RU2458428C2 - Analyser for flight-type quadrupole mass-spectrometer with three-dimensional focusing - Google Patents
Analyser for flight-type quadrupole mass-spectrometer with three-dimensional focusing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2458428C2 RU2458428C2 RU2009143716/07A RU2009143716A RU2458428C2 RU 2458428 C2 RU2458428 C2 RU 2458428C2 RU 2009143716/07 A RU2009143716/07 A RU 2009143716/07A RU 2009143716 A RU2009143716 A RU 2009143716A RU 2458428 C2 RU2458428 C2 RU 2458428C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- analyzer
- electrodes
- ions
- electrode system
- along
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано при создании квадрупольных масс-спектрометров пролетного типа с высокой разрешающей способностью и чувствительностью.The invention relates to the field of mass spectrometry and can be used to create quadrupole mass spectrometers of the span type with high resolution and sensitivity.
Известно устройство анализатора квадрупольного масс-спектрометра (фильтра масс) [1], которое состоит из четырех стержневых электродов (круглого либо гиперболического сечения), расположенных вдоль оси z параллельно друг другу так, что система имеет две перпендикулярные плоскости симметрии (плоскость x-z и плоскость y-z). Справа и слева от электродной системы вдоль оси z расположены две (входная и выходная) диафрагмы, имеющие отверстия по оси z для ввода и вывода анализируемых ионов.A device for analyzing a quadrupole mass spectrometer (mass filter) [1] is known, which consists of four rod electrodes (circular or hyperbolic section) located along the z axis parallel to each other so that the system has two perpendicular planes of symmetry (xz plane and yz plane ) To the right and to the left of the electrode system along the z axis there are two (input and output) diaphragms having holes along the z axis for input and output of the analyzed ions.
Недостатками известного устройства при использовании в режиме трехмерной фокусировки являются высокие требования, предъявляемые к разбросу вводимого в анализатор ионного потока по продольным скоростям; трудности реализации традиционного для квадрупольных масс-спектрометров амплитудного режима развертки спектра масс при трехмерной фокусировке; высокий уровень паразитного сигнала, обусловленный соосностью входного и выходного отверстий для ввода и вывода анализируемых частиц.The disadvantages of the known device when used in the three-dimensional focusing mode are the high requirements for the variation of the ion flux introduced into the analyzer at longitudinal speeds; difficulties in realizing the amplitude mode of scanning the mass spectrum during three-dimensional focusing, which is traditional for quadrupole mass spectrometers; a high level of spurious signal due to the alignment of the inlet and outlet for the input and output of the analyzed particles.
Известно устройство анализатора квадрупольного масс-спектрометра, которое содержит электродную систему, рабочие поверхности которой описываются соотношениями:A device for the analyzer of a quadrupole mass spectrometer is known, which contains an electrode system, the working surfaces of which are described by the relations:
, ,
где , и - отнесенные к xa соответствующие координаты декартовой системы и xa - наименьшее расстояние от точки x=y=z=0 до электродов анализатора в плоскости z=0, Р0 - безразмерный параметр. Входная диаграмма, расположенная в плоскости z=0, имеет два отверстия для ввода и вывода анализируемых ионов. В известном устройстве практически полностью снимаются требования к разбросу вводимого в анализатор ионного потока по продольным скоростям [2]. В анализаторе известного устройства введенные в анализатор ионы совершают вдоль оси z возвратное движение, а поскольку вдоль оси z реализовано квадратичное распределение потенциала, то время пролета ионов через анализатор, выраженное в периодах высокочастотного поля, оказывается независимым от их начальной скорости по этой оси. К тому же реализация амплитудного метода развертки спектра масс в масс-спектрометре с известным устройством не вызывает затруднений.Where , and are the corresponding coordinates of the Cartesian system referred to x a and x a is the smallest distance from the point x = y = z = 0 to the analyzer electrodes in the plane z = 0, P 0 is a dimensionless parameter. The input diagram, located in the z = 0 plane, has two holes for input and output of the analyzed ions. The known device almost completely removes the requirements for the spread of the ion flux introduced into the analyzer along longitudinal velocities [2]. In the analyzer of the known device, the ions introduced into the analyzer return motion along the z axis, and since a quadratic potential distribution is realized along the z axis, the time of flight of ions through the analyzer, expressed in periods of a high-frequency field, turns out to be independent of their initial velocity along this axis. In addition, the implementation of the amplitude method of scanning the mass spectrum in a mass spectrometer with a known device is not difficult.
Недостатком известного устройства является трудность разделения входного и выходного ионных потоков в пространстве и неопределенность значений геометрических параметров, определяющих геометрию рабочих поверхностей электродов анализатора, в котором возможно реализовать режим трехмерной фокусировки.A disadvantage of the known device is the difficulty of separating the input and output ion streams in space and the uncertainty of the values of the geometric parameters that determine the geometry of the working surfaces of the analyzer electrodes, in which it is possible to implement a three-dimensional focusing mode.
Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков прототипа.The aim of the invention is to remedy these disadvantages of the prototype.
Указанная цель достигается тем, что анализатор квадрупольного масс-спектрометра пролетного типа с трехмерной фокусировкой содержит электродную систему, включающую четыре электрода, рабочие поверхности которых описываются соотношениями:This goal is achieved by the fact that the analyzer quadrupole mass spectrometer span type with three-dimensional focusing contains an electrode system that includes four electrodes, the working surfaces of which are described by the relations:
где и xa - наименьшее расстояние от точки x=0, y=0, z=0 до электродов анализатора в плоскости z=0; x, y и z - координаты декартовой системы; P0 - безразмерный параметр, который может принимать значения от 0 до 1, также анализатор содержит два электрода, ограничивающие электродную систему по оси z, один из которых расположен справа, а другой - слева от электродной системы. В одном из них выполнены два отверстия: одно для ввода анализируемых ионов в рабочий объем анализатора, а другое для вывода отсортированных ионов. Отличается анализатор тем, что значения координат центров отверстий для ввода и вывода ионов по одноименным координатным осям равны по модулю, но хотя бы одна пара соответствующих значений координат имеет разные знаки. При этом значение P0 выбрано так, чтобы значение параметра было кратно значениям параметров Sx и Sy, где Sx, Sy и Sz - целые числа, βz - параметр стабильности движения анализируемого иона по оси z.Where and x a is the smallest distance from the point x = 0, y = 0, z = 0 to the analyzer electrodes in the plane z = 0; x, y and z are the coordinates of the Cartesian system; P 0 is a dimensionless parameter that can take values from 0 to 1; the analyzer also contains two electrodes that limit the electrode system along the z axis, one of which is located to the right and the other to the left of the electrode system. Two holes are made in one of them: one for entering the analyzed ions into the working volume of the analyzer, and the other for outputting sorted ions. The analyzer differs in that the coordinates of the centers of the holes for input and output of ions along the coordinate axes of the same name are equal in absolute value, but at least one pair of corresponding coordinate values has different signs. In this case, the value of P 0 is chosen so that the value of the parameter was a multiple of the values of the parameters S x and S y , where S x , S y and S z are integers, β z is the stability parameter of the motion of the analyzed ion along the z axis.
Предлагаемое устройство позволяет значительно улучшить электрические и механические параметры квадрупольного пролетного масс-спектрометра с тройной фокусировкой:The proposed device can significantly improve the electrical and mechanical parameters of a quadrupole span mass spectrometer with triple focusing:
- существенно (почти в три раза) уменьшить длину анализатора;- significantly (almost three times) reduce the length of the analyzer;
- практически полностью снять ограничения по допустимому разбросу вводимого ионного потока по продольным скоростям, что позволит в разы увеличить вводимый ионный поток и, соответственно, чувствительность масс-спектрометра;- almost completely remove the restrictions on the permissible spread of the introduced ion flux along the longitudinal velocities, which will significantly increase the introduced ion flux and, accordingly, the sensitivity of the mass spectrometer;
- значительно уменьшить влияние переходной области анализатора на параметры вводимого ионного потока, что приведет к увеличению разрешающей способности масс-спектрометра:- significantly reduce the influence of the transition region of the analyzer on the parameters of the input ion flux, which will lead to an increase in the resolution of the mass spectrometer:
- даже при уменьшении длины анализатора увеличить скорость вводимых в анализатор ионов, что позволит поднять чувствительность прибора и, главное, многократно повысить устойчивость работы ионного источника на сроке службы (и повысить срок службы всего прибора);- even with a decrease in the length of the analyzer, increase the speed of the ions introduced into the analyzer, which will increase the sensitivity of the device and, most importantly, significantly increase the stability of the ion source over its service life (and increase the life of the entire device);
- использовать амплитудный режим развертки спектра масс;- use the amplitude scan mode of the mass spectrum;
- уменьшить амплитуду подаваемого на электроды анализатора ВЧ-напряжения, т.е. мощность питающих анализатор ВЧ-генераторов.- reduce the amplitude of the RF voltage applied to the electrodes of the analyzer, i.e. power supply to the analyzer of RF generators.
На фиг.1 приведены сечения электродов предлагаемого устройства анализатора в плоскостях x-z и y-z и совмещенные с ними соответствующие проекции траектории анализируемого иона, вводимого и выводимого в плоскости входной диафрагмы через отверстия ввода и вывода, координаты центров которых по одноименным координатным осям совпадают по модулю, но противоположны по знаку. Траектории ионов рассчитывались при подаче на электроды анализатора импульсного противофазного напряжения (меандр) размахом 200 В; xa=6 мм; длина электродной системы 78,3 мм; P0=0,00195. Координата центра входного отверстия по оси x+4 мм, а выходного -4 мм. Соответственно, по оси y +0,7 мм и -0,7 мм. Через входное отверстие ионы вводились параллельно оси z с продольной скоростью, соответствующей энергии 4,62 эВ. Фиг.1 показывает, что при использовании предлагаемого устройства в режиме трехмерной фокусировки удается разделить входной и выходной потоки ионов в плоскости входной диафрагмы более чем на 8 мм, что вполне достаточно для практической реализации изобретения.Figure 1 shows the cross sections of the electrodes of the proposed analyzer device in the xz and yz planes and the corresponding projection of the trajectory of the analyzed ion introduced and displayed in the plane of the input diaphragm through the input and output holes, the coordinates of the centers of which along the coordinate axes of the same name coincide modulo, but opposite in sign. The ion trajectories were calculated when a pulse antiphase voltage (meander) was applied to the analyzer electrodes with a range of 200 V; x a = 6 mm; the length of the electrode system 78.3 mm; P 0 = 0.00195. The coordinate of the center of the inlet along the x axis is + 4 mm, and the outlet is 4 mm. Accordingly, the y axis is +0.7 mm and -0.7 mm. Through the inlet, ions were introduced parallel to the z axis with a longitudinal velocity corresponding to an energy of 4.62 eV. Figure 1 shows that when using the proposed device in the three-dimensional focusing mode, it is possible to separate the input and output ion flows in the plane of the input diaphragm by more than 8 mm, which is quite enough for the practical implementation of the invention.
На фиг.2 иллюстрируется форма массового пика, полученная численным моделированием для квадрупольного пролетного масс-спектрометра с трехмерной фокусировкой при использовании предлагаемого устройства анализатора. На фиг.2А пик представлен в линейном масштабе как зависимость коэффициента прохождения ионного потока (из входного в выходное отверстие) в % от значения коэффициента а 2, а на фиг.2Б - тот же пик представлен в логарифмическом масштабе и в относительных единицах.Figure 2 illustrates the shape of the mass peak obtained by numerical simulation for a quadrupole span mass spectrometer with three-dimensional focusing using the proposed analyzer device. On figa peak is presented on a linear scale as the dependence of the coefficient of transmission of the ion flux (from the inlet to the outlet) in% of the value of coefficient a 2 , and on figb - the same peak is presented on a logarithmic scale and in relative units.
где U - размах импульсного напряжения в Вольтах, T0 - период ВЧ-напряжения в секундах, e=заряд в Кулонах и m - масса иона в кг. При расчетах ионный поток вводился в анализатор под углом 10,6 градусов к оси z в плоскости y-z через отверстие диаметром 0,3 мм и выводился через отверстие диаметром 0,3 мм. При этом время пролета ионов через анализатор 70 периодов ВЧ-поля. На фиг.2А приведена таблица, иллюстрирующая зависимость разрешающей способности от значения уровня, на котором определено разрешение. Видно, что практически ниже уровня 0,01 вплоть до уровня 0,00001 разрешение остается практически постоянным, что является несомненным преимуществом предлагаемого устройства. На фиг.3 приведены массовые пики, рассчитанные при вводе в анализатор ионных потоков, имеющих энергию 1-5,55 ЭВ, 2-2,57 ЭВ, различия по продольным энергиям, достигающие 70% от значения средней энергии ионов. Видно, что при таком существенном различии по продольным энергиям форма массового пика не претерпевает существенных изменений.where U is the amplitude of the pulse voltage in Volts, T 0 is the period of the RF voltage in seconds, e = charge in Coulomb and m is the ion mass in kg. In the calculations, the ion flux was introduced into the analyzer at an angle of 10.6 degrees to the z axis in the yz plane through an opening with a diameter of 0.3 mm and was discharged through an opening with a diameter of 0.3 mm. In this case, the ion flight time through the analyzer is 70 periods of the RF field. 2A is a table illustrating the dependence of resolution on the level at which resolution is determined. It can be seen that almost below the level of 0.01 up to the level of 0.00001, the resolution remains almost constant, which is an undoubted advantage of the proposed device. Figure 3 shows the mass peaks calculated when ion streams having an energy of 1-5.55 EV, 2-2.57 EV are introduced into the analyzer, differences in longitudinal energies reaching 70% of the average ion energy. It is seen that with such a significant difference in longitudinal energies, the shape of the mass peak does not undergo significant changes.
Таким образом, численное моделирование показало, что использование предлагаемого устройства анализатора в квадрупольном пролетном масс-спектрометре с тройной фокусировкой позволяет:Thus, numerical simulation showed that the use of the proposed analyzer device in a quadrupole span mass spectrometer with triple focusing allows you to:
- снять ограничения по допустимому разбросу вводимого в анализатор ионного потока по продольным скоростям и, благодаря этому, повысить разрешающую способность и чувствительность масс-спектрометра;- remove restrictions on the allowable spread of the ion flux introduced into the analyzer along longitudinal velocities and, due to this, increase the resolution and sensitivity of the mass spectrometer;
- в несколько раз уменьшить длину анализатора;- reduce the length of the analyzer several times;
- даже при уменьшении длины анализатора увеличить продольную скорость вводимых ионов, что позволяет повысить стабильность работы ионного источника и увеличить срок службы всего прибора.- even with a decrease in the length of the analyzer, increase the longitudinal velocity of the introduced ions, which improves the stability of the ion source and increases the life of the entire device.
Библиографические данныеBibliographic data
1. Paul W., Reinchard H.P., von Zahn U. Das elektrische Massenfilter als Massenspectrometer und Isotopentrener // Z. fur Physik. 1958. №152. S.143-182.1. Paul W., Reinchard H.P., von Zahn U. Das elektrische Massenfilter als Massenspectrometer und Isotopentrener // Z. fur Physik. 1958. No. 152. S.143-182.
2. AC СССР №589573, опубл. 25.01.78. Бюл. №3.2. AC USSR No. 589573, publ. 01/25/78. Bull. Number 3.
Claims (1)
где
ха - наименьшее расстояние от точки х=0, y=0 и z=0 до электродов анализатора в плоскости z=0;
х, y и z - координаты Декартовой системы,
Р0 - безразмерный параметр, который может принимать значения от 0 до 1;
и два электрода, ограничивающие по оси z электродную систему, один из которых расположен справа, а другой - слева от электродной системы, в одном из них выполнены два отверстия: одно для ввода ионов в рабочий объем анализатора, а другое для вывода отсортированных ионов, отличающийся тем, что значения координат центров отверстий для ввода и для вывода ионов по одноименным координатным осям равны по модулю, но хотя бы одна пара соответствующих значений координат имеет разные знаки, при этом значение Р0 выбрано так, что параметр кратен параметрам Sx и Sy, где Sx, Sy и Sz - целые числа, β - параметр стабильности движения анализируемого иона по оси z. An analyzer of a quadrupole mass spectrometer of a span type with three-dimensional focusing, containing an electrode system including four electrodes, the working surfaces of which are described by the relations
Where
x a is the smallest distance from the point x = 0, y = 0 and z = 0 to the analyzer electrodes in the plane z = 0;
x, y and z are the coordinates of the Cartesian system,
P 0 is a dimensionless parameter that can take values from 0 to 1;
and two electrodes bounding the electrode system along the z axis, one of which is located to the right and the other to the left of the electrode system, two holes are made in one of them: one for introducing ions into the working volume of the analyzer, and the other for outputting sorted ions, different the fact that the coordinates of the centers of the holes for input and for output of ions along the coordinate axes of the same name are equal in absolute value, but at least one pair of corresponding coordinate values has different signs, and the value of P 0 is chosen so that the parameter is a multiple of the parameters S x and S y , where S x , S y and S z are integers, β is the stability parameter of the motion of the analyzed ion along the z axis.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009143716/07A RU2458428C2 (en) | 2009-11-25 | 2009-11-25 | Analyser for flight-type quadrupole mass-spectrometer with three-dimensional focusing |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009143716/07A RU2458428C2 (en) | 2009-11-25 | 2009-11-25 | Analyser for flight-type quadrupole mass-spectrometer with three-dimensional focusing |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2009143716A RU2009143716A (en) | 2011-05-27 |
RU2458428C2 true RU2458428C2 (en) | 2012-08-10 |
Family
ID=44734668
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009143716/07A RU2458428C2 (en) | 2009-11-25 | 2009-11-25 | Analyser for flight-type quadrupole mass-spectrometer with three-dimensional focusing |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2458428C2 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU589573A1 (en) * | 1976-06-04 | 1978-01-25 | Рязанский Радиотехнический Институт | Sensor for three-dimensional quadrupole mass-spectrometer |
SU1103301A1 (en) * | 1980-12-04 | 1984-07-15 | Рязанский Радиотехнический Институт | Three-dimensional trap-type hyperboloidal mass spectrometer |
EP0180328A1 (en) * | 1984-10-22 | 1986-05-07 | Finnigan Corporation | Method of mass analyzing a sample over a wide mass range by use of a quadrupole ion trap |
US5864136A (en) * | 1991-02-28 | 1999-01-26 | Teledyne Electronic Technologies | Mass spectrometry method with two applied trapping fields having the same spatial form |
RU2199793C2 (en) * | 1998-10-23 | 2003-02-27 | Шеретов Эрнст Пантелеймонович | Technique for analysis of charged particles in hyperboloid mass spectrometer |
-
2009
- 2009-11-25 RU RU2009143716/07A patent/RU2458428C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU589573A1 (en) * | 1976-06-04 | 1978-01-25 | Рязанский Радиотехнический Институт | Sensor for three-dimensional quadrupole mass-spectrometer |
SU1103301A1 (en) * | 1980-12-04 | 1984-07-15 | Рязанский Радиотехнический Институт | Three-dimensional trap-type hyperboloidal mass spectrometer |
EP0180328A1 (en) * | 1984-10-22 | 1986-05-07 | Finnigan Corporation | Method of mass analyzing a sample over a wide mass range by use of a quadrupole ion trap |
US5864136A (en) * | 1991-02-28 | 1999-01-26 | Teledyne Electronic Technologies | Mass spectrometry method with two applied trapping fields having the same spatial form |
RU2199793C2 (en) * | 1998-10-23 | 2003-02-27 | Шеретов Эрнст Пантелеймонович | Technique for analysis of charged particles in hyperboloid mass spectrometer |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2009143716A (en) | 2011-05-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN1910727A (en) | Confining positve and negative ions with fast oscillating electric potentials | |
US11276544B2 (en) | Dynamic electron impact ion source | |
US10607825B2 (en) | Mass spectrometer | |
CN1816383A (en) | Mass spectrometer and related ionizer and methods | |
RU2458428C2 (en) | Analyser for flight-type quadrupole mass-spectrometer with three-dimensional focusing | |
Blaum et al. | Peak shape for a quadrupole mass spectrometer: comparison of computer simulation and experiment | |
RU2327245C2 (en) | Mass selective device and analysis method for drift time of ions | |
JP2016507127A (en) | Dual rotating electric field mass spectrometer | |
US20190035618A1 (en) | Quadrupole mass filter and quadrupole type mass spectrometry device | |
JP2942815B2 (en) | Particle selection method and time-of-flight type selection type particle analyzer | |
Berdnikov et al. | Static mass spectrometers of new type, using Euler’s homogeneous electric and magnetic fields. I. General principle and single-stage systems | |
WO2013097659A1 (en) | Mass analyzer with coil-shaped electric field | |
RU2398308C1 (en) | Method for mass-separation of ions based on time of flight and device for realising said method | |
RU2293396C1 (en) | Method and device for separating charged particles by their specific charge | |
RU2399985C1 (en) | Method of analysing ions from specific charge in quadrupole time-of-flight mass spectormetres (monopole, tripole and mass filter) | |
CN110310881A (en) | For the collision induced dissociation pond of ion cascade mass spectrometry and its application method | |
Janulyte et al. | Performance assessment of a portable mass spectrometer using a linear ion trap operated in non‐scanning mode | |
RU2276426C1 (en) | Method and device for sorting out charged particles by specific charge | |
RU2199793C2 (en) | Technique for analysis of charged particles in hyperboloid mass spectrometer | |
RU2670268C1 (en) | Quadrupole mass spectrometer | |
KR101470521B1 (en) | Cyclotron apparatus | |
RU2159481C1 (en) | Method and device for sorting out ions according to their specific charge | |
RU2010119323A (en) | METHOD FOR TIME-SPAN DEPARTMENT OF IONS BY MASSES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION | |
Batey et al. | Mass spectrometers | |
Zabielski et al. | Theoretical analysis of a cylindrical time-of-flight mass spectrometer with radial ion paths |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151126 |