WO2013002683A1 - Static ion mass analyzer - Google Patents
Static ion mass analyzer Download PDFInfo
- Publication number
- WO2013002683A1 WO2013002683A1 PCT/RU2012/000550 RU2012000550W WO2013002683A1 WO 2013002683 A1 WO2013002683 A1 WO 2013002683A1 RU 2012000550 W RU2012000550 W RU 2012000550W WO 2013002683 A1 WO2013002683 A1 WO 2013002683A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- sector
- energy
- plane
- ion
- mass analyzer
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
- H01J49/28—Static spectrometers
- H01J49/32—Static spectrometers using double focusing
Definitions
- the invention relates to analytical instrumentation, and in particular to static instruments and devices for analyzing the mass spectral composition of substances.
- Static ion mass analyzers are based on the principle of spatial separation of ions by momenta in the static magnetic sector (MS), where each monopulse ion group has its own optical axis.
- MS static magnetic sector
- the optical axes of monopulse groups are arcs of circles, the radii of which, in the case of an insignificant spread of ion energies, depend on their mass, which makes it possible to carry out a precision mass analysis of ions .
- the resolving power of SMA deteriorates due to 1st order chromatic aberration (MS energy dispersion).
- Known single-focus mass spectrometer with dual focusing see patent US 4766314, IPC H01J 49/32, publ. 08.23.1988, including an ion source (AI), a focusing system (FS), an exit slit (VSC), which object slit (OS) of the mass analyzer, aperture diaphragm (HELL), sequentially arranged static magnetic sector (MS), an intermediate electrostatic lens (EL) for electrical adjustment of the spectrometer, electrostatic sector (ES) and a single-collector mass spectrum detector .
- the ES is set relative to the MS in such a way that the direction of rotation of its optical axis in the ES is preserved in the MS.
- the well-known mass spectrometer does not allow simultaneously recording the entire mass spectrum or its part, which is due to both the order of the MS and the ES (the ES is installed behind the MS) and the fact that double focusing takes place only for one monomass ion group, which is deduced by the parameter sweeps to a fixed axial orbit a priori.
- the detection of the lines of the mass spectrum is carried out by varying the sweep parameter with the consequent orbiting of all monomass ion groups into the orbit and registration of the mass spectrum by a single-collector detector, which is associated with a low mass spectrometer performance.
- the disadvantages of the known mass spectrometer are its low resolution and low productivity due to the single-collector method for detecting the mass spectrum.
- Known tandem mass spectrometer type MS / MS the second stage of which is made in the form of a two-stage dual focusing SMA (see patent US 4866267, IPC H0U 49/32, published 08.23.1988), including a source of "daughter” ions from the selected at the first stage of the mass spectrometer of monomass “parent” ions, and sequentially arranged Wien filter, MS and a spatially extended detector (PPD) of daughter ions.
- PPD spatially extended detector
- a disadvantage of the known mass spectrometer is that double focusing over the range of orbits of the detected ions takes place only in a narrow range of approximately equal initial velocities, which accounts for the relatively narrow scope of this analogue.
- a multi-collector mass spectrometer must a) provide double focusing for all registered monomass groups of ions simultaneously, b) ensure equality of rotation angles optical axes of monomass ion groups in the MS, c) have a straight line of the focus lines of the MS.
- the specified conditions are satisfied by the Mattauch-Herzog type MCA, in which the ES and MS are located in the S-scheme, the object gap (OS) is located in the front focal plane of the ES, and the geometric place of the optical foci of the MS forms a straight line.
- Mattau-Herzog (MG) type SMA is the design of the MC made by a two-pole with a constant gap between the pole pieces, the output boundary of which is flat, made in such a way that the effective boundaries of the magnetic field and the input optical axis intersect at one point .
- This special construction first described by Mattauch and Herzog (CMJ. Mattauch and RJ, Herzog. - Phys., 89, p. 789.1934, J. Mattauch and RJ, Herzog), ensures that the ion rotation angle in the MS field is independent of their mass .
- the indicated construction will be called below the “MG construction”. Practically all SMAs made according to the Mattauch-Herzog type include MC structures of the MG in their composition.
- a multi-collector magnetic mass spectrometer with double focusing is known, the MCA of which is made according to the Mattauch-Herzog type (see High-performance mass spectrometer with double focus. Instruments for scientific research, N? 2, pp. 37-44, 1985, A. O. Nir et al.), Including AI, FS, OSh, ES in the form of a sector of a cylindrical capacitor, MS of the MG design and a multi-collector detector, the receiving slits of which are installed along the focal line of the MS.
- a disadvantage of the known mass spectrometer is its low resolution under conditions of significant energy dispersion of ions.
- a multi-collector magnetic mass spectrometer with double focusing is known, the MCA of which is made according to the Mattauh-Herzog geometry (see Development of a miniaturized gas chromatograph-mass spectrometer with a microbore capillary columns and array detector. Analytical Chemistry, vol. 63, No. 18, p.2012-2016,1991, MP Sinha et al.), Including AI, FS, OSh, ES in the form of a sector of a cylindrical capacitor, MS design MG, electro-optical detector with a microchannel plate, installed along the focal line of the MS, and an automated mass spectrometer control system.
- SMA static mass analyzer of ions with double focusing
- IPC N IPC N (49/26, published June 20, 2004)
- SMA is made according to the geometry of Mattauch -Herzog and includes AI, FS, OSh, aperture diaphragm, energy dispersive electrostatic sector (ES) and magnetic sector (MS) in the form of a bipolar magnet with a constant gap between the poles.
- the ES is made in the form of a sector of a cylindrical capacitor.
- the SMA also includes a system for simultaneously recording mass spectral lines in the form of a multi-collector detector, the receiving slits of which are installed along the line of the MS foci, a mass spectrometer control system and an automated computer-based data collection system for cyclically recording and storing mass spectra.
- the disadvantage of the prototype is the lack of an ion-beam energy filtration system and the fundamental impossibility of its installation, which significantly limits the level of resolution of the prototype in conditions where the ion beam to be mass spectrally analyzed is not uniform in energy.
- An object of the present invention is to increase the resolving power of SMA in the mode of simultaneous recording of the ion mass spectrum under conditions of an ion beam that is not uniform in energy.
- the static mass analyzer of ions includes an ion source (AI), a focusing system, an object slit, an aperture diaphragm, an energy dispersive electrostatic sector (ES), and a magnetic sector (MS) in the form of a bipolar magnet with a constant gap between the poles, and a system for the simultaneous registration of mass spectral lines.
- the output boundary of the MS is flat and made in such a way that the effective boundaries of the magnetic field and the input optical axis intersect at one point.
- the ES is set relative to the MS so that the directions of rotation of the optical axes in the ES and the MS coincide, and relative to the AI so that the plane of the optical image OS is located between ES and MS.
- An energy-filtering diaphragm (ED) is installed in the plane of the optical image of the OS.
- a collimating lens (CR) is installed between the ED and the MS, the front focal plane of which is located in the ED plane at the CL optical power ; satisfying the ratio:
- P L is the optical power of the CL, mm "1 ;
- D e is the dispersion coefficient for ES energy in the ED plane, mm;
- C m is the dimensionless coefficient determined by the design of the magnetic sector, numerically equal to the product of the mass dispersion coefficient and the optical power of the MS, the same for all axial orbits of monomass ion groups in the MS field.
- a system for simultaneously recording mass spectral lines can be implemented as a multi-collector ion detector with electrical registration of ion currents, receiving slits of which are installed in the focal planes of the MS corresponding to the axial orbits of the recorded monomass components of the ion beam.
- the system for simultaneously recording mass spectral lines can be made in the form of a spatially extended detector, the receiving surface of which is mounted on the focal line of the static mass analyzer.
- At least one lens can be installed between the object gap and the ES for the electrical adjustment of the SMA.
- ES can be made in the form of a sector of an electrostatic capacitor with an equipotential optical axis, angle ⁇ ⁇ and radius r e of rotation of the optical axis, axial radius a e of curvature of its equipotential, and set at a distance L 'from OS to ES and at a distance L " from ES 5 to ED 10, the values of which are related to the coefficient D e of the energy dispersion of ES 5, as it is easy to show, with a parametric dependence:
- the ES and MS are installed according to the C-scheme, which allows focusing of ions according to the angular spread between the ES and MS and installing the ED in front of the MS.
- the ES is installed relative to the AI in such a way that an optical image of the SMA object slit is formed between the ES and the MS (in the prototype, the ES is installed relative to the AI so that the exit slit of the AI is located in the front focal plane of the ES); in the plane of the intermediate image of the OS is installed ED; a CR was installed in front of the MS, the design and position of which with respect to the ED was calculated so that its front focal plane is located in the ED plane at the optical power of the CR depending on the dispersion coefficient of the ES in the ED plane according to the equality
- P L is the optical power of CL
- D e is the dispersion coefficient for ES energy in the ED plane, mm;
- C m is the dimensionless coefficient determined by the design of the magnetic sector, numerically equal to the product of the mass dispersion coefficient and the optical power of the MS, the same for all axial orbits of monomass ion groups in the MS field.
- the problem is solved within the framework of C-schemes, since they create conditions for double focusing of ions while ensuring their intermediate focusing (due to opposite signs of the dispersion coefficients of ES and MS), and it is possible to set the ED.
- a mass spectrometric mode receiving slot mnogokollektor- Nogo detector should be installed at the focal planes of the MS, The corresponding axial orbits monomassovyh groups of ions; in the mass spectrographic mode of the MCA using a spatially extended detector (PDD), the receiving surface of the PDA should be located on the focus line.
- PDA spatially extended detector
- the values of the dispersion coefficient of the MS and its optical power, therefore, and the coefficient C t in the right-hand side of (1) are uniquely determined MC structure (see G. Volnik. Optics of charged particles, Energoizdat, 1987).
- the analysis shows that, in the case of the MG of the MG design, the specified coefficient is dimensionless, i.e. its value does not depend on the radius of the axial orbit of any monomass group.
- Fig. 1 shows the optical part of the SMA prototype
- Fig. 2 shows the CMA of the present invention.
- ion source 1 exit slit 2
- aperture diaphragm 3 optical axis 4 in the energy dispersive electrostatic sector (ES)
- optical axis b in the energy dispersive magnetic sector (MS) 7 having an input boundary of 8 and output boundary 9 (effective boundaries of the magnetic field MS 7 are indicated).
- ion source 1 exit slit 2
- aperture diaphragm 3 optical axis 4 in the energy dispersive electrostatic sector (ES) 5
- optical axis b in the dispersive energy magnetic sector (MS) 7 having an input boundary of 8 and an output boundary of 9 (the effective boundaries of the magnetic field of MS 7 are indicated)
- the SMA prototype (see Fig. 1) is made according to the Mattauch-Herzog geometry.
- the exit slit 2, in the plane of which the focusing system (not shown) of the ion source 1 focuses the ion beam, is located in the front focal plane of ES 5.
- the directions of rotation of the optical axis 4 in ES 5 and optical axis b in MS 7 are opposite (S diagram).
- MS 7 is made according to the MG design, according to which the output boundary 9 intersects the optical axis b and the input boundary 8 at point 12.
- the ion beam formed in the source 1 is focused on the plane of the output slit 2 by a focusing system (not shown), is limited according to the size of the exit slit 2 and the divergence angle of the aperture diaphragm 3, then near the axis 4 ions follow in the direction of the electrostatic sector 5, where they are spatially separated by energy.
- ions move in the direction of MS 7, enter it through border 8, exit from it through rectilinear border 9, being separated by mass and assembled into monomass groups moving near the corresponding axial orbits 13.
- axial orbits 13 are shown, corresponding to three lines of the mass spectrum .
- each monomassic group of ions is focused at points designated, respectively, Di, D 2 , D 3 , which form a focus line 14, on which, for example, a microchannel plate of a spatially extended detector (PPD) can be mounted or receiving slots of a multi-collector detector (not shown in the drawing).
- PPD spatially extended detector
- ED 10 is installed in the plane of the optical image of slit 2
- CL 11 is installed so that the plane its front focus with optical power CR, corresponding to equation (1), is located in the plane of ED 10.
- ES 5 and MS 7 are installed according to the C-scheme.
- MS 7 is made by the design of MG similarly to Fig. 1.
- the input boundary 8 is non-orthogonal to the optical axis and is located at an angle ⁇ to the normal to the boundary, which ensures that the focus line is removed from the output boundary 9.
- the ion beam formed in AI 1 focuses on the plane of the exit slit 2 by the focusing system (in Fig. .2), is limited by the size of the exit slit 2 and by the divergence angle of the aperture diaphragm 3, then near the axis 4 the ions follow in the direction of ES 5, where they are spatially separated into monoenergetic groups, each of which focuses in angular scatter in the plane ED 10. Ions passing through ED 10 are focused near point 15. Next, they follow the axis b in the direction of CR 11 and further, to MS 7, exit it, being formed into spatially separated monomass groups, move near the corresponding axial orbits 13.
- each monomassic group of ions is focused at the corresponding points, denoted by Di, D 2 / D 3 , which form the focus line 14, on which, for example, a microchannel plate PPD (mass spectrograph mode) or receiving slots of a multi-collector detector (multi-collector mass spectrometer).
- Di denoted by Di, D 2 / D 3 , which form the focus line 14, on which, for example, a microchannel plate PPD (mass spectrograph mode) or receiving slots of a multi-collector detector (multi-collector mass spectrometer).
- An electrostatic lens or a lens system (not shown in Fig. 2) can be installed between AI 1 and ES 5 to enable the electrical adjustment of the mass spectral resolution of the SMA.
- ES 5 can be made in the form of a sector of an electrostatic capacitor with an equipotential optical axis, angle ⁇ ⁇ and radius r e of rotation of the optical axis, the axial radius a e of curvature of its equipotential, and is set to the distance L 'from OSH to ES and at a distance L "from ES 5 to ED 10, the values of which are associated with the coefficient D e of the energy dispersion of ES 5 with a parametric dependence:
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
Abstract
The static ion mass analyzer comprises an ion source (1), a focusing system, an object slot (2), an aperture diaphragm (3), an energy-dispersive electrostatic sector (5), and an energy-dispersive magnetic sector (7). The electrostatic sector (5) is arranged relative to the magnetic sector (7) so that the directions of rotation of the optical axes (4, 6) in the electrostatic sector (5) and the magnetic sector (7) coincide. The electrostatic sector (5) is arranged relative to the ion source (1) so that the plane of the optical image of the object slot (2) is situated between the electrostatic sector (5) and the magnetic sector (7). An energy-filtering diaphragm (10) is disposed in the plane of the optical image of the object slot (2). A collimating lens (11) is disposed between the electrostatic sector (5) and the magnetic sector (7). The static ion mass analyzer has an elevated resolution in a simultaneous ion mass spectrum registration mode in cases where the energy of the ion beam is not uniform.
Description
СТАТИЧЕСКИЙ МАСС-АНАЛИЗАТОР ИОНОВ STATIC ION MASS ANALYZER
Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к ста- тическим приборам и устройствам для анализа масс-спектрального состава веществ. The invention relates to analytical instrumentation, and in particular to static instruments and devices for analyzing the mass spectral composition of substances.
Статические масс-анализаторы (СМА) ионов основаны на принципе простран- ственного разделения ионов по импульсам в статическом магнитном секторе (МС), где каждой моноимпульсной группе ионов соответствует своя оптическая ось. В од- нородном магнитном поле, наиболее часто применяемом в СМА, оптические оси мо- ноимпульсных групп представляют собой дуги окружностей, радиусы которых, в случае незначительного разброса энергий ионов, зависят от их массы, что предос- тавляет возможность осуществить прецизионный масс-анализ ионов. Однако при неоднородности ионов по энергии разрешающая способность СМА ухудшается вследствие хроматической аберрации 1-го порядка (энергетической дисперсии МС). Поэтому в современных СМА обеспечиваются условия для компенсации энергетиче- ской дисперсии МС, путём включения в состав СМА электростатического сектора (ЭС). Такие ионно-оптические системы называют СМА с двойной фокусировкой. В условиях значительного разброса энергий ионов предел разрешающей способности СМА с двойной фокусировкой ограничивается уровнем хроматических аберраций 2- го и выше порядков, пропорциональных степеням величины отношения энергетиче- ского разброса к ускоряющему напряжению. Эффективным способом уменьшения указанных хроматических аберраций в таких случаях является энергофильтрация ионов. Static ion mass analyzers (SMAs) are based on the principle of spatial separation of ions by momenta in the static magnetic sector (MS), where each monopulse ion group has its own optical axis. In the uniform magnetic field, which is most often used in SMA, the optical axes of monopulse groups are arcs of circles, the radii of which, in the case of an insignificant spread of ion energies, depend on their mass, which makes it possible to carry out a precision mass analysis of ions . However, with ionic heterogeneity in energy, the resolving power of SMA deteriorates due to 1st order chromatic aberration (MS energy dispersion). Therefore, in modern SMA, conditions are provided for compensating the energy dispersion of MS by including the electrostatic sector (ES) in the composition of the SMA. Such ion-optical systems are called dual focus CMAs. Under conditions of a significant dispersion of ion energies, the resolution limit of a double focusing SMA is limited by the level of chromatic aberrations of the second and higher orders proportional to the powers of the ratio of the energy spread to the accelerating voltage. An effective way to reduce these chromatic aberrations in such cases is the energy filtration of ions.
Известен одноколлекторный масс-спектрометр с двойной фокусировкой (см. патент US 4766314, МПК H01J 49/32, опубл. 23.08.1988), включающий источник ио- нов (ИИ), фокусирующую систему (ФС), выходную щель (ВЩ), являющуюся объект- ной щелью (ОЩ) масс-анализатора, апертурную диафрагму (АД), последовательно расположенные статический магнитный сектор (МС), промежуточную электростати- ческую линзу (ЭЛ) для электрической настройки спектрометра, электростатический сектор (ЭС) и одноколлекторный детектор масс-спектра. ЭС установлен относитель- но МС таким образом, что направление поворота его оптической оси в ЭС сохраня- ется в МС. Такой вариант исторически назван С-схемой, в отличие от S-схемы, при которой направления поворотов оптических осей в ЭС и МС противоположны. ЭЛ
установлена в плоскости промежуточного оптического изображения ОЩ, что позво- ляет упростить настройку двойной фокусировки ионов. Known single-focus mass spectrometer with dual focusing (see patent US 4766314, IPC H01J 49/32, publ. 08.23.1988), including an ion source (AI), a focusing system (FS), an exit slit (VSC), which object slit (OS) of the mass analyzer, aperture diaphragm (HELL), sequentially arranged static magnetic sector (MS), an intermediate electrostatic lens (EL) for electrical adjustment of the spectrometer, electrostatic sector (ES) and a single-collector mass spectrum detector . The ES is set relative to the MS in such a way that the direction of rotation of its optical axis in the ES is preserved in the MS. This option has historically been called the C-scheme, in contrast to the S-scheme, in which the directions of rotation of the optical axes in the ES and MS are opposite. EL It is installed in the plane of the intermediate optical image of the OSH, which allows one to simplify the setup of double focusing of ions.
Известный масс-спектрометр не позволяет регистрировать одновременно весь масс-спектр или его часть, что обусловлено, как порядком следования МС и ЭС (ЭС установлен за МС), так и тем, что двойная фокусировка имеет место лишь для одной мономассовой группы ионов, выводящейся параметром развертки на фиксирован- ную априори осевую орбиту. Детектирование линий масс-спектра при этом осущест- вляется путём вариации параметра развертки с последовательным выведением на данную орбиту всех мономассовых групп ионов и регистрацией масс-спектра одно- коллекторным детектором, что сопряжено с низкой производительностью масс- спектрометра. The well-known mass spectrometer does not allow simultaneously recording the entire mass spectrum or its part, which is due to both the order of the MS and the ES (the ES is installed behind the MS) and the fact that double focusing takes place only for one monomass ion group, which is deduced by the parameter sweeps to a fixed axial orbit a priori. In this case, the detection of the lines of the mass spectrum is carried out by varying the sweep parameter with the consequent orbiting of all monomass ion groups into the orbit and registration of the mass spectrum by a single-collector detector, which is associated with a low mass spectrometer performance.
Известен масс-спектрометр с энергофильтрацией ионов после их разделения по массам в магнитном поле (см. патент US 5166518, МПК H01J49/32, опубликован 24.11.1992), включающий ИИ, ФС, ОЩ, АД, последовательно установленные МС, масс-фильтрующая щель, первая транспортирующая линза, ЭС, вторая транспорти- рующая линза, ЭД и одноколлекторный детектор. МС и ЭС установлены по S-схеме. Known mass spectrometer with energy filtration of ions after their separation by mass in a magnetic field (see patent US 5166518, IPC H01J49 / 32, published 11.24.1992), including AI, FS, OSh, AD, sequentially installed MS, mass filtering gap , the first transporting lens, ES, the second transporting lens, ED and single-collector detector. MS and ES are installed according to the S-scheme.
Недостатками известного масс-спектрометра являются невысокая разрешаю- щая способность и низкая производительность, обусловленная одноколлекторным способом детектирования масс-спектра. The disadvantages of the known mass spectrometer are its low resolution and low productivity due to the single-collector method for detecting the mass spectrum.
Известен тандемный масс-спектрометр типа MS/MS, вторая ступень которого выполнена в виде двухкаскадного СМА с двойной фокусировкой (см. патент US 4866267, МПК H0U 49/32, опубликован 23.08.1988), включающего источник «дочер- них» ионов из выделенных на первой ступени масс-спектрометра мономассовых «родительских» ионов, и последовательно расположенные фильтр Вина, МС и про- странственно протяжённый детектор (ППД) дочерних ионов. Known tandem mass spectrometer type MS / MS, the second stage of which is made in the form of a two-stage dual focusing SMA (see patent US 4866267, IPC H0U 49/32, published 08.23.1988), including a source of "daughter" ions from the selected at the first stage of the mass spectrometer of monomass “parent” ions, and sequentially arranged Wien filter, MS and a spatially extended detector (PPD) of daughter ions.
Недостатком известного масс-спектрометра является то, что двойная фокуси- ровка по диапазону орбит детектируемых ионов имеет место лишь в узком диапазо- не приблизительно равных начальных скоростей, чем обусловлена сравнительно уз- кая область применения данного аналога. A disadvantage of the known mass spectrometer is that double focusing over the range of orbits of the detected ions takes place only in a narrow range of approximately equal initial velocities, which accounts for the relatively narrow scope of this analogue.
Недостатки одноколлекторных масс-спектрометров с двойной фокусировкой привели к разработке многоколлекторных масс-спектрометров, в которых двойная фокусировка имеет место для всех орбит мономассовых групп ионов. Такие приборы обладают преимуществами в сравнении с масс-спектрометрами с одноколлекторной регистрацией. Увеличение числа коллекторов и оптимальное их размещение позво- ляет уменьшить диапазон изменения величины индукции магнитного поля или уско- ряющего ионы потенциала, а значит, и время регистрации масс-спектра, чем повы-
шается экспрессность и производительность анализа. Однако реализация многокол- лекторного режима масс-анализа накладывает на СМА ряд принципиальных оптиче- ских и конструктивных условий, а именно: многоколлекторный масс-спектрометр должен а) обеспечивать двойную фокусировку для всех регистрируемьх мономассо- вых групп ионов одновременно, б) обеспечивать равенство углов поворота оптиче- ских осей мономассовых групп ионов в МС, в) иметь прямолинейность линии фоку- сов МС. Указанным условиям удовлетворяет СМА типа Маттауха-Герцога, в которой ЭС и МС расположены по S-схеме, объектная щель (ОЩ) расположена в передней фокальной плоскости ЭС, а геометрическое место оптических фокусов МС образует прямую линию. Существенной особенностью СМА типа Маттауха-Г ерцога (МГ) явля- ется конструкция МС, выполненного двухполюсным с постоянным зазором между полюсными наконечниками, выходная граница которых плоская, выполненная таким образом, что эффективные границы магнитного поля и входная оптическая ось пе- ресекаются в одной точке. Такая особая конструкция, впервые описанная Маттаухом и Герцогом (CMJ. Mattauch and R. J., Herzog. - Phys., 89, p. 789,1934, J. Mattauch and R. J., Herzog), обеспечивает независимость угла поворота ионов в поле МС от их массы. Указанную конструкцию будем называть ниже «конструкцией МГ». Практиче- ски все СМА, выполненные по типу Маттауха-Герцога, включают в свой состав МС конструкции МГ. Наряду с отмеченными выше достоинствами СМА типа Маттауха- Герцога, известен их общий недостаток: отсутствие промежуточной фокусировки ионов по их угловому разбросу, что не предоставляет возможности установить ЭД для уменьшения энергетического разброса анализируемых ионных пучков. The disadvantages of single-focus dual-focus mass spectrometers have led to the development of multi-collector mass spectrometers in which dual focusing occurs for all orbits of monomass ion groups. Such devices have advantages over single-collector mass spectrometers. An increase in the number of collectors and their optimal placement makes it possible to reduce the range of variation of the magnetic field induction or ion accelerating potential, and hence the time of recording the mass spectrum, which increases Expression and analysis performance are reduced. However, the implementation of the multi-collector mode of mass analysis imposes a number of fundamental optical and design conditions on the SMA, namely: a multi-collector mass spectrometer must a) provide double focusing for all registered monomass groups of ions simultaneously, b) ensure equality of rotation angles optical axes of monomass ion groups in the MS, c) have a straight line of the focus lines of the MS. The specified conditions are satisfied by the Mattauch-Herzog type MCA, in which the ES and MS are located in the S-scheme, the object gap (OS) is located in the front focal plane of the ES, and the geometric place of the optical foci of the MS forms a straight line. An essential feature of the Mattau-Herzog (MG) type SMA is the design of the MC made by a two-pole with a constant gap between the pole pieces, the output boundary of which is flat, made in such a way that the effective boundaries of the magnetic field and the input optical axis intersect at one point . This special construction, first described by Mattauch and Herzog (CMJ. Mattauch and RJ, Herzog. - Phys., 89, p. 789.1934, J. Mattauch and RJ, Herzog), ensures that the ion rotation angle in the MS field is independent of their mass . The indicated construction will be called below the “MG construction”. Practically all SMAs made according to the Mattauch-Herzog type include MC structures of the MG in their composition. Along with the above-mentioned advantages of the MTA of the Mattauch-Herzog type, their common drawback is known: the lack of intermediate focusing of ions by their angular spread, which does not make it possible to establish ED to reduce the energy spread of the analyzed ion beams.
Известен многоколлекторный магнитный масс-спектрометр с двойной фокуси- ровкой, СМА которого выполнен по типу Маттауха-Герцога (см. Высокоэффективный масс-спектрометр с двойной фокусировкой. Приборы для научных исследований, N? 2, с. 37-44, 1985, А.О.Нир и др.), включающий ИИ, ФС, ОЩ, ЭС в виде сектора ци- линдрического конденсатора, МС конструкции МГ и многоколлекторный детектор, приемные щели которого установлены вдоль линии фокусов МС. A multi-collector magnetic mass spectrometer with double focusing is known, the MCA of which is made according to the Mattauch-Herzog type (see High-performance mass spectrometer with double focus. Instruments for scientific research, N? 2, pp. 37-44, 1985, A. O. Nir et al.), Including AI, FS, OSh, ES in the form of a sector of a cylindrical capacitor, MS of the MG design and a multi-collector detector, the receiving slits of which are installed along the focal line of the MS.
Недостатком известного масс-спектрометра является низкая разрешающая способность в условиях значительного энергетического разброса ионов. A disadvantage of the known mass spectrometer is its low resolution under conditions of significant energy dispersion of ions.
Известен многоколлекторный магнитный масс-спектрометр с двойной фокуси- ровкой, СМА которого выполнен по геометрии Маттауха-Герцога (см. Development of a miniaturized gas chromatograph-mass spectrometer with a microbore capillary columns and array detector. Analytical Chemistry, vol. 63, No. 18, p.2012-2016,1991, M. P. Sinha et al.), включающий ИИ, ФС, ОЩ, ЭС в виде сектора цилиндрического конденсатора, МС конструкции МГ, электрооптического детектора с микроканальной пластиной,
установленной вдоль линии фокусов МС, и автоматизированную систему управления масс-спектрометром. A multi-collector magnetic mass spectrometer with double focusing is known, the MCA of which is made according to the Mattauh-Herzog geometry (see Development of a miniaturized gas chromatograph-mass spectrometer with a microbore capillary columns and array detector. Analytical Chemistry, vol. 63, No. 18, p.2012-2016,1991, MP Sinha et al.), Including AI, FS, OSh, ES in the form of a sector of a cylindrical capacitor, MS design MG, electro-optical detector with a microchannel plate, installed along the focal line of the MS, and an automated mass spectrometer control system.
Недостатком данного масс-спектрометра, как и предыдущего аналога, являет- ся отсутствие системы энергофильтрации ионов, что ограничивает разрешающую способность прибора в условиях значительного энергетического разброса анализи- руемых ионов. The disadvantage of this mass spectrometer, as well as the previous analogue, is the absence of an ion energy filtration system, which limits the resolution of the device under conditions of significant energy dispersion of the analyzed ions.
Известен статический масс-анализатор ионов с двойной фокусировкой (см. патент RU 2231165, МПК Н( 49/26, опубликован 20.06.2004), совпадающий с заяв- ляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. СМА выполнен по геометрии Маттауха-Герцога и включает ИИ, ФС, ОЩ, апертурную диафрагму, дисперсионные по энергии электростатический сектор (ЭС) и магнитный сектор (МС) в виде двухполюсного магнита с постоянным зазором меж- ду полюсами. ЭС выполнен в виде сектора цилиндрического конденсатора. Выходная граница МС плоская и выполнена таким образом, что эффективные границы магнит- ного поля и входная оптическая ось пересекаются в одной точке. СМА также вклю- чает систему одновременной регистрации масс-спектральных линий в виде много- коллекторного детектора, приемные щели которого установлены вдоль линии фоку- сов МС, систему управления масс-спектрометром и автоматизированную систему сбора данных на базе ЭВМ для циклической регистрации и сохранения масс- спектров. Known static mass analyzer of ions with double focusing (see patent RU 2231165, IPC N (49/26, published June 20, 2004), which coincides with the claimed solution for the largest number of essential features and adopted for the prototype. SMA is made according to the geometry of Mattauch -Herzog and includes AI, FS, OSh, aperture diaphragm, energy dispersive electrostatic sector (ES) and magnetic sector (MS) in the form of a bipolar magnet with a constant gap between the poles. The ES is made in the form of a sector of a cylindrical capacitor. MS output boundary flat and hollow Thus, the effective boundaries of the magnetic field and the input optical axis intersect at the same point.The SMA also includes a system for simultaneously recording mass spectral lines in the form of a multi-collector detector, the receiving slits of which are installed along the line of the MS foci, a mass spectrometer control system and an automated computer-based data collection system for cyclically recording and storing mass spectra.
Недостатком прототипа является отсутствие системы энергофильтрации ион- ного пучка и принципиальная невозможность её установки, что существенно огра- ничивает уровень разрешающей способности прототипа в условиях, когда ионный пучок, подлежащий масс-спектральному анализу, неоднороден по энергии. The disadvantage of the prototype is the lack of an ion-beam energy filtration system and the fundamental impossibility of its installation, which significantly limits the level of resolution of the prototype in conditions where the ion beam to be mass spectrally analyzed is not uniform in energy.
Задачей настоящего изобретения является повышение разрешающей способ- ности СМА в режиме одновременной регистрации масс-спектра ионов в условиях не- однородного по энергии ионного пучка. An object of the present invention is to increase the resolving power of SMA in the mode of simultaneous recording of the ion mass spectrum under conditions of an ion beam that is not uniform in energy.
Поставленная задача решается тем, что статический масс-анализатор ионов включает источник ионов (ИИ), фокусирующую систему, объектную щель, апертур- ную диафрагму, дисперсионные по энергии электростатический сектор (ЭС) и маг- нитный сектор (МС) в виде двухполюсного магнита с постоянным зазором между по- люсами, и систему одновременной регистрации масс-спектральных линий. Выходная граница МС плоская и выполнена таким образом, что эффективные границы магнит- ного поля и входная оптическая ось пересекаются в одной точке. ЭС установлен относительно МС так, что направления поворота оптических осей в ЭС и МС совпа- дают, а относительно ИИ таким образом, что плоскость оптического изображения
ОЩ расположена между ЭС и МС. В плоскости оптического изображения ОЩ уста- новлена энергофильтрующая диафрагма (ЭД). Между ЭД и МС установлена колли- мирующая линза (КЛ), передняя фокальная плоскость которой расположена в плос- кости ЭД при величине оптической силы КЛ; удовлетворяющей соотношению:The problem is solved in that the static mass analyzer of ions includes an ion source (AI), a focusing system, an object slit, an aperture diaphragm, an energy dispersive electrostatic sector (ES), and a magnetic sector (MS) in the form of a bipolar magnet with a constant gap between the poles, and a system for the simultaneous registration of mass spectral lines. The output boundary of the MS is flat and made in such a way that the effective boundaries of the magnetic field and the input optical axis intersect at one point. The ES is set relative to the MS so that the directions of rotation of the optical axes in the ES and the MS coincide, and relative to the AI so that the plane of the optical image OS is located between ES and MS. An energy-filtering diaphragm (ED) is installed in the plane of the optical image of the OS. A collimating lens (CR) is installed between the ED and the MS, the front focal plane of which is located in the ED plane at the CL optical power ; satisfying the ratio:
где PL - оптическая сила КЛ, мм"1; where P L is the optical power of the CL, mm "1 ;
De - коэффициент дисперсии по энергии ЭС в плоскости ЭД, мм; D e is the dispersion coefficient for ES energy in the ED plane, mm;
Ст - безразмерный коэффициент, определяемый конструкцией магнитного сектора, численно равный произведению коэффициента дисперсии по массе и опти- ческой силы МС, одинаковый для всех осевых орбит мономассовых групп ионов в поле МС. C m is the dimensionless coefficient determined by the design of the magnetic sector, numerically equal to the product of the mass dispersion coefficient and the optical power of the MS, the same for all axial orbits of monomass ion groups in the MS field.
Система одновременной регистрации масс-спектральных линий может быть выполнена в виде многоколлекторного приемника ионов с электрической регистра- цией ионных токов, приёмные щели которого установлены в фокальных плоскостях МС, соответствующих осевым орбитам регистрируемых мономасовых компонент ионного пучка. A system for simultaneously recording mass spectral lines can be implemented as a multi-collector ion detector with electrical registration of ion currents, receiving slits of which are installed in the focal planes of the MS corresponding to the axial orbits of the recorded monomass components of the ion beam.
В альтернативном варианте система одновременной регистрации масс- спектральных линий может быть выполнена в виде пространственно протяженного детектора, приемная поверхность которого установлена на линии фокусов статиче- ского масс-анализатора. Alternatively, the system for simultaneously recording mass spectral lines can be made in the form of a spatially extended detector, the receiving surface of which is mounted on the focal line of the static mass analyzer.
Между объектной щелью и ЭС может быть установлена по меньшей мере од- на линза для электрической настройки СМА. At least one lens can be installed between the object gap and the ES for the electrical adjustment of the SMA.
ЭС может быть выполнен в виде сектора электростатического конденсатора с эквипотенциальной оптической осью, углом φβ и радиусом ге поворота оптической оси, аксиальным радиусом ае кривизны ее эквипотенциали, и установлен на рас- стояний L' от ОЩ до ЭС и на расстоянии L" от ЭС 5 до ЭД 10, величины которых связаны с коэффициентом De энергетической дисперсии ЭС 5, как нетрудно пока- зать, параметрической зависимостью: ES can be made in the form of a sector of an electrostatic capacitor with an equipotential optical axis, angle φ β and radius r e of rotation of the optical axis, axial radius a e of curvature of its equipotential, and set at a distance L 'from OS to ES and at a distance L " from ES 5 to ED 10, the values of which are related to the coefficient D e of the energy dispersion of ES 5, as it is easy to show, with a parametric dependence:
L'= re (Ce+l/t)/(ro se) q', мм; L '= r e (Ce + l / t) / (ro s e ) q', mm;
L"= re (ce+t)/(co se) q", мм; L "= r e (c e + t) / (co s e ) q", mm;
De= re (l+t)/ro2 q, мм;D e = r e (l + t) / ro 2 q, mm;
co=V(2- re/ae) - параметр «тороидальности» конденсатора, co = V (2- r e / a e ) - parameter of the "toroidality" of the capacitor,
q,q',q" - поправочные множители, обусловленные малыми поправками, свя- занными с учётом влияния краевых полей ЭС, значения которых лежат в диапазоне между 0,9 и 1,1; параметр t>0.
В наиболее известных вариантах ЭС в виде цилиндрического и сферического конденсаторов o= 2 и ω=1, соответственно. q, q ', q "- correction factors due to small corrections related to the influence of ES edge fields whose values lie in the range between 0.9 and 1.1; parameter t> 0. In the most famous versions of ES in the form of a cylindrical and spherical capacitors o = 2 and ω = 1, respectively.
В отличие от СМА-прототипа, в предлагаемом масс-анализаторе ЭС и МС уста- новлены по С-схеме, что позволяет осуществить фокусировку ионов по угловому разбросу между ЭС и МС и установить ЭД перед МС. При этом ЭС установлен относи- тельно ИИ таким образом, что между ЭС и МС сформировано оптическое изображе- ние объектной щели СМА (в прототипе ЭС установлен относительно ИИ так, что вы- ходная щель ИИ расположена в передней фокальной плоскости ЭС); в плоскости промежуточного изображения ОЩ установлена ЭД; перед МС установлена КЛ, кон- струкция и положение которой относительно ЭД выполнены из расчета, что её пе- редняя фокальная плоскость расположена в плоскости ЭД при величине оптической силы КЛ, зависящей от коэффициента дисперсии ЭС в плоскости ЭД согласно равен- ству Unlike the SMA prototype, in the proposed mass analyzer, the ES and MS are installed according to the C-scheme, which allows focusing of ions according to the angular spread between the ES and MS and installing the ED in front of the MS. In this case, the ES is installed relative to the AI in such a way that an optical image of the SMA object slit is formed between the ES and the MS (in the prototype, the ES is installed relative to the AI so that the exit slit of the AI is located in the front focal plane of the ES); in the plane of the intermediate image of the OS is installed ED; a CR was installed in front of the MS, the design and position of which with respect to the ED was calculated so that its front focal plane is located in the ED plane at the optical power of the CR depending on the dispersion coefficient of the ES in the ED plane according to the equality
где PL - оптическая сила КЛ; where P L is the optical power of CL;
De - коэффициент дисперсии по энергии ЭС в плоскости ЭД, мм; D e is the dispersion coefficient for ES energy in the ED plane, mm;
Ст - безразмерный коэффициент, определяемый конструкцией магнитного сектора, численно равный произведению коэффициента дисперсии по массе и опти- ческой силы МС, одинаковый для всех осевых орбит мономассовых групп ионов в поле МС. C m is the dimensionless coefficient determined by the design of the magnetic sector, numerically equal to the product of the mass dispersion coefficient and the optical power of the MS, the same for all axial orbits of monomass ion groups in the MS field.
Неочевидность и новизна настоящего изобретения определяются следующим. Двухкаскадные СМА с двойной фокусировкой по S-схеме впервые были описаны Маттаухом и Герцогом в 1934. Примерно с этого же времени известны варианты двухкаскадных СМА с двойной фокусировкой по С-схеме. С тех пор до настоящего времени было предложено множество вариантов СМА с двойной фокусировкой, с расположением ЭС и МС преимущественно по С-схеме (см. Хинтенбергер, Кёниг. В кн. Успехи масс-спектрометрии. Изд-во ин.лит., 1963, с. 26-45), поскольку такая схе- ма позволяет осуществить фокусировку ионов перед МС и установить ЭД. Однако общим недостатком всех известных вариантов СМА с двойной фокусировкой по С- схеме является криволинейная линия фокусов и выполнение условия двойной фоку- сировки лишь для одной осевой орбиты, что не позволяет использовать многокол- лекторные детекторы и требует применения последовательной развёртки масс- спектра, выводящей мономассовые ионы в приемную щель одноколлекторного де- тектора. На сегодняшний день известна лишь одна группа вариантов двухкаскадных СМА с двойной фокусировкой, допускающих возможность достижения двойной фо- кусировки одновременно по всему масс-спектру. Это варианты типа Маттауха-
Герцога с расположением ЭС и МС по S-схеме и выполнением МС по конструкции МГ (см. А.А.Сысоев, М.С.Чупахин. Введение в масс-спектрометрию, Атомиздат, 1977, с. 74). Однако общим недостатком данной группы СМА является отсутствие возможно- сти энергофильтрации ионов в связи с принципиальным отсутствием промежуточной фокусировки между ЭС и МС, поскольку выходная щель ИИ в таких вариантах СМА должна располагаться в фокальной плоскости ЭС. Таким образом, наличие промежу- точной фокусировки ионов и возможность обеспечить условия для их энергофильт- рации в известных С-схемах с двойной фокусировкой сопряжены с неизбежной кри- волинейностью линии фокусов и невозможностью обеспечения двойной фокусиров- ки более, чем в одной точке, а известные S-схемы СМА с двойной фокусировкой, до- пускающие двойную фокусировку по всему спектру осевых орбит мономассовых групп, не допускают возможности энергофильтрации ионов. Из сказанного следуют неочевидность и новизна предлагаемого технического решения: за 80 летнюю исто- рию развития СМА с двойной фокусировкой не было предложено ни одного реше- ния, которое нарушило бы указанную коллизию. Предлагаемое автором решение впервые её разрешило. The non-obviousness and novelty of the present invention are defined as follows. Two-stage SMA-focused double focusing MMAs were first described by Mattauch and Herzog in 1934. Around the same time, two-stage C-focusing dual-stage MMAs were known. From then until now, many variants of dual focusing SMA have been proposed, with the arrangement of ES and MS mainly according to the C-scheme (see Hintenberger, Koenig. In the book, Advances in Mass Spectrometry. Publishing House of Inl., 1963, pp. 26-45), since such a scheme allows focusing of ions in front of the MS and establishing the ED. However, a common drawback of all known CMA dual focus CMA variants is the curved focus line and the double focus condition for only one axial orbit, which does not allow the use of multi-collector detectors and requires the use of sequential scanning of the mass spectrum that displays monomass ions into the receiving gap of a single-collector detector. To date, only one group of double-focusing two-stage SMA variants is known, which allow the possibility of achieving double focusing simultaneously over the entire mass spectrum. These are options like Mattau- Duke with the arrangement of ES and MS according to the S-scheme and performing MS according to the MG design (see A.A.Sysoev, M.S. Chupakhin. Introduction to mass spectrometry, Atomizdat, 1977, p. 74). However, a common drawback of this group of SMA is the lack of the possibility of energy filtration of ions due to the fundamental absence of intermediate focusing between the ES and MS, since the output slit of the AI in such variants of the SMA should be located in the focal plane of the ES. Thus, the presence of intermediate focusing of ions and the ability to provide conditions for their energy filtration in known double focusing C-schemes are associated with the inevitable curvature of the focus line and the inability to provide double focusing at more than one point, while the known Dual focusing SMA circuits that allow double focusing over the entire spectrum of the axial orbits of monomass groups do not allow the possibility of ion energy filtration. From the foregoing, the non-obviousness and novelty of the proposed technical solution follows: over the 80-year history of the development of double focusing SMA, no solutions have been proposed that would violate this conflict. The solution proposed by the author first resolved it.
В предлагаемом изобретении поставленная задача решается в рамках С-схем, поскольку, в них создаются условия для двойной фокусировки ионов при обеспече- нии их промежуточной фокусировки (ввиду противоположных знаков дисперсионных коэффициентов ЭС и МС), и возможна установка ЭД. In the present invention, the problem is solved within the framework of C-schemes, since they create conditions for double focusing of ions while ensuring their intermediate focusing (due to opposite signs of the dispersion coefficients of ES and MS), and it is possible to set the ED.
Автором обнаружено, что для обеспечения двойной фокусировки одновре- менно по всему диапазону осевых орбит мономассовых групп ионов необходимо ме- жду ЭД и МС дополнительно установить коллимирующую линзу (КЛ) из расчета, чтобы ее передняя фокальная плоскость, при величине оптической силы, опреде- ляемой коэффициентом дисперсии ЭС в плоскости ЭД согласно равенству (1), была расположена в плоскости оптического изображения ОЩ, в которой установлена ЭД, В этом случае при выборе геометрии МС по конструкции МГ линия фокусов оказыва- ется прямой, и в масс-спектрометрическом режиме приёмные щели многоколлектор- ного детектора должны быть установлены в фокальных плоскостях МС, соответст- вующих осевым орбитам мономассовых групп ионов; при масс-спектрографическом режиме СМА при использовании пространственно протяжённого детектора (ППД), приёмная поверхность ППД должна быть расположена на линии фокусов. Автором обнаружено, что при таком решении в плоскости оптического изображения ОЩ, обеспечивается двойная фокусировка произвольной мономассовой группы ионов. При этом величины дисперсионного коэффициента МС и его оптической силы, сле- довательно, и коэффициента Ст в правой части (1) однозначно определяются кон-
струкцией MC (см. Г.Вольник. Оптика заряженных частиц, Энергоиздат, 1987). Ана- лиз показывает, что, в случае МС конструкции МГ, указанный коэффициент безраз- мерен, т.е. его величина не зависит от радиуса осевой орбиты какой-либо мономас- совой группы. Таким образом, для обеспечения двойной фокусировки по всему спек- тру масс-спектра необходимо: выбрать конструкцию ЭС и его расположение относи- тельно ИИ, рассчитать дисперсионный коэффициент ЭС в плоскости оптического изображения ОЩ, выбрать удобную конструкцию КЛ, рассчитать положение её пе- редней фокальной плоскости при возбуждении линзы, соответствующим величине оптической силы, определённой правой частью (1), после чего установить КЛ между ЭД и МС таким образом, чтобы рассчитанная передняя фокальная плоскость КЛ со- вместилась бы с плоскостью ЭД. The author found that in order to ensure double focusing simultaneously over the entire range of axial orbits of monomass ion groups, it is necessary to establish a collimating lens (CR) between the ED and the MS so that its front focal plane, with the value of the optical power determined by according to equality (1), the ES dispersion coefficient in the ED plane was located in the plane of the optical image of the OS where the ED was installed. In this case, when choosing the MS geometry according to the MG construction, the focus line turns out to be straight, a mass spectrometric mode receiving slot mnogokollektor- Nogo detector should be installed at the focal planes of the MS, The corresponding axial orbits monomassovyh groups of ions; in the mass spectrographic mode of the MCA using a spatially extended detector (PDD), the receiving surface of the PDA should be located on the focus line. The author found that with this solution in the plane of the optical image of the OS, double focusing of an arbitrary monomass group of ions is ensured. Moreover, the values of the dispersion coefficient of the MS and its optical power, therefore, and the coefficient C t in the right-hand side of (1) are uniquely determined MC structure (see G. Volnik. Optics of charged particles, Energoizdat, 1987). The analysis shows that, in the case of the MG of the MG design, the specified coefficient is dimensionless, i.e. its value does not depend on the radius of the axial orbit of any monomass group. Thus, to ensure double focusing over the entire spectrum of the mass spectrum, it is necessary: to select the ES design and its location relative to the AI, calculate the dispersion coefficient of the ES in the plane of the optical image of the OSH, choose a convenient CR design, calculate the position of its front focal the plane upon excitation of the lens, corresponding to the optical power determined by the right-hand side of (1), and then set the CR between the ED and the MS in such a way that the calculated front focal plane of the CR coincides with plane ED.
Настоящее изобретение поясняется чертежом, где The present invention is illustrated in the drawing, where
на Fig. 1 приведена оптическая часть СМА-прототипа; in Fig. 1 shows the optical part of the SMA prototype;
на Fig. 2 показан СМА по настоящему изобретению. in Fig. 2 shows the CMA of the present invention.
На Fig. 1 обозначены: источник 1 ионов, выходная щель 2, апертурная диа- фрагма 3, оптическая ось 4 в дисперсионном по энергии электростатическом секторе (ЭС) 5, оптическая ось б в дисперсионном по энергии магнитном секторе (МС) 7, имеющем входную границу 8 и выходную границу 9 (указаны эффективные границы магнитного поля МС 7). In Fig. 1 are indicated: ion source 1, exit slit 2, aperture diaphragm 3, optical axis 4 in the energy dispersive electrostatic sector (ES) 5, optical axis b in the energy dispersive magnetic sector (MS) 7, having an input boundary of 8 and output boundary 9 (effective boundaries of the magnetic field MS 7 are indicated).
На Fig. 2 обозначены: источник ионов 1, выходная щель 2, апертурная диа- фрагма 3, оптическая ось 4 в дисперсионном по энергии электростатическом секторе (ЭС) 5, энергофильтрующая диафрагма (ЭД) 10 и коллимирующая линза (КЛ) И, оптическая ось б в дисперсионном по энергии магнитном секторе (МС) 7, имеющем входную границу 8 и выходную границу 9 (указаны эффективные границы магнитно- го поля МС 7) In Fig. 2 are indicated: ion source 1, exit slit 2, aperture diaphragm 3, optical axis 4 in the energy dispersive electrostatic sector (ES) 5, energy-filtering diaphragm (ED) 10 and collimating lens (CL) I, optical axis b in the dispersive energy magnetic sector (MS) 7 having an input boundary of 8 and an output boundary of 9 (the effective boundaries of the magnetic field of MS 7 are indicated)
СМА-прототип (см. Fig. 1) выполнен по геометрии Маттауха-Герцога. Выходная щель 2, в плоскость которой фокусирующая система (не показана) источника 1 ио- нов фокусирует ионный пучок, расположена в передней фокальной плоскости ЭС 5. Направления поворота оптической оси 4 в ЭС 5 и оптической оси б в МС 7 противо- положны (S-схема). МС 7 выполнен по конструкции МГ, согласно которой выходная граница 9 пересекает оптическую ось б и входную границу 8 в точке 12. Пучок ио- нов, образованный в источнике 1, фокусируется на плоскость выходной щели 2 фо- кусирующей системой (не показана), ограничивается по размеру выходной щелью 2 и по углу расходимости апертурной диафрагмой 3, далее вблизи оси 4 ионы следуют в направлении электростатического сектора 5, где пространственно разделяются по энергии. После выхода из ЭС 5 ионы движутся в направлении МС 7, входят в него
через границу 8, выходят из него через прямолинейную границу 9, будучи разде- лёнными по массе и собранными в мономассовые группы, движущиеся вблизи соот- ветствующих осевых орбит 13. На Fig.l обозначены осевые орбиты 13, соответсг- вующие трём линиям масс-спектра. После выходы из МС 7 каждая мономассовая группа ионов фокусируется в точках, обозначенных, соответственно, Di ,D2, D3, ко- торые образуют линию фокусов 14, на которой может быть установлена, например, микроканальная пластина пространственно протяженного детектора (ППД) или при- ёмные щели многоколлекторного детектора (на чертеже не показаны). The SMA prototype (see Fig. 1) is made according to the Mattauch-Herzog geometry. The exit slit 2, in the plane of which the focusing system (not shown) of the ion source 1 focuses the ion beam, is located in the front focal plane of ES 5. The directions of rotation of the optical axis 4 in ES 5 and optical axis b in MS 7 are opposite (S diagram). MS 7 is made according to the MG design, according to which the output boundary 9 intersects the optical axis b and the input boundary 8 at point 12. The ion beam formed in the source 1 is focused on the plane of the output slit 2 by a focusing system (not shown), is limited according to the size of the exit slit 2 and the divergence angle of the aperture diaphragm 3, then near the axis 4 ions follow in the direction of the electrostatic sector 5, where they are spatially separated by energy. After exiting ES 5, ions move in the direction of MS 7, enter it through border 8, exit from it through rectilinear border 9, being separated by mass and assembled into monomass groups moving near the corresponding axial orbits 13. In Fig.l, axial orbits 13 are shown, corresponding to three lines of the mass spectrum . After exiting MS 7, each monomassic group of ions is focused at points designated, respectively, Di, D 2 , D 3 , which form a focus line 14, on which, for example, a microchannel plate of a spatially extended detector (PPD) can be mounted or receiving slots of a multi-collector detector (not shown in the drawing).
В изображенном на Fig. 2 варианте СМА заявляемой конструкции, между диспер- сионными по энергии ЭС 5 и МС 7 установлены энергофильтрующая диафрагма (ЭД) 10 и коллимирующая линза (КЛ) 11. ЭД 10 установлена в плоскости оптического изображения щели 2, КЛ 11 установлена таким образом, что плоскость её переднего фокуса при оптической силе КЛ, соответствующей уравнению (1), расположена в плоскости ЭД 10. ЭС 5 и МС 7 установлены по С-схеме. МС 7 выполнен по конструк- ции МГ аналогично Fig. 1. Входная граница 8 неортогональна оптической оси и рас- положена под углом ε к нормали границы, что обеспечивает удаление линии фоку- сов от выходной границы 9. Пучок ионов, образованный в ИИ 1, фокусируется на плоскость выходной щели 2 фокусирующей системой (на Fig. 2 не показана), огра- ничивается по размеру выходной щелью 2 и по углу расходимости апертурной диа- фрагмой 3, далее вблизи оси 4 ионы следуют в направлении ЭС 5, где пространст- венно разделяются на моноэнергетичные группы, каждая из которых фокусируется по угловому разбросу в плоскости ЭД 10. Ионы, прошедшие сквозь ЭД 10, фокуси- руются вблизи точки 15. Далее, они следуют вблизи оси б в направлении КЛ 11 и далее, к МС 7, выходят из него, будучи сформированными в пространственно разде- ленные мономассовые группы, движутся вблизи соответствующих осевых орбит 13. На Fig.2 обозначены осевые орбиты 13, соответствующие трём линиям масс-спектра. На выходе из МС 7 каждая мономассовая группа ионов фокусируется в соответст- вующих точках, обозначенных Di ,D2/ D3, которые образуют линию фокусов 14, на которой могут быть установлены, например, микроканальная пластина ППД (режим масс-спектрографа) или приёмные щели многоколлекторного детектора (многокол- лекторный масс-спектрометр). In the depicted in Fig. 2 variant of the MCA of the claimed design, between the energy dispersive ES 5 and MS 7, an energy-filtering diaphragm (ED) 10 and a collimating lens (CL) 11 are installed. ED 10 is installed in the plane of the optical image of slit 2, CL 11 is installed so that the plane its front focus with optical power CR, corresponding to equation (1), is located in the plane of ED 10. ES 5 and MS 7 are installed according to the C-scheme. MS 7 is made by the design of MG similarly to Fig. 1. The input boundary 8 is non-orthogonal to the optical axis and is located at an angle ε to the normal to the boundary, which ensures that the focus line is removed from the output boundary 9. The ion beam formed in AI 1 focuses on the plane of the exit slit 2 by the focusing system (in Fig. .2), is limited by the size of the exit slit 2 and by the divergence angle of the aperture diaphragm 3, then near the axis 4 the ions follow in the direction of ES 5, where they are spatially separated into monoenergetic groups, each of which focuses in angular scatter in the plane ED 10. Ions passing through ED 10 are focused near point 15. Next, they follow the axis b in the direction of CR 11 and further, to MS 7, exit it, being formed into spatially separated monomass groups, move near the corresponding axial orbits 13. In Fig.2, the axial orbits 13 corresponding to the three lines of the mass spectrum are indicated. At the exit from MS 7, each monomassic group of ions is focused at the corresponding points, denoted by Di, D 2 / D 3 , which form the focus line 14, on which, for example, a microchannel plate PPD (mass spectrograph mode) or receiving slots of a multi-collector detector (multi-collector mass spectrometer).
Между ИИ 1 и ЭС 5 может быть установлена электростатическая линза или сис- тема линз (на Fig. 2 не показаны) для осуществления возможности электрической настройки масс-спектрального разрешения СМА. An electrostatic lens or a lens system (not shown in Fig. 2) can be installed between AI 1 and ES 5 to enable the electrical adjustment of the mass spectral resolution of the SMA.
ЭС 5 может быть выполнен в виде сектора электростатического конденсатора с эквипотенциальной оптической осью, углом φθ и радиусом ге поворота оптической
оси, аксиальным радиусом ае кривизны ее эквипотенциали, и установлен на рас- стояний L' от ОЩ до ЭС и на расстоянии L" от ЭС 5 до ЭД 10, величины которых связаны с коэффициентом De энергетической дисперсии ЭС 5 параметрической зави- симостью: ES 5 can be made in the form of a sector of an electrostatic capacitor with an equipotential optical axis, angle φ θ and radius r e of rotation of the optical axis, the axial radius a e of curvature of its equipotential, and is set to the distance L 'from OSH to ES and at a distance L "from ES 5 to ED 10, the values of which are associated with the coefficient D e of the energy dispersion of ES 5 with a parametric dependence:
L'= re (ce+l/t)/(co se) q', мм; L '= r e (c e + l / t) / (co s e ) q', mm;
L"= re (ce+t)/(co se) q", мм; L "= r e (c e + t) / (co s e ) q", mm;
De= re (l+t)/co2q, мм; D e = r e (l + t) / co 2 q, mm;
где Се=со5(го фе), se=sin(co-(pe), where Се = ω5 (фο e ), s e = sin (co- (p e ),
co=V(2- Ге/Эе) - параметр «тороидальное™» конденсатора, co = V (2-Ge / Ee) - parameter "toroidal ™" of the capacitor,
q,q',q" - поправочные множители, обусловленные малыми поправками, свя- занными с учётом влияния краевых полей ЭС, значения которых лежат в диапазоне между 0,9 и 1,1; параметр t>0. q, q ', q "- correction factors due to small corrections related to the influence of ES edge fields whose values lie in the range between 0.9 and 1.1; parameter t> 0.
В наиболее известных вариантах ЭС в виде цилиндрического и сферического конденсаторов co=V2 и ω=1, соответственно.
In the most famous versions of ES in the form of a cylindrical and spherical capacitors co = V2 and ω = 1, respectively.
Claims
1. Статический масс-анализатор ионов, включающий источник ионов (ИИ), фокуси- рующую систему, объектную щель, апертурную диафрагму, дисперсионные по энергии элек- тростатический сектор (ЭС) и магнитный сектор (МС) в виде двухполюсного магнита с посто- янным зазором между полюсами, и систему одновременной регистрации масс-спектральных линий, при этом выходная граница МС плоская и выполнена таким образом, что эффектив- ные границы магнитного поля и входная оптическая ось пересекаются в одной точке. ЭС ус- тановлен относительно МС так, что направления поворота оптических осей в ЭС и МС совпа- дают, и установлен относительно ИИ таким образом, что плоскость оптического изображе- ния объектной щели расположена между ЭС и МС, в плоскости оптического изображения объектной щели установлена энергофильтрующая диафрагма (ЭД), между ЭД и МС установ- лена коллимирующая линза (КЛ), передняя фокальная плоскость которой расположена в плоскости ЭД при величине оптической силы КЛ, удовлетворяющей соотношению: где PL - оптическая сила КЛ, мм"1; 1. A static mass analyzer of ions, including a source of ions (AI), a focusing system, an object slit, an aperture diaphragm, energy dispersive electrostatic sector (ES) and magnetic sector (MS) in the form of a bipolar magnet with a constant the gap between the poles, and a system for simultaneously recording mass spectral lines, while the output boundary of the MS is flat and made in such a way that the effective boundaries of the magnetic field and the input optical axis intersect at one point. The ES is set relative to the MS so that the directions of rotation of the optical axes in the ES and MS coincide, and is set relative to the AI in such a way that the plane of the optical image of the object slit is located between the ES and the MS, and an energy-filtering filter is installed in the plane of the optical image of the object slit aperture (ED), a collimating lens (CR) was installed between the ED and the MS, the front focal plane of which is located in the ED plane with the CR optical power satisfying the relation: where P L is the CR optical power, mm "1 ;
De - коэффициент дисперсии по энергии ЭС в плоскости ЭД, мм; D e is the dispersion coefficient for ES energy in the ED plane, mm;
Ст - безразмерный коэффициент, определяемый конструкцией магнитного сектора, численно равный произведению коэффициента дисперсии по массе и оптической силы МС, одинаковый для всех осевых орбит мономассовых групп ионов в поле МС. C m is the dimensionless coefficient determined by the design of the magnetic sector, numerically equal to the product of the mass dispersion coefficient and the optical power of the MS, the same for all axial orbits of monomass ion groups in the MS field.
2. Статический масс-анализатор по п.1, отличающийся тем, что система одновремен- ной регистрации масс-спектральных линий выполнена в виде многоколлекторного приемни- ка ионов с электрической регистрацией ионных токов, приёмные щели которого установлены в фокальных плоскостях МС, соответствующих осевым орбитам регистрируемых мономасо- вых компонент ионного пучка. 2. The static mass analyzer according to claim 1, characterized in that the system for simultaneous registration of mass spectral lines is made in the form of a multi-collector ion receiver with electrical registration of ion currents, the receiving slots of which are installed in the focal planes of the MS corresponding to the axial orbits registered monomass components of the ion beam.
3. Статический масс-анализатор по п.1, отличающийся тем, что система одновремен- ной регистрации масс-спектральных линий выполнена в виде пространственно протяженного детектора, приемная поверхность которого установлена на линии фокусов статического масс-анализатора. 3. The static mass analyzer according to claim 1, characterized in that the system for simultaneously recording mass spectral lines is made in the form of a spatially extended detector, the receiving surface of which is mounted on the focal line of the static mass analyzer.
4. Статический масс-анализатор по п.1, отличающийся тем, что между объектной ще- лью и ЭС установлена по меньшей мере одна линза для электрической настройки СМА. 4. The static mass analyzer according to claim 1, characterized in that at least one lens is installed between the object slit and the ES for the electrical adjustment of the SMA.
5. Статический масс-анализатор по п.1, отличающийся тем, что ЭС выполнен в виде сектора электростатического конденсатора с эквипотенциальной оптической осью, углом q>e и радиусом ге поворота оптической оси, аксиальным радиусом ае кривизны ее эквипотен- циали, и установлен на расстоянии L' от ОЩ до ЭС и на расстоянии L" от ЭС 5 до ЭД 10, которые связаны с коэффициентом De энергетической дисперсии ЭС 5 параметрической за- висимостью: 5. The static mass analyzer according to claim 1, characterized in that the ES is made in the form of a sector of an electrostatic capacitor with an equipotential optical axis, the angle q> e and the radius r e of rotation of the optical axis, the axial radius a e of curvature of its equipotential, and is installed at a distance L 'from OSH to ES and at a distance L "from ES 5 to ED 10, which are associated with the coefficient D e of the energy dispersion of ES 5 parametric dependence:
L'= re-(ce+l/t)/(co-Se)-q', м; L '= r e - (c e + l / t) / (co-Se) -q', m;
L"= re (Ce+t)/(co Se) q", мм; L "= r e (Ce + t) / (co S e ) q", mm;
De= re (l+t)/co2 q, м; D e = r e (l + t) / co 2 q, m;
ГДе Ce=COS(cO (pe), se=sin(co (pe), a>=V(2- re ae), Where Ce = COS (cO (p e ), s e = sin (co (p e ), a> = V (2-r e a e ),
q,q',q" - поправочные множители, обусловленные малыми поправками, связанными с учётом влияния краевых полей ЭС, значения которых лежат в диапазоне между 0,9 и 1,1; параметр t>0. q, q ', q "- correction factors due to small corrections related to the influence of edge fields of ES, whose values are in the range between 0.9 and 1.1; parameter t> 0.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011128285/07A RU2456700C1 (en) | 2011-06-30 | 2011-06-30 | Static ion mass analyser |
RU2011128285 | 2011-06-30 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2013002683A1 true WO2013002683A1 (en) | 2013-01-03 |
Family
ID=46847580
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/RU2012/000550 WO2013002683A1 (en) | 2011-06-30 | 2012-06-29 | Static ion mass analyzer |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2456700C1 (en) |
WO (1) | WO2013002683A1 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2533383C1 (en) * | 2013-06-06 | 2014-11-20 | Вячеслав Иванович Козловский | Method of separating charged particles according to specific charge |
WO2015057042A2 (en) * | 2013-10-18 | 2015-04-23 | Алдан Асанович САПАРГАЛИЕВ | Mass spectrometer and elements thereof |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4300044A (en) * | 1980-05-07 | 1981-11-10 | Iribarne Julio V | Method and apparatus for the analysis of chemical compounds in aqueous solution by mass spectroscopy of evaporating ions |
EP0475674A2 (en) * | 1990-09-07 | 1992-03-18 | FISONS plc | Method and apparatus for mass spectrometry |
RU2017143C1 (en) * | 1991-04-23 | 1994-07-30 | Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе РАН | Method of determining elementary composition of solid body |
RU2231165C2 (en) * | 2002-03-04 | 2004-06-20 | Трошков Михаил Львович | Multicollector magnetic mass spectrometer |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4423324A (en) * | 1977-04-22 | 1983-12-27 | Finnigan Corporation | Apparatus for detecting negative ions |
-
2011
- 2011-06-30 RU RU2011128285/07A patent/RU2456700C1/en not_active IP Right Cessation
-
2012
- 2012-06-29 WO PCT/RU2012/000550 patent/WO2013002683A1/en active Application Filing
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4300044A (en) * | 1980-05-07 | 1981-11-10 | Iribarne Julio V | Method and apparatus for the analysis of chemical compounds in aqueous solution by mass spectroscopy of evaporating ions |
EP0475674A2 (en) * | 1990-09-07 | 1992-03-18 | FISONS plc | Method and apparatus for mass spectrometry |
RU2017143C1 (en) * | 1991-04-23 | 1994-07-30 | Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе РАН | Method of determining elementary composition of solid body |
RU2231165C2 (en) * | 2002-03-04 | 2004-06-20 | Трошков Михаил Львович | Multicollector magnetic mass spectrometer |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2456700C1 (en) | 2012-07-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108352292B (en) | Improved ion mirror and ion optical lens for imaging | |
AU2014204936B2 (en) | Mass spectrometer with optimized magnetic shunt | |
US6984821B1 (en) | Mass spectrometer and methods of increasing dispersion between ion beams | |
Wannberg et al. | Design principles in electron spectroscopy | |
Burgoyne et al. | An introduction to ion optics for the mass spectrograph | |
Liu et al. | Design of a lens table for a double toroidal electron spectrometer | |
CA2897899C (en) | Mass spectrometer with improved magnetic sector | |
WO2006079096A2 (en) | Ion optics systems | |
JPS6110843A (en) | Multiplex simultaneous detectable high purity mass analyzer | |
Beynon et al. | A novel, double-focusing spectrometer for translational-energy-loss spectroscopy | |
WO2013002683A1 (en) | Static ion mass analyzer | |
EP0202117B1 (en) | Double focusing mass spectrometers | |
US20100237240A1 (en) | Sample holder apparatus to reduce energy of electrons in an analyzer system and method | |
JP5521255B2 (en) | Magnetic achromatic mass spectrometer with double focusing | |
KR20180115767A (en) | Extraction system for charged secondary particles for use in mass spectrometers or other charged particle devices | |
RU2327246C2 (en) | Electrostatic energy analyser for parallel stream of charged particles | |
Matsuda | Mass spectrometers of high transmission and high resolving power | |
RU2294579C1 (en) | Analyzer of energies of charged particles | |
Yavor | Electrostatic energy analyzers | |
US20240136167A1 (en) | Mass spectrometer and method | |
Bhatia et al. | A novel variable dispersion zoom optics for isotope ratio sector field mass spectrometer | |
Kumar et al. | Development of an indigenous multi-collector inductively coupled plasma mass spectrometer | |
SU1128308A2 (en) | Mass spectrometer | |
Kuzema et al. | Mass spectrometers with magnetic focusing prisms | |
RU93581U1 (en) | MONOCHROMATOR FOR ELECTRONS WITH LOW ENERGY |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 12804019 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 12804019 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |