RU2458427C2

RU2458427C2 - Времяпролетный масс-анализатор с многократными отражениями и времяпролетный масс-спектрометр, включающий в себя данный масс- анализатор

Info

Publication number: RU2458427C2
Application number: RU2009117852/07A
Authority: RU
Inventors: Михаил СУДАКОВ (GB); Михаил СУДАКОВ
Original assignee: Симадзу Корпорейшн
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2012-08-10
Also published as: GB0620398D0; JP2010506349A; EP2078305B1; CN101523548A; WO2008047891A3; EP2078305A2; JP4957798B2; RU2009117852A; US20100044558A1; WO2008047891A2; CN101523548B; US7982184B2

Abstract

Времяпролетный масс-анализатор с многократными отражениями имеет два параллельных бессеточных ионных зеркала, каждое из которых имеет удлиненную структуру в направлении (Z) дрейфа. Эти ионные зеркала обеспечивают свернутый путь ионов, формируемый многократными отражениями ионов в направлении (X) полета, ортогональном направлению (Z) дрейфа. Анализатор также имеет дополнительное бессеточное ионное зеркало для отражения ионов в направлении (Z) дрейфа. Во время функционирования ионы пространственно разделяются согласно отношению массы к заряду вследствие их различного времени пролета вдоль свернутого пути ионов, и ионы, имеющие по существу одинаковое отношение массы к заряду, подчиняются энергетической фокусировке по отношению к направлениям полета и дрейфа. Технический результат - увеличение диапазона масс. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 14 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к области масс-спектрометрии, в частности времяпролетной масс-спектрометрии. В частности, оно относится к TOF масс-спектрометру, имеющему увеличенный путь пролета вследствие многократных отражений.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Времяпролетный (TOF) способ масс-спектрометрии основан на измерении времени, которое занимает пролет ионов от источника ионов до детектора по одному и тому же пути. Источник ионов одновременно производит импульсы ионов, имеющих различные отношения массы к заряду, но одинаковую среднюю энергию. Соответственно, вследствие законов движения в электростатическом поле, время пролета ионов, имеющих различные отношения массы к заряду (m/e), обратно пропорционально квадратному корню m/e. Ионы, появляющиеся в детекторе, создают импульсы тока, которые измеряются системой управления и представляются в виде спектра. Исследуемое отношение массы к заряду ионов может быть выведено посредством сравнения положения их пиков по отношению к пикам известных ионов (относительная калибровка) или посредством прямого измерения времени прилета (абсолютная калибровка). Чем уже пик ионов сходной массы, тем выше точность измерения массы, при условии, что подаваемое напряжение и размеры системы являются неизменными. Для различных типов масс-спектрометров относительная ширина пиков характеризуется разрешающей способностью - отношением видимой массы к ширине пика в массовых единицах: R _m =m/Δm. В случае времяпролетных масс-спектрометров разрешающая способность массы равна половине отношения общего времени пролета по отношению к ширине пика во временных единицах: R _m =0,5t/Δt. Следовательно, для достижения более высокой точности является необходимым либо уменьшить ширину пика, насколько это возможно, либо увеличить время пролета.

Существуют определенные ограничения для ограничения ширины пика во времяпролетных масс-спектрометрах. Даже для ионов, имеющих одинаковое отношение массы к заряду, источник ионов создает частицы со сходной, но немного отличающейся энергией. Это происходит вследствие первоначального пространственного рассеивания ионов в источнике ионов до их выброса. Является существенным оптимизировать электростатические поля во времяпролетном масс-спектрометре таким способом, чтобы ионы, имеющие одинаковые отношения массы к заряду, но различные энергии, появлялись в детекторе в одно время. То есть оптический путь ионов во времяпролетном масс-спектрометре является «энергетически изохронным» вдоль направления пути пролета. Посредством соответствующей оптимизации может быть достигнут высокий уровень изохронности, так что ионы появляются в детекторе через время, которое слабо зависит от их первоначальных расположений внутри источника ионов. Дополнительно уменьшение ширины пиков ограничено разбросом первоначальных скоростей ионов. Последнее имеет результатом так называемое время пробега, которое равно разнице времен появления ионов, имеющих начальную скорость ν _T в направлении по пути пролета и начальную скорость -ν _T в противоположном направлении по пути пролета. Разница является обратно пропорциональной напряженности электрического поля в момент выделения иона из источника ионов: t _turn =2ν _T /(eE/m). Одним из способов уменьшения времени пробега является уменьшение начальной скорости ν _T, например, посредством охлаждения ионов внутри источника, другим способом является увеличение напряженности поля. Оба подхода имеют определенные практические ограничения, которые почти исчерпаны в современной времяпролетной масс-спектрометрии.

Другим способом улучшения разрешающей способности для массы является увеличение времени пролета с использованием более длинного пути пролета. Хотя является возможным увеличить путь пролета просто посредством увеличения размеров инструмента, этот способ является непригодным к использованию, поскольку современные времяпролетные системы уже имеют типичный размер в 1 м. Прекрасным способом увеличения пути пролета является использование многократных отражений от электростатических зеркал. Некоторые известные системы, увеличивающие количество отражений, пытаются удовлетворить нескольким условиям одновременно; то есть многократно свернутая траектория луча, вдоль которой время пролета ионов, имеющих одинаковое отношение массы к заряду, но разные энергии, по существу, независимо от энергии внутри диапазона энергий, генерируемых источником ионов (продольная изохронность), неизменное движение ионов в поперечном направлении, так что пучок ионов может перенести многократные отражения, и время пролета, которое по существу независимо от углового и пространственного разброса ионного пучка в поперечном направлении (минимальные поперечные аберрации). Этим условиям оказывается сложно удовлетворить одновременно, и известные системы, которые удовлетворяют условиям, имеют тенденцию к сложности изготовления и/или недостатку гибкости.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Многократно свернутая траектория со многократными отражениями может быть достигнута при использовании импульсного источника питания (Х.Воллник, Международный журнал масс-спектрометрии и ионных процессов, 227, 2003, 217). В системе, имеющей два аксиально-симметричных коаксиальных зеркала (фиг. 1) ионы впускаются в систему посредством уменьшения напряжения на короткое время на входном зеркале I. После того, как ионы вошли в систему, напряжение на зеркале I восстанавливается и ионы оставляют осциллировать между двумя зеркалами в течение по существу длительного времени. В конце концов, ионы выпускаются из системы для детектирования на детекторе посредством уменьшения напряжения на выходном зеркале II. К сожалению, этот способ страдает от ограничений по диапазону масс, поскольку только небольшой диапазон масс ионов может быть выпущен из системы в одном эксперименте. Ионы меньшей массы двигаются быстрее и делают больше оборотов, чем более тяжелые ионы, после определенного количества оборотов, N, невозможно сделать различие между более тяжелыми ионами, которые сделали N оборотов и более легкими ионами, которые сделали N+1 оборотов. Следовательно, диапазон масс ионов, выпущенных из системы за одну попытку без перекрытия поддиапазонов масс обратно пропорционален количеству оборотов. Этот недостаток распространяется на все системы, в которых ионы следуют по одной траектории за несколько проходов и выпускаются из системы пульсирующим напряжением (М.Тойода и другие, Журнал масс-спектрометрии, 2003, т.38, С. 1125-1142).

Некоторое количество электростатических систем с многократными отражениями было предложено Х.Воллником в патенте Великобритании GB 2080021. Системы, описанные Х.Воллником, требуют сложного изготовления и тщательной оптимизации. Более простая система описана в патенте Советского Союза SU 1725289, выданном Назаренко и другим (фиг. 2). Их система имеет два параллельных, бессеточных ионных зеркала для осуществления многократных отражений. Напряжения на электродах 11, 12, 13 и 21, 22, 23 зеркал оптимизированы таким образом, что период одного полного цикла с отражениями от верхнего зеркала и нижнего зеркала по существу не зависим от энергии ионов в направлении (X) полета. Вследствие этого, пакеты ионов сжимаются (энергетически фокусируются) в некоторой точке между зеркалами после каждого полного цикла. Пучок ионов впускается в систему под небольшим углом по отношению к оси X. В результате этого поток ионов перемещается сравнительно медленно в направлении (Z) дрейфа, в то время как он повторно отражается от двух параллельных зеркал, таким образом создавая многократно свернутую зигзагообразную траекторию с увеличенным временем пролета. Преимущество данной системы состоит в том, что количество отражений, которые имеют место до того, как ионы достигнут детектор, может быть скорректировано посредством изменения угла ввода. В то же время эта система не имеет никаких средств для предотвращения расхождения пучка в направлении дрейфа. Вследствие начального углового разброса ширина пучка может превышать ширину детектора, делая дополнительное увеличение времени пролета ионов непригодным к использованию вследствие потери чувствительности.

Существенное улучшение системы с многократными отражениями, основанной на двух параллельных плоских ионных зеркалах, было предложено А.Веренчиковым и М.Явором в WO 2005001878 А2. Угловое расхождение пучка в направлении Z было компенсировано набором линз, расположенных в области вне поля между зеркалами (фиг.3). Как и в системе Назаренко, ионный пучок впрыскивается в пространство между зеркалами под малым углом по отношению к оси X, но угол выбирается так, что пучок ионов проходит через набор линз L1, L2, …, LD2. В качестве результата, пучок ионов становится перефокусированным после каждого отражения и не расходится в направлении дрейфа. Последняя линза LD2 системы также приводится в действие в качестве дефлектора для того, чтобы обратить направление дрейфа пучка в направлении выхода из системы. В данном режиме функционирования система предоставляет полный диапазон масс функционирования с продленным путем пролета. Дефлектор LD2 может также использоваться для ограничения потока ионов в конечном сегменте системы для того, чтобы позволить происходить там многократным отражениям. В данном режиме функционирования поток ионов выпускается из конечного сегмента посредством приложения импульсного напряжения к дефлектору. В данном случае система страдает от ограничений по диапазону масс тем же образом, что и в системе X. Воллника. Как показывает эксперимент, в данном режиме функционирования разрешающая способность в 200000 может быть достигнута с менее чем 50% потерей передачи. Высокая разрешающая способность происходит из оптимальной конструкции зеркал, которые не только предоставляют фокусирование по энергии третьего порядка, но и также имеют минимальные поперечные аберрации до второго порядка. Конструкция, предложенная в WO 2005001878 A2 имеет множество преимуществ над оригинальной системой Назаренко, но эти преимущества достигаются посредством принесения в жертву очень полезного свойства исходной системы; то есть возможности увеличить количество отражений посредством уменьшения угла ввода. В системе Веренчикова и Явора угол ввода фиксирован, заданный геометрией системы; то есть расстояниями между зеркалами и положениями и расстояниями между линзами. Общее количество отражений задано как удвоенное количество линз и не может быть изменено, пока используется импульсный режим функционирования, но это приводит к уменьшенному диапазону масс. Это является недостатком системы, который решается вариантами осуществления настоящего изобретения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно изобретению здесь предоставлен времяпролетный масс-анализатор с многократными отражениями, содержащий средства создания электростатического поля, сконфигурированные для определения двух параллельных бессеточных ионных зеркал, каждое из которых имеет удлиненную конструкцию в направлении дрейфа, упомянутые ионные зеркала, обеспечивающие свернутый путь ионов, формируемый многократными отражениями ионов в направлении пролета, ортогональном направлению дрейфа, и смещение ионов в направлении дрейфа, и являющиеся дополнительно сконфигурированными для определения дополнительного бессеточного ионного зеркала для отражения ионов в упомянутом направлении дрейфа, в соответствии с чем при функционировании ионы пространственно разделяются согласно отношению массы к заряду вследствие их различных времен пролета вдоль свернутого пути ионов, и ионы, имеющие по существу одинаковые отношения массы к заряду, подвергаются энергетическому фокусированию по отношению к упомянутому направлению пролета и упомянутому направлению дрейфа.

В варианте осуществления изобретения времяпролетный масс-анализатор может использоваться в качестве линии задержки, которая может быть включена в путь пролета практически любого существующего времяпролетного масс-спектрометра с намерением улучшения общей разрешающей способности в силу продленного времени пролета, созданного линией задержки. Со свернутой конфигурацией пути изобретения не существует ограничений на диапазон отношений массы к заряду, что может быть приспособлено аналитиком, и отменяется необходимость в манипулировании траекторией ионов с использованием импульсного напряжения. Сверх того, движение ионов в обратном направлении является относительно стабильным. Это в соединении с использованием бессеточных ионных зеркал помогает уменьшить потерю ионов от анализатора. Увеличенное время дает улучшенную разрешающую возможность масс-анализатора и в предпочтительных вариантах осуществления количество отражений может быть скорректировано с использованием электростатически управляемых средств отражения для управления углом, относительно направления полета, под которым ионы направляются на свернутый путь ионов. Подобные корректировки не возможны с использованием известных систем, имеющих линзы.

Изобретение вводит полностью новый признак в конструкцию времяпролетных систем - то есть энергетическое фокусирование в направлении дрейфа, ортогональном к направлению полета. До этого времяпролетные системы строились таким способом, чтобы минимизировать рассеивание пучка в направлении дрейфа посредством ускорения пучков до высокой энергии для того, чтобы уменьшить общее угловое рассеивание или посредством использования линзы для перефокусировки пучка. В дополнение к предоставлению ионных зеркал в направлении пролета, настоящее изобретение предлагает применения ионного зеркала в направлении дрейфа (ортогональном к направлению полета) и может быть использовано для создания энергетической фокусировки в конечном расположении на детекторе, одновременно по отношению к направлению полета и направлению дрейфа. Вследствие свойства изохронности системы ширина пучка в направлении дрейфа во время полета является несущественной, хотя предпочтительно пучок не должен быть шире детектора, когда он детектируется. Это имеет дополнительное преимущество в уменьшении влияния пространственного заряда, поскольку большую часть времени пакеты ионов движутся вытянуто в направлении дрейфа.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны, только в качестве примера, со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг. 1 является схематическим представлением известного аксиально-симметричного многооборотного времяпролетного масс-спектрометра, описанного Х.Воллником.

Фиг. 2 является схематическим представлением известного плоского времяпролетного масс-спектрометра с многократными отражениями, описанного Назаренко.

Фиг. 2 является схематическим представлением известного плоского времяпролетного масс-спектрометра с многократными отражениями, описанного Веренчиковым и Явором.

Фиг.4 показывает трехмерный вид двумерного изохронного времяпролетного масс-спектрометра с многократными отражениями предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения.

Фиг.5 является схематическим представлением двумерного изохронного времяпролетного масс-спектрометра с многократными отражениями предпочтительного варианта осуществления изобретения.

Фиг.6 показывает распределение электрического потенциала вдоль оси пролета системы с многократными отражениями, показанной на фигуре 5.

Фиг. с 7a по 7d иллюстрируют зависимость времени пролета от энергии иона во времяпролетной системе со свойством энергетической изохронности.

Фиг. 8 показывает поперечный разрез трехмерного источника ионной ловушки.

Фиг. 9 показывает поперечный профиль со стороны линейного источника ионной ловушки с ортогональным выделением.

Фиг. 10 показывает поперечный разрез линейного источника ионной ловушки с аксиальным выделением и дополнительной ступенью ускорения. Также показано распределение потенциала вдоль оси двухступенчатого источника.

Фиг. с 11a по 11c показывают различные расположения для ввода ионов в путь пролета изохронной двумерной времяпролетной системы изобретения.

Фиг. 12 является схематическим представлением двумерного времяпролетного (2DTOF) анализатора, имеющего два ионных зеркала в направлении дрейфа и многократно свернутую закольцованную траекторию пучка, использующего импульсный детектор.

Фиг. 13 является схематическим представлением двумерного времяпролетного (2DTOF) анализатора, имеющего два ионных зеркала в направлении дрейфа и многократно свернутый пучок, без использования импульсов.

Фиг. 14 является схематическим представлением двумерного времяпролетного (2DTOF) анализатора используемого в качестве A) линии задержки в традиционном времяпролетном масс-спектрометре и B) масс-селектора для ионов-предшественников.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Фиг.4 показывает трехмерный вид нового двумерного изохронного времяпролетного масс-анализатора с многократными отражениями согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения. Двумерный времяпролетный (2DTOF) анализатор состоит из набора металлических пластин - электродов, расположенных в двух параллельных плоскостях ортогонально оси Y. Электроды в верхней и нижней плоскостях симметричны и имеют одинаковые прилагаемые напряжения. Пластины-электроды расположены линиями Х₁, Х₂, ..., X_n и X_-1, X_-2, ..., X_-n параллельно оси Z. Эти электроды формируют два бессеточных электростатических ионных зеркала для отражения ионов в направлении полета X. Каждый электрод линии X разделен на некоторое количество сегментов, с тем чтобы создавать линии Z₁, Z₂, ..., Z_k электродов, которые продолжаются параллельно оси X. Эти линии электродов используются для формирования ионного зеркала в направлении Z дрейфа. Фигура 5 показывает схематическое представление двумерной времяпролетной системы в трех ортогональных проекциях с типичной траекторией (T) ионов через систему. Двумерный времяпролетный анализатор 3 содержит источник S ионов и приемник D ионов. Два набора пластин X0, X1, X2, ..., Xn и X-1, X-2, X-n в параллельных плоскостях формируют ионные зеркала (верхнее и нижнее) для многократных отражений в направлении X, и набор пластин в колоннах Z1, Z2, ..., Zk, которые создают ионное зеркало (правое) для отражения в направлении дрейфа Z. Подобное расположение ионных зеркал делает возможным, чтобы ионы имели многократно свернутую траекторию с многократными отражениями между верхним и нижним зеркалами и одно отражение от правого зеркала. Траектория ионов начинается в источнике ионов и заканчивается в приемнике ионов.

Включение ионного зеркала для отражения в направлении дрейфа является полностью новым свойством во времяпролетном масс-спектрометре с многократными отражениями, что дает возможность избежать рассеивания пучка в направлении дрейфа без необходимости использования линз и дефлекторов. Данная конструкция двумерного времяпролетного анализатора позволяет электронным способом корректировать количество отражений, что не возможно в конфигурациях предшествующего уровня техники, имеющего закрепленные линзы. Требования для достижения этого являются следующими.

1. При появлении на поверхности детектора ионные пакеты одинаковой массы, но различной энергии, сжимаются (фокусируются) в направлении полета (X-фокусирование).

2. При появлении на поверхности детектора ионные пакеты одинаковой массы, но различной энергии, сжимаются (фокусируются) в направлении дрейфа (Z-фокусирование).

3. Перемещение ионов в направлении Y ограничено в границах по существу малого диапазона около плоскости ZX.

4. Время пролета по существу независимо от осевого и позиционного рассеивания в направлении, ортогональном плоскости ZX.

Средства для достижения данных характеристик рассматриваются далее с большей подробностью.

Вообще, оптическая ионная схема двумерного времяпролетного масс-анализатора устроена таким образом, что поле внутри зеркала является сложением двух полей:

Обе функции φ ₁ (x,y), и φ ₂ (z,y) удовлетворяют уравнению Лапласа для потенциала электростатического поля. Перемещение иона в направлениях x и z описывается следующими уравнениями:

Смещение в направлении y обычно по существу меньше, чем характерный размер системы, что позволяет принять y равным 0 в вышеприведенных уравнениях. В данном случае, перемещение в направлении X полета и в направлении Z дрейфа не зависимы друг от друга и могут рассматриваться по отдельности.

Рассматривая сначала перемещение X, распределение потенциала в направлении X описывается функцией φ ₁ (х,0), которая имеет вид потенциального колодца, который может иметь сложную форму, как показано на фиг. 6. Кинетическая энергия К ₀ в направлении X лежит ниже верха потенциального колодца, как показано на фиг. 6, заставляя ионы подвергаться множеству отражений между точками разворота x ₁ и х ₂. Из уравнения (2) период полной осцилляции между точками разворота x ₁ и х ₂ выводится следующим образом:

Для множества применений времяпролетной техники форма функции потенциала φ ₁ (x,0) выбирается таким способом, что период ионных осцилляций (4) не зависим от энергии ионов в некотором диапазоне энергий ΔK около К ₀, как показано на фиг. 7. Существует бесконечное количество возможностей (функций φ ₁ (х,0)) которые удовлетворяют условию с разными уровнями точности. Согласно уравнению Лапласа, распределение потенциала вдоль оси φ ₁ (х,0) также определяет поле поблизости оси φ ₁ (x, у). Для многократных отражений между зеркалами распределение поля должно также удовлетворять требованиям устойчивости движения по y и независимости времени пролета от первоначального смещения ионов в направлении y (продольных аберраций). Такие распределения могут быть найдены посредством оптимизации зависимости времени пролета иона от кинетической энергии и поперечного положения на выбранном классе потенциальных функций. На практике распределения полей реализуются наборами электродов X ₁ , X ₂ , ..., X _n , и X _-1 , X _-2 , ..., X _-n. Общее количество электродов, их размер и прилагаемые напряжения Vx1, Vx2, .., Vxn выбираются таким способом, чтобы воспроизводить требуемое распределение потенциалов вдоль оси X наиболее близким возможным способом. Оптимизированная времяпролетная система имеет свойство изохронности в направлении пролета, что значит, что ионы, имеющие одинаковые отношения массы к заряду, но различные энергии в направлении пролета, стартующие одновременно от средней плоскости между двумя ионными зеркалами, появятся на той же плоскости одновременно после того, как подвергнутся одному (или нескольким) отражениям на зеркалах. Она также подразумевает, что если ионы пересекают среднюю плоскость в различные моменты времени, они будут иметь ту же разницу во времени после нескольких отражений между ионными зеркалами. Таким образом, если ионы, имеющие различные энергии, входят в систему в разные моменты времени, они будут выходить из системы с той же разницей во времени. Другими словами, двумерная времяпролетная система сохраняет временную задержку между ионами, имеющими одинаковые отношения массы к заряду, но различные энергии в направлении пролета после нескольких отражений в направлении пролета.

Для того, чтобы создать двумерную времяпролетную систему изобретения, необходимо ввести другое поле в направлении Z, которое будет обеспечивать свойство изохронности в направлении дрейфа. Распределение потенциала φ ₂ (z,y) находится из оптимизации двумерной системы тем же способом, что был описан выше для X-зеркал. В частности, то же самое распределение поля φ ₁ (x,y) может быть использовано для поля в направлении Z, но с меньшими напряжениями для того, чтобы учесть меньшую энергию полета в направлении дрейфа. В этом случае распределение напряжения в направлении Z может быть выражено просто как:

Распределение поля уравнения 5 будет обеспечивать изохронное перемещение в направлении Z для энергии Kz в пределах такого же рассеивания энергии ΔKz/Kz в качестве зеркала в направлении X. Как будет описано позднее, ионный пучок имеет сходное относительное рассеяние энергии в направлениях пролета и дрейфа. Поэтому поле уравнения 5 будет предоставлять ионное зеркало с существенным диапазоном энергий. Недостатком данной конструкции является то, что длина Z зеркала будет половиной длины в направлении X, что может быть несущественно, если требуется более длинный путь пролета. Когда требуется более длинное расстояние в направлении дрейфа, может быть использовано зеркало с более длинным фокусным расстоянием в направлении Z.

Двумерное зеркало в направлении Z может быть сформировано из набора пластин-электродов, установленных параллельно оси X полета и ортогонально оси Z дрейфа. Общее количество электродов k, их размер, расположения и прилагаемые напряжения Vz1, Vz2, ..., Vzk определяются из свойств распределения поля вдоль оси Z. Для того, чтобы создать подобные пластины в дополнение к пластинам для X зеркал, каждый электрод X зеркала разделен на K+2 сегментов, каждый сегмент имеет одинаковую ширину в каждой Z колонке. Как результат, верхняя и нижняя пластины электродов двумерной времяпролетной системы созданы из параллельных наборов плоских сегментов, расположенных 2N+3 линиями и K+2 колонками, как показано на фиг. 5. Электроды в X линиях несут напряжения, требуемые для создания ионных зеркал в направлении X: Vx1, Vx2, ..., Vxn. Наложенные на эти напряжения, дополнительные напряжения приложены для создания полей в Z направлении, Vz1, Vz2, ..., Vzk. Например, для создания поля φ ₂ (z,y) в плоскости ZY, то же напряжение Vz1 прибавлено ко всем плоскостям в колонке Z1, то же напряжение Vz2 прибавлено ко всем плоскостям в колонке Z2, и так далее. Или, другими словами, напряжение, приложенное к пластине электрода в линии i и колонке j должно быть равно Vxi+Vzj. Вследствие принципа суперпозиции, подобное расположение электродов и подаваемые напряжения будут создавать распределение поля уравнения 1 в пространстве между ними.

Для бесконечной длины граничных пластин в направлениях X и Z является возможным создать систему, для которой уравнение 1 является справедливым полностью. Однако на практике электроды имеют конечную длину, что значит, что поле рядом с краями и боковыми плоскостями системы будет искажено, делая уравнение (1) неприменимым. Хотя является возможным оптимизировать систему, когда (1) не применимо, является предпочтительным работать с ситуацией, когда движения в направлениях X и Z разделены. Известно, что в системе из двух параллельных пластин искажения поля убывают экспоненциально как exp(-3,42•x/R), где x - расстояние от искривления, а R - расстояние между пластинами. На расстоянии R искажение будет убывать на 3%, а на расстоянии 2R оно будет меньше, чем 0,1% исходного значения. Следовательно, всегда возможно создать систему, где влияние краевых полей является несущественным, делая задние пластины ионных зеркал существенно широкими. Является предпочтительным удостовериться, что траектория (T) ионов не приближается к задним панелям ближе, чем зазор между параллельными пластинами электродов, формирующими ионные зеркала, как показано на фигуре 5. Является возможным обеспечить это, делая ширину задних пластин в каждом зеркале большей, чем зазор между пластинами, или изготавливая задний электрод из нескольких электродов.

Хотя является возможным создать суперпозицию двух независимых полей в направлении полета и дрейфа, на поперечное движение оказывают влияние оба поля. Перемещение в направлении Y описывается уравнением

Из этого следует, что перемещение в направлении Y зависит от обоих полей. В то же время, влияние этих полей разное. Причина этого в том, что существует большая разница между энергиями ионов в направлениях X и Z. Типично, энергия дрейфа ионов в 100, раз меньше энергии пролета и, соответствующим образом, максимальное напряжение, прилагаемое к зеркалу 100 может быть в 100 раз меньше напряжения прилагаемого к пластинам X. Следует, что поле, создаваемое ионным зеркалом в направлении Z, будет по меньшей мере на два порядка меньше по величине, чем поля, создаваемые ионными зеркалами оси X. Вот почему второй член в уравнении (6) по меньшей мере на два порядка по значению меньше, чем первый. Другой причиной для слабого влияния поля Z является то, что большинство из отражений ионов происходит в свободной от поля области зеркала Z, где поле φ ₂ (z,у) равно нулю. Влияние Z полей на движение в направлении Y оказывает эффект только когда ионы входят в Z зеркало, и может быть дополнительно уменьшено, сделав поле φ ₂ (z,y) почти независимым от y. Это имеет место в случае, когда поле имеет линейную зависимость в направлении Z. Бессеточное зеркало, имеющее линейное поле, по-прежнему имеет зависимость в направлении Y в начале линейного поля, но эта зависимость локализована и намного меньше по значению, чем в других зеркалах. Зеркало с линейным полем не обеспечивает фокусирование высокого уровня, но для движения в направлении дрейфа этого не требуется из-за меньшего количества оборотов. По этим причинам влияние Z полей на Y перемещение в системе является незначительным или малым по сравнению с влиянием X полей, и может быть выполнена оптимизация ионного движения в направлении Y только для X перемещения, по меньшей мере в первом приближении.

Вышеизложенное описывает способ для создания требуемых распределений поля с использованием параллельных пластин электродов. Могут быть использованы другие способы для создания требуемых электростатических полей. Традиционным подходом является замена эквипотенциальных поверхностей поля металлическими электродами и приложения соответствующих напряжений к этим электродам. В данном подходе распределение потенциала создается формой электродов и не может быть изменено электронным способом. Другим подходом получения требуемых полей в пространстве между двумя пластинами является создание резистивного покрытия с переменной глубиной на поверхностях пластин; глубина резистивного покрытия вычисляется из требуемого распределения потенциалов на поверхности. Когда прилагается подаваемое напряжение, создается неоднородное распределение напряжения на поверхности пластины электрода вследствие резистивного покрытия, что имеет результатом требуемое распределение поля между пластинами. Этот способ не предлагает возможности электронным способом корректировать поле и не является предпочтительным.

Требования энергетической фокусировки в направлении X являются очень жесткими из-за того, что ионы подвергаются множеству отражений. Является предпочтительным использовать ионные зеркала в направлении X с фокусированием высокого порядка и минимальными аберрациями в настолько широком диапазоне энергий, насколько возможно, и вдоль большого продольного расстояния (направлении Z) и настолько широком угловом рассеянии (направлении Z), насколько возможно. Единственным ионным зеркалом, которое имеет идеальные фокусирующие свойства, для полного диапазона энергий, является зеркало, имеющее параболическое распределение потенциала: φ ₂ (х,у)=-c(x ² -y ² ). К сожалению, для такого зеркала продольное перемещение (в направлении Y) является неустойчивым. Зеркала с другим типом распределения потенциала могут предоставлять устойчивое движение в направлении Y, но они имеют свойство энергетической фокусировки только для ограниченного диапазона энергий. Чем меньше разброс энергии пучка, тем лучше достигаемая энергетическая фокусировка. Способы получения пучков ионов с ограниченным разбросом энергий известны в данной области техники. Такие пучки создаются пульсирующими ионами из области между двумя пластинами (импульсный источник), или из ионной ловушки. В случае ввода из импульсного источника новый импульс ионов не может быть введен до тех пор, пока ионы предыдущего импульса не появятся на детекторе. Из-за этого только малая часть пучка может быть проанализирована, тем самым уменьшая рабочий цикл. Для двумерного времяпролетного устройства согласно данному изобретению предпочтительным является ввод из ионной ловушки. Фиг. 8 показывает поперечный разрез трехмерного источника ионной ловушки, как описано в US 6,380,666 B1, состоящего из кольцевого электрода 101 и пары концевых элементов 102 и 103. До выделения, ионы ограничены внутри ловушки посредством осциллирующих радиочастотных потенциалов. Вследствие столкновений с нейтральными частицами (типично используется газообразный гелий) ионы собираются в небольшое облако вблизи центра ловушки. В некоторое время высокая разница потенциалов прилагается к конечным элементам, и ионы извлекаются во времяпролетное устройство через отверстие 104 в выходном концевом элементе 103. Различные виды ионных ловушек могут быть использованы в качестве источника для времяпролетной системы. Фиг. 9 показывает поперечный разрез источника линейной ионной ловушки с ортогональным выделением, как описано в WO 2005083742. Функционирование данного источника ионной ловушки сходно с функционированием трехмерной ионной ловушки. Ловушка включает в себя четыре удлиненных стержня 201, 202, 203, 204. До извлечения, ионы ограничиваются в радиальном направлении в ловушке посредством осциллирующих радиочастотных потенциалов на стержнях и вдоль оси ловушки посредством отталкивающего потенциала постоянного тока, прилагаемого к соседним электродам (не показаны). Ионы собираются рядом с центром ловушки в облако, которое вытянуто вдоль оси ловушки. Во время извлечения высокая разность потенциалов прилагается между стержнями 203 и 204 и по выбору к стержням 201, 202. Ионы выталкиваются из ловушки через узкую щель 205 в одном из стержней.

До выделения ионы имеют почти одинаковую энергию, как и буферный газ, которая существенно меньше энергии полета. Вследствие свойств движения иона в электростатическом поле энергия иона равна разнице потенциалов между начальной точкой и конечной точкой. Следовательно, после выделения разница энергий между ионами равна разнице между выделяющими потенциалами внутри ионного облака. Средняя энергия полета, с другой стороны, равна разнице потенциалов между центром облака и выбрасывающим электродом. Допуская, что поле выделения почти однородно, разброс энергии в луче может быть оценен как отношение ширины облака к расстоянию до центра облака от выделяющего электрода. С ионным облаком в 0,5 мм в диаметре и расстоянием выделения в 5 мм это отношение равно 0,1 и соответствующий разброс энергий меньше, чем 10%.

Дополнительное уменьшение разброса энергий может быть достигнуто посредством использования источника с двухстадийным ускорением с фиг. 10. Он основан на линейной ионной ловушке с сегментированными стержнями 302. По направлению потока от ионной ловушки находится набор электродов-диафрагм 303, которые создают поле, обеспечивающее второе ускорение. Ионы захватываются и собираются в облаке 301, которое вытянуто вдоль оси Z ионной ловушки. Для выделения разность потенциалов прилагается на все сегменты ловушки через делитель 304 потенциалов. Дополнительное напряжение U2 ускорения прилагается на электроды второй ступени ускорения через делитель 305 напряжения. Распределение 307 потенциала вдоль оси Z системы устанавливается для выделения. Ионы покидают ионную ловушку через отверстие в выделяющем электроде 306 со средней энергией, равной разности потенциалов между отверстием и исходным положением центра облака. Разброс энергий облака определяется относительным размером облака по отношению к расстоянию до отверстия и может быть меньше, чем 10%. После прохода через второе расстояние 303 ускорения все ионы увеличивают их кинетическую энергию на количество, равное разности потенциалов между извлекающим электродом и последним электродом ускоряющей ступени 308. Поскольку разница энергий между ионами не изменяется, в то время как общая энергия увеличена, относительный разброс энергии пучка уменьшается. Например, ускоряя пучок в 100 эВ до 1 кВ, исходный разброс энергий в 10% уменьшается до 1%.

Средства, отличные от сегментирования стержней, могут быть использованы для того, чтобы создать выделяющее поле внутри линейной ионной ловушки. Например, поверхность ионной ловушки может быть резистивно покрыта, или дополнительно наклоненные электроды могут быть помещены между главными захватывающими электродами ловушки для того, чтобы создать линейное распределение потенциала вдоль оси Z ловушки. Сходным образом, поле для второй ступени ускорения может быть создано не набором диафрагм 303, а трубкой, имеющей резистивное покрытие. Первое и второе поля ускорения могут быть неоднородны для того, чтобы фокусировать пучок в радиальном направлении. Это может быть достигнуто соответствующим выбором цепи резисторов в делителях 304 и 305 напряжения или соответствующей глубиной резистивного покрытия.

Вышеописанная секция описывает различные способы для выбрасывания ионов из источников ионной ловушки, поддерживая требуемый малый разброс энергий.

Различные способы могут быть использованы для ввода ионов в предлагаемую двумерную времяпролетную систему. В простейшем случае пучок ионов вводится прямо из источника (S) в систему под малым углом 9 по отношению к оси X (фиг. 11A). Внутри двумерной времяпролетной системы 401 пучок ионов подвергается многократным отражениям в направлении X и одному отражению в направлении Z и в конце концов появляется в датчике D. В данном способе энергия ввода в направлении пролета (направлении оси X) так же, как энергия ввода в направлении дрейфа (направлении оси Z), определяются углом впуска следующим образом: K _x =K ₀ cos ² (θ), K _z =K ₀ sin² (θ), где К ₀ - полная энергия пучка. После входа в систему ионный пучок подвергается однократному отражению в направлении дрейфа и четному количеству отражений в направлении X. Для того, чтобы представить себе такую траекторию, периоды отражений в направлениях X и Z будут удовлетворять условию: T _z (K _z )/T _x (K _x )=2n, n=1, 2, ..., которое всегда возможно достичь соответствующим выбором напряжений, прилагаемых к ионным зеркалам Z и X. Важно отметить, что относительный разброс энергии в каждом направлении X и Z является тем же, что и во вводимом пучке. Поэтому, если разброс энергии в направлении (X) полета равен 1%, он также будет равен 1% в направлении (Z) дрейфа, даже если энергия дрейфа намного меньше, чем энергия полета, скажем, 1эВ. Относительный разброс энергий, для которого ионные зеркала в направлении X и направлении Z должны предоставлять существенную фокусировку энергии, является таким же, в то время, как их абсолютные энергии различны. В зависимости от значения угла ввода энергии в направления X и Z могут отличаться на два порядка по абсолютному значению (например, с углом ввода tg(θ)=0,1). В современной времяпролетной масс-спектрометрии ионные зеркала оптимизированы для относительно высоких энергий полета в несколько кэВ и относительным разбросом энергий в несколько процентов. Вследствие свойств ионного движения в электростатическом поле, те же зеркала будут предоставлять энергетическую фокусировку того же порядка и с тем же относительным разбросом энергий при более низких энергиях полета, если все подаваемые напряжения будут пропорционально уменьшены. Это показывает, что ионное зеркало в направлении Z дрейфа может быть правильно сконструировано для пучка малой энергии.

Другой способ ввода в двумерную времяпролетную систему показан на фиг. 11B. В этом случае используются два дефлектора 402 и 403. Пучок ионов впускается из источника (S) и движется параллельно оси X с энергией полета K _x. После прохода через дефлектор 402 ионы приобретают дополнительную энергию K _z , в направлении Z и пучок отклоняется на малый угол: tg(θ)=√K _z /K _X . Количество энергии, полученной ионом в направлении Z, зависит от времени его пролета через дефлектор и поэтому от его энергии в направлении X. Если исходный пучок имеет малый разброс энергий в направлении X, то после прохода дефлектора пучок будет иметь подобный относительный разброс энергий в направлении Z дрейфа. Как и в предыдущем случае, относительные разбросы энергий в обоих направлениях одинаковы. Зеркала X и Z оптимизированы для фокусировки на энергиях K _x и K _z, соответственно в пределах сходного относительного разброса энергий. Способ ввода на фиг. 11B имеет преимущество в том, что угол θ ввода может изменяться электронным способом. Используя меньшие углы ввода, является возможным увеличить количество отражений, тем самым увеличивая время полета и разрешающую способность масс-анализа. Это свойство дает системе существенное преимущество в сравнении с предшествующим уровнем техники. В системе Веренчикова и явора (фиг.2) угол впуска зафиксирован, поскольку определен расположением линз. Он не может быть изменен. Единственным способом увеличения количества отражений является использование импульсного отклонения в линзах LD1 и LD2, что имеет результатом закольцовывание траектории иона и вызывает ограничения диапазонов массы. Система на фигуре 11B свободна от этого недостатка, хотя использование различных углов впуска требует соответствующей корректировки напряжений, прилагаемых к ионным зеркалам X и Z. Регулировка зеркал для другой энергии требует только пропорционального изменения подаваемых напряжений. Например, если энергия в направлении X увеличилась на 10%, а энергия в направлении Z уменьшилась на 50%, то все подаваемые напряжения Vx1, Vx2, ..., Vxn должны быть увеличены на 10%, а подаваемые напряжения Vz1, Vz2, ..., Vzk уменьшены на 50% и наложены на напряжения Vxn в каждой колонке.

Поэтому впуск под различными углами является возможным в предлагаемой двумерной времяпролетной системе.

Как показано на фигуре 11C, направление пучка на закольцованную траекторию также возможно с использованием дополнительного дефлектора 404, помещенного в свободную от поля область. Когда пучок впускается в систему, этот дефлектор выключается и не влияет на пучок. После первого отражения от зеркала Z пучок возвращается к выходу и проходит дефлектор 404 второй раз. В это время дефлектор включается и направляет пучок назад к зеркалу Z. В этом способе пучок будет отражаться между дефлектором 404 и зеркалом Z так долго, насколько долго будет включен дефлектор. После существенного количества отражений дефлектор выключается и пучок проходит до детектора D или в последующие ступени обработки. Сходный тип функционирования возможен в замкнутой двумерной времяпролетной системе 501, показанной на фиг. 12, имеющей два зеркала в направлении Z. В этом случае дополнительный дефлектор 504 помещен в свободную от поля область зеркал и может отражать пучок в обоих направлениях Y и Z одновременно. Пучок ионов направляется из источника S на путь пролета двумя дефлекторами 502 и 504. Сразу после ввода дефлектор 504 выключается и пучок отражается между зеркалами X и Z, подвергаясь значительному количеству отражений. В конце концов, дефлектор 504 включается и пучок направляется на детектор D через дефлектор 503.

В системе, предоставляющей несколько оборотов в закольцованной траектории, диапазон масс, который может быть введен за один раз, ограничен и уменьшается обратно пропорционально количеству оборотов в направлении Z. В предпочтительном варианте осуществления количество оборотов в направлении Z может быть сделано небольшим, поскольку даже единственное отражение в направлении Z предоставляет существенно более длинный путь полета. Если путь полета в один оборот не является существенным, замкнутая система с двумя Z зеркалами может быть использована для предоставления более длинного пути полета, как показано на фиг. 13. В этом случае, пучок ионов направляется в систему, использующую два дефлектора 502 и 504, которые оставлены во включенном состоянии. Дефлектор 504 является двухсторонним дефлектором, который выравнивает пучок в плоскости двумерного времяпролетного анализатора отклонением пучка в направлении Y и также обеспечивает скорость дрейфа отражением пучка в направлении Z. Траектория пучка внутри двумерной времяпролетной системы устроена таким способом, что после первого отражения в направлении Z пучок ионов направляется между дефлекторами 504 и 505 и подвергается другому отражению в направлении Z прежде, чем покинуть систему через пару дефлекторов 505 и 503. Количество отражений в направлении X может быть скорректировано соответствующим выбором угла впуска до тех пор, пока пучок не пересекается с дефлекторами 504 и 505. Количество отражений в направлении Z дрейфа может быть сделано большим, при условии, что дефлекторы по существу малы и траектория пучка не пересекается с дефлекторами.

Будет принято во внимание, что возможно использовать электростатические секторные поля для ввода ионов внутрь, или направления ионов из пути полета в двумерном времяпролетном анализаторе в качестве альтернативы использованию дефлекторов.

Вышеприведенные рассуждения показывают, что является возможным построить систему на практике, и описывают способы ее функционирования. Теперь будут приведены рассуждения о том, как система данного вида может быть использована для построения улучшенной времяпролетной системы или предоставить улучшенные эксплуатационные характеристики существующих времяпролетных систем.

Как описано на фиг. 11, 12 и 13, варианты осуществления двумерной времяпролетной системы согласно изобретению могут быть использованы в качестве автономного масс-спектрометра с высокой разрешающей способностью массы. Для того, чтобы достичь высокой разрешающей способности, пакеты ионов сходной массы должны сжиматься (энергетически фокусироваться) на поверхности детектора (D), то есть ионные пакеты должны быть сжаты в направлении, ортогональном поверхности детектора, направлении X полета. Это может быть осуществлено с использованием различных способов. Когда используется простой источник ионов, имеющий одну ступень ускорения (фиг. 8, 9), ионы, имеющие одинаковые отношения массы к заряду, но разброс энергий, будут фокусироваться в точке изохронности на расстоянии, которое отделено от источника ионов примерно на удвоенную длину ступени ускорения. Затем, после прохода через эту точку изохронности, ионы более высокой энергии будут уходить вперед от ионов с меньшей энергией. Типично, ступень ускорения является короткой (например, от 1 до 10 мм) и поэтому на практике точка изохронности может лежать вне, по ходу движения двумерной времяпролетной системы. В этом случае ионы будут подвергаться полету вне поля на существенное расстояние до входа в двумерную времяпролетную систему, заставляя ионы разделяться согласно их разной скорости. Это разделение имеет нелинейную зависимость от энергии ионов вследствие нелинейного отношения между энергией иона и скоростью иона.

Не зависимый от энергии период T(K), описанный со ссылкой на уравнение 4 и фигуру 7, основан на оптимизированной изохронной системе, которая, как описано ранее, будет поддерживать временную разность между ионами, имеющими одинаковые отношения массы к заряду, но разные энергии, которые входят в систему в разные моменты времени. Таким образом, оптимизированная изохронная система, описанная ранее, не может быть использована для того, чтобы делать поправку для вышеописанного разделения ионов вследствие их пролета вне поля вне двумерной времяпролетной системы, и таким образом не будет способна обеспечивать энергетическое фокусирование ионного пучка на детекторе D.

Проблема преодолевается в варианте осуществления двумерной времяпролетной системы согласно настоящему изобретению. В этом варианте осуществления двумерная времяпролетная система модифицирована таким способом, что различия в моментах времени между ионами согласно пролету вне поля вне системы корректируются внутри системы. Для того, чтобы сделать это, ионные зеркала направления пролета, оси X оптимизированы таким способом, что период T(K) одного отражения в направлении полета не является более не зависящим от энергии, как показано на фиг. 7, но имеет небольшую линейную (и более высокого порядка) аберрацию. Такие аберрации, при накоплении в течение нескольких отражений, могут быть упорядочены для компенсации разниц во времени между ионами, имеющими одинаковые отношения массы к заряду, но различные энергии, вызванные их разделением вследствие полета вне поля вне системы, и фокусировка более высокого порядка может быть достигнута на детекторе. В этом способе ионы более высоких энергий, которые входят в двумерную времяпролетную систему впереди ионов с более низкими энергиями, могут быть упорядочены так, чтобы покидать двумерную времяпролетную систему после ионов с более низкими энергиями, так что все ионы достигают детектора в одно время независимо от их энергий. Сходным образом, энергозависимый период отражения T(K) может использоваться для того, чтобы заставить ионы более высоких энергий, которые входят в двумерную времяпролетную систему в одно время с ионами с меньшими энергиями, выходить из двумерной времяпролетной системы позади ионов с меньшими энергиями, так что, снова, все ионы появляются на детекторе в одно время не зависимо от их энергий.

Второй способ достижения энергетической фокусировки на детекторе требует другой конструкции источника ионов. В этом случае вводится дополнительная ступень ускорения сразу после первой ступени ускорения и до первого фокуса. Подобная конструкция может быть использована с трехмерным источником ионной ловушки с фиг. 8 и с линейным источником ионной ловушки (LIT) с фиг. 9, но будет здесь описана в сочетании с аксиальным источником выброса с фиг. 10. Как было описано ранее, дополнительное ускорение является полезным для уменьшения относительного разброса энергий пучка. Дополнительное ускорение также изменяет положение первого фокуса. Когда прикладываются импульсы выпуска, ионы, которые расположены ближе к выходу из первой ступени ускорения, выбрасываются первыми и имеют меньшую энергию из-за более короткой дистанции ускорения. В двухступенчатом ускоряющем источнике ионы будут дополнительно ускоряться вторым полем ускорения. Вследствие этого, разделение вдоль пути полета между ионами более низкой и более высокой энергии увеличивается и таким образом для ионов с более высокой энергией более длительное время занимает приближение к ионам с более низкой энергией после того, как они покинули вторую ступень ускорения. Как результат, расположение первого фокуса дополнительно сдвигается. Фактическое расположение первого фокуса зависит от напряженности поля и длины каждой ступени и может быть оптимизировано для энергетической фокусировки на требуемом расстоянии. Моделирование показывает, что если первый и второй промежуток ускорения в 10 мм и 50 мм соответственно и напряженность поля в 96 В/мм и 130 В/мм соответственно, то первый фокус имеет место на расстоянии в 400 мм и может быть расположен для совмещения с детектором. Такое расстояние между источником и детектором является существенным для предоставления возможности отклонения пучка ионов в двумерную времяпролетную систему, как показано на фиг. 11B до того, как он достигнет детектора. В этом случае отклонение пучка в двумерную времяпролетную систему не должно изменять расположение фокуса и это требование удовлетворяется, если время полета в направлении X независимо от продольной энергии. Это имеет место потому, что, как описано ранее, в оптимизированной изохронной системе разницы во времени между ионами, имеющими одинаковые отношения массы к заряду, но разные энергии, будут оставаться не измененными системой; то есть разницы во времени будут точно такими же при покидании ионами системы, как когда они входили в систему, и будут по-прежнему фокусироваться на детекторе тем же способом, как если бы двумерной времяпролетной системы не было. Конечно, разделение ионов, имеющих различные отношения массы к заряду, будет увеличиваться из-за увеличенного пути пролета в системе, давая улучшенную разрешающую способность массы. Как описывалось ранее в отношении других вариантов осуществления изобретения, свойство изохронности в направлении полета может быть осуществлено множеством способов. Можно оптимизировать систему так, что время полета для одного отражения в направлении X будет независимо от энергии ионов. В этом случае система будет иметь такое количество точек изохронности, сколько отражений в направлении X, и пучок будет сжиматься в пространстве множество раз. Также является возможным оптимизировать ионные зеркала в направлении X таким способом, что точки изохронности будут иметь место после нескольких отражений или даже в конце полной траектории. Этот вид оптимизации является предпочтительным с точки зрения искажений пространственного заряда, поскольку в последнем случае пакеты ионов большую часть времени перемещаются в несжатом состоянии. В направлении дрейфа пучок Z должен быть перефокусирован из точки выхода из дефлектора 402 в точку входа в дефлектор 403. Времена пролета ионов в направлении дрейфа между этими двумя точками должны быть по существу независимы от энергии дрейфа. На практике, тем не менее, фокусировка высокого порядка в направлении дрейфа не требуется. Потеря передачи не возникает до тех пор, пока ионный пучок уже, чем ширина детектора D, и разрешающая способность масс-анализа не затрагивается шириной пучка.

Вследствие свойств изохронности двумерной времяпролетной системы она может быть использована в любой традиционной времяпролетной системе для того, чтобы улучшить разрешающую способность масс-анализа. Фиг. 14A показывает пример подобной системы. Традиционные времяпролетные системы включают в себя источник (S) и ионное зеркало 601, которые сконструированы и оптимизированы таким способом, что пакеты ионов одинаковой массы фокусируются (сжимаются в пространстве) сразу перед поверхностью детектора (D). Это происходит вследствие специфической корреляции между относительными положениями и энергиями ионов сходной массы в продольном направлении в любой заданный момент времени. Двумерная времяпролетная система согласно изобретению может быть оптимизирована таким способом, что время пролета в двух направлениях (X и Z) независимо от энергии ионов в некотором диапазоне. Вследствие этого свойства возможно поместить двумерную времяпролетную систему в любом месте в свободном от поля пути пролета пучка и использовать ее в качестве линии задержки для пакетов ионов. На фигуре 14A двумерная времяпролетная система 401 изобретения помещена на свободный от поля путь пролета пучка между источником ионов и ионным зеркалом 601. Дефлектор 402 направляет пучок ионов в двумерную времяпролетную систему, а дефлектор 403 используется для направления пучка обратно на путь пролета в сторону зеркала 601. Пространственное разделение ионов, имеющих одинаковое отношение массы к заряду, но разные энергии, является тем же, когда ионы покидают двумерную времяпролетную систему через дефлектор 403, как если бы двумерной времяпролетной системы не было совершенно, поскольку времена пролета ионов увеличиваются на одинаковую величину независимо от их энергий. Соответствующим образом, пакеты ионов будут фокусироваться оставшейся частью системы на поверхности детектора тем же самым способом, как бы это происходило без двумерной времяпролетной системы, но ионы, имеющие различные отношения массы к заряду, будут иметь улучшенное разделение во времени вследствие увеличенного времени пролета в двумерной времяпролетной системе, что имеет результатом существенное улучшение разрешающей способности массы.

Другое применение двумерной времяпролетной системы показано на фиг. 14B. В этом случае она используется в качестве разделительного устройства для выбора ионов. Вследствие существенной разницы времен пролета в двумерной времяпролетной системе, ионы разной массы разделяются в пространстве после выхода из двумерной времяпролетной системы. Дефлектор 403 приводится в действие в импульсном режиме, передавая ионы только в течение короткого времени. Посредством этих средств диапазон или поддиапазоны масс выбираются с высокой разрешающей способностью. Позади двумерной времяпролетной системы находится ячейка 603 для столкновений, для которой может быть использована камера с газом для столкновений. Являются предпочтительными газы с высокой молекулярной массой, такие как Аргон, Криптон или Ксенон. Выбранные ионы возбуждаются соударениями с молекулами буферного газа и фрагментируются. Фрагменты продолжают свой путь в направлении ионного зеркала 602 (в данном случае - рефлектрона) и фокусируются на детекторе, создавая спектр массы фрагментов для разновидностей ионов, отобранных в двумерной времяпролетной системе. Вследствие законов сохранения фрагменты имеют почти ту же скорость, что и исходные родительские ионы, а следовательно, имеют меньшую энергию. В данном случае зеркалу 602 будет требоваться быть способным к фокусированию ионов широкого разнообразия энергий, поэтому предпочтительными являются зеркала, имеющие почти параболическое распределение потенциала вдоль оси полета.

Описанные варианты осуществления представлены в качестве примера; специалисты в данной области техники примут во внимание, что различные изменения могут быть выполнены, оставаясь в рамках объема прилагаемой формулы изобретения.

Claims

1. Времяпролетный (TOF) масс-анализатор с многократными отражениями, содержащий средство создания электростатического поля, сконфигурированное для определения двух параллельных бессеточных ионных зеркал, каждое из которых имеет удлиненную структуру в направлении дрейфа, упомянутые ионные зеркала обеспечивают свернутый путь ионов, формируемый многократными отражениями ионов в направлении пролета, ортогональном направлению дрейфа, и смещение ионов в направлении дрейфа, и дополнительно сконфигурированное для определения дополнительного бессеточного ионного зеркала для отражения ионов в упомянутом направлении дрейфа, при этом при функционировании ионы пространственно разделяются согласно отношению массы к заряду вследствие их различных времен пролета вдоль свернутого пути ионов, и ионы, имеющие, по существу, одинаковое отношение массы к заряду подвергаются энергетическому фокусированию по отношению к упомянутому направлению пролета и упомянутому направлению дрейфа.

2. Времяпролетный масс-анализатор по п.1, в котором каждое из упомянутых двух параллельных бессеточных ионных зеркал содержит соответствующий набор электродов, продолжающихся параллельно упомянутому направлению дрейфа, и упомянутое дополнительное ионное зеркало содержит дополнительный набор электродов, продолжающихся ортогонально упомянутому направлению дрейфа, каждый упомянутый набор электродов является симметричным по отношению к плоскости упомянутого свернутого пути ионов.

3. Времяпролетный масс-анализатор по п.1, включающий в себя средство направления для направления ионов на упомянутый свернутый путь ионов.

4. Времяпролетный масс-анализатор по п.3, включающий в себя средство направления для направления ионов от упомянутого свернутого пути ионов.

5. Времяпролетный масс-анализатор по п.3, в котором упомянутое средство направления содержит средство дефлектора.

6. Времяпролетный масс-анализатор по п.5, в котором упомянутое средство дефлектора является электростатически управляемым для управления углом относительно упомянутого направления полета, под которым ионы направляются на свернутый путь ионов.

7. Времяпролетный масс-анализатор по п.3, в котором упомянутое средство направления содержит средство электростатического секторного поля.

8. Времяпролетный масс-анализатор по п.1, включающий в себя электростатически управляемое средство дефлектора, расположенное на упомянутом свернутом ионном пути для избирательного отражения ионов назад к упомянутому дополнительному ионному зеркалу, посредством чего упомянутый свернутый ионный путь имеет закольцованную конфигурацию.

9. Времяпролетный масс-анализатор по п.8, в котором упомянутое электростатически управляемое средство дефлектора, расположенное на упомянутом свернутом пути, выполнено избирательно для того, чтобы вызывать повторяющееся отражение ионов назад на упомянутое дополнительное ионное зеркало.

10. Времяпролетный масс-анализатор по п.1, включающий в себя упомянутое дополнительное ионное зеркало на каждом конце упомянутой удлиненной структуры.

11. Времяпролетный масс-анализатор по п.10, включающий в себя средство дефлектора, расположенное между упомянутыми дополнительными ионными зеркалами и выполненное избирательно для направления ионов на или направления ионов от упомянутого свернутого пути ионов.

12. Времяпролетный масс-анализатор по п.11, в котором упомянутое средство дефлектора, расположенное между упомянутыми дополнительными ионными зеркалами, включает в себя первый дефлектор для направления ионов на упомянутый свернутый путь ионов для отражения на упомянутом дополнительном ионном зеркале и второй дефлектор для направления ионов от упомянутого свернутого пути ионов после отражения на упомянутом дополнительном зеркале.

13. Времяпролетный масс-анализатор по любому из пп.1-12, в котором упомянутая энергетическая фокусировка является такой, что период каждого отражения в направлении полета является зависимым от энергии ионов.

14. Времяпролетный масс-спектрометр, содержащий источник ионов для подачи ионов, времяпролетный масс-анализатор по любому из пп.1-12 для анализа ионов, подаваемых источником ионов, и детектор для приема ионов, имеющих одинаковое отношение массы к заряду и различные энергии в по существу одно и то же время, после того, как они были разделены согласно отношению массы к заряду времяпролетным масс-анализатором.

15. Времяпролетный масс-спектрометр по п.14, в котором упомянутая энергетическая фокусировка в упомянутом времяпролетном масс-анализаторе является такой, что период каждого отражения в направлении полета является зависимым от энергии ионов и является действующим, по существу, для компенсации временных различий между ионами, имеющими одинаковое отношение массы к заряду и разные энергии вследствие их пролета вне поля вне времяпролетного масс-анализатора, для предоставления возможности поступления ионов в детектор в, по существу, одно и то же время.

16. Времяпролетный масс-спектрометр по п.15, в котором упомянутая компенсация является такой, что ионы, входящие во времяпролетный масс-анализатор с последовательно уменьшающимися энергиями, выходят из времяпролетного масс-анализатора с последовательно увеличивающимися энергиями.

17. Времяпролетный масс-спектрометр по п.14, в котором упомянутая энергетическая фокусировка в упомянутом времяпролетном масс-анализаторе является такой, что период каждого отражения в направлении полета является независимым от энергии ионов, и упомянутый источник ионов выполнен так, чтобы создавать точку изохронности на детекторе для ионов, подаваемых источником ионов, имеющих одинаковое отношение массы к заряду и разные энергии.

18. Времяпролетный масс-спектрометр по п.17, в котором упомянутый источник ионов содержит устройство хранения ионов, средство эжекции ионов из устройства хранения ионов и средство ускорения эжектированных ионов, чтобы увеличить их энергию, посредством чего уменьшить относительный разброс энергии эжектированных ионов и создать упомянутую точку изохронности на детекторе.

19. Времяпролетный масс-спектрометр по п.14, включающий в себя дополнительный масс-анализатор, расположенный на пути пролета между упомянутым времяпролетным масс-анализатором и упомянутым детектором, и в котором упомянутая энергетическая фокусировка в упомянутом времяпролетном масс-анализаторе является такой, что период каждого отражения в направлении полета является независимым от энергии ионов, и упомянутый времяпролетный масс-анализатор является действующим для задержки ионов, имеющих одинаковое отношение массы к заряду и различные энергии, на одну и ту же величину.

20. Времяпролетный масс-спектрометр по п.19, включающий в себя средство фрагментирования для фрагментирования ионов после того, как они были задержаны упомянутым времяпролетным масс-анализатором, и в котором времяпролетный масс-анализатор включает в себя средство дефлектора, выполненное для направления ионов, имеющих выбранный диапазон отношения массы к заряду, от упомянутого свернутого пути ионов к средству фрагментирования.

21. Времяпролетный масс-спектрометр по п.20, в котором средство фрагментирования является ячейкой столкновений.

22. Времяпролетный масс-спектрометр по п.19, в котором упомянутый дополнительный масс-анализатор содержит рефлектрон.