SU1101076A1

SU1101076A1 - Prism mass spectrometer

Info

Publication number: SU1101076A1
Application number: SU833533668A
Authority: SU
Inventors: А.А. Зернов; В.М. Кельман; А.Г. Мить; Л.М. Назаренко; Е.М. Якушев
Original assignee: Институт Ядерной Физики Ан Казсср
Priority date: 1983-01-06
Filing date: 1983-01-06
Publication date: 1985-06-15

Abstract

ПРИЗМЕННЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР , содержащий ионный источник, за которым установлены коллиматорна линза с телескопической системой. ССШШт ДЦ П - - 1«1 Тг-..ч,н.Л.| .Sr: магнитна призма и фокусирующа линза с телескопической систеной,ионные зеркала и приемник ионов, отличающийс тем, что, с целью увеличени разрешающей способности и светосилы прибора, в него дополнительно введены электростатические системы, состо щие из симметрично расположенных цилиндрических динз и цилиндрических зеркал, а магнитна призма выполнена в виде правильного многоугольника с четным числом боковых граней, вокруг которого установлены упом нутые электростатические . системы, при Э.ТОМ оси симметрии элект-; ростатических систем вл ютс бис- сектрисами соответствукщих углов (Л ., магнитной призмы, .A PRISM MASS SPECTROMETER containing an ion source, followed by a telescopic collimator lens. SSSShsht DC P - - 1 "1 Tg - .. h, N. L. | .Sr: magnetic prism and focusing lens with a telescopic system, ionic mirrors and an ion receiver, characterized in that, in order to increase the resolution and luminosity of the device, electrostatic systems are additionally introduced, consisting of symmetrically arranged cylindrical dines and cylindrical mirrors, and the magnetic prism is made in the form of a regular polygon with an even number of side faces, around which the mentioned electrostatic ones are mounted. systems, with E. TH. axis of symmetry electric; The rostatic systems are bisectrays of corresponding angles (L., magnetic prism,.

Description

чh

ОдOd

Изобретение относитс к областиг аналитического приборостроени , а. более конкретно к устройству массспектрометров с большой разрешающей способностью и светосилой и может быть использовано во всех област х науки и техники, где требуетс точное измерение масс атомов и молекул. Известны призменные масс-спектрометры , предназначенные дл точного измерени масс атомов и молекул, состо щие из источника и приемника ионов, магнитной призмы с двумерным полем, двух ахроматизирующих электростатических телескопических систем, коллиматорной и фокусирующей электростатических линз Л .The invention relates to the field of analytical instrumentation, as. more specifically, to the device of mass spectrometers with high resolution and luminosity and can be used in all areas of science and technology, where accurate measurement of the masses of atoms and molecules is required. Prism mass spectrometers are known, designed to accurately measure the masses of atoms and molecules, consisting of an ion source and receiver, a two-dimensional magnetic prism, two achromatizing electrostatic telescopic systems, a collimator and focusing electrostatic lenses L.

Недостатком устройства вл етс невысока разрешающа способность и светосила,The disadvantage of the device is the low resolution and luminosity,

Известен также призменный массспектрометр , содержащий ионный источник , коллиматорную и фокусиру1ощую линзы, магнитную призму и электростатические зеркала, отражающие ионный пучок, вследствие чего последний два раза проходит магнитную призму с двумерным магнитным полем, что приводит к двукратному повышению дисперсии прибора 2 Also known is a prism mass spectrometer containing an ion source, a collimator and focus lens, a magnetic prism and electrostatic mirrors reflecting an ion beam, as a result of which the latter passes a magnetic prism with a two-dimensional magnetic field twice, which leads to a twofold increase in the dispersion of the device 2

Недостатком этого масс-спектрометра вл етс невозможность дальнейшег повышени кратности прохождени ионным пучком магнитной призмы, так как система из двух ионных зеркал расположена с другой стороны магнитной призмы по отношению к коллиматорной и фокусирующей линзам, и отраженный зеркалами пучок возвращаетс в межполюсной зазор через ту же сторону, через которую вышел, проход магнитное поле только дважды. Вследствие этого невозможно дальнейшее повьш1ение дисперсии масс-спектрометра без значительного увеличени длины его коллиматорной и фокусирующей частей, привод щего к снижению светосилы.The disadvantage of this mass spectrometer is the impossibility of further increasing the multiplicity of passage of the magnetic prism by the ion beam, since the system of two ion mirrors is located on the other side of the magnetic prism with respect to the collimator and focusing lenses, and the beam reflected by the mirrors returns to the interpolar gap through the same side through which went, pass the magnetic field only twice. As a result, it is impossible to further increase the dispersion of the mass spectrometer without significantly increasing the length of its collimator and focusing parts, leading to a decrease in luminosity.

Целью изобретени вл етс повышение разрешакицей способности и светосилы прибора без увеличени его габаритов путем осуществлени многократного прохождени ионного пучка через магнитную призму.The aim of the invention is to increase the resolution of the ability and luminosity of the device without increasing its dimensions by carrying out an ion beam multiple passes through a magnetic prism.

Эта цель достигаетс тем, что в известном призменном масс-спектрометре , содержащем ионный источник} за которым установлена коллиматорна линза с телескопической системой, манитную призму, фокусиругацую линзу с телескопической системой, ноннЫе зеркала и приемник ионов, введены электростатические системы, состо щи из симметрично расположенных цилиндрических линз и цилиндрических зерк а магнитна призма выполнена в виде правильного многоугольника с четным числом боковых граней, вокруг которого установлены упом нутые электростатические системы, при этом оси симметрии электростатических систем вл ютс биссектрисами соответствую щих углов магнитной призмл.This goal is achieved by introducing electrostatic systems consisting of symmetrically located telescopic lenses with a telescopic lens, a telescopic lens, a focusing lens, a telescopic lens, a mirrored telescopic lens, and an ion receiver in a well-known prism mass spectrometer. cylindrical lenses and cylindrical mirrors a magnetic prism is made in the form of a regular polygon with an even number of side faces around which the mentioned electrostatic Kie system, wherein the axis of symmetry of electrostatic systems are bisectors of the angles of the corresponding magnetic prizml.

Так как при этом противоположные стороны многоугольника пар.аллельны между собой, то параллельный лучок, вход щий в межполюсной зазор через одну сторону и выход щий через противоположную , остаетс параллельным, т,е, магнит с такими полюсами вл етс многогранной магнитной призмойSince the opposite sides of the polygon are parallel to each other, the parallel beam entering the interpolar gap through one side and exiting through the opposite one remains parallel, i.e., the magnet with such poles is a multifaceted magnetic prism

Многократное прохождение ионного пучка через такую призму происходит потому, что в.округ нее, расположенные против углов многоугольника электростатические системы, возвращают ионный пучок, вышедший из межполюсного зазора через какую-либо сторону многоугольника,, обратно в межполюсной зазор через другую его сторону. Указанна конструкци магнитной призмы позвол ет разместить вокруг нее значительное количество Электростатических систем и тем самым обеспечить многократное прохождение ионнрго пучка через межполюсной зазор,, практически не увеличива размеров полюсных наконечниковMultiple passage of an ion beam through such a prism occurs because the electrostatic systems located opposite to the corners of the polygon return the ion beam that emerged from the interpolar gap through either side of the polygon back to the interpolar gap through its other side. The design of the magnetic prism allows to place around it a significant number of Electrostatic systems and thus ensure the multiple passage of the ion beam through the interpolar gap, practically without increasing the size of the pole pieces.

На чертеже изображена ионно-оптическа схема предложенного массспектрометра с восьмиугольной призмой и осева траектори пучка в .The drawing shows the ion-optical scheme of the proposed mass spectrometer with an octagonal prism and an axial beam path in.

средней плоскости масс-спектрометра Imid-plane mass spectrometer I

Масс-спектрометр состоит из ионного источника 1 и приеьшика 2 ионов коллиматорной и фокусирующей трансаксиальных ли э, образс анных злектродами 3,. 4 и 5, телескопических систем с электродами 5, 6 и 7, вось миугольаой магнитной призмы 8, вокруг которой расположены семь электростатических систем. Кажда электростатическа система состоит из электродов 9, 10 и 11, Электроды 9 и 10 образуют две симметрично расположенные цилиндрические линзы,электроды 10 и 11 - два также симметрично расположенные ионных зеркала. Линии ОН;, , ОНз и т.д. вл ютс ос ми симметрии дл электростатических сие- тем и-одновременно биссектрисами уг .лов полюсных наконечников магнитной призмы. Каждый электрод состоит из двух идентичных параллельных пластин , симметрично расположенных относительно средней плоскости прибора. В телескопических системах, ионных зеркалах и цилиндрических линзах зазоры между соседними электродами имеют форму пр мых щелей -В трансакси альных линзах щели между электродами 3 и 4, и также 4 и 5 изогнуты по дугам окружностей. Обращенные друг к другу поверхности магнитных полюсов имеют форму правильных восьмиугольников , расположенных симметрично относительно средней плоскости. Электроды 7 и 9 одновременно вл ютс маг нитными Экранами. Устройство работает следующим образом . Выход щий из рели источника ионов 1 расход щийс ионный пучок преобра .зуетс коллиматорной линзой (элект роды 4 и 5), фокус которой совпадает со щелью источника, в параллельный и затем, отклонившись в телескопической системе (электроды 5, 6 и 7), попадает в анализирующее магнитное , поле. После прохождени магнитного пол пучок, остава сь параллельным, отклон етс цилиндрической линзой электроды 9 и 10) первой электростатической системы и, отразившись от зеркала (электроды 10 и 11), пере секает ось 01Ц в перпендикул рном к ней направлении. В телескопической системе и в цилиндрической линзе лучок отклон етс в направлении, проти воположном направлению отклонени в магнитной призме. Углы падени и преломлени и потенциалы на электродах электростатической системы подобраны так, что в окрестности точек пересечени пучка с осью OHj компенсируетс угловой разброс траекторий в пучке J вызываемый энергетиче скнм разбросом ионов, т.е. осуществл етс фокусировка noi энергии. На следующем участке пути ионов до их пересечени с осью ОН пучок последовательно претерпевает отклоне ние во втором зеркале и цилиндрической линзе первой электростатической системы и, второй раз, пройд магнит нее поле, преломл етс в первой цилиндрической линзе второй электростатической системы и отражаетс от первого ее зеркала. На этом участке пути ионов отклонение в обеих цилиндрических линзах противоположно отклонению в магнитном поле, что приводит к фокусировке пучка по энергии. Аналогична ситуаци будет иметь место и на последующих отдельных участках пути ионов, а следовательно, и во всем приборе в противоположных по направлению угловых дисперсий по энергии в магнитном поле и электрических пол х на каждом из указанных отдельных участков пути. Соотношени , при выполнении которых массспектрометр обладает фоф сировкой по энергии, имеют вид . (igoClg(.,+ 2fHg.V d 2лР %)tgi4g, СО5Л.П €r-fFF 7 . -iStdsinoCn c о и И2Чoo(,,(,-2 . Здесь 2 л - количество граней маг-, нитной призмы; V. - потенциал на электродах Ю, V - потенциал на элект родах 5; Vg - потенциал свободного от пол пространства на всех yiiacTKax пути ионов за пределами электростатических систем коллиматорной и фокусирующей частей масс-спектрометра. Все потенциалы измер ютс по отношег ниш к тому месту пространства, где скорость ионовравна нулю, т,ё. W р где VV - энерги ионов; о К - ИХ зар д; j - угол падени на первую цилиндрическую линзу электростатической системы; i - угол прелоклени в этой линзе; i - угол падени на телескопическую систему кОллиматарной линзы; - угол преломлени в ней; , причем знак Ч беретс , если| | |Уо1; а знак -, если|У 1 Уд, , где знак + беретс , если }M |4Vo|, знак -, ecлиlv | Vol;ot угол входа пуска в магнитную призму; ч ot-- . Дисперси масс-спектрометра по массе определ етс по формуле D 2lcii-ttgo6, rflek cosj /cosi j .Щ - фокусное рассто ние фокусиру щей линзы. Она в 1 раз больше, чем дисперси по массе прототипа.The mass spectrometer consists of an ion source 1 and a pre-ear 2 collimator and focusing transaxial ion ions, formed by the electrodes 3 ,. 4 and 5, the telescopic systems with electrodes 5, 6 and 7, the eight magnetic prism 8, around which there are seven electrostatic systems. Each electrostatic system consists of electrodes 9, 10 and 11, Electrodes 9 and 10 form two symmetrically arranged cylindrical lenses, electrodes 10 and 11 - two also symmetrically arranged ion mirrors. OH lines ;, OHS, etc. These are the axes of symmetry for electrostatic systems and, simultaneously, the bisectors of the angles of the pole pieces of the magnetic prism. Each electrode consists of two identical parallel plates, symmetrically located relative to the median plane of the device. In telescopic systems, ionic mirrors and cylindrical lenses, the gaps between adjacent electrodes have the form of straight gaps — In transaxial lenses, the gaps between electrodes 3 and 4, and also 4 and 5, are curved along circular arcs. The surfaces of magnetic poles facing each other have the form of regular octagons located symmetrically relative to the mid-plane. Electrodes 7 and 9 are simultaneously magnetic shields. The device works as follows. The divergent ion beam emerging from the ion source 1 is converted by a collimator lens (electrodes 4 and 5), whose focus coincides with the source slot, into a parallel one and then, deflected in a telescopic system (electrodes 5, 6 and 7), hits into the analyzing magnetic field. After passing through the magnetic field, the beam, remaining parallel, deflects the cylindrical lens electrodes 9 and 10) of the first electrostatic system and, reflected from the mirror (electrodes 10 and 11), crosses the 01C axis in the direction perpendicular to it. In the telescopic system and in the cylindrical lens, the beam deflects in the direction opposite to the direction of deflection in the magnetic prism. The angles of incidence and refraction and the potentials on the electrodes of the electrostatic system are chosen so that in the vicinity of the points of intersection of the beam with the axis OHj, the angular spread of the trajectories in beam J caused by the energy spread of the ions, i.e. focusing noi energy. In the next section of the path of the ions before they intersect with the OH axis, the beam successively undergoes deflection in the second mirror and cylindrical lens of the first electrostatic system and, a second time, passes a magnetic field, refracts in the first cylindrical lens of the second electrostatic system, and reflects from its first mirror . In this part of the ion path, the deviation in both cylindrical lenses is opposite to the deviation in a magnetic field, which leads to energy focusing of the beam. A similar situation will take place on subsequent separate sections of the ion path, and consequently, throughout the device in opposite angular dispersions in energy in a magnetic field and electric fields on each of these separate sections of the path. The ratios at which the mass spectrometer has fofiroviruyu energy, have the form. (igoClg (., + 2fHg.V d 2lR%) tgi4g, СО5Л.П € r-fFF 7.. -iStdsinoCn c о and И2Чoo (,, (, - 2. Here 2 l is the number of faces of the magnetic, magnetic prism; V. - potential on the electrodes Yu, V - potential on the electrodes 5; Vg - potential of the floor-free space on all yiiacTKax ion paths outside the electrostatic systems of the collimator and focusing parts of the mass spectrometer. spaces, where the ion velocity is equal to zero, t, e. W p where VV is the ion energy, о К is the IC charge, j is the angle of incidence on the first cylindrical lens of the electrostatic system e; i is the angle of reflection in this lens; i is the angle of incidence on the telescopic system of the oleum lens; is the angle of refraction in it, with the H sign taken if | | | Wo1; and the sign is if | Y 1 Od, where the + sign is taken if} M | 4Vo |, the sign -, ecliv | Vol; ot is the angle of entry of the start into the magnetic prism; h ot--. The mass spectrometer mass dispersion is determined by the formula D 2lcii-ttgo6, rflek cosj / cosi j.Sh - focal length of the focusing lens. It is 1 time larger than the dispersion by mass of the prototype.

В.изображенном на чертеже массспектрометре с восьмиугольной магнитной призмой пучок восемь раз проходит через межполюсный зазор, против двух раз в прототипе. Таким образом при тех же фокусном рассто нии и трансаксиальных линз и углах ос , i и J его дисперси будет в четыре раза больше и, соответственно, в четыре раза больше будет разрешающа способность,In the mass spectrometer with an octagonal magnetic prism depicted in the drawing, the beam passes eight times through the interpolar gap, against two times in the prototype. Thus, with the same focal length and transaxial lenses and the corners of the wasps, i and j, its dispersion will be four times as large and, accordingly, four times as much as the resolution,

Предпагаемый масс-спектрометр может быть построен и на основе многогранной магнитной призмы с еще бааьшим числом граней, например с 32-м гран ми, В последнем случае вь игрьШ1 в дисперсии по сравнению с прототипом будет достигать 16 раз.The mass mass spectrometer can also be built on the basis of a multifaceted magnetic prism with even a larger number of faces, for example, with 32 faces. In the latter case, the play of the dispersion will be 16 times greater than the prototype.

76.676.6

При одинаковой с прототипом дисперсии фокусное рассто ние.коллнматорной и фокусирующей линз может быть уменьшено в 16 раз, что приведет к увеличению светосил в 16 256 раз и значительному уменьшению габаритов прибора.With the dispersion being the same with the prototype, the focal distance of the collator and focusing lenses can be reduced by a factor of 16, which will lead to an increase in aperture ratio of 16,256 times and a significant reduction in the dimensions of the device.

Таким образом, на предлагаемом масс-спектрометре может быть получена разрешающа способность и светосила , значительно превышающие разрешающую способность и светосилу, достижимую на других известных массспектрометрах ,Thus, on the proposed mass spectrometer, the resolution and luminosity can be obtained, significantly exceeding the resolution and luminosity achieved on other known mass spectrometers,

Прибор компактен и его и.зготовлерие , несмотр на значительное число электростатических систем, не представл ет большой сложности,Е|След ствие их идентичности,The device is compact and its preparation, despite the large number of electrostatic systems, is not very difficult, E | The consequence of their identity,

11редлагае шй масс-спектрометр значительно расширит возможности масс-спектрометрии.11 Providing a mass spectrometer will greatly expand the capabilities of mass spectrometry.

Claims

A PREMISE MASS SPECTROMETER containing an ion source, behind which there is a collimator lens with a telescopic system, a magnetic prism and a focusing lens with a telescopic system, ion mirrors and an ion receiver, so that, in order to • increase the resolution and • aperture ratio of the device, electrostatic systems consisting of symmetrically arranged cylindrical lenses and cylindrical mirrors are additionally introduced into it, and the magnetic prism is made in the form of a regular polygon with even : the number of lateral faces around which the mentioned electrostatic systems are installed, with this axis of symmetry of the electrostatic systems, are the bisectors of the corresponding angles of the magnetic prism.

. SU 1101076

1 1101076 2