RU2020646C1 - Transit-time mass-spectrometry method - Google Patents
Transit-time mass-spectrometry method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2020646C1 RU2020646C1 SU4849055A RU2020646C1 RU 2020646 C1 RU2020646 C1 RU 2020646C1 SU 4849055 A SU4849055 A SU 4849055A RU 2020646 C1 RU2020646 C1 RU 2020646C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ion
- ions
- mass
- time
- drift space
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к масс-спетрометрии, а именно времяпролетной масс-спектрометрии, и может быть использовано в микроэлектронике для анализа состава вещества по массам ионов химических элементов и соединений. The invention relates to mass spectrometry, namely, time-of-flight mass spectrometry, and can be used in microelectronics to analyze the composition of a substance by the mass of ions of chemical elements and compounds.
Известен способ времяпролетной масс-спектрометрии [1], в котором направляют исследуемые ионы с одинаковой энергией из источника ионов в бесполевое пространство дрейфа и регистрируют после прохождения фиксированного пути разделенные в нем по времени пакеты ионов с одинаковой массой. A known method of time-of-flight mass spectrometry [1], in which the studied ions with the same energy are directed from the ion source to the fieldless drift space and the ion packets with the same mass separated in it are recorded after passing a fixed path.
Недостатком известного способа является низкая разрешающая способность из-за наличия начального разброса по энергиям в источнике ионов. The disadvantage of this method is the low resolution due to the presence of the initial energy spread in the ion source.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ времяпролетной масс-спектрометрии [2], в котором испущенные источником ионы разделяются в первом бесполевом пространстве дрейфа по времени пролета, далее разделенные пакеты ионов отражаются в электростатическом поле и направляются во второе бесполевое пространство дрейфа, где происходит компенсация начального разброса ионов с одинаковой массой по энергиям с последующей регистрацией пакетов ионов. The closest in technical essence to the claimed one is the method of time-of-flight mass spectrometry [2], in which the ions emitted by the source are separated in the first fieldless drift space by time of flight, then the separated ion packets are reflected in the electrostatic field and sent to the second fieldless drift space, where Compensation of the initial dispersion of ions with the same energy mass with subsequent registration of ion packets.
Недостатками известного способа являются недостаточная разрешающая способность, обусловленная конечной временной протяженностью регистрируемых ионных пакетов, и низкая чувствительность, связанная с угловой расходимостью ионов после отражения в ионном зеркале. The disadvantages of this method are the lack of resolution, due to the finite time length of the recorded ionic packets, and low sensitivity associated with the angular divergence of ions after reflection in an ion mirror.
Целью изобретения является повышение разрешающей способности и чувствительности. The aim of the invention is to increase the resolution and sensitivity.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе времяпролетной масс-спектрометрии, заключающемся в разделении испущенных источником ионов в первом бесполевом пространстве дрейфа по времени пролета на пакеты, отражении пакетов ионов в электростатическом поле с их последующим направлением во втрое бесполевое пространство дрейфа и регистрацией, регистрацию пакетов ионов осуществляют посредством поочередного отклонения пакетов ионов определяемых масс во втором бесполевом пространстве дрейфа импульсным электрическим полем, напряженность которого ε(t) и время воздействия на отклоняемые пакеты ионов τ выбирают из соотношения:
(t)dt = tg; (1) где α - угол регистрации, рад;
Uист - ускоряющее напряжение источника ионов, В;
Мi - масса определяемого иона, кг;
е - элементарный заряд, Кл.The essence of the invention lies in the fact that in the method of time-of-flight mass spectrometry, which consists in dividing the ions emitted by the source in the first fieldless drift space by time of flight into packets, reflecting the ion packets in the electrostatic field with their subsequent direction into the triple fieldless drift space and recording, registration ion packets are carried out by alternately deflecting the ion packets of the determined masses in the second fieldless drift space by a pulsed electric field, e.g. the intensity of which ε (t) and the exposure time to the rejected ion packets τ are selected from the relation:
(t) dt = tg ; (1) where α is the registration angle, rad;
U East - the accelerating voltage of the ion source, V;
M i - the mass of the determined ion, kg;
e - elementary charge, CL.
На фиг.1 схематически представлено устройство, реализующее предлагаемый способ времяпролетной масс-спектрометрии; на фиг.2 изображены траектории ионов с массой Mi после отражения в ионном зеркале.Figure 1 schematically shows a device that implements the proposed method of time-of-flight mass spectrometry; figure 2 shows the trajectory of ions with mass M i after reflection in the ion mirror.
Устройство состоит из источника 1 ионов, ионного зеркала 2, отклоняющих электродов 3, детектора 4 ионов, расположенного на оси, отклоненной от оси первого пространства дрейфа на угол α. The device consists of an
Устройство работает следующим образом. Вылетающие из источника 1 в виде короткого пакета ионы массами Mi, Mj, Mк и т.д. с одинаковыми энергиями разделяются в первом пространстве дрейфа на пакеты по массам Mi, Mj, Mк и т.д.The device operates as follows. Ions of masses M i , M j , M k , etc., emitted from
После отражения пакета ионов массой Mi в двухступенчатом (U1 и U2) поле на него воздействуют импульсом электрического поля, создаваемым при приложении к отклоняющим электродам 3 импульса напряжения с параметрами U3i, τ3i. При этом длительность импульса напряжения τ3i выбирают, исходя из того, что:
τ3i < < tпрол, (2) где tпрол - время пролета ионами с массой Mi отклоняющих электродов 3.After a packet of ions of mass M i is reflected in a two-stage (U 1 and U 2 ) field, it is affected by an electric field pulse generated when a voltage pulse with parameters U 3i , τ 3i is applied to the
τ 3i <<t prol , (2) where t prol is the time of flight by ions with mass M i of deflecting electrodes 3.
В случае выполнения этого требования импульс электрического поля длительностью τ3i, создаваемый между отклоняющими электродами 3, будет воздействовать на ионы с небольшим различием в массах Mi, дающие основной вклад в ухудшение разрешения, одинаковое время τ3i, поскольку эти ионы имеют слабые различия в скоростях vi= пролета отклоняющих электродов 3.If this requirement is met, an electric field pulse of duration τ 3i created between the deflecting
Этот импульс сообщает ионам в промежутке между отклоняющими электродами 3 скорость vоткл.i, перпендикулярно оси первого пространства дрейфа и определяемую по формуле
vоткл.i= Uзi(t)dt, (3) где е - элементарный разряд;
d3 - расстояние между отклоняющими электродами 3.This pulse tells the ions in the interval between the
v off i = U zi (t) dt, (3) where e is the elementary discharge;
d 3 - the distance between the deflecting
Для случая прямоугольного отклоняющего импульса, формула (3) принимает вид:
vоткл.i= Uзiτзi, (4) где Uзi - амплитуда прямоугольного импульса.For the case of a rectangular deflecting pulse, formula (3) takes the form:
v off i = U zi τ zi , (4) where U zi is the amplitude of the rectangular pulse.
В случае треугольного отклоняющего импульса формула (3) имеет вид:
vоткл.i= 2 Uзimax·τ3imax. (5)
В случае, когда импульсное электрическое поле реализуется в области плоского конденсатора, параметры отклоняющего импульса напряжения на электродах конденсатора (амплитуда U3i и длительность τ3i) могут быть определены из соотношения:
для прямоугольного импульса
Uзi·τз = dзitg, (6) где d3 - расстояние между электродами конденсатора 3;
для импульса треугольной формы
Uзi·τзi= dзtg (7)
Подачу отклоняющего импульса поля на электроды 3 длительностью τ3iнеобходимо осуществлять в момент пролета ионами массы Mi половины длины отклоняющих электродов 3. Время подачи отклоняющего импульса tп можно определить следующим образом:
tп = tпрол.1 + tотр + t, (8) где tпрол.1 - время пролета ионами массой Mi первого пространства дрейфа;
tотр - время пролета ионами массой Mi ионного зеркала 2;
t'прол.2 - время пролета ионами массой Mi от ионного зеркала 2 до середины отклоняющих электродов 3.In the case of a triangular deflecting pulse, formula (3) has the form:
v off i = 2 U zimax · τ 3imax . (5)
In the case when a pulsed electric field is realized in the region of a flat capacitor, the parameters of the deflecting voltage pulse on the capacitor electrodes (amplitude U 3i and duration τ 3i ) can be determined from the relation:
for rectangular impulse
U zi · τ z = d zi tg , (6) where d 3 is the distance between the electrodes of the
for a pulse of a triangular shape
U zi · τ zi = d z tg (7)
The supply of a deflecting field pulse to the
t n = t prol.1 + t + t neg , (8) where t prol. 1 is the transit time by ions of mass M i of the first drift space;
t neg - flight time by ions of mass M i of ion mirror 2;
t ' prol.2 - time of flight by ions of mass M i from the
tпрол.1=, где l1 - длина первого пространства дрейфа;
Е - кинетическая энергия ионов на выходе из ионного источника 1
tотр= 2 , (9) где U1 - напряжение между электродами первого отражающего промежутка ионного зеркала 2 длиной d1;
U2 - напряжение между электродами второго отражающего промежутка ионного зеркала 2 длиной d2;
е - элементарный заряд.
E is the kinetic energy of the ions at the exit from the
t neg = 2 , (9) where U 1 is the voltage between the electrodes of the first reflecting gap of the
U 2 is the voltage between the electrodes of the second reflective gap of the
e is the elementary charge.
Так как на выходе из ионного зеркала 2 ионы массой Mi имеют ту же скорость, что и в первом дрейфовом пространстве, то есть
vотр.i= vi= , (10) то
t= , (11) где l2 1 - расстояние от ионного зеркала 2 до середины отклоняющих электродов 3.Since at the exit from the
v neg .i = v i = , (10) then
t = , (11) where l 2 1 is the distance from the
Значение tпрол. в требовании (11) определяется как:
tпрол. = , (12) где lэл.3 - длина отклоняющих электродов 3.The value of t prol . in requirement (11) is defined as:
t prol. = , (12) where l el . 3 is the length of the deflecting
Попавшие в это же время в пространство между отклоняющими электродами 3 ионы с массами Mj, MK и т.д. также приобретут в направлении, перпендикулярном оси первого пространства дрейфа, различные скорости vоткл.j, vоткл.к и т.д.:
vоткл.j = Uзi(t)dt;
(13)
vоткл.к = Uзi(t)dt.At the same time, ions with masses M j , M K , etc., trapped in the space between the deflecting
v off j = U zi (t) dt;
(thirteen)
v off to = U zi (t) dt.
Поскольку в это же время в отражательном поле ионного зеркала 2 ионы меняют направления своего движения на противоположные с той же скоростью vi, vj, vк, суммарная скорость движения ионов vEi, vEj, veкбудет являться результатом векторного сложения скоростей вдоль оси первого пространства дрейфа vотр.i, vотр.j, vотр.к и скорости vоткл.i, vоткл.j, vоткл.к, причем очевидно:
v = v; v = v; v = v. (14)
Таким образом, ионы с массами Mi, Mj, Mк отклонятся на разные углы αi, αj, αк от первоначального направления движения
αi= arctg Uзi(t)dt;
αj= arctg Uзi(t)dt; (15)
αк= arctg Uзi(t)dt..Since at the same time, in the reflection field of the
v = v ; v = v ; v = v . (14)
Thus, ions with masses M i , M j , M k deviate at different angles α i , α j , α k from the original direction of motion
α i = arctg U zi (t) dt;
α j = arctg U zi (t) dt; (fifteen)
α to = arctg U zi (t) dt ..
В случае прямоугольного и треугольного выталкивающих импульсов формулы (14) примут, соответственно, вид (16) и (17):
αi= arctg = arctg ;
αj= arctg ; (16)
αк= arctg ;
αi= arctg ;
αj= arctg ; (17)
αк= arctg ;
Поскольку детектор 4 ионов расположен на оси, отстоящей от оси первого пространства дрейфа на угол α=αi, после прохождения второго пространства дрейфа будут регистрироваться только ионы массой Mi, сфокусированные по энергии в ионном зеркале 2.In the case of rectangular and triangular pushing pulses, formulas (14) will take, respectively, the form (16) and (17):
α i = arctg = arctg ;
α j = arctg ; (sixteen)
α to = arctg ;
α i = arctg ;
α j = arctg ; (17)
α to = arctg ;
Since the
Таким образом, за счет дополнительного разделения ионов по углу разлета, зависящему от массы, осуществляется повышение разрешения ионов по массам в предлагаемом способе времяпролетной масс-спектрометрии. Thus, due to the additional separation of ions according to the scattering angle, depending on the mass, the ion resolution is increased by mass in the proposed method of time-of-flight mass spectrometry.
Дополнительное слагаемое, вносимое предлагаемым способом в разрешение по массам, имеет вид:
= , (18) где 0 ≅ α ≅ .The additional term, introduced by the proposed method in the resolution by mass, has the form:
= , (18) where 0 ≅ α ≅ .
Подавая в момент нахождения в область между отклоняющими электродами 3 пакет ионов с другой массой (например, Mj, Mк)
tj≥ l; tк≥ l (см. формулу импульса напряжения на отклоняющие электроды 3 с параметрами U3j, τ3i, U3к, τ3к для ионов с массой Mj, Mк соответственно) и, подбирая параметры U3j, τ3j или U3к, τ3к из соображения отклонения ионов с массой Mj или Мк на угол регистрации α (фиг.1), можно осуществлять исследование масс-спектра ионов из источника 1.Feeding at the time of being in the region between the deflecting electrodes 3 a packet of ions with a different mass (for example, M j , M k )
t j ≥ l ; t to ≥ l (see the formula for the voltage pulse to the deflecting
В способе [2], взятом за прототип, происходит снижение чувствительности за счет угловой расходимости ионов после отражения в ионном зеркале. В предлагаемом способе происходит подфокусировка ионов на детектор 4 за счет воздействия импульса электрического поля, отклоняющего ионы в направлении, перпендикулярном оси первого пространства дрейфа. In the method [2], taken as a prototype, there is a decrease in sensitivity due to the angular divergence of ions after reflection in an ion mirror. In the proposed method, ion focusing on the
Это связано с тем, что при отражении ионов в зеркале они приобретают скорости, противоположные направлению первоначального движения, но равные по величине скоростям до отражения (см. формулу (14)). Таким образом, ионы массой Mi, имеющие большую скорость vi ' из-за начального разброса в источнике 1 ионов (фиг.1) и прилетающие к отражательному промежутку раньше, после отражения в ионном зеркале, имея по величине ту же скорость viотр' = vi', оказываются сзади по отношению к ионам массой Mi, вылетевшим из источника с начальной скоростью vi '' < vi ' (vотр.i ''< vотр.i'). Но в пространстве между электродами 3 за время действия отклоняющего импульса электрического поля τ3i они приобретут одну и ту же скорость в направлении, перпендикулярном оси первого пространства дрейфа v откл.i' = v откл.i'' = vоткл.i. Поэтому суммарные скорости ионов пакета массой Mi vε ' и v являющиеся результатом векторного сложения скоростей = + , = v+ имеют тенденцию к сходимости в направлении движения к детектору (фиг.2).This is due to the fact that upon reflection of ions in the mirror they acquire velocities opposite to the direction of the initial motion, but equal in magnitude to the velocities before reflection (see formula (14)). Thus, ions of mass M i having a high velocity v i 'due to the initial spread in the ion source 1 (Fig. 1) and arriving at the reflective gap earlier, after reflection in the ion mirror, have the same velocity in magnitude v iotr ' = v i ' , are behind in relation to ions of mass M i , emitted from the source with an initial velocity v i ''<v i '(v neg . i ''<v neg . i '). But in the space between the
Минимальный размер фокусировки ионов пакета по массам driподбирается путем оптимизации параметров отклоняющего импульса соответственно для случаев прямоугольного и треугольного импульсов напряжения:
dri= dvi;
(19)
dri= dvi, где l2 - длина второго пространства дрейфа.The minimum focusing size of the packet ions by masses d ri is selected by optimizing the parameters of the deflecting pulse, respectively, for cases of rectangular and triangular voltage pulses:
dr i = dv i ;
(nineteen)
dr i = dv i , where l 2 is the length of the second drift space.
Таким образом, в предлагаемом способе времяпролетной масс-спектрометрии происходит повышение разрешающей способности по массам ионов за счет дополнительного разделения ионов разных масс на различные углы отклонения и чувствительности за счет подфокусировки пакета ионов отклоняющим импульсом электрического поля. Thus, in the proposed method of time-of-flight mass spectrometry, there is an increase in the resolution by mass of ions due to the additional separation of ions of different masses at different angles of deviation and sensitivity due to the focusing of the ion packet by a deflecting pulse of the electric field.
Предлагаемый способ может быть использован для проведения масс-анализа различных ионных пучков, применяемых в технологии и аналитике микроэлектроники, физических исследованиях с высокой чувствительностью и разрешающей способностью по массам. The proposed method can be used for mass analysis of various ion beams used in technology and analytics of microelectronics, physical research with high sensitivity and resolution by mass.
Claims (1)
(t)dt = tg,
где α - угол регистрации пакетов ионов, рад;
Uист. - ускоряющее напряжение источника ионов, В;
Mi - масса определяемого иона, кг;
l - элементарный заряд, Кл.METHOD FOR TIME-SPAN MASS SPECTROMETRY, which consists in dividing the emitted ion sources in the first fieldless drift space by time of flight into packets, reflecting the ion packets in the electrostatic field with their subsequent direction into the second fieldless drift space and recording, characterized in that, in order to increase the resolution ability and sensitivity, the registration of ion packets is carried out by alternately rejecting the ion packets of the determined masses in the second fieldless drift space pulsed electric field, the intensity of which ε (t) and the exposure time to the deflected ion packets τ are selected from the relation
(t) dt = tg ,
where α is the angle of registration of ion packets, rad;
U source - accelerating voltage of the ion source, V;
M i is the mass of the determined ion, kg;
l - elementary charge, CL.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4849055 RU2020646C1 (en) | 1990-07-09 | 1990-07-09 | Transit-time mass-spectrometry method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4849055 RU2020646C1 (en) | 1990-07-09 | 1990-07-09 | Transit-time mass-spectrometry method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2020646C1 true RU2020646C1 (en) | 1994-09-30 |
Family
ID=21526374
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU4849055 RU2020646C1 (en) | 1990-07-09 | 1990-07-09 | Transit-time mass-spectrometry method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2020646C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2744235C2 (en) * | 2018-10-04 | 2021-03-03 | Общество с ограниченной ответственностью "Девайс Консалтинг" | Method of transformation of uninterrupted ion flux in ionization sources under atmospheric pressure into pulse flux |
-
1990
- 1990-07-09 RU SU4849055 patent/RU2020646C1/en active
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
1. Сысоев А.А., Чупахин М.С. Введение в масс-спектрометрию. М., Атомиздат, 1977, с.101-108. * |
2. Сысоев А.А., Чупахин М.С. Введение в масс-спектрометрию. М., Атомиздат, 1977 с.112,113. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2744235C2 (en) * | 2018-10-04 | 2021-03-03 | Общество с ограниченной ответственностью "Девайс Консалтинг" | Method of transformation of uninterrupted ion flux in ionization sources under atmospheric pressure into pulse flux |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0917728B1 (en) | Ion storage time-of-flight mass spectrometer | |
DE60128419D1 (en) | Time-of-flight mass spectrometer with selectable drift length | |
US5032722A (en) | MS-MS time-of-flight mass spectrometer | |
US8847155B2 (en) | Tandem time-of-flight mass spectrometry with simultaneous space and velocity focusing | |
JP2006134893A (en) | Tandem mass spectrometry | |
US5180914A (en) | Mass spectrometry systems | |
EP1099237A1 (en) | Time-of-flight mass spectrometer | |
US4912327A (en) | Pulsed microfocused ion beams | |
JPS6229049A (en) | Mass spectrometer | |
US6469296B1 (en) | Ion acceleration apparatus and method | |
RU2020646C1 (en) | Transit-time mass-spectrometry method | |
US7388193B2 (en) | Time-of-flight spectrometer with orthogonal pulsed ion detection | |
JP4480515B2 (en) | Mass spectrometry method | |
GB2147140A (en) | Mass spectrometers | |
SU1758705A1 (en) | Method of mass analysis of ions | |
JP3354427B2 (en) | Time-of-flight mass spectrometer | |
JPH10144253A (en) | Particle selecting method and flight time type selective dispersoid analyzer | |
GB2327804A (en) | Method and apparatus for chemical analysis | |
JP2010170848A (en) | Vertical acceleration flight-time type mass spectrometer | |
GB2371143A (en) | Reflectron comprising plurality of electrodes each with a curved surface | |
SU516306A1 (en) | Time-of-flight mass spectrometer | |
SU115144A1 (en) | Non-Magnetic Pulsed Mass Spectrometer | |
SU1095272A1 (en) | Time-of-flight mass spectrometer | |
JPH0541192A (en) | Energy distribution measuring device for charged particle | |
Bodzon‐Kulakowska et al. | 4.2 Analyzers |