RU2059982C1

RU2059982C1 - Tracing mass-spectrometer and method for mass- spectral analysis of materials

Info

Publication number: RU2059982C1
Authority: RU
Inventors: Борис Николаевич Козлов
Original assignee: Борис Николаевич Козлов
Priority date: 1991-12-06
Filing date: 1991-12-06
Publication date: 1996-05-10

Abstract

FIELD: radio engineering. SUBSTANCE: device has unit for input of neutral particles from gas flow, pulse source of ionization radiation, which intersects flow of particles, unit for generation of ion bursts, which is designed as two electrodes, which are located in series along motion of particle flow, and ion detector. Unit for generation of ion bursts is located after area where particle flow intersects with ionization radiation at distance L>0 at ionization area. Method of mass-spectral analysis of materials involves pulse ionization of particles, which enter in gas flow, their acceleration in electric field by application of voltage at electrodes of unit for generation of ion bursts and detection of ratio of ion mass to their charge in each burst by means of measuring time from start of acceleration till their recording by detector. Acceleration is done after time interval D_t, which conforms to equation L/v < D_t< t_i+[L+d_i+d_g)/v], where v is speed of flow, d_i is size of ionization area along flow motion, d_g is distance between electrodes of unit, which generates ion bursts, t_i is duration of ionization pulse, L is minimal distance between ionization area and ion flow generation unit. Equal voltage level is kept at all units of device, which embraces ionization area, generation unit and space between them during this time interval. EFFECT: increased signal- to-noise ratio. 2 cl, 2 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к масс-спектрометрическому анализу веществ и может применяться в случаях, если анализируемое вещество может подаваться в масс-спектрометр в виде потока частиц (молекул). The invention relates to mass spectrometric analysis of substances and can be used in cases where the analyte can be supplied to the mass spectrometer in the form of a stream of particles (molecules).

Наиболее вероятные области применения изобретения: универсальный анализ примесей газов и паров, содержащихся в окружающей атмосфере (экология) или выделяемых организмом (медицина), контроль газовой среды в различных технологических процессах, анализ летучих компонентов, выделяющихся из образцов при нагревании. Изобретение удобно использовать в качестве датчика газового хроматографа. The most likely areas of application of the invention are: a universal analysis of the impurities of gases and vapors contained in the surrounding atmosphere (ecology) or emitted by the body (medicine), monitoring of the gas environment in various technological processes, analysis of volatile components released from samples upon heating. The invention is conveniently used as a gas chromatograph sensor.

Актуальным является одновременный мониторинг множества самых различных веществ, которые могут содержаться в смеси в малых количествах. Для этого необходимы универсальность анализа, высокое отношение основного сигнала к фоновым и паразитным, разрешающая способность масс-спектрометра в несколько сотен по полувысоте массовых пиков. It is relevant to simultaneously monitor many different substances that may be contained in a mixture in small quantities. This requires the versatility of the analysis, a high ratio of the main signal to the background and spurious, the resolution of the mass spectrometer of several hundred at half maximum mass peaks.

Состав атмосферы внутри анализатора определяется эффективностью откачки различных компонентов анализируемой пробы, процессами замещения одних (ранее анализировавшихся) труднолетучих веществ на внутренних поверхностях другими, и плохо соответствует составу анализируемой смеси. Кроме того, при различных способах ионизации в ионизационном узле могут интенсивно идти химические реакции между компонентами анализируемой смеси. Продукты этих реакций также составляют внутрианализаторную атмосферу и дают значительные ложные сигналы в различных областях масс-спектра. The composition of the atmosphere inside the analyzer is determined by the efficiency of pumping out the various components of the analyzed sample, the substitution processes of some (previously analyzed) hard-volatile substances on the internal surfaces by others, and poorly corresponds to the composition of the analyzed mixture. In addition, with various methods of ionization in the ionization unit, chemical reactions between the components of the analyzed mixture can intensively proceed. The products of these reactions also constitute an intraanalyzer atmosphere and give significant false signals in various areas of the mass spectrum.

Известен времяпролетный масс-спектрометр, содержащий узел ввода нейтральных частиц вещества в виде молекулярного потока, узел ускорения поля, выполненный в виде двух электродов, детектор поля и источник импульсного напряжения. A known time-of-flight mass spectrometer containing a node for introducing neutral particles of a substance in the form of a molecular flow, a field acceleration unit made in the form of two electrodes, a field detector and a pulse voltage source.

В известном приборе ось пучка ортогональна направлению выталкивания ионов из источника ионов масс-спектрометра. Пучок проходит между электродами узла ускорения ионов. Источником ионизирующего излучения является электронная пушка, расположенная за одним из указанных электродов, в котором проделано отверстие для пропускания электронов. Основная часть масс-спектрометра, включающая дрейфовый промежуток, отражатель и детектор ионов, расположена за вторым электродом узла ускорения ионов, отверстие в котором затянуто сеткой. Ионизирующие электроны пересекают пучок, выделенный из газодинамического потока в пределах пространства узла ускорения ионов (между первым и вторым электродами). К электродам подсоединен источник импульсного напряжения. При подаче импульса напряжения ионы начинают ускоряться в направлении второго электрода, ортогонально скоростям молекул в пучке. Различие в энергии нейтральных частиц пучка (при равных скоростях и разных массах) приводит к различным углам вылета ионов. В результате эффективно регистрируются лишь частицы потока в узком диапазоне масс (если не предусмотрено специальных устройств сбора), т.е. отделение частиц потока от частиц внутрианализаторного газа происходит при сильном понижении (вплоть до нуля) чувствительности прибора во всех диапазонах масс, отличных от выбранного. In a known device, the beam axis is orthogonal to the direction of the ejection of ions from the ion source of the mass spectrometer. The beam passes between the electrodes of the ion acceleration unit. The source of ionizing radiation is an electron gun located behind one of these electrodes, in which a hole was made for transmitting electrons. The main part of the mass spectrometer, including the drift gap, a reflector, and an ion detector, is located behind the second electrode of the ion acceleration unit, the hole in which is tightened by a grid. Ionizing electrons cross the beam extracted from the gas-dynamic flow within the space of the ion acceleration site (between the first and second electrodes). An impulse voltage source is connected to the electrodes. When a voltage pulse is applied, the ions begin to accelerate in the direction of the second electrode, orthogonal to the velocities of the molecules in the beam. The difference in the energy of the neutral particles of the beam (at equal speeds and different masses) leads to different angles of emission of ions. As a result, only particles of the flow are effectively recorded in a narrow mass range (unless special collection devices are provided), i.e. the separation of the particles of the stream from the particles of the internal analyzer gas occurs with a strong decrease (up to zero) of the sensitivity of the device in all mass ranges other than the selected one.

Известен способ масс-спектрометрического анализа вещества, включающий ввод вещества в вакуумную камеру в виде потока, ионизацию, ускорение ионов и детектирование ионов. A known method of mass spectrometric analysis of a substance, comprising introducing the substance into the vacuum chamber as a stream, ionization, ion acceleration and ion detection.

В данном способе подавление сигналов внутрианализаторной атмосферы осуществляется путем установления в области ионизации слабого электрического поля, выталкивающего ионы в направлении обратном направлению потока. Тяжелые частицы потока, в отличие от легких частиц потока и частиц внутрианализаторной атмосферы, преодолевают это поле и попадают в область масс-спектрометра, где обеспечивается дисперсия по массам и регистрация. In this method, the suppression of the signals of the intra-analyzer atmosphere is carried out by establishing in the ionization region a weak electric field pushing the ions in the direction opposite to the flow direction. Heavy flow particles, in contrast to light flow particles and particles of the analyzer atmosphere, overcome this field and fall into the region of the mass spectrometer, where mass dispersion and registration are ensured.

Недостатком известного способа является невозможность анализа легких молекул потока. The disadvantage of this method is the inability to analyze light flow molecules.

Известен времяпролетный масс-спектрометр, содержащий узел ввода нейтральных частиц вещества в виде газодинамического потока, узел ускорения ионов, выполненный в виде двух электродов, расположенных последовательно по движению потока, к которым подключен источник напряжения, и детектор ионов, расположенные в вакуумной камере, и импульсный источник ионизирующего излучения, пересекающего поток частиц в области ионизации. Known time-of-flight mass spectrometer containing a node for introducing neutral particles of a substance in the form of a gas-dynamic flow, an ion acceleration unit, made in the form of two electrodes arranged in series along the flow, to which a voltage source is connected, and an ion detector located in a vacuum chamber, and a pulse a source of ionizing radiation crossing the particle stream in the ionization region.

Такая конструкция (ось пучка анализируемого вещества параллельна направлению выталкивания ионов) в отличие от ортогональной конфигурации позволяет одновременно с одинаковой эффективностью регистрировать ионы всех масс, но не позволяет подавить регистрацию ионов, образующихся из фоновых молекул. Использование малых полей в направлении, обратном потоку, в этом устройстве невозможно. Such a design (the axis of the analyte beam is parallel to the direction of the ejection of ions), in contrast to the orthogonal configuration, allows simultaneously detecting ions of all masses with the same efficiency, but does not allow suppressing the registration of ions formed from background molecules. The use of small fields in the direction opposite to the flow in this device is impossible.

Известен способ масс-спектрометрического анализа вещества, включающий ввод вещества в вакуумную камеру масс-спектрометра в виде газодинамического потока, ионизацию частиц вещества, ускорение образующихся ионов в электрическом поле и определение отношения массы ионов к заряду в каждом пакете по величине интервала времени движения с момента начала ускорения до регистрации их детектором. A known method of mass spectrometric analysis of a substance, including introducing a substance into the vacuum chamber of a mass spectrometer in the form of a gas-dynamic flow, ionizing particles of a substance, accelerating the ions formed in an electric field, and determining the ratio of the mass of ions to a charge in each packet by the size of the time interval from the beginning acceleration before registration by their detector.

Ускорение ионов (выталкивание в пространство дрейфа) обеспечивается напряжением, подаваемым на электроды узла ускорения. Начало ускорения совпадает с моментом образования иона под действием импульса лазерного излучения. Размер образующихся ионных пакетов определяется, в значительной степени, длительностью импульса ионизации. Разделение ионных пакетов по признаку отношения массы к заряду происходит при их движении в пространстве дрейфа из-за разных скоростей. Фокусировка ионных пакетов производится при помощи отражателя. Определение отношения массы к заряду ионов в каждом пакете производится путем измерения времени движения ионов до детектора, которое линейно зависит от корня квадратного из искомого отношения. The acceleration of ions (pushing into the space of the drift) is provided by the voltage supplied to the electrodes of the acceleration unit. The onset of acceleration coincides with the moment of ion formation under the action of a laser pulse. The size of the formed ionic packets is determined, to a large extent, by the duration of the ionization pulse. Separation of ion packets according to the ratio of mass to charge occurs when they move in the drift space due to different speeds. Focusing of ion packets is carried out using a reflector. Determination of the ratio of mass to charge of ions in each packet is made by measuring the time of movement of ions to the detector, which linearly depends on the square root of the desired ratio.

Такой способ анализа индифферентен к тому, являются ли молекулы составляющими внутрианализаторной атмосферы, или входят в состав пучка, т.е. эффективности регистрации анализируемых и фоновых молекул совпадают (при одинаковой вероятности ионизации). Соотношение интересующего сигнала к фоновому мало. Such a method of analysis is indifferent to whether the molecules are constituents of the internal analyzer atmosphere or are part of the beam, i.e. the registration efficiency of the analyzed and background molecules coincide (with the same probability of ionization). The ratio of the signal of interest to the background is small.

Задачей группы изобретений является увеличение отношения полезного сигнала к фоновому при масс-спектрометрическом анализе понижение эффективности регистрации внутрианализаторной атмосферы по сравнению с частицами анализируемого вещества при сохранении универсальности анализа по отношению к различным типа веществ, сохранении высокой разрешающей способности. The objective of the group of inventions is to increase the ratio of the useful signal to the background during mass spectrometric analysis, to decrease the recording efficiency of the intra-analyzer atmosphere in comparison with the analyte particles, while maintaining the universality of the analysis with respect to various types of substances, while maintaining high resolution.

Указанная цель достигается в новой конструкции времяпролетного масс-спектрометра и применением в нем нового способа масс-анализа. А именно: в известном времяпролетном масс-спектрометре, включающем по крайней мере узел ввода нейтральных частиц вещества в виде газодинамического потока, узел ускорения ионов, выполненный в виде двух электродов, расположенных последовательно по движению потока, к которым подключен источник напряжения, и детектор ионов, расположенные в вакуумной камере, и импульсный источник ионизирующего излучения, пересекающего поток частиц, согласно формуле изобретения, узел ускорения ионов расположен за областью ионизации по направлению движения потока, при этом в качестве источника напряжения использован генератор импульсного напряжения, а узлы масс-спектрометра, формирующие поле в области ионизации, области ускорения ионов и в пространстве между ними снабжены средствами создания на них одинакового потенциала; а в известном способе масс-спектрометрического анализа вещества, включающем ввод вещества в вакуумную камеру масс-спектрометра в виде газодинамического потока, ионизацию частиц вещества, ускорение образующихся ионов в электрическом поле и определении отношения массы ионов к заряду в каждом пакете по величине интервала времени движения с момента начала ускорения до регистрации их детектором, согласно формуле изобретения, ускорение осуществляют через промежуток времени D_t от начала ионизации, удовлетворяющий условию
t_u+(L+d_и+d_ф)/V>D_t>L/v где v скорость потока, L длительность импульса ионизации, а L, d_и и d_ф расстояние между границами области ионизации и узла ускорения ионов, размер области ионизации и расстояние между электродами узла ускорения ионов, рассматриваемые в проекции на ось потока, и в течение времени D_t на электродах, окружающих область ионизации, область ускорения ионов и пространство между ними, поддерживают одинаковый потенциал.This goal is achieved in the new design of the time-of-flight mass spectrometer and the use of a new method of mass analysis in it. Namely: in a known time-of-flight mass spectrometer, including at least a node for introducing neutral particles of a substance in the form of a gas-dynamic flow, an ion acceleration unit, made in the form of two electrodes arranged in series along the flow movement, to which a voltage source is connected, and an ion detector, located in a vacuum chamber, and a pulsed source of ionizing radiation crossing the particle stream, according to the claims, the ion acceleration unit is located beyond the ionization region in the direction of movement flow, while a pulse voltage generator was used as a voltage source, and the mass spectrometer nodes forming a field in the ionization region, the ion acceleration region and in the space between them are equipped with means for creating the same potential on them; and in the known method for mass spectrometric analysis of a substance, comprising introducing a substance into the vacuum chamber of a mass spectrometer in the form of a gas-dynamic flow, ionizing particles of a substance, accelerating the ions formed in an electric field, and determining the ratio of the ion mass to charge in each packet from the size of the time interval with the moment the acceleration starts before being detected by the detector, according to the claims, the acceleration is carried out after a period of time D _t from the start of ionization, satisfying the condition
t _u + (L + d _and + d _f ) / V> D _t > L / v where v is the flow rate, L is the ionization pulse duration, and L, d _and and d _{f are the} distance between the boundaries of the ionization region and the ion acceleration site, size the ionization regions and the distance between the electrodes of the ion acceleration unit, considered in projection onto the flow axis, and during the time D _t on the electrodes surrounding the ionization region, the ion acceleration region and the space between them, maintain the same potential.

Изобретение иллюстрируется фиг. 1, 2. The invention is illustrated in FIG. 12.

Схема предлагаемого времяпролетного масс-спектрометра показана на фиг. 1,а. Цифрами обозначены:
1 узел ввода газодинамического потока, 2, 3 электроды узла ускорения ионов, 4 детектор ионов, 5 вакуумная камера, 6 источник ионизирующего излучения, 7 источник импульсного напряжения.A diagram of the proposed time-of-flight mass spectrometer is shown in FIG. 1 a. The numbers indicate:
1 gas-dynamic flow input unit, 2, 3 electrodes of the ion acceleration unit, 4 ion detector, 5 vacuum chamber, 6 source of ionizing radiation, 7 source of pulse voltage.

Кроме того, на фиг. 1,а показаны: П поток анализируемого вещества, И ионизирующее излучение, О область ионизации, образующаяся при пересечении потока излучением, L расстояние между областью ионизации и узлом ускорения ионов. На фиг. 1,б показан вариант распределения ионов фона Ф и ионов потока С вдоль оси прибора. In addition, in FIG. 1a, they show: P the flow of the analyte, And the ionizing radiation, О the ionization region formed when the radiation crosses the flow, L is the distance between the ionization region and the ion acceleration site. In FIG. 1b shows a variant of the distribution of background ions Φ and ions of flux C along the axis of the device.

Узел ускорения ионов, состоящий из электродов 2 и 3 расположен дальше по потоку за областью ионизации О, образующейся на пересечении потока П и ионизирующего излучения И. Границы области ионизации, рассматриваемые в проекции на ось потока, определяются параметрами источника ионизирующего излучения (размерами диафрагмирующих отверстий или излучателя, катода). Например, если используется электронный удар, границы электронного пучка определяются законами электронной оптики. В случае лазерного излучения, размер луча в области пересечения с потоком также определяется известными методами. Такое раздельное расположение препятствует попаданию ионов внутрианализаторных газов в узел ускорения ионов. Ионные облака этих газов будут расплываться благодаря тепловой энергии и энергии, выделяющейся при диссоциации ионов, сохраняя центр тяжести в области ионизации, как показано на фиг. 1,б (кривая Ф), а ионы потока (кривая С) движутся дальше и в некоторый момент времени находятся преимущественно в узле ускорения ионов. The ion acceleration assembly, consisting of electrodes 2 and 3, is located downstream of the region of ionization O, which is formed at the intersection of the flux П and ionizing radiation I. The boundaries of the ionization region, considered in projection onto the axis of the stream, are determined by the parameters of the ionizing radiation source (the size of the orifice holes or emitter, cathode). For example, if electron impact is used, the boundaries of the electron beam are determined by the laws of electron optics. In the case of laser radiation, the beam size in the region of intersection with the flow is also determined by known methods. Such a separate arrangement prevents the ingress of ions of the internal analyzer gases into the ion acceleration assembly. The ion clouds of these gases will spread due to thermal energy and the energy released during ion dissociation, while maintaining the center of gravity in the ionization region, as shown in FIG. 1b (curve Ф), and the flow ions (curve C) move further and at some point in time are mainly in the ion acceleration site.

Если, как в устройстве-прототипе, использовать источник постоянного напряжения для ускоряющего напряжения между электродами 2 и 3, ионы потока, двигаясь в среднем со скоростью потока, будут проходить через узел ускорения в течение короткого промежутка времени и ионные пакеты анализируемого газа будут сравнительно узкими, в то время, как фоновый сигнал сильно расширится во времени и уменьшится по амплитуде. Разделение сигнала и фона становится возможным. Однако интегральное по времени отношение коэффициентов регистрации основного и фонового сигналов не превышает в этом случае 2. Разрешающая способность масс-спектрометра значительно падает, так как интервал времени начала ускорения ионов увеличивается пропорционально увеличению L из-за теплового размытия облака ионов. If, as in the prototype device, a constant voltage source is used for the accelerating voltage between electrodes 2 and 3, the flow ions, moving on average with the flow velocity, will pass through the acceleration unit for a short period of time and the ion packets of the analyzed gas will be relatively narrow, while the background signal will greatly expand in time and decrease in amplitude. Separation of signal and background becomes possible. However, the time-integrated ratio of the registration coefficients of the main and background signals does not exceed 2. In this case, the resolution of the mass spectrometer decreases significantly, since the time interval of the onset of ion acceleration increases in proportion to the increase in L due to thermal blurring of the ion cloud.

По предлагаемому способу импульс напряжения на электроды узла ускорения должен подаваться в момент прохождения ионами потока пространства между электродами 2 и 3. Это время соответствует задержке D_t после начала импульса ионизации, удовлетворяющей условию t_и+(L+d_и+d_ф)/v>D_t>L/v. Импульсная подача ускоряющего напряжения позволяет значительно сфокусировать ионные пакеты и широко применяется во времяпролетной масс-спектрометрии. В нашем случае важно совпадение момента начала выталкивания с временем прохождения узла ускорения зоной облака с максимальной плотностью ионов потока.According to the proposed method, a voltage pulse to the electrodes of the acceleration unit should be supplied at the moment the ions flow through the space between the electrodes 2 and 3. This time corresponds to the delay D _t after the start of the ionization pulse, satisfying the condition t _and + (L + d _and + d _f ) / v > D _t > L / v. The pulsed accelerating voltage supply makes it possible to focus ion packets significantly and is widely used in time-of-flight mass spectrometry. In our case, it is important that the moment of the start of pushing coincides with the time of the passage of the acceleration unit by the cloud zone with the maximum density of the flux ions.

Для того, чтобы скорость ионов не менялась в течение времени движения ионов потока до узла ускорения, необходимо отсутствие существенных силовых полей в пространстве от области ионизации до узла ускорения включительно. Одинаковый потенциал электродов 2 и 3 в отсутствие импульса обеспечивается, в простейшем случае источником импульсного напряжения в основном состоянии. С учетом того, что эффективный потенциал сетчатых электродов может отличаться от подаваемого на них напряжения, можно воспользоваться источниками выравнивающего напряжения. In order for the ion velocity not to change during the time the ions of the flow move to the acceleration site, the absence of significant force fields in space from the ionization region to the acceleration site, inclusive, is necessary. The same potential of electrodes 2 and 3 in the absence of a pulse is provided, in the simplest case, by a source of pulse voltage in the ground state. Given that the effective potential of the mesh electrodes may differ from the voltage supplied to them, you can use sources of equalizing voltage.

Таким образом, в момент начала ускорения (выталкивания) ионов в узле ускорения ионов будут находиться преимущественно ионы, произошедшие из молекул потока, и почти не будет ионов газов и паров фона. Все без исключения ионы потока имеют скорости близкие к скорости потока и будут представлены в момент выталкивания в узле ускорения. Начало времени движения к детектору задается началом импульса выталкивания, т.е. является одинаковым для всех ионов. Thus, at the moment of the acceleration (pushing) of ions, the ions acceleration site will contain predominantly ions originating from flow molecules, and there will be almost no gas ions and background vapors. Without exception, all flow ions have velocities close to the flow velocity and will be presented at the moment of pushing in the acceleration unit. The start of the motion time to the detector is specified by the start of the ejection pulse, i.e. is the same for all ions.

Указанные признаки устройства и способа его использования выявлены автором впервые и определенно позволяют достичь измерения отношения полезного сигнала к фоновому при сохранении универсальности анализа в отношении различных веществ и высокой разрешающей способности. The aforementioned features of the device and the method of its use were revealed by the author for the first time and definitely make it possible to measure the ratio of the useful signal to the background while maintaining the universality of the analysis with respect to various substances and high resolution.

Предложенное устройство реализуется в виде масс-спектрометра, схема которого приведена на фиг. 2, где 1 устройство ввода пробы, 2, 3 электроды узла ускорения ионов, 4 детектор ионов, 5 вакуумная камера, 6 источник ионизирующего излучения, 7 диафрагма, 8, 9, 10 электроды, экранирующие электромагнитные поля, 11 электрод, ограничивающий дополнительное (постоянное) ускоряющее поле, П поток частиц, И ионизирующее излучение, О область ионизации. Источник импульсного напряжения, подсоединенный к электродам 2 и 3 на схеме не показан. Устройство ввода пробы в виде потока 1 реализовано в виде прогреваемого капилляра внутренним диаметром 20 мкм и длиной 20 мм. Ось капилляра совпадает с осью прибора. На расстоянии 3 мм от конца капилляра расположена диафрагма 7, диаметром 2 мм. За диафрагмой параллельно ей и перпендикулярно оси прибора следуют 5 одинаковых плоских электродов с отверстиями диаметром 12 мм посередине каждого. Отверстия затянуты металлическими сетками, их центры находятся на оси прибора. Электроды 2 и 3 образуют узел ускорения ионов. Пространство от 9 до 3 электрода закрыто по периметру экранирующими электродами 8, в которых выполнены отверстия для ввода ионизирующего излучения И и подачи потенциалов на электроды. За экраном расположен источник ионизирующего излучения 6 импульсная электронная пушка, плоскость симметрии которой параллельна плоскостям электродов и делит пополам пространство между электродами 9 и 10, ограничивающими ионизационную камеру. Расстояние между сетками электродов составляет d (2-3)=d(9-10)=3 мм, d(10-2)=10 мм, d=(3-11)= 6 мм. На расстоянии 250 мм от электрода 11 находится вход в двухзазорный отражатель 12. Детектор ионов 4 находится между системой электродов источника ионов и отражателем. Расстояние между отражателем и детектором составляет 150 мм. Ширина пучка ионизирующих электронов И 1 мм. Перед входом в детектор ионов расположены сетчатые электроды энергетического фильтра 13, конструктивно составляющие часть узла детектора. Все перечисленные узлы помещаются в вакуумную камеру 5, представляющую собой трубу, внутренним диаметром 63 мм, ось которой совпадает с осями источника, отражателя и детектора ионов. Расстояние от области ионизации до узла ускорения ионов равно, в нашем случае, 11 мм. The proposed device is implemented as a mass spectrometer, the circuit of which is shown in FIG. 2, where 1 sample input device, 2, 3 electrodes of the ion acceleration unit, 4 ion detector, 5 vacuum chamber, 6 source of ionizing radiation, 7 diaphragm, 8, 9, 10 electrodes that shield electromagnetic fields, 11 electrode that limits the additional (constant ) accelerating field, П particle flux, And ionizing radiation, О ionization region. The pulse voltage source connected to the electrodes 2 and 3 is not shown in the diagram. The sample input device in the form of stream 1 is implemented as a heated capillary with an inner diameter of 20 μm and a length of 20 mm. The axis of the capillary coincides with the axis of the device. At a distance of 3 mm from the end of the capillary is a diaphragm 7, with a diameter of 2 mm. The diaphragm parallel to it and perpendicular to the axis of the device is followed by 5 identical flat electrodes with holes with a diameter of 12 mm in the middle of each. The holes are tightened with metal grids, their centers are located on the axis of the device. Electrodes 2 and 3 form an ion acceleration assembly. The space from 9 to 3 electrodes is closed around the perimeter by shielding electrodes 8, in which holes are made for introducing ionizing radiation And and supplying potentials to the electrodes. Behind the screen is a source of ionizing radiation 6, a pulsed electron gun, the plane of symmetry of which is parallel to the planes of the electrodes and halves the space between the electrodes 9 and 10, which limit the ionization chamber. The distance between the electrode grids is d (2-3) = d (9-10) = 3 mm, d (10-2) = 10 mm, d = (3-11) = 6 mm. At a distance of 250 mm from the electrode 11 is the entrance to the double-gap reflector 12. The ion detector 4 is located between the electrode system of the ion source and the reflector. The distance between the reflector and the detector is 150 mm. The width of the beam of ionizing electrons And 1 mm. Before entering the ion detector there are mesh electrodes of the energy filter 13, which are structurally part of the detector assembly. All of these nodes are placed in a vacuum chamber 5, which is a pipe with an inner diameter of 63 mm, the axis of which coincides with the axes of the source, reflector and ion detector. The distance from the ionization region to the ion acceleration site is, in our case, 11 mm.

Предлагаемый способ использования описанного устройства реализуется при анализе примесей в атмосферном воздухе следующим образом. На 2, 3, 8, 9, 10 электродах исходно поддерживается равный потенциал, составляющий 120 В относительно корпуса прибора. Потенциал энергетического фильтра 13 составляет 125 В. Открывается доступ анализируемого воздуха к наружному концу капилляра и обеспечивается поддержание температуры капилляра в диапазоне 120-150^оС. Началом цикла работы является импульс ионизирующих электронов длительностью 100 нс. Через 22 мкс с источника импульсного напряжения на 2 электрод подается дополнительный потенциал 60 В. На выходе детектора снимается последовательность импульсов тока, задержка каждого из которых относительно начала импульса выталкивания идентифицируется с массой ионов, а площадь с количеством ионов. Диафрагма 7 служит для ограничения потока и входит вместе с капилляром в состав узла ввода потока. Электроды 9 и 10 пространственно ограничивают собственное поле электронного пучка И. Электрод 11 поддерживается при потенциале камеры 5, разность потенциалов 120 В между ним и электродом 3 служит для дополнительного ускорения ионов.The proposed method of using the described device is implemented in the analysis of impurities in atmospheric air as follows. At 2, 3, 8, 9, 10 electrodes, an equal potential of 120 V relative to the instrument housing is initially supported. Potential energy filter 13 is 125 W. analyte opens access of air to the outer end of the capillary, and the capillary is provided to maintain the temperature in the range of 120-150 ^C. The beginning of the operation cycle of a pulse of ionizing electrons 100 ns. After 22 μs, an additional potential of 60 V is supplied to the 2 electrode from the pulse voltage source. A sequence of current pulses is taken at the detector output, the delay of each of which relative to the start of the ejection pulse is identified with the mass of ions, and the area with the number of ions. The diaphragm 7 serves to limit the flow and, together with the capillary, is a part of the flow inlet assembly. The electrodes 9 and 10 spatially limit the intrinsic field of the electron beam I. The electrode 11 is maintained at the potential of the chamber 5, a potential difference of 120 V between it and the electrode 3 serves to further accelerate the ions.

В описанном варианте скорость частиц потока составляет около 600 м/с, t_и=0,1 мкс, L=11 мм, d_и=1 мм, d_ф=d(2-3)=3 мм, т.е. неравенство, характеризующее задержку выталкивания выглядит следующим образом: 25,1 мкс>22 мкс>18,3 мкс. Отметим, что число Маха для молекул азота в потоке составляет около 2, разброс скоростей молекул потока вдоль оси прибора соответствует температуре около 230 К.In the described embodiment, the particle velocity of the stream is about 600 m / s, t _u = 0.1 μs, L = 11 mm, d _u = 1 mm, d _f = d (2-3) = 3 mm, i.e. the inequality characterizing the push-out delay is as follows: 25.1 μs> 22 μs> 18.3 μs. We note that the Mach number for nitrogen molecules in the flow is about 2, and the spread in the velocities of the flow molecules along the axis of the device corresponds to a temperature of about 230 K.

Данные математического моделирования описанного устройства в рассмотренном режиме приведены в таблице. Первый столбец таблицы содержит массы ионов М, второй соответствующие этим массам коэффициенты сбора молекулярных ионов потока К_с, третий коэффициенты сбора молекулярных ионов фона К_ф, четвертый отношение коэффициентов сбора ионов потока и ионов фона данной массы К_с/К_ф. Разрешающая способность по массе в рассматриваемом примере при оптимальной настройке отражателя ионов превышает 1000 по полувысоте массовых пиков. Как отмечалось, в прототипе эффективность регистрации молекул потока и таких же молекул фона не различаются, т.е. отношение коэффициентов (последний столбец) равно единице для всех масс.The data of mathematical modeling of the described device in the considered mode are given in the table. The first column of the table contains the masses of ions M, the second corresponding to these masses the collection coefficients of molecular flux ions K _s , the third collection coefficients of molecular background ions K _f , the fourth ratio of the collection coefficients of flux ions and background ions of this mass K _s / K _f . The mass resolution in the example under consideration with the optimal setting of the ion reflector exceeds 1000 at half maximum mass peaks. As noted, in the prototype, the efficiency of registration of flow molecules and the same background molecules do not differ, i.e. the ratio of coefficients (the last column) is equal to unity for all masses.

Приведенные данные подтверждают, что заявленные времяпролетный масс-спектрометр и способ анализа вещества позволяют значительно повысить отношение полезного сигнала к фоновому. Поддающееся учету понижение чувствительности в области легких масс позволяет тем не менее анализировать ионы всех масс одновременно, т.е. прибор и способ остаются универсальными. Разрешающая способность является удовлетворительной и позволяет решать большинство проблем, возникающих при мобильном анализе вещества. The data presented confirm that the claimed time-of-flight mass spectrometer and method for analyzing substances can significantly increase the ratio of the useful signal to the background. A measurable decrease in sensitivity in the region of light masses allows one to nevertheless analyze ions of all masses simultaneously, i.e. the device and method remain universal. The resolution is satisfactory and allows you to solve most of the problems that arise in the mobile analysis of substances.

Claims

1. A time-of-flight mass spectrometer containing at least a node for introducing neutral particles of matter in the form of a gas-dynamic flow, an ion acceleration unit, made in the form of two electrodes arranged in series along the flow motion, to which a voltage source is connected, and an ion detector located in a vacuum chamber, and a pulsed source of ionizing radiation crossing the particle stream in the ionization region, characterized in that the ion acceleration unit is located beyond the ionization region in the direction of flow, p and this voltage is used as a generator of pulse voltage source, a mass spectrometer nodes forming the field in the ionization, ion acceleration region and in the space between them, equipped with means of creating on them the same potential.

2. A method for mass spectrometric analysis of a substance, including introducing a substance into the vacuum chamber of a mass spectrometer in the form of a gas-dynamic flow, ionizing particles of a substance, accelerating the ions formed in an electric field, and determining the ratio of ion mass to charge in each packet from the size of the time interval from the moment the beginning of acceleration before being detected by their detector, characterized in that the acceleration is carried out after a period of time D _t from the beginning of ionization, satisfying the condition
t _and + (L + d _and + D _f ) / V> D _t > L / V,
where V is the flow rate;
t _and ionization pulse duration;
L, d _and and d _f, respectively, the distance between the boundaries of the ionization region and the ion acceleration site, the size of the ionization region and the distance between the electrodes of the ion acceleration site, considered in projection onto the flow axis,
and during time D, at the electrodes surrounding the ionization region, the ion acceleration region and the space between them maintain the same potential.