RU225173U1 - Времяпролетный масс-спектрометр - Google Patents
Времяпролетный масс-спектрометр Download PDFInfo
- Publication number
- RU225173U1 RU225173U1 RU2023122869U RU2023122869U RU225173U1 RU 225173 U1 RU225173 U1 RU 225173U1 RU 2023122869 U RU2023122869 U RU 2023122869U RU 2023122869 U RU2023122869 U RU 2023122869U RU 225173 U1 RU225173 U1 RU 225173U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- flat electrode
- diameter
- flat
- source
- positive
- Prior art date
Links
- 238000007654 immersion Methods 0.000 claims abstract description 6
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims abstract description 6
- 150000003657 tungsten Chemical class 0.000 claims abstract description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 10
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 47
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 6
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000004949 mass spectrometry Methods 0.000 description 2
- 230000000979 retarding effect Effects 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 238000000752 ionisation method Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Abstract
Полезная модель состоит из импульсного источника ионов, выполненного в виде двух параллельных друг другу плоских электродов и электронной пушки, бесполевого пространства дрейфа, в конце которого расположен отражатель ионов, и детектора, при этом первый и второй плоские электроды выполнены в виде сеток, первый плоский электрод подключен к источнику положительного напряжения, а второй плоский электрод заземлен. Электронная пушка выполнена в виде параллельных друг другу вольфрамового катода диаметром 0,1 мм, плоского электрода с круглой апертурной диафрагмой диаметром 0,5-0,7 мм, рассеивателя, выполненного в виде иммерсионной электронной линзы, состоящей из двух цилиндрических электродов с внутренним диаметром 6-8 мм, находящихся под регулируемыми положительными потенциалами, и микроканальной пластины диаметром 16-18 мм, при этом плоский электрод подключен к источнику положительного импульсного напряжения с длительностью импульса 5-10 нс. Задачей настоящего технического решения является разработка времяпролетного масс-спектрометра, который бы обеспечивал повышение его чувствительности. 1 ил.
Description
Полезная модель относится к области масс-спектрометрии, а более конкретно, к конструкции времяпролетного масс-спектрометра.
Известен времяпролетный масс-спектрометр (см. заявку US 5160840 A, МПК H01J 49/34, H01J 49/40, опубликована 03.11.1992), включающий один или несколько электрически заряженных ускоряющих плоских электродов для ускорения ионов, первое дрейфовое пространство, отражатель, второе пространство дрейфа и детектор. Ионный отражатель включает первый замедляющий зазор, который тормозит ионы или отражает низкоэнергетические ионы и второй зазор, в котором тормозятся ионы с более высокими энергиями, а также происходит компенсация времени пролета после прохождения отражателя. В соответствии с предложенным изобретением длина зазоров в отражателе может регулироваться так, что времена прохождения ионами замедляющего и тормозящего зазоров будут равными, то есть высокоэнергетические ионы затрачивают дополнительное время во втором тормозящем зазоре по сравнению с ионами низких энергий, которые не так глубоко проникают в отражатель и затрачивают меньшее время на его прохождения, то есть осуществляется компенсация по времени. В этой конструкции прибора для повышения чувствительности используется импульсный лазерный источник, в котором ионы образуются за счет лазерной десорбции ионов с облучаемой в источнике поверхности, фотоионизации и электрораспыления. Лазерный источник ионов дает большой разброс начальных энергий образующихся ионов, который будет очень трудно скомпенсировать в отражателе, и это повлечет за собой значительное уменьшение разрешающей способности прибора.
Известен времяпролетный масс-спектрометр (см. заявку WO 2016108451 А2, МПК H01J 49/40, опубликована 07.07.2016), в котором для повышения чувствительности и точности измерений в ионный источник введена микроканальная пластина. Времяпролетный масс-спектрометр включает ионизационную часть для получения ионов с помощью электронных пучков, электронную часть, инжектирующую электронные пучки в зону ионизации, зону детектирования ионов, зону разделения ионов, которая соединяет зону ионизации ионов с зоной детектирования ионов, причем зона образованияэлектронов содержит микроканальную пластину, которая облучается ультрафиолетовым лучами и поэтому эмигрирует электронные пучки. Образовавшиеся ионы из зоны ионизации проходят через зону разделения и достигают детектора, а зона разделения имеет форму прямой трубы. То есть по сути дела это простой времяпролетный масс-спектрометр без отражателя, в котором ионизирующие электроны образуются в результате облучения ультрафиолетовым излучением микроканальной пластины (МКП), на выходе из которой электроны попадают на вход каналотрона (вторично-электронного умножителя спиралевидной формы), также увеличивающего количество электронов, которые затем попадают в электронно-оптическую систему, направляющую электронный пучок в зону ионизации, где происходит ионизация газообразного образца в объеме образца, нанесенного на поверхность шероховатой мишени, а затем образовавшиеся положительные ионы выталкиваются из зоны ионизации в пространство дрейфа, где разделяются в соответствии с отношением m/q и регистрируются детектором.
Основным недостатком этого прибора является низкая разрешающая способность, так как отсутствует какая либо компенсация временных разбросов ионов, образовавшихся в разных частях зоны ионизации в результате различных процессов: элетронного удара, электронно-стимулированной десорбции и др. Кроме того электроны, образовавшиеся в МКП под действием ультрафиолетового излечения, попадают в каналотрон, сечение электронного пучка в котором существенно меньше, чем площадь МКП, то есть происходит потеря числа электронов, которые далее в электронно-оптической системе прибора подвергаются фокусировке, диафрагмированию, отклонению. Таким образом, непонятно, какая часть образовавшихся электронов участвует в процессе ионизации анализируемого вещества.
Известен времяпролетный масс-спектрометр (см. патент RU 2769377 от 30.03.2022, МПК H01J 49/40), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Настоящий времяпролетный масс-спектрометр содержит импульсный источник ионов, выполненный в виде трех параллельных друг другу плоских сетчатых электродов и электронной пушки, пространства дрейфа, в конце которого расположен отражатель ионов, второй части дрейфового пространства и детектора. Электронная пушка расположена перед первым плоским электродом, который подключен к источнику положительных импульсов прямоугольной формы. Второйплоский электрод подключен к источнику положительного напряжения, а третий плоский электрод заземлен. Перед детектором расположен фильтр низких энергий, выполненный в виде трех сетчатых электродов, крайние из которых заземлены, а средний находится под положительным потенциалом, превышающим потенциал средней сетки ионного источника на величину максимального разброса ионов по энергии в зоне их образования.
Задачей изобретения является повышение разрешающей способности прибора при сохранении или незначительной потере его чувствительности. Для этого область ионизации с электронной пушкой выносится из области выталкивания ионов и располагается в непосредственной близости (порядка одного миллиметра) от выталкивающей сетки.
Недостатком прототипа является низкая чувствительность прибора, так как из зоны ионизации в ускоряющий зазор источника попадает 15-20% образующихся ионов, то есть только те ионы, начальный вектор движения которых направлен в сторону пространства дрейфа.
Задачей настоящего технического решения является разработка времяпролетного масс-спектрометра, который бы обеспечивал повышение его чувствительности. По определению, абсолютная чувствительность Sabs означает какое минимальное количество вещества (в граммах, молях, атомах, ионах) может быть измерено каким-либо прибором, в частности, масс-спектрометром. Так как точно измерить эту величину достаточно трудно, то более часто используется понятие относительной чувствительности Srel, которая определяет, как изменяется ионный ток масс-спектрометра при изменении давления в ионном источнике прибора Srel=ΔIion/ΔPsour. В свою очередь ионный ток в источнике с электронным ударом типа Нира, которые чаще всего применяются в масс-спектрометрии определяется как Iion=δdPsourIel, где δ - коэффициент ионизации, показывающий сколько ионов образует электрон с данной энергией на 1 см своего пути при пролете через газ при давлении, например мм рт.ст., d - длина траектории иона в газе, Psour - давление газа в области ионизации, a Iel - ток ионизирующих электронов. Поскольку коэффициент ионизации δ является постоянной величиной, зависящей от сечения ионизации определенных атомов и молекул, энергии ионизирующих электронов, то ее изменить нельзя. Величина d для определенного типа приборов также имеет практически постоянную величину, так как связана с размером и конструкцией приборов. Рабочее давление в камере анализатора масс-спектрометров может изменяться впределах 10-8- 10-6 Torr, но не более чем на 3 порядка. Таким образом, повышение чувствительности времяпролетного масс-спектрометра сводится в основном к увеличению тока электронов Iel, которые ионизируют атомы и молекулы исследуемого газа.
Поставленная задача достигается тем, что времяпролетный масс-спектрометр состоит из импульсного источника ионов, выполненного в виде двух параллельных друг другу плоских электродов и электронной пушки, бесполевого пространства дрейфа, в конце которого расположен отражатель ионов, и детектора, при этом первый и второй плоские электроды выполнены в виде сеток, первый плоский электрод подключен к источнику положительного напряжения, а второй плоский электрод заземлен. Новым в настоящем техническом решении является тот факт, что электронная пушка выполнена в виде параллельных друг другу вольфрамового катода диаметром 0,1 мм, плоского электрода с круглой апертурной диафрагмой диаметром 0,5-0,7 мм, рассеивателя, выполненного в виде иммерсионной электронной линзы, состоящей из двух цилиндрических электродов с внутренним диаметром 6-8 мм, находящимися под регулируемыми положительными потенциалами, и микроканальной пластины диаметром 16-18 мм. Плоский электрод подключен к источнику положительного импульсного напряжения с длительностью импульса 5-10 нс.
Первый плоский электрод может быть подключен к источнику положительных импульсов прямоугольной формы с амплитудой 40-60 В.
Настоящее устройство поясняется чертежом, где схематично изображена конструкция времяпролетного масс-спектрометра, где
1 - вольфрамовый катод,
2 - плоский электрод с круглой апертурной диафрагмой,
3, 4 - цилиндрические электроды,
5 - микроканальная пластина,
6 - первый плоский электрод, выполненный в виде сетки,
7 - второй плоский электрод, выполненный в виде сетки,
8, 9 - отклоняющие пластины,
10 - бесполевое пространство дрейфа,
11 - отражатель,
12 - детектор.
Термоэлектроны, вылетевшие из нагретого вольфрамового катода 1, вытягиваются коротким электрическим импульсом (~10 нс и амплитудой40-50 В) через круглую апертурную диафрагму плоского электрода 2 диаметром порядка 0.5-0,7 миллиметра, попадают в рассеиватель. В качестве рассеивателя может быть использована иммерсионная электронная линза, состоящая из двух цилиндрических электродов 3-4 диаметром 6-8 мм, которые находятся под регулируемыми положительными потенциалами. После прохождения фокуса пучок электронов рассеиваются до диаметра 16 - 18 мм, и электроны попадают на вход микрокональной пластины (МКП) 5. Входная поверхность МКП 5 находится под земляным потенциалом, а выходная под потенциалом 1000 V. При таком питающем напряжении МКП 5 обеспечивает коэффициент умножения порядка 104. В МКП 5 образуется лавина вторичных электронов со средней энергией порядка 100 электронвольт, которая при выходе из МКП 5 ионизируют атомы и молекулы исследуемого газа вблизи выходной поверхности МКП 5. Образовавшиеся ионы отталкиваются от МКП 5, проходят первый плоский электрод 6, выполненный в виде сетки, находящийся под промежуточным потенциалом и второй плоский электрод 7, выполненный в виде сетки, и попадают в пространство дрейфа 10, в котором расположены отклоняющие пластины 8, 9. Далее осуществляется вся работа времяпролетного масс-спектрометра, то есть ионный пучок отклоняется на небольшой угол от начального направления движения к оси вакуумной камеры, и при движении ионов в пространстве дрейфа осуществляется разделение ионов в зависимости от их отношения m/q, затем ионы достигают отражателя 11, в двух зазорах которого происходит их замедление и торможение, смена направления движения и осуществляется компенсация времен пролета ионов, имеющих различные скорости, после чего ионы попадают во второе пространство дрейфа 10, в конце которого располагается детектор 12, регистрирующий выходной спектр ионов. В такой конструкции ионного источника используются все электроны, образующиеся в МКП 5.
Пример. Как показывает опыт работы с вольфрамовыми катодами при диаметре проволоки 100 микрон и токе накала порядка 1 ампера через отверстие диаметром 1 мм легко получается ток эмиссии электронов 2-3 миллиампера (то есть примерно 1015 электронов). Вытягивающий положительный импульс длительностью 10 нс с амплитудой несколько десятков вольт, приложенный к апертурной диафрагме с отверстием 0,5-0,7 мм в диаметре, доставляет эти электроны (~107 электронов) на вход иммерсионной линзы, состоящей из двух тонкостенных цилиндрических электродов с внутреннимдиаметром от 6 до 8 мм и длиной от 4 до 10 мм, находящихся под регулируемыми положительными потенциалами. После прохождения иммерсионной линзы сфокусированный пучок проходит фокус, и далее уже расходящийся пучок попадает на вход микроканальной пластины диаметром 16-18 мм, входная поверхность которой заземлена, а выходная плоскость имеет положительный потенциал на 1000 В, что обеспечивает коэффициент умножения МКП порядка 104. Таким образом, на выходе МКП оказывается порядка 1011 электронов, которые могут ионизовать ~107 ионов. Таким образом, чувствительность повышается по крайней мере на два порядка.
Claims (2)
1. Времяпролетный масс-спектрометр, состоящий из импульсного источника ионов, выполненного в виде двух параллельных друг другу плоских электродов и электронной пушки, бесполевого пространства дрейфа, в конце которого расположен отражатель ионов, и детектора, при этом первый и второй плоские электроды выполнены в виде сеток, первый плоский электрод подключен к источнику положительного напряжения, а второй плоский электрод заземлен, отличающийся тем, что электронная пушка выполнена в виде параллельных друг другу вольфрамового катода диаметром 0,1 мм, плоского электрода с круглой апертурной диафрагмой диаметром 0,5-0,7 мм, рассеивателя, выполненного в виде иммерсионной электронной линзы, состоящей из двух цилиндрических электродов с внутренним диаметром 6-8 мм, находящихся под регулируемыми положительными потенциалами, и микроканальной пластины диаметром 16-18 мм, при этом плоский электрод подключен к источнику положительного импульсного напряжения с длительностью импульса 5-10 нс.
2. Времяпролетный масс-спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что первый плоский электрод подключен к источнику положительных импульсов прямоугольной формы с амплитудой 40-60 В.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU225173U1 true RU225173U1 (ru) | 2024-04-15 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5160840A (en) * | 1991-10-25 | 1992-11-03 | Vestal Marvin L | Time-of-flight analyzer and method |
| US20030071208A1 (en) * | 2001-10-12 | 2003-04-17 | Hansen Stuart C. | Ion mirror for time-of-flight mass spectrometer |
| RU2239910C2 (ru) * | 2001-11-12 | 2004-11-10 | Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева | Времяпролетный масс-спектрометр |
| WO2016108451A2 (ko) * | 2014-12-30 | 2016-07-07 | 한국기초과학지원연구원 | 비행시간 질량분석기 |
| RU2769377C1 (ru) * | 2021-07-13 | 2022-03-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Времяпролетный масс-спектрометр |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5160840A (en) * | 1991-10-25 | 1992-11-03 | Vestal Marvin L | Time-of-flight analyzer and method |
| US20030071208A1 (en) * | 2001-10-12 | 2003-04-17 | Hansen Stuart C. | Ion mirror for time-of-flight mass spectrometer |
| RU2239910C2 (ru) * | 2001-11-12 | 2004-11-10 | Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева | Времяпролетный масс-спектрометр |
| WO2016108451A2 (ko) * | 2014-12-30 | 2016-07-07 | 한국기초과학지원연구원 | 비행시간 질량분석기 |
| RU2769377C1 (ru) * | 2021-07-13 | 2022-03-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Времяпролетный масс-спектрометр |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6974957B2 (en) | Ionization device for aerosol mass spectrometer and method of ionization | |
| US5614711A (en) | Time-of-flight mass spectrometer | |
| Myers et al. | An inductively coupled plasma-time-of-flight mass spectrometer for elemental analysis. Part I: Optimization and characteristics | |
| US8829428B2 (en) | Time-of-flight spectrometry and spectroscopy of surfaces | |
| CN108475616B (zh) | 正交加速飞行时间型质谱分析装置 | |
| US8648295B2 (en) | Combined distance-of-flight and time-of-flight mass spectrometer | |
| JP6301907B2 (ja) | 質量分析／質量分析データを並列取得するための方法および装置 | |
| JP2006521006A (ja) | 直交加速飛行時間型質量分析のための新規な電子イオン化源 | |
| EP3020064B1 (en) | Time-of-flight mass spectrometers with cassini reflector | |
| JP2015514300A5 (ru) | ||
| US4988869A (en) | Method and apparatus for electron-induced dissociation of molecular species | |
| US6674069B1 (en) | In-line reflecting time-of-flight mass spectrometer for molecular structural analysis using collision induced dissociation | |
| Nikolaev et al. | Implementation of low-energy surface-induced dissociation (eV SID) and high-energy collision-induced dissociation (keV CID) in a linear sector-TOF hybrid tandem mass spectrometer | |
| Bouneau et al. | Heavy gold cluster beams production and identification | |
| RU225173U1 (ru) | Времяпролетный масс-спектрометр | |
| US8314381B2 (en) | Reflector for a time-of-flight mass spectrometer | |
| JP5582493B2 (ja) | マイクロチャネルプレート組立体及びマイクロチャネルプレート検出器 | |
| RU2658293C1 (ru) | Времяпролетный спектрометр ионов плазмы | |
| CA2443825A1 (en) | Mass spectrometer | |
| US6218672B1 (en) | Ion source | |
| KR101819534B1 (ko) | 이온화 소스 및 그를 포함하는 이차이온 질량분석기 | |
| US7034288B2 (en) | Time-of-flight mass spectrometer | |
| RU2239910C2 (ru) | Времяпролетный масс-спектрометр | |
| WO2000036633A1 (en) | In-line reflecting time-of-flight mass spectrometer for molecular structural analysis using collision induced dissociation | |
| JP6108387B2 (ja) | イオン液体ビームを用いた分析装置 |