Реализация квадрупольного масс-анализатора типа «фильтр масс» на основе плоских дискретных электродов

Современные задачи определения химического состава сложных смесей предъявляют высокие требования к методам анализа по точности и достоверности. Поэтому проведение исследований, направленных на создание приборов с улучшенными аналитическими и потребительскими характеристиками, является важной и актуальной задачей.

Среди известных методов микроанализа состава вещества важное место занимают масс-спектрометрические методы, позволяющие проводить исследование материи во всех агрегатных состояниях. Масс-спектрометрия — это физический метод, основанный на измерении массы заряженных частиц материи, используемый для анализа вещества в течение более чем 50 лет. Этот метод, сегодня рутинно используемый в тысячах лабораторий и предприятий мира, имеет в своей основе фундаментальные знания природы вещества и использует основополагающие физические принципы явлений. Существенное отличие масс-спектрометрии от других аналитических физико-химических методов состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, а масс-спектрометрия имеет дело с самими частицами вещества. Масс-спектрометрия измеряет их массы, вернее соотношение массы к заряду.

Масс-спектрометрические приборы широко применяются в науке и технике благодаря высокой чувствительности, быстроте анализа, возможности исследования многокомпонентных смесей и возможности состыковки с другой аналитической аппаратурой.

В настоящее время существует потребность в универсальных, относительно простых, компактных и в то же время обладающих высокими аналитическими характеристиками масс-спектрометрах.

Квадрупольный масс-анализатор — один из основных видов масс-анализаторов масс-спектрометра. Он используется как преданализатора в сочетании с другими типами масс-анализаторов или в качестве столкновительной ячейки для более детальной идентификации исследуемых веществ. Кроме этого с успехом используется в качестве газоанализатора в вакуумных камерах или течеискателях.

Использование квадруполя в качестве газоанализатора в вакуумных системах обусловлено прежде всего стабильностью его работы при низком уровне вакуума (порядка мТорр). При этом габариты самого анализатора (фильтра масс) создают некоторые трудности при размещении данных анализаторов (зондов) в вакуумных камерах. Зонд — основная часть газоанализатора и его повреждение во время монтажа зачастую приводит к его замене либо ремонту. Рабочая область при этом находится между 2-мя цилиндрическими электродами и составляет в диаметре не более 10 мм. Методы формирования поля с квадратичным распределением потенциала позволит как минимум уменьшить габариты анализатора в диаметре, а как максимум — уменьшить и его линейные габариты за счет уменьшения влияния краевых полей на распределения потенциала внутри рабочей области.

Разработан макет квадрупольного масс-анализатора, использующего для формирования в рабочей области поля с квадратичным распределением потенциала при помощи системы из дискретных электродов. Задание соответствующих потенциалов на электродах задается при помощи специального делителя напряжения. В зависимости от назначения анализатора (газоанализ, система транспортировки пакетов заряженных частиц, столкновительная ячейка) будут использоваться различные делители напряжения. За счет применения систем дискретных электродов вместо традиционных (электродов гиперболического или круглого сечения) уменьшатся размеры полезадающей системы, упростится юстировка, минимизируется влияние краевых полей, что в конечном счете приведет к уменьшению массово-габаритных параметров и стоимости конечного прибора.

Рассмотрим возможность реализации анализатора с любым соотношением размеров рабочей области по координатам x и y. Известно, что двумерная гиперболическая электродная система неограниченных размеров (рисунок.1) создает поле с квадратичным распределением потенциала по осям X и Y вида:

,(1)

где φ₀ — потенциала на электродах, r₀ — минимальное расстояние от оси Z до электрода (радиус поля).

Рис. 1.Траектории движения ионов в плоскости XOY в ВЧ поле с квадратичным распределением потенциала

Рис. 2.Траектории движения ионов в плоскости XOY в линейном ВЧ поле при повороте системы на угол Θ = π/4

Осуществим поворот декартовой системы координат на угол Θ = π/4 (рисунок 2) и проведем преобразование переменных:

,(2а)

,(2б)

где x, y — координаты некоторой точки относительно декартовой прямоугольной системы координат, x’, y’ — координаты этой же точки относительно новой прямоугольной системы координат с тем же началом, повернутой относительно системы 0XY на угол Θ (угол отсчитывается в положительном направлении).

Таким образом, в новой системе координат X’Y’ формулу (1) можно переписать

,(3)

,(4)

Из формулы (5) можно видеть, что в системе координат 0X’Y’ потенциал вдоль осей X’ и Y’ изменяется по линейному закону. Это означает, что в любом направлении, перпендикулярном асимптотам гиперболических электродов, потенциал изменяется линейно.

Отсюда следует, что если вдоль этих направлений выделить замкнутую прямоугольную границу и задать вдоль нее распределение потенциала, изменяющееся по линейному закону, то такая структура будет создавать идеальное квадрупольное поле внутри этой ограниченной области.

На рисунке 2 представлена конструкция исследуемых фильтров масс: с гиперболическими электродами, с круглыми электродами, с плоскими дискретно-точечными электродами. Исследовались масс-анализаторы с различными конструкциями электродных систем [3, С. 52–56]. Для всех анализаторов было принято одинаковое значение параметра r0=14mm. При этом поперечные размеры фильтра масс с гиперболоидными электродами составляли а=60мм, диаметр фильтра масс с круглыми электродами — d=92mm, размер анализатора с дискретным распределением потенциалов- b=20mm.

Таким образом, существует возможность замены традиционно используемых систем с гиперболоидными и круглыми электродами на системы из плоских электродов с линейно-дискретным распределением потенциала без ухудшения электрического поля внутри анализатора. Это позволит создавать масс-анализаторы типа «фильтр масс» (квадрупольного масс-анализатора) с меньшими габаритами и более технологичные в изготовлении и настройки.

Литература:

1. Сысоев А. А., Чупахин М. С. Введение в масс-спектрометрию — М.: Атомиздат. 1977. 304 с.
2. Слободенюк Г. И. Квадрупольные масс-спектрометры. — М.: Атомиздат. 1974. 272 с.
3. Дягилев А. А., Гуров В. С., Мамонтов Е. В. Сравнительная оценка точности распределения потенциала в масс-анализаторах типа «фильтр масс» с различной геометрией электродной системы // Электроника: Межвуз. сб. науч. тр. Рязань. 2006. С. 52–56.
4. Гуров В. С., Мамонтов Е. В., Дягилев А. А. Электродные системы с дискретным линейным распределением ВЧ потенциала // Масс-спектрометрия. 2007. Т.4. № 2. С.139–142.
5. Дягилев А. А. Исследование времяпролетного механизма разделения заряженных частиц в высокочастотных полях с квадратичным распределением потенциала: Дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук: 05.27.02 — ГОУВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» — Рязань, 2010.- 123 с.