of the inventive device that converts a pulsed stream of charged particles 9 at the entrance to the stream of packets of charged particles 11 at the output of the device. The pulse flow of charged particles 9 can be received at the input of the device from any external device or formed inside the volume of the claimed device.
На фиг.67 представлен частный вид заявляемого устройства, преобразующего непрерывный или квазинепрерывный поток заряженных частиц 10 на входе в поток пакетов заряженных частиц 11 на выходе устройства. Непрерывный или квазинепрерывный поток заряженных частиц 10 может поступать на вход устройства от какого-либо внешнего устройства или образовываться внутри объема заявляемого устройства.On Fig presents a private view of the inventive device that converts a continuous or quasi-continuous stream of charged particles 10 at the entrance to the stream of packets of charged particles 11 at the output of the device. A continuous or quasi-continuous stream of charged particles 10 may be supplied to the input of the device from any external device or formed within the volume of the claimed device.
На фиг.68 представлен частный вид заявляемого устройства, включенного в состав прибора для анализа заряженных частиц (например, масс-спектрометра). Такой прибор может состоять из устройства для генерирования заряженных частиц 12, входного промежуточного устройства 13, заявляемого устройства 14 для манипулирования заряженными частицами, выходного промежуточного устройства 15, анализатора заряженных частиц 16. Устройство для генерирования заряженных частиц служит для получения первичных заряженных частиц, и может основываться на самых разнообразных физических процессах. Входное промежуточное устройство служит для накопления заряженных частиц, или охлаждения (снижения кинетической энергии) заряженных частиц, или трансформации свойств пучка заряженных частиц, или возбуждения заряженных частиц, или фрагментирования заряженных частиц, или генерирования вторичных заряженных частиц, или фильтрации нужной группы заряженных частиц, или первичного детектирования заряженных частиц, или выполнения сразу нескольких из этих функций. Заявляемое устройства для манипулирования заряженными частицами осуществляет разбиение входного потока заряженных частиц на поток дискретных и синхронизированных во времени пакетов заряженных частиц, передачу заряженных частиц от входа к выходу, а также может осуществлять другие виды манипулирования заряженными частицами. Выходное промежуточное устройство служит для накопления заряженных частиц, или трансформации свойств пучка заряженных частиц, или фрагментирования заряженных частиц, или генерирования вторичных заряженных частиц, или фильтрации нужной группы заряженных частиц, или первичного детектирования заряженных частиц, или выполнения сразу нескольких из этих функций. Анализатор заряженных частиц может представлять собой, например, детектор на основе микроканальных пластин, или совокупность (возможно, состоящую из одного элемента) диодных детекторов, или совокупность (возможно, состоящую из одного элемента) полупроводниковых детекторов, или совокупность (возможно, состоящую из одного элемента) детекторов, основанные на измерении наведенного заряда, или масс-анализатор (масс-спектрометр, масс-спектрограф или фильтр масс), или оптический спектрометр, или спектрометр, основанный на разделении заряженных частиц по признаку ионной подвижности или ее производных. Входные промежуточные устройства и/или выходные промежуточные устройства могут отсутствовать, а процесс ионизации заряженных частиц и/или процесс анализа заряженных частиц могут осуществляться внутри заявляемого устройства для манипулирования заряженными частицами. И входное, и выходное промежуточные устройства могут представлять собой совокупность соответствующих устройств, разделенных, возможно, устройствами для транспортировки заряженных частиц и/или устройствами для манипулирования заряженными частицами, включая возможность использования в качестве таковых устройства для манипулирования заряженными частицами заявляемого типа. Все указанные элементы прибора могут работать в непрерывном режиме, и/или в импульсном режиме, и/или переключаться между непрерывным и импульсным режимами работы.On Fig presents a private view of the inventive device included in the device for the analysis of charged particles (for example, a mass spectrometer). Such a device may consist of a device for generating charged particles 12, an input intermediate device 13, the inventive device 14 for manipulating charged particles, an output intermediate device 15, a charged particle analyzer 16. The device for generating charged particles serves to produce primary charged particles, and can be based on a wide variety of physical processes. The input intermediate device serves to accumulate charged particles, or to cool (reduce kinetic energy) of charged particles, or to transform the properties of a beam of charged particles, or to excite charged particles, or to fragment charged particles, or to generate secondary charged particles, or to filter the desired group of charged particles, or primary detection of charged particles, or performing several of these functions at once. The inventive device for manipulating charged particles splits the input stream of charged particles into a stream of discrete and time-synchronized packets of charged particles, transfers charged particles from input to output, and can also carry out other types of manipulation of charged particles. The output intermediate device serves to accumulate charged particles, or to transform the properties of a beam of charged particles, or to fragment charged particles, or to generate secondary charged particles, or to filter the desired group of charged particles, or to initially detect charged particles, or to perform several of these functions at once. The charged particle analyzer can be, for example, a detector based on microchannel plates, or a collection (possibly consisting of a single element) of diode detectors, or a combination (possibly consisting of a single element) of semiconductor detectors, or a collection (possibly consisting of a single element ) detectors based on the measurement of the induced charge, or a mass analyzer (mass spectrometer, mass spectrograph or mass filter), or an optical spectrometer, or a separation based charged spectrometer particles on the basis of ion mobility or its derivatives. Input intermediate devices and / or output intermediate devices may be absent, and the process of ionization of charged particles and / or the process of analysis of charged particles can be carried out inside the inventive device for manipulating charged particles. Both the input and output intermediate devices can be a combination of corresponding devices, possibly separated by devices for transporting charged particles and / or devices for manipulating charged particles, including the possibility of using the claimed type of device for manipulating charged particles. All of these elements of the device can operate in continuous mode, and / or in a pulsed mode, and / or switch between continuous and pulsed modes of operation.
Работа устройства показана на следующих примерах.The operation of the device is shown in the following examples.
Пример 1.Example 1
В качестве электродов 1 использовали описанную выше систему электродов, состоящую из периодической последовательности плоских диафрагм с квадратным сечением (фиг.53). Геометрические параметры и размеры указанной системы электродов показаны на фиг.69, геометрические размеры одиночной диафрагмы с квадратным отверстием показаны на фиг.70.As the electrodes 1, the electrode system described above was used, consisting of a periodic sequence of flat diaphragms with a square cross section (Fig. 53). The geometric parameters and dimensions of the indicated electrode system are shown in Fig. 69, the geometric dimensions of a single diaphragm with a square hole are shown in Fig. 70.
В качестве питающего напряжения использовали синусоидальное питание с амплитудной модуляцией. Периодическая последовательность электродов разбивалась на четверки электродов. К первым электродам в каждой четверке прикладывалось электрическое напряжение +U0cos(δt)cos(ωt), ко вторым электродам - напряжение +U0sin(δt)cos(ωt), к третьим электродам - напряжение -U0cos(δt)cos(ωt), к четвертым электродам - напряжение -U0sin(δt)cos(ωt). Основная частота синусоидального питания была выбрана равной ω=1 МГц, частота амплитудной модуляции синусоидального питания была выбрана равной δ=1 кГц, амплитуда синусоидального питания была выбрана равной U0=400 Вольт. Канал транспортировки был заполнен буферным газом, в качестве буферного газа использовался азот (масса молекул 28 а.е.м.) при давлении 2 мТор (1 Top=1 мм.рт.ст.) и температуре 300 К. В качестве заряженных частиц использовались однозарядные ионы с массой 609 а.е.м. Как видно из фиг.71, поведение заряженных частиц соответствовало ожидаемому: происходило разбиение непрерывного облака заряженных частиц на отдельные пространственно сепарированные пакеты и равномерное перемещение указанных пакетов вдоль оси устройства. Скорость передвижения облаков заряженных частиц соответствовала ожидаемой и определялась частотой амплитудной модуляции δ.A sinusoidal power supply with amplitude modulation was used as the supply voltage. The periodic sequence of electrodes was divided into four electrodes. The former four electrodes in each applied voltage + U 0 cos (δt) cos (ωt) , to the second electrode - the voltage + U 0 sin (δt) cos (ωt) , a third electrode - the voltage -U 0 cos (δt) cos (ωt), to the fourth electrodes is the voltage -U 0 sin (δt) cos (ωt). The main frequency of the sinusoidal power was chosen equal to ω = 1 MHz, the amplitude modulation frequency of the sinusoidal power was chosen equal to δ = 1 kHz, the amplitude of the sinusoidal power was chosen equal to U 0 = 400 Volts. The transportation channel was filled with buffer gas, nitrogen (molecular weight 28 amu) at a pressure of 2 mTor (1 Top = 1 mm Hg) and a temperature of 300 K. was used as a buffer gas. singly charged ions with a mass of 609 amu As can be seen from FIG. 71, the behavior of the charged particles was as expected: a continuous cloud of charged particles was divided into separate spatially separated packets and the said packets were uniformly moved along the device axis. The velocity of clouds of charged particles corresponded to the expected one and was determined by the frequency of amplitude modulation δ.
Пример 2.Example 2
В качестве электродов 1 использовали описанную выше систему электродов, состоящую из периодической последовательности чередующихся плоских диафрагм с прямоугольными сечениями сечением (фиг.59). Геометрические параметры и размеры указанной системы электродов показаны на фиг.72, геометрические размеры одиночной диафрагмы с квадратным отверстием показаны на фиг.73.As the electrodes 1, the electrode system described above was used, consisting of a periodic sequence of alternating flat diaphragms with rectangular cross-sections (Fig. 59). The geometric parameters and dimensions of the indicated electrode system are shown in Fig. 72, the geometric dimensions of a single diaphragm with a square hole are shown in Fig. 73.
В качестве питающего напряжения использовали синусоидальное питание с амплитудной модуляцией. Периодическая последовательность электродов разбивалась на четверки электродов. К первым электродам в каждой четверке прикладывалось электрическое напряжение +U0cos(δt)cos(ωt) ко вторым электродам - напряжение +U0sin(δt)cos(ωt), к третьим электродам- напряжение -U0cos(δt)cos(ωt), к четвертым электродам - напряжение -U0sin(δt)cos(ωt). Основная частота синусоидального питания была выбрана равной ω=1 МГц, частота амплитудной модуляции синусоидального питания была выбрана равной δ=1 кГц, амплитуда синусоидального питания была увеличена до U0=2000 Вольт (2 кВ). Канал транспортировки был заполнен буферным газом, в качестве буферного газа использовался азот (масса молекул 28 а.е.м.) при давлении 2 мТор и температуре 300 К. В качестве заряженных частиц использовались однозарядные ионы с массой 609 а.е.м., а также однозарядные ионы с массой 5000 а.е.м. Амплитуда синусоидального питания была увеличена по сравнению с примером 1 для более эффективного манипулирования заряженными частицами большей массы. Как видно из фиг.74, поведение заряженных частиц соответствовало ожидаемому: происходило разбиение непрерывного облака заряженных частиц обеих масс на отдельные пространственно сепарированные пакеты и равномерное перемещение указанных пакетов вдоль оси устройства. Скорость передвижения облаков заряженных частиц соответствовала ожидаемой. В отличие от предыдущего примера, в этом примере облака заряженных частиц в большей степени растянуты в вертикальном направлении, а их геометрические размеры в радиальном направлении вдоль оси OY и вдоль оси OZ (здесь за ось устройства выбрана координатная ось ОХ) периодически то уменьшаются, то увеличиваются в соответствии с прохождением облака заряженных частиц через чередующиеся прямоугольные сечения диафрагм.A sinusoidal power supply with amplitude modulation was used as the supply voltage. The periodic sequence of electrodes was divided into four electrodes. The former four electrodes in each applied voltage + U 0 cos (δt) cos (ωt) to the second electrode - the voltage + U 0 sin (δt) cos (ωt) , a third elektrodam- voltage -U 0 cos (δt) cos (ωt), to the fourth electrodes is the voltage -U 0 sin (δt) cos (ωt). The main frequency of the sinusoidal power was chosen equal to ω = 1 MHz, the amplitude modulation frequency of the sinusoidal power was chosen equal to δ = 1 kHz, the amplitude of the sinusoidal power was increased to U 0 = 2000 Volts (2 kV). The transportation channel was filled with buffer gas, nitrogen (the molecular mass of 28 amu) was used as a buffer gas at a pressure of 2 mTorr and a temperature of 300 K. Singly charged ions with a mass of 609 amu were used as charged particles, as well as singly charged ions with a mass of 5000 amu The amplitude of the sinusoidal power was increased compared with example 1 for more efficient manipulation of charged particles of larger mass. As can be seen from Fig. 74, the behavior of charged particles was as expected: a continuous cloud of charged particles of both masses was divided into separate spatially separated packets and uniform movement of these packets along the axis of the device. The speed of movement of clouds of charged particles was consistent with the expected. In contrast to the previous example, in this example, clouds of charged particles are stretched to a greater extent in the vertical direction, and their geometrical dimensions in the radial direction along the OY axis and along the OZ axis (here, the coordinate axis OX is selected for the device axis) periodically decrease or increase in accordance with the passage of a cloud of charged particles through alternating rectangular sections of diaphragms.
Пример 3.Example 3
В качестве электродов 1 использовали описанную выше систему электродов, состоящую из периодической последовательности плоских диафрагм, состоящих из плоских электродов и обеспечивающих квадрупольную структуру электрического поля в сечении диафрагмы (фиг.55). Геометрические параметры и размеры указанной системы электродов показаны на фиг.75, геометрические размеры одиночной квадратной диафрагмы, состоящей из четырех независимых плоских электродов, показаны на фиг.76.As the electrodes 1, the electrode system described above was used, consisting of a periodic sequence of flat diaphragms consisting of flat electrodes and providing a quadrupole structure of the electric field in the diaphragm section (Fig. 55). The geometric parameters and dimensions of the indicated electrode system are shown in Fig. 75, the geometric dimensions of a single square diaphragm consisting of four independent flat electrodes are shown in Fig. 76.
В качестве питающего напряжения использовали синусоидальное питание с амплитудной модуляцией. На электроды, обозначенные на фиг.76 как электроды «А», электрическое напряжение подавалось в противофазе с электрическим напряжением, подаваемым на электроды, обозначенные на фиг.76 как электроды «В». Периодическая последовательность диафрагм разбивалась на четверки, составленные из последовательных диафрагм. К первым диафрагмам в каждой четверке прикладывалось электрическое напряжение ±U0cos(δt)cos(ωt) (знак «плюс» или знак «минус» выбирается в зависимости от того, является ли данный электрод диафрагмы электродом «А» или электродом «В»), ко вторым электродам - напряжение ±U0sin(δt)cos(ωt), к третьим электродам - напряжение U0cos(δt)cos(ωt), к четвертым электродам - напряжение U0sin(δt)cos(ωt). Основная частота синусоидального питания была выбрана равной ω=1 МГц, частота амплитудной модуляции синусоидального питания была выбрана равной δ=1 кГц. В силу того, что для квадрупольной конфигурации электродов осевое поле является существенно ослабленным по сравнению с конфигурацией электродов, состоящей из простых диафрагм, амплитуда синусоидального питания была увеличена до U0=4000 Вольт. Канал транспортировки был заполнен буферным газом. В качестве буферного газа использовался азот (масса молекул 28 а.е.м.) при давлении 2 мТор и температуре 300 К. В качестве заряженных частиц использовались однозарядные ионы обоих знаков (положительно и отрицательно заряженные) с массой 609 а.е.м. Как видно из фиг.77, поведение заряженных частиц соответствовало ожидаемому: происходило разбиение непрерывного облака заряженных частиц на отдельные пространственно сепарированные пакеты и равномерное перемещение указанных пакетов вдоль оси устройства. Скорость передвижения облаков заряженных частиц соответствовала ожидаемой. Также видно, что заряженные частицы разных знаков одинаково управляются приложенным электрическим полем. В данном примере облака заряженных частиц расплываются в большей степени, чем в примере 1, что связано с тем, что осевое распределение высокочастотного поля в значительной степени ослаблено и как результат локальные псевдопотенциальные ямы имеют меньшую глубину и менее крутые края. Кроме того, в данном случае высокочастотное поле у краев электродов имеет существенно большую амплитуду и, как результат, гораздо сильнее отталкивает заряженные частицы от краев диафрагмы к ее центру.A sinusoidal power supply with amplitude modulation was used as the supply voltage. On the electrodes designated in Fig. 76 as electrodes "A", the electric voltage was applied in antiphase with the electrical voltage supplied to the electrodes indicated in Fig. 76 as electrodes "B". The periodic sequence of diaphragms was divided into fours made up of successive diaphragms. An electrical voltage ± U 0 cos (δt) cos (ωt) was applied to the first diaphragms in each four (the plus sign or the minus sign is selected depending on whether this diaphragm electrode is electrode A or electrode B) ), to the second electrodes - voltage ± U 0 sin (δt) cos (ωt), to the third electrodes - voltage U 0 cos (δt) cos (ωt), voltage to the fourth electrodes U 0 sin (δt) cos (ωt). The main frequency of the sinusoidal power was chosen equal to ω = 1 MHz, the frequency of the amplitude modulation of the sinusoidal power was chosen equal to δ = 1 kHz. Due to the fact that for the quadrupole configuration of the electrodes, the axial field is significantly weakened compared to the configuration of the electrodes, consisting of simple diaphragms, the amplitude of the sinusoidal power was increased to U 0 = 4000 Volts. The transportation channel was filled with buffer gas. Nitrogen (molecular weight 28 amu) was used as a buffer gas at a pressure of 2 mTorr and a temperature of 300 K. Single charged ions of both signs (positive and negatively charged) with a mass of 609 amu were used as charged particles. As can be seen from Fig. 7, the behavior of charged particles was as expected: a continuous cloud of charged particles was divided into separate spatially separated packets and uniform movement of these packets along the axis of the device. The speed of movement of clouds of charged particles was consistent with the expected. It is also seen that charged particles of different signs are equally controlled by the applied electric field. In this example, clouds of charged particles spread to a greater extent than in example 1, due to the fact that the axial distribution of the high-frequency field is significantly weakened and, as a result, local pseudopotential wells have shallower depth and less steep edges. In addition, in this case, the high-frequency field at the edges of the electrodes has a significantly larger amplitude and, as a result, repels charged particles much stronger from the edges of the diaphragm to its center.
Пример 4.Example 4
В качестве электродов 1 использовали систему электродов, состоящую из периодической последовательности разрезных квадруполеподобных электродов и двух сплошных квадруполеподобных электродов, которая обеспечивает квадрупольную структуру электрического поля в сечении канала транспортировки (общий вид устройства представлен на фиг.60). Геометрические параметры и размеры указанной системы электродов показаны на фиг.78, геометрические размеры квадруполеподобных профилей электродов показаны на фиг.79.As the electrodes 1, an electrode system was used, consisting of a periodic sequence of split quadrupole-like electrodes and two continuous quadrupole-like electrodes, which provides a quadrupole structure of the electric field in the section of the transportation channel (a general view of the device is shown in Fig. 60). The geometric parameters and dimensions of the indicated electrode system are shown in Fig. 78, the geometric dimensions of the quadrupole-like electrode profiles are shown in Fig. 79.
В качестве питающего напряжения использовали синусоидальное питание с амплитудной модуляцией, которое подавалось на разрезные электроды, обозначенные на фиг.79 как электроды «В». На сплошные электроды, обозначенные на фиг.79 как электроды «А», радиочастотные напряжения не подавались, они поддерживались при постоянном нулевом напряжении. Периодическая последовательность противостоящих друг другу секционированных электродов разбивалась на четверки. К первой паре электродов в каждой четверке прикладывалось электрическое напряжение +U0cos(δt)cos(ωt), ко второй паре электродов - напряжение +U0sin(δt)cos(ωt), к третьей паре электродов - напряжение -U0cos(δt)cos(ωt), к четвертой паре электродов - напряжение -U0sin(δt)cos(ωt). Основная частота синусоидального питания была выбрана равной ω=1 МГц, частота амплитудной модуляции синусоидального питания была выбрана равной δ=1 кГц. В силу того, что для квадрупольной конфигурации электродов осевое поле является ослабленным по сравнению с конфигурацией электродов, состоящей из простых диафрагм, амплитуда синусоидального питания была увеличена до U0=3000 Вольт (3 кВ). Канал транспортировки был заполнен буферным газом, в качестве буферного газа использовался азот (масса молекул 28 а.е.м.) при давлении 2 мТор и температуре 300 К. В качестве заряженных частиц использовались однозарядные, двухзарядные и трехзарядные ионы с массой 609 а.е.м. Амплитуда электрического поля была выбрана достаточно большой для эффективного манипулирования частицами, несущими разный заряд. Как видно из фиг.80, поведение заряженных частиц соответствовало ожидаемому: происходило разбиение непрерывного облака заряженных частиц на отдельные пространственно сепарированные пакеты и равномерное перемещение указанных пакетов вдоль оси устройства. Скорость передвижения облаков заряженных частиц также соответствовала ожидаемой скорости и определялась частотой δ.As the supply voltage, a sinusoidal power supply with amplitude modulation was used, which was supplied to the split electrodes, designated as “B” electrodes in Fig. 79. To the solid electrodes, indicated in FIG. 79 as electrodes “A”, radio frequency voltages were not applied, they were maintained at a constant zero voltage. The periodic sequence of opposing sectioned electrodes was split into fours. The first pair of electrodes applied to each quadruple voltage + U 0 cos (δt) cos (ωt) , a pair of second electrode - the voltage + U 0 sin (δt) cos (ωt) , the third pair of electrodes - voltage -U 0 cos (δt) cos (ωt), to the fourth pair of electrodes - voltage -U 0 sin (δt) cos (ωt). The main frequency of the sinusoidal power was chosen equal to ω = 1 MHz, the frequency of the amplitude modulation of the sinusoidal power was chosen equal to δ = 1 kHz. Due to the fact that for the quadrupole configuration of the electrodes, the axial field is weakened compared to the configuration of the electrodes, consisting of simple diaphragms, the amplitude of the sinusoidal power was increased to U 0 = 3000 Volts (3 kV). The transportation channel was filled with buffer gas, nitrogen (the molecular mass of 28 amu) was used as a buffer gas at a pressure of 2 mTorr and a temperature of 300 K. Single charged, doubly charged, and triple charged ions with a mass of 609 a.u were used as charged particles. .m. The amplitude of the electric field was chosen large enough for the efficient manipulation of particles carrying different charges. As can be seen from Fig. 80, the behavior of the charged particles was as expected: a continuous cloud of charged particles was divided into separate spatially separated packets and the said packets were uniformly moved along the device axis. The speed of movement of clouds of charged particles also corresponded to the expected speed and was determined by the frequency δ.
Следует отметить, что при работе заявляемого устройства реализуется способ манипулирования заряженными частицами, включающий воздействие на совокупность заряженных частиц, локализованных в пространстве для манипулирования заряженными частицами, неоднородного высокочастотного электрического поля, псевдопотенциал которого имеет один или более локальных экстремумов вдоль длины пространства для манипулирования заряженными частицами, по меньшей мере, на некотором интервале времени, причем, по меньшей мере, один из указанных экстремумов псевдопотенциала высокочастотного электрического поля перемещается во времени, по меньшей мере, по части длины пространства для манипулирования заряженными частицами, по меньшей мере, на некотором интервале времени.It should be noted that during the operation of the inventive device, a method for manipulating charged particles is implemented, including exposing a plurality of charged particles localized in space to manipulate charged particles to an inhomogeneous high-frequency electric field whose pseudopotential has one or more local extrema along the length of the space for manipulating charged particles, at least a certain time interval, and at least one of these extreme pseudopotential of the high-frequency electric field moves in time, at least in part of the length of the space for manipulating charged particles, at least for some time interval.
Если при работе устройства поток заряженных частиц поступает на вход устройства, в котором, по крайней мере, на каком-то интервале времени, псевдопотенциал высокочастотного электрического поля имеет вдоль длины области для манипулирования заряженными частицами чередующиеся максимумы и минимумы, то в результате осуществляется разбиение потока заряженных частиц на пространственно сегментированные пакеты заряженных частиц.If during the operation of the device the flow of charged particles arrives at the input of the device, in which, at least at some time interval, the pseudopotential of the high-frequency electric field has alternating maxima and minima along the length of the region for manipulating the charged particles, then as a result, the flow of charged particles into spatially segmented packets of charged particles.
Если при работе устройства совокупность заряженных частиц располагается внутри устройства, в котором, по крайней мере, на каком-то интервале времени, псевдопотенциал высокочастотного электрического поля имеет вдоль длины области для манипулирования заряженными частицами чередующиеся максимумы и минимумы, то в результате осуществляется группировка заряженных частиц в пространственно сегментированные пакеты заряженных частиц.If during operation of the device the totality of charged particles is located inside the device in which, at least at some time interval, the pseudopotential of the high-frequency electric field has alternating maxima and minima along the region for manipulating charged particles, then the result is the grouping of charged particles into spatially segmented packets of charged particles.
Устройство может быть сопряжено с накопительным устройством, в котором находятся заряженные частицы. В таком случае совокупность заряженных частиц захватывается, по крайней мере, в какой-то области накопительного устройства, по крайней мере, на каком-то интервале времени, высокочастотным электрическим полем, псевдопотенциал которого обладает одним или более локальными экстремумами вдоль длины пространства для манипулирования заряженными частицами, причем, по меньшей мере, один из указанных экстремумов псевдопотенциала высокочастотного электрического поля перемещается во времени, по меньшей мере, по части длины пространства для манипулирования заряженными частицами, по меньшей мере, на некотором интервале времени.The device can be paired with a storage device in which charged particles are located. In this case, the collection of charged particles is captured, at least in some area of the storage device, at least at some time interval, by a high-frequency electric field, the pseudopotential of which has one or more local extrema along the length of the space for manipulating charged particles moreover, at least one of the indicated extremes of the pseudopotential of the high-frequency electric field moves in time, at least in part of the length of the space for mani charged particle pooling, at least over a certain time interval.
При этом может быть осуществлена откачка заряженных частиц в виде пространственно сепарированных пакетов, по крайней мере, части заряженных частиц, находящихся в накопительном устройстве, за счет захвата заряженных частиц высокочастотным электрическим полем и перемещения вдоль, по крайней мере, части длины канала, по крайней мере, на каком-то интервале времени, экстремума или экстремумов псевдопотенциала высокочастотного электрического поля.In this case, charged particles can be pumped out in the form of spatially separated packets of at least part of the charged particles located in the storage device due to the capture of charged particles by a high-frequency electric field and moving along at least part of the channel length, at least , at some time interval, extremum or extrema of the pseudopotential of the high-frequency electric field.
При работе устройства на совокупность заряженных частиц может воздействовать высокочастотное электростатическое поле, у которого псевдопотенциал имеет вдоль длины области для манипулирования заряженными частицами чередующиеся максимумы и минимумы, перемещающиеся во времени по заданному закону, в результате чего осуществляется синхронизированная во времени транспортировка заряженных частиц, следующая заданному закону от времени.When the device is operating, a set of charged particles can be affected by a high-frequency electrostatic field, in which the pseudopotential has alternating maxima and minima moving along the length of the region for manipulating charged particles according to a given law, as a result of which time-synchronized transportation of charged particles follows the given law from time.
При работе устройства может быть осуществлено попеременно-двунаправленное перемещение заряженных частиц за счет того, что направление перемещения экстремума или экстремумов псевдопотенциала высокочастотного электрического поля, по меньшей мере, для части длины области для манипулирования заряженными частицами, в некоторый момент или некоторые моменты времени меняет знак.During operation of the device, alternately bi-directional movement of charged particles can be carried out due to the fact that the direction of movement of the extremum or extrema of the pseudopotential of the high-frequency electric field, at least for a part of the length of the region for manipulating charged particles, changes sign at some point or time.
При работе устройства может быть осуществлено осциллирующее перемещение заряженных частиц за счет того, что перемещение экстремума или экстремумов псевдопотенциала высокочастотного электрического поля во времени, по меньшей мере, по части длины области для манипулирования заряженными частицами, по меньшей мере, на некотором интервале времени, имеет осциллирующий характер.When the device is operating, an oscillatory movement of charged particles can be realized due to the fact that the movement of the extremum or extrema of the pseudopotential of the high-frequency electric field in time, at least in part of the length of the region for manipulating charged particles, has an oscillating character.
При работе устройства может быть осуществлено объединение двух или более соседних пространственно сепарированных пакетов заряженных частиц в результате того, что значение псевдопотенциала высокочастотного электрического поля в максимуме псевдопотенциала, разделяющего пространственно сепарированные пакеты, понижается, по крайней мере, на некотором интервале времени.When the device is operating, two or more adjacent spatially separated packets of charged particles can be combined as a result of the fact that the value of the pseudopotential of the high-frequency electric field at the maximum of the pseudopotential separating the spatially separated packets is reduced at least by a certain time interval.
При работе устройства может быть осуществлен переход по меньшей мере некоторых заряженных частиц, по меньшей мере, на некотором интервале времени между соседними пространственно сепарированными пакетами заряженных частиц в результате того, что значение псевдопотенциала высокочастотного электрического поля в максимуме псевдопотенциала, разделяющем пространственно сепарированные пакеты, понижается, по крайней мере, на некотором интервале времени.During operation of the device, at least some charged particles can be transferred at least over a certain time interval between adjacent spatially separated packets of charged particles as a result of the fact that the value of the pseudopotential of the high-frequency electric field at the maximum of the pseudopotential separating the spatially separated packets is reduced, at least for some time interval.
При работе устройства может быть осуществлено разрушение, по крайней мере, одного пакета заряженных частиц в результате того, что значение псевдопотенциала высокочастотного электрического поля в минимуме псевдопотенциала, соответствующем положению интересующего нас пакета заряженных частиц, повышается выше барьерного уровня, по крайней мере, на некотором интервале времени.During operation of the device, at least one packet of charged particles can be destroyed as a result of the fact that the value of the pseudopotential of the high-frequency electric field at the minimum of the pseudopotential corresponding to the position of the packet of charged particles of interest increases above the barrier level, at least in a certain interval time.
При работе устройства может быть осуществлен выход из пакета, по меньшей мере, некоторых заряженных частиц, по меньшей мере, на некотором интервале времени, в результате того, что значение псевдопотенциала высокочастотного электрического поля в минимуме псевдопотенциала, соответствующем положению интересующего нас пакета заряженных частиц, повышается, по крайней мере, на некотором интервале времени.During operation of the device, at least some charged particles can be exited from the packet at least over a certain time interval, as a result of which the pseudopotential of the high-frequency electric field at the minimum pseudopotential corresponding to the position of the packet of charged particles of interest increases at least for some time interval.
При работе устройства может быть осуществлена перекачка всех или некоторых заряженных частиц из одного пакета заряженных частиц в соседний пакет заряженных частиц в результате того, что значение псевдопотенциала высокочастотного электрического поля в максимуме псевдопотенциала, разделяющем пространственно сепарированные пакеты, понижается, а значение псевдопотенциала высокочастотного электрического поля в минимуме псевдопотенциала, соответствующем положению интересующего нас пакета заряженных частиц, повышается, по крайней мере, на некотором интервале времени.During operation of the device, all or some charged particles can be transferred from one packet of charged particles to an adjacent packet of charged particles as a result of the fact that the value of the pseudopotential of the high-frequency electric field at the maximum of the pseudopotential separating the spatially separated packets is reduced, and the value of the pseudopotential of the high-frequency electric field is the minimum pseudopotential corresponding to the position of the packet of charged particles of interest to us increases, at least , At a certain time interval.
При работе устройства может быть осуществлено создание или восстановление области захвата заряженных частиц в результате того, что значение псевдопотенциала высокочастотного электрического поля, меняется, по крайней мере, на некотором участке канала транспортировки, по крайней мере, на некотором интервале времени, создавая локальный минимум.When the device is in operation, creation or restoration of the capture region of charged particles can be carried out as a result of the fact that the value of the pseudopotential of the high-frequency electric field changes at least in a certain part of the transport channel, at least in a certain time interval, creating a local minimum.
При работе устройства может быть сформирована область для накопления заряженных частиц за счет того, что, по меньшей мере, на некотором интервале времени, по меньшей мере, на некоторой длине канала транспортировки, псевдопотенциал высокочастотного электрического поля не имеет максимумов и минимумов.When the device is operating, a region can be formed for the accumulation of charged particles due to the fact that at least for a certain time interval, at least for a certain length of the transport channel, the pseudopotential of the high-frequency electric field does not have maxima and minima.
При работе устройства для лучшего радиального удержания заряженных частиц в области для манипулирования заряженными частицами могут быть использованы дополнительные статические электрические поля, и/или дополнительные квазистатические электрические поля, и/или дополнительные переменные электрические поля, и/или дополнительные импульсные электрические поля, и/или дополнительные высокочастотные электрические поля, и/или суперпозиция указанных полей.When the device is used for better radial confinement of charged particles in the area for manipulating charged particles, additional static electric fields and / or additional quasistatic electric fields and / or additional alternating electric fields and / or additional pulsed electric fields and / or additional high-frequency electric fields, and / or a superposition of these fields.
При работе устройства для лучшей пространственной изоляции пакетов заряженных частиц вдоль длины области для манипулирования заряженными частицами могут быть использованы дополнительные статические электрические поля, и/или дополнительные квазистатические электрические поля, и/или дополнительные переменные электрические поля, и/или дополнительные переменные электрические поля, и/или дополнительные импульсные электрические поля, и/или дополнительные высокочастотные электрические поля, и/или суперпозиция указанных полей.When operating the device for better spatial isolation of packets of charged particles along the length of the region, additional static electric fields and / or additional quasistatic electric fields and / or additional alternating electric fields and / or additional alternating electric fields can be used to manipulate charged particles / or additional pulsed electric fields, and / or additional high-frequency electric fields, and / or a superposition of these fields.
При работе устройства для лучшей временной синхронизации транспортировки пакетов заряженных частиц могут быть использованы дополнительные статические электрические поля, и/или дополнительные квазистатические электрические поля, и/или дополнительные переменные электрические поля, и/или дополнительные импульсные электрические поля, и/или дополнительные высокочастотные электрические поля, и/или суперпозиция указанных полей.When the device is operating, for better time synchronization of transporting packets of charged particles, additional static electric fields and / or additional quasistatic electric fields and / or additional alternating electric fields and / or additional pulsed electric fields and / or additional high-frequency electric fields can be used , and / or a superposition of these fields.
При работе устройства для управления поведением заряженных частиц в процессе транспортировки заряженных частиц могут быть использованы дополнительные статические электрические поля, и/или дополнительные квазистатические электрические поля, и/или дополнительные переменные электрические поля, и/или дополнительные импульсные электрические поля, и/или дополнительные высокочастотные электрические поля, и/или суперпозиция указанных полей, создаваемые в объеме для манипулирования заряженными частицами.When the device is used to control the behavior of charged particles in the process of transporting charged particles, additional static electric fields and / or additional quasistatic electric fields and / or additional alternating electric fields and / or additional pulsed electric fields and / or additional high-frequency can be used electric fields, and / or a superposition of these fields, created in the volume for manipulating charged particles.
При работе устройства для управления поведением заряженных частиц с помощью создания дополнительных потенциальных барьеров, или/или псевдопотенциальных барьеров, и/или потенциальных ям, или псевдопотенциальных ям, по крайней мере, в части в области для манипулирования заряженными частицами, по крайней мере, на каком-то интервале времени, могут быть использованы дополнительные статические электрические поля, и/или дополнительные квазистатические электрические поля, и/или дополнительные переменные электрические поля, и/или дополнительные импульсные электрические поля, и/или дополнительные высокочастотные электрические поля, и/или суперпозиция указанных полей.When the device is used to control the behavior of charged particles by creating additional potential barriers, or / or pseudopotential barriers, and / or potential wells, or pseudopotential wells, at least in part in the area for manipulating charged particles, at least on which at this time interval, additional static electric fields, and / or additional quasistatic electric fields, and / or additional alternating electric fields, and / or additional pulsed electric fields, and / or additional high-frequency electric fields, and / or a superposition of these fields.
При этом упомянутые потенциальные и псевдопотенциальные барьеры и ямы могут меняться во времени и/или перемещаться во времени в области для манипулирования заряженными частицами, по крайней мере, на каком-то интервале времени, обеспечивая контролируемое поведение заряженных частиц.Moreover, the mentioned potential and pseudopotential barriers and wells can vary in time and / or move in time in the region for manipulating charged particles, at least at some time interval, providing controlled behavior of charged particles.
При работе устройства для управления поведением заряженных частиц с помощью дополнительных зон устойчивости и/или дополнительных зон неустойчивости, по крайней мере, в части области для манипулирования с заряженными частицами, по крайней мере, на каком-то интервале времени, могут быть использованы дополнительные статические электрические поля, и/или дополнительные квазистатические электрические поля, и/или дополнительные переменные электрические поля, и/или дополнительные импульсные электрические поля, и/или дополнительные высокочастотные электрические поля, и/или суперпозиция указанных полей.When the device is used to control the behavior of charged particles using additional stability zones and / or additional instability zones, at least in part of the region for manipulating charged particles, at least at some time interval, additional static electric fields, and / or additional quasistatic electric fields, and / or additional alternating electric fields, and / or additional pulsed electric fields, and / or additional highly fixed electric fields, and / or a superposition of these fields.
При этом упомянутые зоны устойчивости и неустойчивости могут меняться во времени и/или перемещаться во времени в области для манипулирования заряженными частицами, по крайней мере, на каком-то интервале времени, обеспечивая контролируемое поведение заряженных частиц.Moreover, the mentioned zones of stability and instability can vary in time and / or move in time in the region for manipulating charged particles, at least at some time interval, providing controlled behavior of charged particles.
При работе устройства для селективного отбора заряженных частиц могут быть использованы дополнительные статические электрические поля, и/или дополнительные квазистатические электрические поля, и/или дополнительные переменные электрические поля, и/или дополнительные импульсные электрические поля, и/или дополнительные высокочастотные электрические поля, и/или суперпозиция указанных полей.When the device for the selective selection of charged particles can be used, additional static electric fields, and / or additional quasistatic electric fields, and / or additional alternating electric fields, and / or additional pulsed electric fields, and / or additional high-frequency electric fields, and / or a superposition of the specified fields.
При работе устройства для управления существенной зависимостью движения заряженных частиц от массы заряженных частиц используются дополнительные статические электрические поля, и/или дополнительные квазистатические электрические поля, и/или дополнительные переменные электрические поля, и/или дополнительные импульсные электрические поля, и/или дополнительные высокочастотные электрические поля, и/или суперпозиция указанных полей.When the device is used to control a significant dependence of the movement of charged particles on the mass of charged particles, additional static electric fields, and / or additional quasistatic electric fields, and / or additional alternating electric fields, and / or additional pulsed electric fields, and / or additional high-frequency electric fields, and / or a superposition of these fields.
В устройстве канал для перемещения заряженных частиц может иметь переменный профиль, по крайней мере, вдоль части длины области для манипулирования заряженными частицами, при этом при работе устройства в данном канале может осуществляться сбор, и/или фокусировка, и/или компрессия потока заряженных частиц.In the device, the channel for moving charged particles can have a variable profile, at least along part of the length of the region for manipulating charged particles, and when the device is operating in this channel, collection and / or focusing and / or compression of the stream of charged particles can be carried out.
В устройстве канал для перемещения заряженных частиц может быть замкнут в кольцо, при этом при работе устройства он может быть использован для создания накопительного объема для заряженных частиц, и/или ловушки для заряженных частиц, и/или области для манипулирования заряженными частицами, используется канал для перемещения заряженных частиц, замкнутый в кольцо.In the device, the channel for moving charged particles can be closed into a ring, while during the operation of the device it can be used to create a storage volume for charged particles, and / or traps for charged particles, and / or an area for manipulating charged particles, a channel is used to moving charged particles closed in a ring.
В устройстве с целью создания накопительного объема для заряженных частиц, и/или ловушки для заряженных частиц, и/или области для манипулирования заряженными частицами может быть использован канал для перемещения заряженных частиц, функционирующий в попеременно-двунаправленном режиме по крайней мере, на некотором интервале времени.In the device, in order to create a storage volume for charged particles, and / or a trap for charged particles, and / or a region for manipulating charged particles, a channel for moving charged particles, operating in alternately bidirectional mode for at least some time interval, can be used .
При работе устройства манипулирование заряженными частицами может осуществляться в вакууме.When the device is operating, the manipulation of charged particles can be carried out in a vacuum.
При работе устройства манипулирование заряженными частицами может осуществляться в нейтральном или ионизированном газе.When the device is operated, the manipulation of charged particles can be carried out in a neutral or ionized gas.
При работе устройства манипулирование заряженными частицами может осуществляться в потоке нейтрального или ионизированного газа.When the device is operating, the manipulation of charged particles can be carried out in a stream of neutral or ionized gas.
При работе устройства заряженные частицы могут, поступать на вход устройства из внешнего источника.When the device is operating, charged particles may arrive at the input of the device from an external source.
При работе устройства может осуществляться манипулирование заряженными частицами, образующимися внутри устройства.During operation of the device, manipulation of charged particles formed inside the device can be carried out.
При работе устройства может осуществляться манипулирование с вторичными заряженными частицами, образующимися внутри устройства.During operation of the device, manipulation with secondary charged particles formed inside the device can be carried out.
При работе устройства может осуществляться манипулирование фрагментированными заряженными частицами, образующимися внутри устройстваDuring operation of the device, fragmented charged particles generated inside the device can be manipulated
Фрагментированные заряженные частицы могут образовываться при ускорении заряженных частиц с помощью электрических полей, создаваемых в заявляемом устройстве, вследствие соударений упомянутых заряженных частиц с молекулами нейтрального газа и/или с поверхностями, расположенными внутри устройства.Fragmented charged particles can be formed during the acceleration of charged particles using electric fields created in the inventive device, due to collisions of said charged particles with neutral gas molecules and / or with surfaces located inside the device.
Фрагментированные заряженные частицы могут образовываться внутри устройства в результате взаимодействия между собой положительных и отрицательных заряженных частиц, объединенных в один пространственно сепарированный пакет заряженных частиц.Fragmented charged particles can form inside the device as a result of the interaction between positive and negative charged particles, combined into one spatially separated packet of charged particles.
При работе устройства заряженные частицы могут выводиться из устройства в направлении вдоль канала для перемещения заряженных частиц.When the device is operating, charged particles can be removed from the device in a direction along the channel for moving charged particles.
При работе устройства заряженные частицы могут выводиться из устройства в направлении вдоль ортогональном или наклонном к каналу для перемещения заряженных частиц.When the device is operating, charged particles can be removed from the device in a direction along orthogonal or inclined to the channel for moving charged particles.
При работе устройства в процессе транспортировки может происходить выравнивание кинетической энергии заряженных частиц за счет столкновения и обмена энергией между заряженными частицами и молекулами нейтрального газа.When the device is in operation during transportation, the kinetic energy of charged particles can be balanced due to collisions and energy exchanges between charged particles and neutral gas molecules.
При работе устройства в процессе перемещения может происходить фильтрация заряженных частиц по массе.When the device is in the process of moving, filtration of charged particles by mass can occur.
При работе устройства в процессе перемещения может происходить фрагментация заряженных частиц.When the device is in the process of moving, fragmentation of charged particles can occur.
При работе устройства в процессе перемещения может происходить образование вторичных заряженных частиц.When the device is in operation, secondary charged particles can form.
При работе устройства в процессе перемещения может происходить образование вторичных заряженных частиц в результате перезарядки заряженных частиц при столкновениях и обмене зарядом между заряженными частицами и молекулами нейтрального газа.When the device is in the process of moving, secondary charged particles can form as a result of recharging of charged particles in collisions and charge exchange between charged particles and neutral gas molecules.
При работе устройства в процессе перемещения может происходить образование вторичных заряженных частиц в результате перезарядки заряженных частиц при столкновениях и обмене зарядом с заряженными частицами, обладающими зарядом противоположного знака.During operation of the device during the movement, secondary charged particles can form as a result of recharging of charged particles in collisions and exchange of charge with charged particles having a charge of the opposite sign.
При работе устройства в процессе перемещения может происходить образование вторичных заряженных частиц в результате создания композитных ионов при столкновениях и взаимодействии между заряженными частицами и молекулами нейтрального газа.When the device is in operation during the movement, secondary charged particles can form as a result of the creation of composite ions in collisions and interactions between charged particles and neutral gas molecules.
При работе устройства в процессе перемещения может происходить образование вторичных заряженных частиц в результате создания композитных ионов при столкновениях и взаимодействии заряженных частиц друг с другом.When the device is operating during the movement, secondary charged particles can form as a result of the creation of composite ions in collisions and interaction of charged particles with each other.
При работе устройства можно осуществлять манипуляции заряженными частицами, оперируя пакетами заряженных частиц, состоящими из положительно и отрицательно заряженных частиц одновременно.When the device is in operation, it is possible to manipulate charged particles by operating with packets of charged particles consisting of positively and negatively charged particles simultaneously.
Рассмотрим некоторые конкретные варианты использования заявляемого устройства.Consider some specific uses of the claimed device.
Устройство может быть использовано для преобразования непрерывного ионного пучка в серию синхронизированных во времени ионных импульсов и тем самым использоваться как источник ионов (система подготовки ионов). Свойство заявленного устройства для манипулирования заряженными частицами обеспечивать заданный закон времени перемещения и выхода пакетов заряженных частиц оказывается неоценимым при использовании его для стыковки с различными выходными устройствами, работающими в импульсном режиме. При стыковке с таким устройством необходимо обеспечить, чтобы интервалы времени между последовательными пакетами заряженных частиц были больше интервалов времени, требуемые выходному устройству для обработки очередного пакета, чтобы не происходило потерь заряженных частиц. В качестве выходного устройства может использоваться устройство, которое осуществляет анализ заряженных частиц (например, времяпролетный масс-спектрометр или радиочастотная ловушка), или выполняет целенаправленную модификацию пакета заряженных частиц (например, столкновительная ячейка), или отбирает подгруппу заряженных частиц с нужными характеристиками (например, фильтр масс), или передает пакет заряженных частиц другому устройству (например, другое устройство для транспортировки заряженных частиц), или использует импульс заряженных частиц для каких-либо технических приложений, или объединяет в себе сразу несколько функций.The device can be used to convert a continuous ion beam into a series of time-synchronized ion pulses and thereby be used as an ion source (ion preparation system). The property of the claimed device for manipulating charged particles to provide a given law of the time of movement and exit of packets of charged particles is invaluable when used for docking with various output devices operating in a pulsed mode. When docking with such a device, it is necessary to ensure that the time intervals between successive packets of charged particles are greater than the time intervals required by the output device to process the next packet so that there is no loss of charged particles. As an output device, one can use a device that analyzes charged particles (e.g., a time-of-flight mass spectrometer or radio frequency trap), or performs targeted modification of a package of charged particles (e.g., collision cell), or selects a subgroup of charged particles with the desired characteristics (e.g., mass filter), or transfers a packet of charged particles to another device (for example, another device for transporting charged particles), or uses a pulse of a charged particles for any technical applications, or combines several functions at once.
Заявляемое устройство позволяет эффективно преобразовывать непрерывный пучок заряженных частиц в серию последовательных импульсов заряженных частиц, так как при соответствующем подборе скорости передвижения пакетов заряженных частиц вдоль оси устройства для транспортировки заряженных частиц и, соответственно частоты повторения импульсов выстреливающих напряжений, возможен анализ всех поступающих заряженных частиц без потерь. Заметим, что скорость передвижения пакетов вдоль оси устройства для транспортировки заряженных частиц в предлагаемом устройстве определяется частотой амплитудной модуляции и сдвигом фаз между управляющими высокочастотными напряжениями, прикладываемыми к электродам (или разностью частот близких по частоте высокочастотных гармоник, если для синтеза управляющих напряжений используется именно такой способ) и легко регулируется электроникой. Количество заряженных частиц в каждом пакете может быть очень значительным и по предварительной оценке должно быть близким к емкости линейной ловушки.The inventive device allows you to effectively convert a continuous beam of charged particles into a series of consecutive pulses of charged particles, since with the appropriate selection of the speed of movement of packets of charged particles along the axis of the device for transporting charged particles and, accordingly, the pulse repetition rate of firing voltages, it is possible to analyze all incoming charged particles without loss . Note that the speed of movement of packets along the axis of the device for transporting charged particles in the proposed device is determined by the frequency of the amplitude modulation and the phase shift between the control high-frequency voltages applied to the electrodes (or the frequency difference of close-in-frequency high-frequency harmonics, if this method is used for the synthesis of control voltages ) and is easily regulated by electronics. The number of charged particles in each packet can be very significant and, according to preliminary estimates, should be close to the capacity of the linear trap.
Для выходных устройств, работающих в импульсном режиме, данный метод разделения непрерывного потока заряженных частиц на дискретные порции представляется наиболее удачным. При правильной настройке интервалов времени между поступлением отдельных дискретных порций заряженных частиц на выход транспортирующего устройства и, соответственно, на вход следующего за ним устройства (которое, например, является масс-анализатором, работающим в импульсном режиме), и времени последующего анализа поступившей порций заряженных частиц, данный способ позволяет анализировать все заряженные частицы, поступающие из непрерывного пучка в анализатор практически без потерь.For output devices operating in pulsed mode, this method of dividing a continuous stream of charged particles into discrete portions seems to be the most successful. With the correct setting of the time intervals between the receipt of individual discrete portions of charged particles at the output of the transporting device and, accordingly, at the input of the device following it (which, for example, is a mass analyzer operating in a pulsed mode), and the time of subsequent analysis of the incoming portions of charged particles , this method allows you to analyze all charged particles coming from a continuous beam into the analyzer with virtually no loss.
Помимо преобразования непрерывного пучка в серию пакетов, данное устройство может иметь и другие приложения.In addition to converting a continuous beam into a series of packets, this device may have other applications.
Данное краткое описание преимущественных способов реализации данного изобретения ни коим образом не является полным. Должно быть понятно, что предлагаемое описание содержит только отдельные реализации изобретения и возможные другие реализации описанного принципа не противоречат духу данного патента и должны включатся в настоящее изобретение.This brief description of the preferred methods for implementing the present invention is by no means complete. It should be clear that the proposed description contains only individual implementations of the invention and possible other implementations of the described principle do not contradict the spirit of this patent and should be included in the present invention.
Заявляемое устройство может быть использовано в составе ряда специализированных физических приборов, где указанные выше схемы его использования в случае необходимости могут комбинироваться друг с другом.The inventive device can be used as part of a number of specialized physical devices, where the above scheme for its use, if necessary, can be combined with each other.
В частности, заявляемое устройство может быть использовано в составе физического прибора, который содержит а) устройство для генерации заряженных частиц, б) входное промежуточное устройство, в) заявляемое устройство для манипулирования заряженными частицами, г) выходное промежуточное устройства, д) устройство для детектирования заряженных частиц (см. фиг.68).In particular, the claimed device can be used as part of a physical device, which contains a) a device for generating charged particles, b) an input intermediate device, c) a claimed device for manipulating charged particles, d) an output intermediate device, e) a device for detecting charged particles (see Fig. 68).
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, входное промежуточное устройство служит для накопления заряженных частиц, или трансформации свойств пучка заряженных частиц, или фрагментирования заряженных частиц, или генерирования вторичных заряженных частиц, или фильтрации нужной группы заряженных частиц, или первичного детектирования заряженных частиц, или выполнения сразу нескольких из этих функций.In the physical device in question, in particular, the input intermediate device serves to accumulate charged particles, or to transform the properties of a beam of charged particles, or to fragment charged particles, or to generate secondary charged particles, or to filter the desired group of charged particles, or to initially detect charged particles, or to perform several of these functions at once.
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, входное промежуточное устройство может представлять собой последовательность входных промежуточных устройств, разделяемых или не разделяемых транспортирующими устройствами.In the physical device in question, in particular, the input intermediate device may be a sequence of input intermediate devices shared or not shared by conveying devices.
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, входное промежуточное устройство может отсутствовать.In the physical device in question, in particular, the input intermediate device may be absent.
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, выходное промежуточное устройство служит для накопления заряженных частиц, или трансформации свойств пучка заряженных частиц, или фрагментирования заряженных частиц, или генерирования вторичных заряженные частиц, или фильтрации нужной группы заряженных частиц, или первичного детектирования заряженных частиц, или выполнения сразу нескольких из этих функций.In the physical device in question, in particular, the output intermediate device serves to accumulate charged particles, or to transform the properties of a beam of charged particles, or to fragment charged particles, or to generate secondary charged particles, or to filter the desired group of charged particles, or to initially detect charged particles, or to perform several of these functions at once.
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, выходное промежуточное устройство может представлять собой последовательность выходных промежуточных устройств, разделяемых или не разделяемых транспортирующими устройствами.In the physical device in question, in particular, the output intermediate device may be a series of output intermediate devices shared or not shared by conveying devices.
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, выходное промежуточное устройство может отсутствовать.In the physical device in question, in particular, the output intermediate device may not be present.
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, генерирование заряженных частиц может происходить внутри объема устройства для транспортировки и манипулирования заряженными частицами.In the physical device in question, in particular, the generation of charged particles can occur within the volume of a device for transporting and handling charged particles.
В рассматриваемом физическом приборе, в частности детектирование заряженных частиц может происходить внутри объема устройства для транспортировки и манипулирования заряженными частицами.In the physical device in question, in particular, detection of charged particles can occur within the volume of a device for transporting and handling charged particles.
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, выход заряженных частиц из устройства для генерации заряженных частиц и/или входного промежуточного устройства может блокироваться в определенные моменты времени.In the physical device in question, in particular, the exit of charged particles from the device for generating charged particles and / or the input intermediate device may be blocked at certain points in time.
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, вход заряженных частиц в устройство для детектирования заряженных частиц и/или в выходное промежуточное устройство может блокироваться в определенные моменты времени.In the physical device in question, in particular, the entrance of charged particles into the device for detecting charged particles and / or into the output intermediate device may be blocked at certain points in time.
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, устройство для генерирования заряженных частиц может представлять собой источник ионов, оперирующий в непрерывном режиме.In the physical device in question, in particular, the device for generating charged particles may be an ion source operating in a continuous mode.
В рассматриваемом физическом приборе источник ионов, оперирующий в непрерывном режиме, может принадлежать к группе типов источников, включающей в себя: 1) источник ионов типа электроспрей (ESI), 2) ионный источник с ионизацией при атмосферном давлении (API), 3) ионный источник с химической ионизацией при атмосферном давлении (APCI), 4) ионный источник с фотоионизацией при атмосферном давлении (APPI), 5) ионный источник с ионизацией с помощью индуктивно связанной плазмы (ICP), 6) ионный источник с электронным ударом (EI), 7) ионный источник с химической ионизацией (CI), 8) ионный источник с фотоионизацией (PI), 9) ионный источник с термоионизацией (TI), 10) ионный источник с ионизацией в газовом разряде того или иного типа, 11) ионный источник с ионизацией бомбардировкой быстрыми атомами (FAB), 12) ионный источник с ионизацией бомбардировкой ионами (SIMS), 13) ионный источник с ионизацией ионами, получаемыми от жидкометаллического источника ионов (LSIMS).In the physical device under consideration, an ion source operating in a continuous mode may belong to a group of source types, including: 1) an electrospray type ion source (ESI), 2) an atmospheric pressure ionization ion source (API), 3) an ion source atmospheric pressure chemical ionization (APCI), 4) atmospheric pressure photoionization ion source (APPI), 5) inductively coupled plasma ionization ion source (ICP), 6) electron impact ion source (EI), 7 a) ion source with chemical ionization (CI), 8) ion source with photoionization (PI), 9) ion source with thermal ionization (TI), 10) ion source with ionization in a gas discharge of one type or another, 11) ion source with ionization by fast atom bombardment (FAB ), 12) an ion source with ionization by ion bombardment (SIMS), 13) an ion source with ionization by ions received from a liquid metal ion source (LSIMS).
В рассматриваемом физическом приборе, в частности, устройство для генерирования заряженных частиц может представлять собой источник ионов, оперирующий в импульсном режиме.In the physical device in question, in particular, the device for generating charged particles may be an ion source operating in a pulsed mode.
В рассматриваемом физическом приборе источник ионов, оперирующий в импульсном режиме, может принадлежать к группе типов источников, включающей в себя: 1) источник с лазерной десорбцией (LDI), 2) источник с лазерной десорбцией из матрицы (MALDI), 3) источник с ортогональной экстракцией ионов из непрерывного пучка, 4) ионная ловушка, где, в частности, ионная ловушка может принадлежать к группе устройств, включающей в себя: 1) радиочастотную ионную ловушку, включая сюда линейную ионную ловушку, и/или ионную ловушку Пауля, и/или радиочастотную ловушку с импульсным электрическим полем, 2) электростатическую ионную ловушку, включая сюда электростатическую ловушку типа Орбитрап, 3) ионную ловушку Пеннинга.In the physical device under consideration, the ion source operating in a pulsed mode can belong to a group of types of sources, including: 1) a source with laser desorption (LDI), 2) a source with laser desorption from the matrix (MALDI), 3) a source with orthogonal extraction of ions from a continuous beam, 4) an ion trap, where, in particular, an ion trap can belong to a group of devices, including: 1) a radio frequency ion trap, including a linear ion trap, and / or Paul’s ion trap, and / or radio frequency trap with and using a pulsed electric field, 2) an electrostatic ion trap, including an Orbitrap type electrostatic trap, 3) a Penning ion trap.
В рассматриваемом физическом приборе входное промежуточное устройство может представлять собой: 1) устройство, транспортирующее пучок заряженных частиц от источника заряженных частиц, 2) устройство для накопления и хранения заряженных частиц, 3) масс-селективное устройство для отделения заряженных частиц, представляющих интерес, 4) устройство для разделения заряженных частиц по признаку ионной подвижности или производных от ионной подвижности, 5) ячейку для фрагментации заряженных частиц тем или иным способом, 6) ячейку для образования вторичных заряженных частиц тем или иным способом, 7) комбинацию вышеупомянутых устройств, где упомянутые устройства могут быть как устройствами, работающими в непрерывном режиме, так и устройствами, работающими в импульсном режиме.In the physical device under consideration, the input intermediate device can be: 1) a device transporting a beam of charged particles from a source of charged particles, 2) a device for storing and storing charged particles, 3) a mass-selective device for separating charged particles of interest, 4) a device for separating charged particles on the basis of ionic mobility or derivatives of ionic mobility, 5) a cell for fragmentation of charged particles in one way or another, 6) a cell for the formation of orichnyh charged particles one way or another, 7) a combination of the aforementioned devices, wherein said devices can be both devices operating in a continuous mode, and devices operating in the pulsed mode.
В рассматриваемом физическом приборе выходное промежуточное устройство может представлять собой: 1) устройство, транспортирующее пучок заряженных частиц к детектирующему устройству, 2) устройство для накопления и хранения заряженных частиц, 3) масс-селективное устройство для отделения заряженных частиц, представляющих интерес, 4) устройство для разделения заряженных частиц по признаку ионной подвижности или производных от ионной подвижности, 5) ячейку для фрагментации заряженных частиц тем или иным способом, 6) ячейку для образования вторичных заряженных частиц тем или иным способом, 7) комбинацию вышеупомянутых устройств, где упомянутые устройства могут быть как устройствами, работающими в непрерывном режиме, так и устройствами, работающими в импульсном режиме.In the physical device under consideration, the output intermediate device can be: 1) a device transporting a beam of charged particles to a detecting device, 2) a device for storing and storing charged particles, 3) a mass-selective device for separating charged particles of interest, 4) a device for separating charged particles on the basis of ionic mobility or derivatives of ionic mobility, 5) a cell for fragmentation of charged particles in one way or another, 6) a cell for the formation of second charged particles in one way or another; 7) a combination of the aforementioned devices, where the aforementioned devices can be either devices operating in a continuous mode or devices operating in a pulsed mode.
В рассматриваемом физическом приборе в качестве детектирующего устройства могут использоваться: 1) детектор на основе микроканальных пластин, 2) диодные детекторы, 3) полупроводниковые детекторы, 4) детекторы, основанные на измерении наведенного заряда, 5) масс-анализатор (масс-спектрометр, масс-спектрограф или фильтр масс), 6) оптический спектрометр, 7) спектрометры, основанные на разделении заряженных частиц по признаку ионной подвижности или ее производных, где упомянутые устройства могут быть как устройствами, работающими в непрерывном режиме, так и устройствами, работающими в импульсном режиме.In the physical device under consideration, the following can be used as a detecting device: 1) a detector based on microchannel plates, 2) diode detectors, 3) semiconductor detectors, 4) detectors based on induced charge measurement, 5) mass analyzer (mass spectrometer, mass spectrograph or mass filter), 6) an optical spectrometer, 7) spectrometers based on the separation of charged particles on the basis of ionic mobility or its derivatives, where these devices can be like devices operating in continuous hedgehog, and devices operating in a pulsed mode.
В заявляемом устройстве при его работе в составе рассматриваемого физического прибора может происходить выравнивание кинетической энергии заряженных частиц за счет столкновения и обмена энергией между заряженными частицами и молекулами нейтрального газа.In the inventive device, when it is operated as part of the physical device under consideration, the kinetic energy of charged particles can be aligned due to collision and energy exchange between charged particles and neutral gas molecules.
В заявляемом устройстве при его работе в составе рассматриваемого физического прибора может происходить фильтрация заряженных частиц по массе.In the inventive device during its operation as part of the physical device under consideration, filtration of charged particles by mass can occur.
В заявляемом устройстве при его работе в составе рассматриваемого физического прибора может происходить фрагментация заряженных частиц.In the inventive device during its operation as part of the physical device under consideration, fragmentation of charged particles can occur.
В заявляемом устройстве при его работе в составе рассматриваемого физического прибора может происходить образование вторичных заряженных частиц.In the inventive device during its operation as part of the physical device under consideration, the formation of secondary charged particles can occur.
В заявляемом устройстве при его работе в составе рассматриваемого физического прибора может происходить преобразование непрерывного пучка заряженных частиц в дискретный набор пространственно сепарированных пакетов заряженных частиц, необходимый для правильной работы выходного промежуточного устройства и/или детектирующего устройства.In the inventive device, when it is operated as part of the physical device under consideration, a continuous beam of charged particles can be converted to a discrete set of spatially separated packets of charged particles, which is necessary for the output intermediate device and / or detection device to work correctly.
В заявляемом устройстве при его работе в составе рассматриваемого физического прибора может происходить преобразование непрерывного пучка заряженных частиц в дискретный набор пакетов заряженных частиц, синхронизированных во времени, необходимый для правильной работы выходного промежуточного устройства и/или детектирующего устройства.In the inventive device, when it is operated as part of the physical device under consideration, a continuous beam of charged particles can be converted into a discrete set of packets of charged particles synchronized in time, necessary for the correct operation of the output intermediate device and / or detection device.
В рассматриваемом физическом приборе работа устройства для генерирования заряженных частиц и/или работа входного промежуточного устройства может быть существенно синхронизирована во времени с работой заявляемого устройства.In the physical device in question, the operation of the device for generating charged particles and / or the operation of the input intermediate device can be substantially synchronized in time with the operation of the inventive device.
В рассматриваемом физическом приборе работа заявляемого устройства может быть существенно синхронизирована во времени с работой устройства для детектирования заряженных частиц и/или работой выходного промежуточного устройства.In the considered physical device, the operation of the claimed device can be substantially synchronized in time with the operation of the device for detecting charged particles and / or the operation of the output intermediate device.
Заявляемое устройство может быть использовано как транспортирующее устройство для пучка заряженных частиц.The inventive device can be used as a conveying device for a beam of charged particles.
Заявляемое устройство может быть использовано как транспортирующее устройство для пучка заряженных частиц с гашением скоростей заряженных частиц за счет столкновений с молекулами газа.The inventive device can be used as a conveying device for a beam of charged particles with damping the velocities of charged particles due to collisions with gas molecules.
Заявляемое устройство может быть использовано как ионная ловушка.The inventive device can be used as an ion trap.
Заявляемое устройство может быть использовано как ячейка для фрагментации ионов.The inventive device can be used as a cell for fragmentation of ions.
Заявляемое устройство может быть использовано как накопительное устройство для ионов.The inventive device can be used as a storage device for ions.
Заявляемое устройство может быть использовано как реактор для ион-молекулярных реакций.The inventive device can be used as a reactor for ion-molecular reactions.
Заявляемое устройство может быть использовано как ячейка для спектроскопии ионов.The inventive device can be used as a cell for ion spectroscopy.
Заявляемое устройство может быть использовано как источник ионов для непрерывного инжектирования ионов в масс-анализатор или в промежуточное устройство, предшествующее масс-анализатору.The inventive device can be used as a source of ions for continuous injection of ions into the mass analyzer or into an intermediate device preceding the mass analyzer.
Заявляемое устройство может быть использовано как источник ионов для импульсного инжектирования ионов в масс-анализатор или в промежуточное устройство, предшествующее масс-анализатору.The inventive device can be used as an ion source for pulsed injection of ions into a mass analyzer or into an intermediate device prior to the mass analyzer.
Заявляемое устройство может быть использовано как фильтр масс.The inventive device can be used as a mass filter.
Заявляемое устройство может быть использовано как масс-селективное накопительное устройство.The inventive device can be used as a mass-selective storage device.
Заявляемое устройство может быть использовано как масс-анализатор.The inventive device can be used as a mass analyzer.
Заявляемое устройство может быть использовано в интерфейсе для транспортировки в масс-анализатор заряженных частиц из газонаполненных источников ионов.The inventive device can be used in the interface for transporting charged particles from gas-filled ion sources to the mass analyzer.
В случае использования в интерфейсе для транспортировки в масс-анализатор заряженных частиц заявляемое устройство может применяться, в частности, для транспортировки ионов, по крайней мере, по части пути между источником ионов и масс-анализатором.In the case of using charged particles in the interface for transporting charged particles to the mass analyzer, the inventive device can be used, in particular, for transporting ions, at least in part, between the ion source and the mass analyzer.
В случае использования в интерфейсе для транспортировки в масс-анализатор заряженных частиц заявляемое устройство, в частности, может охватывать несколько стадий дифференциальной откачки.In the case of using charged particles in the interface for transporting charged particles to the mass analyzer, the claimed device, in particular, can cover several stages of differential pumping.
В случае использования в интерфейсе для транспортировки в масс-анализатор заряженных частиц заявляемое устройство может применяться, в частности, для объединения потоков ионов из нескольких источников, включая сюда: 1) попеременное оперирование с индивидуальными источниками, загружающими ионы в устройство для транспортировки, фокусировки и манипулирования ионами, 2) периодическое переключение между основным источником и источником, содержащем вещество, используемое для калибровки, 3) одновременное оперирование с несколькими источниками для смешения потоков ионов либо с целью реагирования ионов разных типов, либо с целью калибровки масс-анализатора по массам, либо с целью калибровки масс-анализатора по чувствительности.In the case of using charged particles in the interface for transporting charged particles to the mass analyzer, the claimed device can be used, in particular, for combining ion flows from several sources, including: 1) alternating operation with individual sources loading ions into the device for transportation, focusing and manipulation ions, 2) periodic switching between the main source and the source containing the substance used for calibration, 3) simultaneous operation with several sources E for mixing flows of ions or to respond ions of various types, or to calibrate the mass analyzer, mass, or to calibrate the mass analyzer sensitivity.
В случае использования в интерфейсе для транспортировки в масс-анализатор заряженных частиц заявляемое устройство может применяться, в частности, для дополнительного возбуждения внутренней энергии ионов с целью: 1) разбивки ионных кластеров, 2) фрагментации ионов, 3) стимулирования ион-молекулярных реакций, 4) подавления ион-молекулярных реакций.In the case of using charged particles in the interface for transporting charged particles to the mass analyzer, the claimed device can be used, in particular, for additional excitation of the internal energy of ions with the aim of: 1) breaking up ionic clusters, 2) fragmentation of ions, 3) stimulating ion-molecular reactions, 4 ) suppression of ion-molecular reactions.
В случае использования в интерфейсе для транспортировки в масс-анализатор заряженных частиц заявляемое устройство может применяться, в частности, для: 1) прямого и непрерывного либо импульсного ввода ионов в непрерывно работающий масс-анализатор, 2) импульсного ввода ионов в масс-анализатор, работающий в импульсном режиме, 3) импульсного ввода ионов в масс-анализатор, работающий в импульсном режиме, с помощью преобразования непрерывного потока ионов в импульсный поток ионов при посредстве ортогонального ускорительного устройства.In the case of using charged particles in the interface for transporting charged particles to the mass analyzer, the claimed device can be used, in particular, for: 1) direct and continuous or pulsed input of ions into a continuously working mass analyzer, 2) pulsed input of ions into a mass analyzer working in a pulsed mode, 3) pulsed input of ions into a mass analyzer operating in a pulsed mode by converting a continuous stream of ions into a pulsed ion stream using an orthogonal accelerator device.
Заявляемое устройство может быть использовано в преобразователе непрерывного потока ионов в дискретный поток ионов.The inventive device can be used in a converter of a continuous stream of ions into a discrete stream of ions.
В случае использования в преобразователе непрерывного потока ионов в дискретный поток ионов заявляемое устройство, в частности, может загружаться непрерывным потоком ионов на входе и выдавать поток дискретных пакетов ионов на выходе непосредственно в выходное устройство, работающее в импульсном режиме.In the case of using a continuous stream of ions in a converter to a discrete ion stream, the claimed device, in particular, can be loaded with a continuous stream of ions at the input and output a stream of discrete packets of ions at the output directly to the output device operating in a pulsed mode.
В случае использования в преобразователе непрерывного потока ионов в дискретный поток ионов в заявляемом устройстве, в частности, выходные дискретные пакеты ионов могут быть существенно синхронизированными во времени.In the case of using a continuous stream of ions into a discrete ion stream in the converter in the inventive device, in particular, output discrete ion packets can be substantially synchronized in time.
В случае использования в преобразователе непрерывного потока ионов в дискретный поток ионов заявляемое устройство, в частности, может охватывать несколько стадий дифференциальной откачки, при этом давление газа может существенно меняться на протяжении длины упомянутого устройства, а инжектирование ионов внутрь упомянутого устройства может происходить при существенно более высоком давлении по сравнению с областью выхода ионов и упомянутого устройства.In the case of using a continuous ion stream to a discrete ion stream in the converter, the claimed device, in particular, can cover several stages of differential pumping, while the gas pressure can vary significantly over the length of the said device, and the injection of ions into the said device can occur at a significantly higher pressure compared to the ion exit region and said device.
Заявляемое устройство может быть использовано в накопительном устройстве для ионов, в котором накопление ионов происходит внутри заявляемого устройства.The inventive device can be used in a storage device for ions, in which the accumulation of ions occurs inside the inventive device.
В случае использования заявляемого устройства в накопительном устройстве для ионов, заявляемое устройство может обеспечивать масс-селективность устройства.In the case of using the inventive device in a storage device for ions, the inventive device can provide mass selectivity of the device.
Заявляемое устройство может быть использовано в составе источника ионов, при этом генерация ионов может осуществляться внутри заявляемого устройства.The inventive device can be used as part of an ion source, while the generation of ions can be carried out inside the inventive device.
В случае применения заявляемого устройства в составе источника ионов, создаваемые в заявляемом устройстве высокочастотные поля могут использоваться для: 1) удержания ионов, 2) транспортировки ионов по заданному пути, 3) возбуждения внутренней энергии ионов, 4) столкновительного гашения скорости ионов, 5) столкновительного охлаждения внутренней энергии ионов, 6) превращения дискретного потока ионов в непрерывный или квази-непрерывный поток ионов, 7) защиты твердых поверхностей источника от загрязнения исследуемым веществом и от накопления электрических зарядов, 8) удержания ионов с противоположными зарядами, 9) удержания ионов в широком диапазоне масс, 10) грубой фильтрации ионов по параметру отношения массы к заряду.In the case of using the inventive device as a part of the ion source, the high-frequency fields created in the inventive device can be used for: 1) ion retention, 2) ion transport along a given path, 3) excitation of internal ion energy, 4) collisional quenching of ion velocity, 5) collisional cooling the internal energy of ions; 6) converting a discrete ion stream into a continuous or quasi-continuous ion stream; 7) protecting the solid surfaces of the source from contamination with the test substance and from accumulation The electrical charges, 8) retaining ions with opposite charges, 9) retain ions over a wide mass range, 10) the coarse ions parameter mass to charge ratio.
Заявляемое устройство может быть использовано в составе ячейки для фрагментации ионов, в которой внутри заявляемого устройства может осуществляться удержание ионов за счет высокочастотных электрических полей заявляемого устройства, а фрагментация ионов вызывается за счет: 1) инжектирования ионов внутрь упомянутого устройства с достаточно большой кинетической энергией, 2) падения ионов на поверхность элементов упомянутого устройства, 3) бомбардировки ионов быстрыми частицами, 4) освещения ионов фотонами, 5) воздействия на ионы быстрыми электронами, 6) воздействия на ионы медленными электронами и диссоциации ионов в результате захвата электронов, 7) ион-молекулярных реакций ионов с частицами противоположного заряда, 8) ион-молекулярных реакций с агрессивно действующими парами.The inventive device can be used as part of an ion fragmentation cell, in which ions can be retained inside the inventive device due to the high-frequency electric fields of the claimed device, and ion fragmentation is caused by: 1) injecting ions into the said device with a sufficiently high kinetic energy, 2 ) ion fall on the surface of the elements of the said device, 3) bombardment of ions by fast particles, 4) illumination of ions by photons, 5) effects on ions by fast electrons, 6) subjecting the ions slow electrons and ions result in dissociation of electron capture, 7) an ion-molecule reactions with the ions of the opposite charge particles, 8) an ion-molecule reactions with aggressive action pairs.
Claims (66)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011119296/07U RU113611U1 (en) | 2011-05-05 | 2011-05-05 | DEVICE FOR MANIPULATING CHARGED PARTICLES |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011119296/07U RU113611U1 (en) | 2011-05-05 | 2011-05-05 | DEVICE FOR MANIPULATING CHARGED PARTICLES |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU113611U1 true RU113611U1 (en) | 2012-02-20 |
Family
ID=45854890
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011119296/07U RU113611U1 (en) | 2011-05-05 | 2011-05-05 | DEVICE FOR MANIPULATING CHARGED PARTICLES |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU113611U1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2589276C2 (en) * | 2011-04-27 | 2016-07-10 | МЭППЕР ЛИТОГРАФИ АйПи Б.В. | System of charged particles with device-manipulator for manipulating one or more beams of charged particles |
US9607806B2 (en) | 2011-05-30 | 2017-03-28 | Mapper Lithography Ip B.V. | Charged particle multi-beam apparatus including a manipulator device for manipulation of one or more charged particle beams |
RU205635U1 (en) * | 2021-03-23 | 2021-07-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук Российская Федерация | Segmented Paul Ion Trap for Quantum Computing Machines |
-
2011
- 2011-05-05 RU RU2011119296/07U patent/RU113611U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2589276C2 (en) * | 2011-04-27 | 2016-07-10 | МЭППЕР ЛИТОГРАФИ АйПи Б.В. | System of charged particles with device-manipulator for manipulating one or more beams of charged particles |
US9607806B2 (en) | 2011-05-30 | 2017-03-28 | Mapper Lithography Ip B.V. | Charged particle multi-beam apparatus including a manipulator device for manipulation of one or more charged particle beams |
RU205635U1 (en) * | 2021-03-23 | 2021-07-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук Российская Федерация | Segmented Paul Ion Trap for Quantum Computing Machines |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10559454B2 (en) | Device for manipulating charged particles | |
US10796893B2 (en) | RF ion guide with axial fields | |
KR101465502B1 (en) | Electrostatic ion trap | |
US7019285B2 (en) | Ion storage time-of-flight mass spectrometer | |
US8969798B2 (en) | Abridged ion trap-time of flight mass spectrometer | |
JP4690641B2 (en) | Mass spectrometer | |
EP3510627B1 (en) | Quadrupole devices | |
JP5384749B2 (en) | Mass-to-charge ratio selective ejection from an ion guide by applying an auxiliary RF voltage | |
WO2014169754A1 (en) | Ion guiding device and method | |
US8309911B2 (en) | Methods and apparatus for filling an ion detector cell | |
RU113611U1 (en) | DEVICE FOR MANIPULATING CHARGED PARTICLES | |
CN109643634B (en) | Quadrupole device | |
CA2837873C (en) | Abridged multipole structure for the transport, selection and trapping of ions in a vacuum system | |
JP2009146913A (en) | Mass spectrometer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20120506 |