Разработка ионно-оптических систем с планарными дискретными электродами для времяпролетных масс-анализаторов ионов

Среди многообразия методов анализа вещества масс-спектрометрический метод является наиболее эффективным. Принцип действия большинства масс-спектрометрических приборов основан на разделении заряженных частиц с различным отношением M/Z при движении в статических или высокочастотных электрических и магнитных полях.

Масс-спектрометрические приборы делятся на статические и динамические. Разработка первых статических масс-спектрометров связана с опытами по изучению движения ионов в скрещенных электрических и магнитных полях [1−3]. Основным направлением развития приборов данного типа было изучение фокусирующих свойств магнитных и электрических полей с различной конфигурацией [4−9]. Результаты исследований и конструкции приборов описаны в работах [10−12]. Теоретические аспекты фокусирующих свойств статических масс-спектрометров с магнитными полями были подробно изучены и изложены в 1930;х годах в работах [13, 14]. Наибольшая разрешающая способность была получена в приборах с магнитными секторными полями [15, 16].

Развитие масс-спектрометрии в сороковые и пятидесятые годы было обусловлено требованиями химического анализа в промышленности и сосредоточено на разработке динамических масс-спектрометров. Одним из приборов такого типа является времяпролетный масс-спектрометр (ВПМС). ВПМС обладает наименьшим временем анализа и теоретически неограниченным диапазоном анализируемых масс. Принцип действия таких приборов основан на разделении ионов по времени пролета (в бесполевом пространстве или с использованием электрических и магнитных полей), что для частиц с одинаковой энергией эквивалентно разделению по массе.

Проблемы ВПМС с бесполевым пространством дрейфа связаны с чувствительностью аналитических параметров к энергетическому разбросу ионов. Используя отражение в электрических полях (ионное зеркало), можно увеличить предельный энергетический разброс до нескольких процентов. Увеличение длины траектории является также эффективным способом повышения разрешающей способности ВПМС, однако возникает проблема устойчивости ионного пучка на большой длине пролета, и увеличиваются размеры самого прибора. Использование метода ортогонального ускорения, применение многопроходных и многооборотных ионно-оптических систем (ИОС) значительно улучшает характеристики времяпролетных масс-спектрометров за счет увеличения длины траектории и снижения влияния разброса начальных параметров ионов. Однако такие ИОС являются достаточно сложными устройствами с точки зрения конструкции и технологии изготовления. Ионные зеркала, многооборотные и многопроходные системы имеют большое число электродов требующих точной установки и поддержания на них заданного потенциала. Одним из способов устранения влияния энергетического разброса ионов является применение линейных высокочастотных (ВЧ) электрических полей. Исследование траекторий движения ионов в таких полях доказало возможность создания анализаторов, обладающих временной фокусировкой заряженных частиц по энергии и углам, большой длиной траектории движения ионов при малых размерах электродной системы. Приборы с линейными электрическими полями имеют ИОС, состоящие из дискретных электродов. Важную роль в таких системах играет число элементов, из которых состоят электроды. При увеличении числа элементов снижается уровень искажений поля вблизи электродов системы и расширяется рабочая область анализаторов. Однако при этом усложняется задача ВЧ питания такой системы, так как необходимо поддерживать с большой точностью потенциалы на всех элементах каждого электрода.

Актуальность темы

.

В настоящее время существует потребность в масс-спектрометрических приборах обладающих высокими аналитическими характеристиками, малым временем анализа, имеющих простую конструкцию, малые габариты и невысокую стоимость. Указанным параметрам удовлетворяют времяпролетные масс-спектрометры с линейными ВЧ электрическими полями. Учитывая сложный характер движения ионов в линейных ВЧ полях, актуальной является задача углубленного изучения механизмов времяпролетного масс-разделения и оценки факторов, влияющих на характеристики радиочастотных времяпролетных масс-спектрометров. Для практической реализации таких приборов необходима разработка ионно-оптических систем, позволяющих образовывать линейные высокочастотные поля, протяженные вдоль оси дрейфа ионов.

Цель работы и задачи исследований.

Целью работы является исследование структуры колебаний и характеристик времяпролетного масс-разделения ионов в высокочастотных электрических полях и разработка ионно-оптических систем с планарными дискретными электродами для радиочастотных времяпролетных масс-спектрометров.

Поставленная цель достигается решением ряда задач:

• изучение спектров колебаний ионов в высокочастотных электрических полях с параметрами Матье, а = О и д «1;

• получение аналитических зависимостей, учитывающих влияние начальных параметров заряженных частиц на шкалу масс и разрешающую способность времяпролетных радиочастотных масс-анализаторов ионов;

• разработка ионно-оптических систем с протяженными вдоль оси дрейфа ионов двумерными ВЧ электрическими полями;

• разработка методов проектирования ионно-оптических систем с планарными дискретными электродами;

• разработка экспериментального времяпролетного радиочастотного масс-анализатора ионов с планарными дискретными электродами.

Научная новизна результатов работы.

В диссертационной работе получен ряд новых результатов важных при разработке ионно-оптических систем времяпролетных масс-спектрометров:

• численным моделированием возвратных колебаний ионов в линейных ВЧ электрических полях с параметрами Матье а-0, д «1 показано, что колебания ионов могут быть представлены комбинацией из трех компонент: основной низкочастотной и двух высокочастотных;

• установлено, что наличие ВЧ компонент придает колебательный характер линейной шкале масс. В радиочастотных времяпролетных масс-анализаторах монопольного типа величина колебаний обратно пропорциональна массе ионов и не зависит от их начальных параметров. В масс-анализаторах дипольного типа амплитуда колебаний не зависит от массы и углов влета ионов, а при увеличении их энергии ввода и уменьшении начальной координаты уменьшается;

• для разработки ионно-оптических систем с планарными дискретными электродами разработан метод проектирования, использующий понятие «среднего потенциала» элементов электрода;

• для времяпролетных масс-спектрометров с линейными ВЧ электрическими полями предложены и разработаны варианты ионнооптических систем с планарными многоэлементными электродами с переменной прозрачностью.

Достоверность научных выводов.

Достоверность научных выводов работы подтверждается сопоставлением результатов аналитических расчетов с результатами моделирования, оценкой точности используемых численных методов моделирования, использованием при расчетах известных положений фундаментальных наук.

Практическая значимость.

• Получены выражения, позволяющие оценить влияние начальных параметров ионов на величину отклонения шкалы масс для времяпролетных анализаторов монопольного и дипольного типов. Установлено, что амплитуда колебаний минимальна при оптимальной фазе ввода ионов в анализатор ф0, = Зтс/2 .

• Показано, что применение ионно-оптических систем из планарных дискретных электродов с переменной прозрачностью позволяет уменьшить габариты анализатора (по сравнению с дипольной системой) при малой.

5ф < 10−4) нелинейности распределения потенциала.

• Разработана ионно-оптическая система, состоящая из планарного дискретного электрода с постоянной прозрачностью и гиперболического электрода, которая имеет более простую и технологичную конструкцию и позволяет формировать двумерные линейные электрические поля с относительной погрешностью не хуже 5ф < 6 • 10″ 4.

• С помощью программного обеспечения 8оНс1? огк8 разработана и оптимизирована конструкция масс-анализатора с ионно-оптической системой из «гибридных» электродов.

• Разработан и изготовлен экспериментальный радиочастотный времяпролетный масс-анализатор ионов.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении НИОКР «Разработка опытного образца радиочастотного времяпролетного масс-анализатора ионов» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, НИР «Разработка теории и методов масс-разделения ионов по времени пролета в линейных высокочастотных полях для высокоскоростных приборов микроанализа состава и структуры вещества» при поддержке гранта РФФИ (№ 10−297 500), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 гг., в учебном процессе РГРТУ по курсам «Физические основы технологии производства приборов промышленной электроники», «САПР устройств электроники».

Научные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. В радиочастотных времяпролетных масс-анализаторах ионов монопольного и дипольного типов зависимость отклонения шкалы масс от линейной имеет характер, близкий к гармоническому. В масс-анализаторах монопольного типа амплитуда отклонений обратно пропорциональна массе ионов и не зависит от их начальных параметров х0, vQx, а в масс-анализаторах дипольного типа амплитуда отклонений не зависит от массы ионов и является функцией начальных параметров.

Л’дтах-^АЛ.+К,).

2. Для образования двумерных линейных электрических полей планарными многоэлементными электродами применима концепция «средних потенциалов» их элементов. В дальней зоне электрические поля, образуемые планарными дискретными электродами из элементов с различной геометрией и одинаковыми размерами, совпадают с погрешностью не хуже 1СГ3 при условии равенства их «средних потенциалов».

3. Ионно-оптические системы из комбинации гиперболических и планарных многоэлементных электродов с шагом дискретности Ау < 0,01позволяют образовывать электрические поля с относительной погрешностью не хуже 2-Ю-4 при размерах электродных систем по оси X в 2−3 раза меньших по сравнению с системами из гиперболических электродов.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались в рамках Десятого Всероссийского семинара «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», Москва, 2011; на V-ом съезде ВМСО в рамках IV-ой Всероссийской конференции с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы», Москва, 2011; на международной конференции «19th International Mass Spectrometry Conference», Kyoto, Japan, 2012.

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, из них 6 работ в ведущих рецензируемых журналах и изданиях (6 статей в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ), 6 работ — в материалах российских и международных научно-технических конференций. Две работы опубликованы в изданиях, входящих в список базы данных Journal Citation Reports (Web of Science). Получен один патент на изобретение и одно решение о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 146 страниц основного текста, иллюстрированные 70 рисунками, библиографический список, состоящий из 86 источников на 9 страницах.

Заключение

.

В работе исследованы структура колебаний и характеристики времяпролетного масс-разделения ионов в линейных высокочастотных электрических полях с малыми значениями параметров Матье и разработаны ионно-оптические системы с планарными дискретными электродами из эквипотенциальных элементов для радиочастотных времяпролетных масс-спектрометров.

Основные научные положения и результаты работы: 1. Определен спектральный состав колебаний ионов в двумерных ВЧ электрических полях с параметром Матье, а = О, д «1. Установлено, параметров: А? Дтах ~ х0 /(у0л: + 5У0у). Наименьшая амплитуда отклонений шкалы масс соответствует оптимальной фазе ввода ионов фор1 = Зл / 2.

3. Методами численного моделирования показано, что в дальней зоне (х>Аи) электрические поля, создаваемые элементами планарных.