RU2143110C1 - Mass spectrometer - Google Patents
Mass spectrometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2143110C1 RU2143110C1 RU98123264A RU98123264A RU2143110C1 RU 2143110 C1 RU2143110 C1 RU 2143110C1 RU 98123264 A RU98123264 A RU 98123264A RU 98123264 A RU98123264 A RU 98123264A RU 2143110 C1 RU2143110 C1 RU 2143110C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ions
- recording device
- ion
- collector
- mass spectrometer
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области техники разделения заряженных частиц по массам и может быть применено для химического анализа материалов. The present invention relates to the field of separation of charged particles by mass and can be used for chemical analysis of materials.
Аналогом является времяпролетный масс-спектрометр по а.с. 1725289, кл. H 01 J 49/40, 1992 г. Он содержит источник ионов, анализатор масс с электростатическими зеркалами, детектор и соответствующие источники питания. Действует устройство следующим образом. Ионы из источника пакетом поступают в анализатор, в котором разделяются по времяпролетному способу и регистрируют детектором. An analogue is the time-of-flight mass spectrometer according to A.S. 1725289, class H 01 J 49/40, 1992. It contains an ion source, a mass analyzer with electrostatic mirrors, a detector and associated power sources. The device operates as follows. Ions from the source in a packet enter the analyzer, in which they are separated by the time-of-flight method and recorded by the detector.
Известен масс-спектрометр с пространственным разделением ионов (Обзорная информация ЦНИИГЭИ приборостроения 1979 М. ТС-4. Вып. 1 Стр. 26, 28, 33). Это прибор с полукруговым анализирующим магнитом, непрерывным источником ионов и серией коллекторов разделенных ионов. Действие прибора таково. Ионы из источника поступают в анализирующий магнит непрерывным потоком и при движении в магните разделяются пространственно по круговым траекториям так, что ионы разных масс приходят на разные коллекторы. Known mass spectrometer with spatial separation of ions (Survey information Central Research Institute of Instrument Engineering and Instrumentation 1979 M. TS-4.
Каждый из аналогов использует разделение ионов либо по времени, либо в пространстве. Each of the analogs uses the separation of ions either in time or in space.
Известно устройство по патенту США N 4472631, кл. B 01 D 59/44, 1984. Оно состоит из источника ионов c хроматографом, пролетной трубы со столкновительной ячейкой, магнитного фильтра, многоканального детектора и самонастраивающего компьютера. Устройство работает в импульсном режиме и предназначено для проведения масс-спектрального анализа вторичных ионов времяпролетным способом на уровне качественного разрешения ионизированных осколков органических веществ (типа чистого изопропилена) в режиме параллельной регистрации ионов на многоканальном детекторе. Работа всего устройства автоматизирована с помощью встроенного электронного управляющего компьютера. A device is known according to US patent N 4472631, class. B 01 D 59/44, 1984. It consists of an ion source with a chromatograph, a span tube with a collision cell, a magnetic filter, a multi-channel detector, and a self-tuning computer. The device operates in a pulsed mode and is intended for mass spectral analysis of secondary ions in a time-of-flight manner at the level of qualitative resolution of ionized fragments of organic substances (such as pure isopropylene) in the mode of parallel registration of ions at a multichannel detector. The operation of the entire device is automated using the built-in electronic control computer.
В этом приборе угловая ограниченность примененного магнитного сектора снижает пространственное разделение анализируемых частиц. В итоге основное разделение осуществляется по временному признаку, а пространственное разделение имеет лишь вспомогательный характер и, соответственно, прирост разрешения оказывается незначительным. In this device, the angular limitation of the applied magnetic sector reduces the spatial separation of the analyzed particles. As a result, the main separation is carried out on a temporary basis, and the spatial separation is only auxiliary in nature and, accordingly, the increase in resolution is insignificant.
Второй недостаток аналога состоит в применении многоканального выхода у магнитного секторного фильтра, что приводит к противоречию закону электронной оптики, согласно которому источник, вершина сектора и изображение должны находиться на одной линии. В результате создается вторая причина снижения разрешения частиц в устройстве. The second disadvantage of the analogue is the use of a multi-channel output for a magnetic sector filter, which leads to a contradiction to the law of electronic optics, according to which the source, the tip of the sector and the image must be on the same line. As a result, a second reason is created for lower resolution of particles in the device.
В целом, патент США конструктивно повторяет экспериментальную установку советских физиков (см. Ковалев Н.Д. и др. ЖТФ, 1978, т. 48, с. 1282 - 1285). Американский прогресс -в мощности примененного адаптивного компьютера. In general, the US patent constructively repeats the experimental setup of Soviet physicists (see Kovalev ND and other ZhTF, 1978, v. 48, pp. 1282 - 1285). American progress is in the power of the applied adaptive computer.
Прототипом является устройство по патенту СССР 1699355, кл. H 01 J 49/40, 1991. Масс-спектрометр содержит импульсный источник ионов, магнитный анализатор с полюсами в виде ленточной спирали и с поперечным анализирующим полем и приемник ионов, представляющий собой общий коллектор, установленный в плоскости выходного торца электромагнита, и соединенный с регистрирующим прибором. Первичный пакет ионов разделяется в анализирующем магните пространственно по траектории и по времени и при этом образуются частичные пакеты ионов. Регистрирующий прибор фиксирует лишь временное разделение ионов. The prototype is a device according to the patent of the USSR 1699355, class. H 01 J 49/40, 1991. The mass spectrometer contains a pulsed ion source, a magnetic analyzer with poles in the form of a tape helix and with a transverse analysis field, and an ion receiver, which is a common collector mounted in the plane of the output end of the electromagnet and connected to the recording appliance. The primary ion packet is separated spatially along the trajectory and time in the analyzing magnet, and partial ion packets are formed. The recording device records only the temporary separation of ions.
В этом спектрометре, как и во всех времяпролетных, легкие ионы имеют большую скорость, чем тяжелые. Кроме того, в магнитном анализаторе ионы разделяются пространственно так, что легкие ионы движутся по более коротким траекториям. Этот эффект усиливает временное разделение сигналов от ионов различных масс и повышает разрешающую способность по сравнению с обычным времяпролетным масс-спектрометром. In this spectrometer, as in all time-of-flight, light ions have a higher velocity than heavy ones. In addition, in a magnetic analyzer, ions are spatially separated so that light ions move along shorter trajectories. This effect enhances the time separation of signals from ions of different masses and increases the resolution compared to a conventional time-of-flight mass spectrometer.
Однако, в прототипе уже достигнутая анализатором пространственная сепарация ионов по радиальным координатам используется только для увеличения эффективности разделения сигналов от пакетов ионов по времени, т.к. не полностью реализуются возможности, обусловленные конструктивными особенностями прототипа. However, in the prototype, the spatial separation of ions by radial coordinates already achieved by the analyzer is used only to increase the efficiency of separation of signals from ion packets by time, because the capabilities due to the design features of the prototype are not fully realized.
Т. о. стоит задача создания масс-спектрометра, реализующего как пространственную, так и времяпролетную методики получения информации о массах ионов. T. about. the task is to create a mass spectrometer that implements both spatial and time-of-flight techniques for obtaining information about the masses of ions.
Техническим результатом, достигнутым предлагаемым изобретением, будет двукратное увеличение разрешения по массам и увеличение фактора сигнал/шум в спектре масс, пропорциональное количеству анализируемых масс в пробе. The technical result achieved by the invention will be a twofold increase in mass resolution and an increase in the signal-to-noise factor in the mass spectrum, proportional to the number of analyzed masses in the sample.
Для решения указанной задачи масс-спектрометр, как и прототип, содержит импульсной источник ионов, магнитный анализатор с поперечным магнитным полем и приемник ионов, выполненный в виде коллектора, связанного с регистрирующим устройством. To solve this problem, the mass spectrometer, like the prototype, contains a pulsed ion source, a magnetic analyzer with a transverse magnetic field and an ion receiver, made in the form of a collector associated with a recording device.
В отличие от прототипа коллектор ионов выполнен позиционно-чувствительным в виде отдельных электродов, соединенных с регистрирующим устройством через коммутатор синхронного типа. Unlike the prototype, the ion collector is position-sensitive in the form of separate electrodes connected to the recording device through a synchronous type switch.
В качестве примера на фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства с коммутатором электромеханического типа. As an example in FIG. 1 shows a schematic diagram of a device with an electromechanical type switch.
Устройство содержит импульсный источник ионов 1, электромагнит с полюсами 2, создающими поперечное магнитное поле, приемник ионов 3, выполненный в виде позиционно-чувствительного коллектора с отдельными изолированными детекторами 4, соединенными с регистрирующим устройством 5 через коммутатор. Детекторы 4 выполн ены в виде пластин и установлены в плоскости выходного торца электромагнита и электрически соединены с коммутатором, который выполнен по основе множества электрических контактов 6, размещенных по окружности, по которым перемещается электрическая щетка 7, второй конец которой соединен с регистрирующим устройством 5. The device contains a
Действует устройство следующим образом. Первичный пакет ионов под действием импульсного источника ионов 1 инжектируется в магнитное поле, создаваемое полюсами 2 электромагнита. В соответствии с законами электродинамики ионы разных масс совершают круговое движение по траектории разных радиусов с разными скоростями, которые определяются массами ионов. В результате происходит разделение первичного пакета ионов на частичные пакеты ионов одинаковых масс. К выходному торцу электромагнита частичные пакеты приходят в разные времена и в разные места. Первым приходит пакет самых легких ионов и он высыпается на детектор 4.1, который расположен наиболее близко к источнику. Следующий пакет приходит на детектор 4.2 и так далее. Все последующие частичные пакеты приходят поочередно на соответственно более удаленные детекторы. Пространственная протяженность частичных пакетов обратно пропорциональна их собственным массам. Временная длительность для всех пакетов одинакова и равна длительности импульса инжекции. Координаты детектирующих пластин и времена прибытия на них ионов определяются математически. Коммутация детектирующей пластины 4 с регистрирующим устройством 5 осуществляется лишь в течение высыпания ионов частичного пакета на детектирующую пластину, т.е. синхронно. Ток ионов частичных пакетов в регистрирующем устройстве 5 создает спектральную линию. The device operates as follows. The primary packet of ions under the action of a
Электромеханический коммутатор конструктивно представляет кольцо из изолирующего материала, на котором смонтированы контактные пластины шириною 0,15 мм с изолирующими прокладками толщиной 0,01 мм. В центре кольца размещена щетка, которая посажена на вал синхронного двигателя, вращающегося со скоростью 3000 об/мин. При радиусе кольца 500 мм время контактирования щетки с коллекторной пластиной составит 0,95•10-6 с, что вполне сравнимо с длительностью импульса инжекции. Устройство может быть укомплектовано и другим типом синхронного коммутатора, например транзисторным.The electromechanical switch is structurally represented by a ring of insulating material on which contact plates with a width of 0.15 mm are mounted with insulating spacers with a thickness of 0.01 mm. In the center of the ring is a brush that sits on the shaft of a synchronous motor rotating at a speed of 3000 rpm. With a ring radius of 500 mm, the brush contact time with the collector plate will be 0.95 • 10 -6 s, which is quite comparable with the injection pulse duration. The device can be equipped with another type of synchronous switch, for example, transistor.
Шумовой фон на спектре пробы создается случайными ионами в межполюсном пространстве дрейфа. Для его снижения детектирующие пластины 4 подключаются к регистрирующему устройству 5 лишь на время высыпания ионов данного частичного пакета и только к данной детектирующей пластине. The noise background in the spectrum of the sample is created by random ions in the interpolar space of the drift. To reduce it, the detecting
Математическая модель рассматриваемого устройства формулируется следующим образом. Время движения иона по полукруговой траектории от инжектора до детектора
,
где r - радиус траектории,
v - скорость иона.The mathematical model of the device in question is formulated as follows. The time of ion motion along a semicircular trajectory from the injector to the detector
,
where r is the radius of the trajectory,
v is the ion velocity.
Радиус траектории определяется известной формулой
,
где B - магнитная индукция,
m - масса иона,
u - ускоряющее напряжение,
q - заряд иона.The radius of the trajectory is determined by the well-known formula
,
where B is the magnetic induction,
m is the mass of the ion,
u is the accelerating voltage,
q is the ion charge.
Скорость иона выражается формулой
После подстановок получаем, что время движения определяется собственными параметрами иона и магнитным полем
Длительность импульса инжекции ограничивается временем движения самых легких ионов
τ ≤ t1
Разрешающая способность устройства определяется суммой разрешений в пространстве и во времени
RΣ = Rr+Rt
Пространственное разрешение определяется формулой
,
которая в данном случае приводится к виду
Временное разрешение соответственно выразится
В итоге получается, что пространствено-временное разделение ионов удваивает разрешение
Результаты расчетов для однократно ионизирующих ионов при индукции 326 гс и ускоряющем напряжении 128 вольт приведены в таблице 1.The ion velocity is expressed by the formula
After substitutions, we obtain that the motion time is determined by the eigenparameters of the ion and the magnetic field
The injection pulse duration is limited by the travel time of the lightest ions
τ ≤ t 1
The resolution of the device is determined by the sum of the resolutions in space and time
R Σ = R r + R t
The spatial resolution is determined by the formula
,
which in this case is reduced to
Temporary resolution will be expressed accordingly
As a result, it turns out that the spatiotemporal separation of ions doubles the resolution
The calculation results for single-ionizing ions at an induction of 326 gf and an accelerating voltage of 128 volts are shown in Table 1.
В целом все приведенные числовые данные показывают реализуемость предложенного устройства. In general, all the numerical data show the feasibility of the proposed device.
Синхронно с импульсами инжекции первичного пакета ионов запускается коммутатор регистрирующего устройства 5, и он срабатывает на первый детектор 4 к моменту прибытия первого (самого легкого) частичного пакета ионов и лишь на время его высыпания. С окончанием высыпания коммутирующий элемент отключает первый детектор и уходит к очередному. Операция повторяется с каждым детектором. С получением спектральной линии с последнего детектора цикл завершается и может быть повторен. Однако, и по одному первичному импульсу может быть получен весь масс-спектр исследуемой пробы. Это режим моноимпульсного анализа. Synchronously with the injection pulses of the primary ion packet, the switch of the recording device 5 is started, and it is triggered by the
Чувствительность устройства будет тоже улучшенной, потому что инжекция осуществляется достаточно длинными импульсами, длина которых определяется временем транзита легчайших ионов в пакете. Высокое отношение сигнала к шуму достигается вследствие избирательной коммутации детектора 4 с регистрирующим устройством 5. The sensitivity of the device will also be improved, because the injection is carried out by sufficiently long pulses, the length of which is determined by the transit time of the lightest ions in the packet. A high signal to noise ratio is achieved due to the selective switching of the
Устройство сохраняет все известные фокусировки, присущие магнитным анализаторам и допускает применение известной фокусировки по энергиям в поперечном электрическом поле. The device retains all known focusing inherent in magnetic analyzers and allows the use of known focusing on energy in a transverse electric field.
Устройство позволяет выполнить анализы и известными традиционными способами: только пространственным или только временным. Для этого достаточно изменить режим работы инжектора, т.е. перевести его в режим непрерывной работы, а детекторы сканировать по очереди через равные интервалы времени. Для времяпролетного способа детекторы нужно соединить параллельно. The device allows you to perform analyzes and well-known traditional methods: only spatial or only temporary. To do this, it is enough to change the operating mode of the injector, i.e. put it in continuous operation, and detectors scan in turn at regular intervals. For the time-of-flight method, the detectors must be connected in parallel.
Таким образом, устройство обладает разнообразными функциональными возможностями и может быть реализовано как для прецизионных научных исследований, так и для специализированных коммерческих измерений. Thus, the device has various functional capabilities and can be implemented both for precision scientific research and specialized commercial measurements.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98123264A RU2143110C1 (en) | 1998-12-25 | 1998-12-25 | Mass spectrometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98123264A RU2143110C1 (en) | 1998-12-25 | 1998-12-25 | Mass spectrometer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2143110C1 true RU2143110C1 (en) | 1999-12-20 |
Family
ID=20213764
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU98123264A RU2143110C1 (en) | 1998-12-25 | 1998-12-25 | Mass spectrometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2143110C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2458427C2 (en) * | 2006-10-13 | 2012-08-10 | Симадзу Корпорейшн | Multi-reflecting time-of-flight mass-analyser and time-of-flight mass-spectrometer having said mass-analyser |
US8324567B2 (en) | 2007-12-12 | 2012-12-04 | University Of Southampton | Ion spectrum analysing apparatus and method |
RU2487434C1 (en) * | 2012-01-26 | 2013-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Люмасс" | Mass-spectral device for quick and direct analysis of samples |
-
1998
- 1998-12-25 RU RU98123264A patent/RU2143110C1/en active
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2458427C2 (en) * | 2006-10-13 | 2012-08-10 | Симадзу Корпорейшн | Multi-reflecting time-of-flight mass-analyser and time-of-flight mass-spectrometer having said mass-analyser |
US8324567B2 (en) | 2007-12-12 | 2012-12-04 | University Of Southampton | Ion spectrum analysing apparatus and method |
RU2487434C1 (en) * | 2012-01-26 | 2013-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Люмасс" | Mass-spectral device for quick and direct analysis of samples |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Ewing et al. | Hybrid ion mobility and mass spectrometry as a separation tool | |
CN101632148B (en) | Coaxial hybrid radio frequency ion trap mass analyzer | |
US6992283B2 (en) | Mass spectrometer | |
US4472631A (en) | Combination of time resolution and mass dispersive techniques in mass spectrometry | |
US6727495B2 (en) | Ion mobility spectrometer with high ion transmission efficiency | |
EP3185276B1 (en) | Triple quadrupole mass spectrometry coupled to trapped ion mobility separation | |
US5331158A (en) | Method and arrangement for time of flight spectrometry | |
US4855595A (en) | Electric field control in ion mobility spectrometry | |
US3953732A (en) | Dynamic mass spectrometer | |
US20050285030A1 (en) | Time of flight mass analyzer having improved detector arrangement and method of operating same | |
WO2004059693A2 (en) | Time-of-flight mass analyzer with multiple flight paths | |
EP0456517B1 (en) | Time-of-flight mass spectrometer | |
CN102446693B (en) | A kind of accelerated method of charged particle and application thereof | |
US6037586A (en) | Apparatus and method for separating pulsed ions by mass as said pulsed ions are guided along a course | |
Stults et al. | Mass spectrometry/mass spectrometry by time-resolved magnetic dispersion | |
US2772364A (en) | Mass spectrometry | |
US3831026A (en) | Plural beam mass spectrometer and method of conducting plural beam studies | |
RU2143110C1 (en) | Mass spectrometer | |
JP4643206B2 (en) | Mass spectrometer | |
JP6006322B2 (en) | Mass spectrometer and mass separator | |
CN102576644A (en) | Mass spectrometer and associated methods | |
EP1737018A2 (en) | Detecting ions in a spectrometer | |
RU2551119C1 (en) | Time-of-flight ion spectrometer | |
JP4480515B2 (en) | Mass spectrometry method | |
US6791079B2 (en) | Mass spectrometer based on the use of quadrupole lenses with angular gradient of the electrostatic field |