1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 29651
(51) H01J 49/00 (2006.01)
B01D 59/44 (2006.01)
МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2013/1475.1
(22) 31.10.2013
(45) 16.03.2015, бюл. №3
(72) Бимурзаев Сеиткерим Бимурзаевич; Назаренко
Леонид Михайлович; Якушев Евгений Михайлович
(73) Некоммерческое акционерное общество
"Алматинский университет энергетики и связи"
(56) Patent US 2001/0011703, 2001
(54) ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТР
(57) Изобретение относится к области
приборостроения, а именно к масс- спектрометрии и
может применяться в биоорганической химии для
идентификации и количественного анализа
различных веществ и их смесей, а также в
космических исследованиях и других областях при
условиях жестких ограничений массы и габаритов.
Предложены два варианта времяпролетного
масс-спектрометра простой конструкции. В первом
варианте во времяпролетном масс-спектрометре с
прямым вводом ионов, содержащем ионный
источник, бесполевое дрейфовое пространство и
детектор ионов, ускоряющий промежуток ионного
источника создается бессеточными электродами в
виде соосных трубчатых цилиндров или диафрагм с
круглыми отверстиями или их комбинаций,
формирующих неоднородное электрическое поле
осевой симметрии. Во втором варианте во
времяпролетном масс-спектрометре с
ортогональным вводом ионов, содержащем ионный
источник, бесполевое дрейфовое пространство и
детектор ионов, ортогональный ускоритель ионов
создается бессеточными электродами в виде
планарных (плоскопараллельных) пластин,
разделенных прямыми или круговыми зазорами,
формирующих неоднородное электрическое поле
двумерной или трансаксиальной симметрии. Для
осуществления в плоскости детектора
высококачественной времяпролетной фокусировки
ионов по энергии и их пространственной
фокусировки одновременно неоднородное
электрическое поле различной симметрии,
создаваемое бессеточными электродами,
непосредственно примыкает к выходному окну
области ионизации.
Преимуществом предлагаемого изобретения
является простая и компактная конструкция
времяпролетного масс-спектрометра с высокой
разрешающей способностью и большой
чувствительностью.
(19)KZ(13)A4(11)29651

2. 29651
2
Изобретение относится к области
приборостроения, а именно к масс-спектрометрии и
может применяться в физике при исследованиях
быстро протекающих процессов, в биоорганической
химии для идентификации и количественного
анализа различных веществ и их смесей, а также в
космических исследованиях и других областях при
условиях жестких ограничений массы и габаритов
приборов.
Известен безмагнитный времяпролетный масс-
спектрометр с высокой разрешающей
способностью, содержащий ионный источник,
бесполевое дрейфовое пространство, отражающую
систему с однородным электрическим полем
(ионный рефлектор) и детектор ионов. Ионный
источник известного устройства, состоящий из
области ионизации и ускоряющего промежутка с
однородными электрическими полями, формируют
ионный пакет вблизи источника. Затем ионным
рефлектором осуществляется высококачественная
времяпролетная фокусировка ионов по энергии
этого пакета в плоскости детектора. При
соответствующем выборе параметров ионного
рефлектора время движения ионов от источника до
детектора может быть сделано практически не
зависящим от их энергии, т.е. может быть
достигнута высокая разрешающая способность
(Мамырин Б.А., Каратаев В.И., Шмикк Д.В.,
Загулин В.А. Масс-рефлектрон. Новый
безмагнитный времяпролетный масс-спектрометр с
высокой разрешающей способностью. // ЖЭТФ,
1973, Т.64, Вып.1. с.82-89).
Основными недостатками данного устройства
являются сложность конструкции и низкая
чувствительность. Сложность конструкции связана
с наличием дополнительного элемента - ионного
рефлектора, а низкая чувствительность - с
использованием плоских мелкоячеистых сеток,
установленных на пути движения заряженных
частиц для создания однородного
электростатического поля как в ускоряющем
промежутке ионном источника, так и в отражающей
системе (рефлекторе). Сеточные электроды
физически перекрывают часть пространства для
прохождения ионов, а также приводит к целому
ряду нежелательных эффектов (появление
неконтролируемых зарядов на сетках под действием
ионного потока, прогибы сеток при нагревании и
др.). Для части ионов, претерпевших рассеяние на
сетках, но дошедших до детектора, условия
времяпролетной фокусировки не выполняются, что
непосредственно ведет к уменьшению разрешающей
способности прибора. Кроме того, однородные поля
принципиально не могут дать пространственную
фокусировку ионов в поперечном направлении, что
приводит к их потере в ионном пакете.
Известен времяпролетный масс-спектрометр с
ионным рефлектором, содержащий ионный
источник, бесполевое дрейфовое пространство,
детектор ионов, в котором для повышения
чувствительности отражающая система (рефлектор)
выполнена из бессеточных электродов в виде
кольцевых диафрагм. Совокупность таких
электродов создает неоднородное электрическое
поле осевой симметрии, которое обеспечивает в
плоскости детектора времяпролетную фокусировку
ионов по энергии одновременно с их
пространственной фокусировкой, что обеспечивает
высокую разрешающую способность и большую
чувствительность (Frey R., Schlag Е. Time of flight
mass spectrometer using an ion reflector // US Patent
4731532. 1986).
Основным недостатком данного устройства
является сложность конструкции связанная с
наличием дополнительного элемента - ионного
рефлектора.
Известен способ времяпролетного масс-
спектрометрического анализа по времени пролета
непрерывных ионных пучков, предложенный для
повышения разрешающей способности
времяпролетного масс-спектрометра, содержащего
ионный источник, бесполевое дрейфовое
пространство, ионный рефлектор и детектор ионов,
состоящий в том, что ускоряющий промежуток
источника ионов (ортогональный ускоритель)
преобразует стационарный поток ионов в виде
ионного шнура в импульсные пакеты, которые
вводятся в дрейфовое пространство ортогонально к
оси ионного шнура (Додонов А.Ф.,
Чернушевич И.В., Додонова Т.Ф., Разников В.В.,
Тальрозе В.Л. Способ времяпролетного масс-
спектрометрического анализа по времени пролета
непрерывных ионных пучков. А.с. СССР №1681340
А1, 1987).
Основными недостатками этого устройства
являются сложность его конструкции, связанная с
наличием дополнительного элемента в виде ионного
рефлектора, и низкая чувствительность,
обусловленная использованием сеточных
электродов.
Известен бессеточный времяпролетный масс-
спектрометр с ортогональным вводом ионов,
содержащий ионный источник, дрейфовое
пространство, ионный рефлектор и детектор ионов.
В этом устройстве для повышения
чувствительности электроды ортогонального
ускорителя и дефлектора выполнены в виде
системы диафрагм с отверстиями прямоугольной
формы. Такая система электродов создает
двумерное неоднородное электрическое поле,
которое обеспечивает как пространственную
фокусировку ионов в поперечном (вертикальном)
направлении, так и их времяпролетную
фокусировку на плоскость детектора ионов.
(Franzen J. Gridless time-of-flight mass spectrometer
for orthogonal ion injection. Patent US 2001/0011703
Al, filed Feb. 7, 2001).
Основным недостатком является сложность
конструкции масс-спектрометра, связанная с
наличием дополнительного элемента - ионного
рефлектора.
Ближайшим к заявляемому изобретению
(прототип) является времяпролетный масс-
спектрометр с улучшенным разрешением,
содержащий ионный источник, бесполевое
дрейфовое пространство и детектор ионов (W.C.

3. 29651
3
Wiley, I.H. McLaren. Time-of-Flight Mass
Spectrometer with Improved Resolution. // Rev. Sci.
Instr., 1955, 26, P.1150-1157). В этом приборе, не
содержащем ионный дефлектор, функцию
времяпролетной фокусировки ионных пакетов
непосредственно на плоскость детектора
осуществляет ионный источник, состоящий из
области ионизации и ускоряющего промежутка с
однородным электрическим полем.
Основными недостатками данного устройства
являются сравнительно низкая разрешающая
способность и чувствительность, обусловленные
использованием сеточных электродов для создания
ускоряющего промежутка с однородным
электростатическим полем, поскольку (как
отмечено выше) такая конструкция не может
обеспечить высококачественную времяпролетную
фокусировку по энергии ионных пакетов и их
пространственную фокусировку на плоскость
детектора.
В основу изобретения положена задача создания
времяпролетного масс-спектрометра простой
конструкции с высокой разрешающей способностью
и большой чувствительностью.
Поставленная задача решается в двух вариантах.
Первый вариант решения поставленной задачи
состоит в том, что во времяпролетном масс-
спектрометре, содержащем ионный источник,
бесполевое дрейфовое пространство и детектор
ионов, в соответствии с изобретением, ускоряющий
промежуток ионного источника создается двумя
(или более) бессеточными электродами в виде
соосных цилиндров или диафрагм с круглыми
отверстиями или их комбинаций, как с равными
диаметрами, так и с неравными, формирующих
неоднородное электрическое поле осевой
симметрии.
Второй вариант решения поставленной задачи
состоит в том, что во времяпролетном масс-
спектрометре с ортогональным вводом ионов,
содержащем ионный источник, бесполевое
дрейфовое пространство и детектор ионов, в
соответствии с изобретением, ортогональный
ускоритель ионов создается двумя (или более)
бессеточными электродами в виде пары
плоскопараллельных пластин, разделенных
прямыми или круговыми зазорами, формирующих
неоднородное электрическое поле двумерной или
трансаксиальной симметрии.
В качестве примера возможного использования
заявляемого изобретения расчитаны два варианта
трехэлектродных иммерсионных объективов,
состоящих из двух бессеточных электродов
ускоряющего промежутка (или ортогонального
ускорителя) источника ионов и плоского сеточного
электрода, совмещенного с выходным окном
области ионизации (Кельман В.М., Явор С.Я.
Электронная оптика. //Л, Наука, 1968. с.488). Путем
соответствующего выбора параметров
иммерсионного объектива в плоскости детектора
осуществлена высокое качество времяпролетной
фокусировки ионов по энергии одновременно с их
пространственной фокусировкой, т.е. высокая
разрешающая способность и большая
чувствительность во времяпролетном масс-
спектрометре. При этом отпадает необходимость в
дополнительном элементе - ионном дефлекторе, что
является основанием для создания времяпролетных
масс-спектрометров простой конструкции
различного назначения.
Принципиальные схемы заявляемого
изобретения с расчитанными трехэлектродными
иммерсионными объективами осевой и двумерной
симметрий представлены на фиг.1 и фиг.2.
В первом варианте роль первого (плоского)
электрода иммерсионного объектива выполняет
выходное окно области ионизации, а роли
ускоряющих электродов - два соосных цилиндра
равного диаметра (фиг.1). При этом иммерсионный
объектив имеет следующие параметры: V1=0,
V2/U = 0.111 и V3/U = 1 - потенциалы на первом,
втором и третьем электродах соответственно,
zF = 8.06d - координата z фокальной плоскости
(фокусное расстояние) иммерсионного объектива, а
l=0.743d - ширина второго электрода, где U -
потенциал дрейфового пространства, d - диаметр
цилиндра.
Во втором варианте ускоряющими электродами
служат пары плоскопараллельных пластин,
разделенных прямыми зазорами (фиг.2). При этом
иммерсионный объектив имеет следующие
параметры: V1=0, V2/U = 0.121 и V3/U=1, zF=7.74d,
l=0.873d. Здесь d - расстояние между пластинами
электродов.
При этих значениях параметров в фокальной
плоскости z = zF иммерсионного объектива осевой
(или двумерной симметрии) осуществляется
высокое качество времяпролетной фокусировки
ионов по энергии. Таким образом, в плоскости
детектора (D), совмещенной с фокальной
плоскостью иммерсионного объектива,
одновременно достигается высокое качество
времяпролетной фокусировки ионов по энергии и
их пространственная фокусировка. Именно это
обстоятельство служит основой для создания
времяпролетного масс-спектрометра простой
конструкции с высокой разрешающей способностью
и большой чувствительностью.
Преимуществом предлагаемого изобретения
перед другими известными времяпролетными масс-
спектрометрами является простота конструкции в
сочетании с высокой разрешающей способностью и
большой чувствительностью прибора.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Времяпролетный масс-спектрометр,
содержащий источник ионов, электростатический
ускоритель ионных пакетов, дрейфовое
пространство и детектор ионов, отличающийся
тем, что электростатический ускоритель ионных
пакетов выполнен в виде системы электродов,
состоящей из трех внешних по отношению к
ионному пучку электродов простой формы,
формирующие неоднородное электрическое поле
осевой симметрии, которое, наряду с ускорением,

4. 29651
4
осуществляет одновременно времяпролетную и
пространственную фокусировку ионных пакетов на
входную плоскость детектора ионов,
выталкивающий электрод имеет плоскую форму,
причем поверхность выталкивающего электрода
перпендикулярна к оси пучка, фокусирующий и
ускоряющий электроды представляют собой
соосные трубчатые цилиндры равного диаметра d со
следующими геометрическими и электрическими
параметрами: ширина электродов l=0.743d -
потенциал на электродах Ф2=0.111Ф1, при этом
положение плоскости детектора Z=ZD равно, причем
поверхности ускоряющего и фокусирующего
электродов, являются внешними по отношению к
ионному пучку.
2. Времяпролетный масс-спектрометр по п.1,
отличающийся тем, что ускоряющий и
фокусирующий электроды ускорителя ионов имеют
общую ось вращательной симметрии.
3. Времяпролетный масс-спектрометр по п.1,
отличающийся тем, что ускоряющий и
фокусирующий электроды ускорителя ионов
вытянуты в одном направлении и расположены
симметрично относительно средней плоскости.
Верстка Ж. Жомартбек
Корректор К. Нгметжанова