RU167557U1

RU167557U1 - MULTI-SECTION MONOPOLY MASS ANALYZER

Info

Publication number: RU167557U1
Application number: RU2016114227U
Authority: RU
Inventors: Виктор Сергеевич Гуров; Михаил Викторович Дубков; Михаил Анатольевич Буробин; Игорь Алексеевич Харланов
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2017-01-10

Abstract

Конструкция электродной системы монопольного масс-анализатора относится к области динамической масс-спектрометрии и может использоваться при создании монопольного масс-анализатора с высокой разрешающей способностью. Полезная модель заключается в следующем: многосекционный монопольный масс-анализатор состоит из нескольких секций, содержащих полеобразующие уголковый и стержневой электроды, расположенных таким образом, что каждая следующая секция электродов развернута на 180° вокруг продольной оси масс-анализатора относительно предыдущей секции. Благодаря такому расположению секций электродов в области между секциями электродов происходит рассеяние несортированных ионов. Технический результат - увеличение разрешающей способности прибора. 2 ил.The design of the electrode system of a monopole mass analyzer belongs to the field of dynamic mass spectrometry and can be used to create a monopole mass analyzer with high resolution. A useful model is as follows: a multi-section monopole mass analyzer consists of several sections containing field-forming corner and rod electrodes located in such a way that each subsequent section of electrodes is rotated 180 ° around the longitudinal axis of the mass analyzer relative to the previous section. Due to this arrangement of the electrode sections in the region between the electrode sections, scattering of unsorted ions occurs. The technical result is an increase in the resolution of the device. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к масс-спектрометрии, в частности к динамическим гиперболоидным масс-спектрометрам пролетного типа, и может быть использована для создания монопольного масс-анализатора с высокой разрешающей способностью.The utility model relates to mass spectrometry, in particular to dynamic hyperboloid mass spectrometers of the span type, and can be used to create a monopole mass analyzer with high resolution.

Монопольный масс-анализатор представляет собой четвертую часть квадрупольного фильтра масс, образованную стержневым электродом гиперболического сечения и уголковым электродом, плоскости которого являются асимптотами к стержневому электроду. В первых монопольных масс-анализаторах гиперболический электрод аппроксимировался цилиндрическим [1]. Такое приближение к идеальному квадратичному распределению электрического потенциала приводило к пониженным аналитическим характеристикам: чувствительности и разрешающей способности.A monopole mass analyzer is the fourth part of a quadrupole mass filter formed by a rod electrode of hyperbolic cross section and a corner electrode, the planes of which are asymptotes to the rod electrode. In the first monopole mass analyzers, the hyperbolic electrode was approximated by a cylindrical one [1]. Such an approximation to the ideal quadratic distribution of the electric potential led to reduced analytical characteristics: sensitivity and resolution.

Дальнейшее развитие монопольного масс-анализатора привело к появлению новой технологии изготовления электродной системы [2], согласно которой создают с высокой точностью две металлические формы, внешние поверхности которых соответствуют внутренним поверхностям уголкового и гиперболического электродов монопольного анализатора, наносят на формы слой металла, например, путем электрического осаждения толщиной 0,1÷1 мм для обеспечения требуемой прочности анализатора, после чего форму удаляют путем нагрева уголкового и охлаждения гиперболического электродов вместе с формами. На электроды наносят защитное покрытие, например, путем электрического осаждения толщиной 5÷10 мкм, и электроды соединяют друг с другом с помощью оправки и изоляторов, изготовленных в виде прямоугольных параллелепипедов. Такая технология изготовления электродной системы монопольного масс-анализатора позволяет добиться высококачественного электрического поля, обладает легкостью и прочностью.Further development of the monopole mass analyzer led to the emergence of a new technology for manufacturing the electrode system [2], according to which two metal forms are created with high accuracy, the external surfaces of which correspond to the internal surfaces of the corner and hyperbolic electrodes of the monopole analyzer, a metal layer is applied to the forms, for example, by by 0.1 to 1 mm thick electrical deposition to ensure the required analyzer strength, after which the mold is removed by heating the corner and cooling the hyperbo leaf electrodes along with molds. A protective coating is applied to the electrodes, for example, by electric deposition with a thickness of 5 ÷ 10 μm, and the electrodes are connected to each other using a mandrel and insulators made in the form of rectangular parallelepipeds. This technology of manufacturing the electrode system of a monopole mass analyzer allows to achieve a high-quality electric field, has lightness and strength.

Однако у монопольного масс-анализатора остался недостаток, связанный с ограниченностью времени сортировки ионов, т.е. некоторые ионы за время пролета электродной системы не увеличивают достаточно амплитуду колебаний и попадают в детектор, что затягивает фронты массовых пиков и снижает разрешающую способность масс-анализатора. Один из основных методов увеличения времени сортировки - увеличение длины электродной системы. Но при создании протяженной электродной системы гиперболического профиля могут возникнуть деформации электродов, что приведет к снижению аналитических характеристик масс-анализатора.However, the monopoly mass analyzer still had a drawback associated with the limited time of ion sorting, i.e. Some ions during the passage of the electrode system do not sufficiently increase the amplitude of the oscillations and fall into the detector, which delays the fronts of the mass peaks and reduces the resolution of the mass analyzer. One of the main methods for increasing the sorting time is to increase the length of the electrode system. But when creating an extended hyperbolic electrode system, deformations of the electrodes can occur, which will lead to a decrease in the analytical characteristics of the mass analyzer.

Для решения этой проблемы была разработана конструкция гиперболоидных масс-спектрометров пролетного типа, в которой протяженная электродная система собирается из идентичных секций, соответствующие электроды которых механически и электрически последовательно соединены между собой, образуя единую электродную систему [3]. Такая конструкция электродной системы позволяет повысить точность изготовления электродной системы, а соответственно, приблизить распределение электрического потенциала в объеме масс-анализатора к идеальному.To solve this problem, a design of the flyby type hyperboloid mass spectrometers was developed, in which an extended electrode system is assembled from identical sections, the corresponding electrodes of which are mechanically and electrically connected in series, forming a single electrode system [3]. This design of the electrode system allows you to increase the accuracy of the manufacture of the electrode system, and, accordingly, bring the distribution of electric potential in the volume of the mass analyzer closer to ideal.

Описанный выше способ повышения разрешающей способности за счет увеличения длины масс-анализатора недопустим при создании малогабаритных приборов. Поэтому предлагается использовать электродную систему, состоящую из нескольких секций электродов, но расположенных особым образом друг относительно друга.The method of increasing the resolution described above by increasing the length of the mass analyzer is unacceptable when creating small-sized devices. Therefore, it is proposed to use an electrode system consisting of several sections of electrodes, but located in a special way relative to each other.

Как показали исследования [4], стабильные ионы фокусируются в область выходной диафрагмы и обладают малыми поперечными скоростями. Несортированные ионы обладают большими поперечными скоростями, поэтому для увеличения разрешающей способности монопольного масс-анализатора предлагается создать область рассеяния, благодаря которой ионы с большими поперечными скоростями не попадут в детектор. Для этого необходимо использовать многосекционную электродную систему, в которой следующая секция развернута вокруг продольной оси относительно предыдущей на 180° и смещена на расстояние Δy по вертикальной оси и по продольной оси на расстояние Δz. При этом соответствующие электроды различных секций электрически соединены между собой. При такой конструкции электродной системы стабильные ионы фокусируются в область между секциями электродов и через вторую секцию пролетают в детектор. Несортированные ионы в области между секциями будут обладать большими поперечными скоростями и не попадут во вторую секцию электродов.Studies have shown [4] that stable ions are focused in the region of the output diaphragm and have low transverse velocities. Unsorted ions have large transverse velocities; therefore, to increase the resolution of the monopole mass analyzer, it is proposed to create a scattering region, due to which ions with large transverse velocities will not enter the detector. To do this, it is necessary to use a multi-section electrode system in which the next section is rotated around the longitudinal axis relative to the previous one by 180 ° and offset by a distance Δy along the vertical axis and along the longitudinal axis by a distance Δ z . In this case, the corresponding electrodes of the various sections are electrically connected to each other. With this design of the electrode system, stable ions are focused into the region between the sections of the electrodes and fly through the second section into the detector. Unsorted ions in the region between the sections will have high transverse velocities and will not fall into the second section of the electrodes.

Проведенные численные и экспериментальные исследования показали, что такая конструкция электродной системы позволяет добиться увеличения разрешающей способности в 1,5 раза по сравнению с монопольным масс-анализатором с традиционным (неразвернутым) расположением секций электродов при одинаковой длине электродной системы.Numerical and experimental studies have shown that this design of the electrode system allows to increase the resolution by 1.5 times compared to a monopole mass analyzer with a traditional (non-deployed) arrangement of electrode sections with the same length of the electrode system.

На фиг. 1 изображена предлагаемая электродная система монопольного масс-анализатора с развернутыми секциями электродов. r₀ - характерный размер электродной системы; Δy - параллельное смещение второй секции электродов по оси y; Δz - смещение секции электродов по продольной оси z.In FIG. 1 shows the proposed electrode system of a monopole mass analyzer with expanded sections of the electrodes. r ₀ is the characteristic size of the electrode system; Δy is the parallel displacement of the second section of the electrodes along the y axis; Δz is the displacement of the electrode section along the longitudinal axis z.

На фиг. 2 изображена зависимость разрешающей способности от смещения Δz секции электродов (Δy=0,167r₀). Точками изображены значения, полученные экспериментально, линия показывает математическое моделирование. Значения разрешающей способности R нормированы на значение разрешающей способности R₀ монопольного масс-анализатора с традиционным расположением секций при такой же длине электродной системы, значение смещения Δz нормировано на характерный размер электродной системы r₀. Стоит отметить, что дальнейший сдвиг второй секции (Δz>0,5r₀) является нецелесообразным, поскольку приведет к значительному снижению чувствительности монопольного масс-анализатора.In FIG. 2 shows the dependence of resolution on the displacement Δz of the electrode section (Δy = 0.167r ₀ ). The dots show the values obtained experimentally, the line shows the mathematical modeling. The resolution values R are normalized to the resolution value R _{0 of a} monopole mass analyzer with a traditional arrangement of sections with the same length of the electrode system, the offset value Δz is normalized to the characteristic size of the electrode system r ₀ . It is worth noting that a further shift of the second section (Δz> 0.5r ₀ ) is impractical, since it will lead to a significant decrease in the sensitivity of the monopole mass analyzer.

ЛитератураLiterature

1. Von Zahn U. Monopole spectrometer, a new electric field mass spectrometer // Rev. Sci. Instrum. - 1963. - №34. - P. 1-4.1. Von Zahn U. Monopole spectrometer, a new electric field mass spectrometer // Rev. Sci. Instrum. - 1963. - No. 34. - P. 1-4.

2. Патент РФ №2393580.2. RF patent No. 2393580.

3. Патент РФ на полезную модель №156466.3. RF patent for utility model No. 156466.

4. Гуров B.C., Дубков М.В., Буробин М.А., Харланов И.А. Уменьшение влияния нестабильных ионов на работу монопольного масс-анализатора // Успехи современной радиоэлектроники. - 2014 - №6 - С. 4-8.4. Gurov B.C., Dubkov M.V., Burobin M.A., Kharlanov I.A. Reducing the influence of unstable ions on the operation of a monopole mass analyzer // Successes in modern radio electronics. - 2014 - No. 6 - S. 4-8.

Claims

The design of a multi-section monopole mass analyzer, consisting of two or more identical sections containing a corner and rod electrodes, the corresponding electrodes of the different sections being electrically connected to each other, characterized in that each subsequent section of the electrodes is rotated 180 ° around the longitudinal axis, is shifted vertically axis to a distance Δy not exceeding 1 / 6r ₀ , and along the longitudinal axis to a distance Δz not exceeding 1 / 2r ₀ , where r ₀ is the distance from the longitudinal axis to the rod electrode.