Движение ионов в квадрупольных полях высоких зон стабильности тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

РГБ ОД

1 П ДПР ISO:)

РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На пряная рукописи УДК 621.384.8

КОНЕНКОВ Николай Витальевич

ДВИЖЕНИЕ ИОНОВ В КВАДРУПОЛЬНЫХ ПОЛЯХ ВЫСОКИХ ЗОН СТАБИЛЬНОСТИ

Специальность 01.04.04. - Физическая электропика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Рязань, 1995

Работа выполнена в Научно-исследовательском технологическом институте Главного управления электронной промышленности Комитета Российской Федерации по оборонным отраслям

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Горелик В.А. доктор физико-математических наук, профессор Привалов В.Е. доктор технических наук Титов В .В.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт атомных реакторов, г. Димитровграа

Защита состоится _1995г. а_часов на заседании специализированного

совета ДР 113.10.99 при Рязанском государственном педагогическом университете (390000, г. Рязань, ул. Свободы, д. 46)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке РГПУ

Автореферат разослан & 1995г.

Учений секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук, доцент

М.В. Чиркин

«

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На первых тгапях развития н становления вадрупольной масс-спектрометрни (конец 1исстилссятых и семидеопие эды) бьша создана теория квядрупольных фильтров масс (КФМ), азработана технология изготовления и сборки электродов с микронной ачностыо, а также решены технические вопросы по созданию ысокостабильиых ВЧ генераторов. В 80-ые голы налажен выпуск серийных 'МО и их широкое внедрение в научные лаборатории доя решения задач мофазной химии ионов, л-рмохимни, пои-молекулярных реакций, химии яасгеров, биохимии, бкомедяцины н биологии, фармокологин, етаболизма и токсикологии, химии продуктов, шотопного анализа, оверхносшого к объемного элементного впалича тверда* тел и др.

В основу работы современных KMC заложен принцип разделения онов по удельным зарядок п первой области стабильности I. Другие зоны габильности большинством исследователей игнорировались. К началу астоящен работы (1989 год) было опубликовано всего четыре статьи, освященных зонам высокого порядка. Предварительные вьшоды по их рактическому использованию были неутешительны. Причиной такого ывода являлось заключение о недопустимо ничком пропускании КФМ я-за проявления краевых нолей, чго следовало ич опыта исследования юны 1.

Основным физическим фактором, ограничивающим разрешающую пособность и диапазон масс КФМ, является конечность времени ортировки ионов (или конечность длины анализатора). Соотношение [ежду оишмальш.ш временем пребывания ионов в краевом поле и ремеием сортировки накладывает ограничение на соотношение длины лекчродон к их радии у. И речучьтате диапазон масс KMC не превышает ООО а.е.м. (с круглыми электродами не более 1000 а.е.и. ).

Таким обргпом. потенциальные возможности режимов разделения юнов в ряде областей были не выявлены и оставались проблема гнчиымн щя практических приложений. В связи с ним актуальной является фоблема поиска полезных фундаме1пальных ионно • онтнчегкнх свойств .ысоких зон стабильности. Это и является целыо настоящей работы.

11 оставленная цель доспи асзся решением следующих задач : - расчеч границ ofui.icivfl стабильности, определение рабочих параметров С'1>\1 и сочдянпе чя основе iTiii о ттлелощпелмзеои апияршурм;

исследование аксгппшсн н пропускания анализатора; анализ влияния ;рае»ых полей: paipafio 1ка необходимых численных методов расчетов:

- исследование илняння времени сортировки конов на разрешающую способность анализатора;

- исследование нелинейных резопансов на геометрических гармониках поля пргменительно к высоким зонам стабильности;

- исследование кинетических характеристик иониою пучка;

- анализ потерь ионов «а согласование фильтров масс мри iiocipoetuu шидсяного aita;mieropa.

Обоснование выбранлмх на»ц>явлений поиск;».

Ориентация ни выявление новых ионно-оитнческих свойств ряд; облат'й пабильносш связала с необходимостью повышения разрешающе* способности. Разрешающая способность Я для обычного режима работа КФМ квадратично зависит от числа л периодов 134 поля пребывания ионо! ь анализаторе: К ~ пУ А , где h - 10 - ЗС - постоянная, зависящая о кач ;сп\а ноля и эффективности согласования источника ионов и фильтр масс. С другой сюроны оптимальная осевая скорость ионов дл эффективною преодоления входных краевых нолей с линейным размеро] порядка г0 ("радиуса" поля) должна составлять z - r0 f 12 , где /- частот

ВЧ поля.

Учшътая указанные факторы, находим ограничение, накладываемо геометрическими размерами анализатора на разрешающую способность:

где L - длина электродов анализатора. Дл* диапазона масс 2 - 1000 a.e.i требуемое значение Rq 5 = 2000, Из указанного соотношения следует, 4i для рассматриваемого случая L й (70 - 120) г0. Изготовление и сбор] электродов с микронной погрешностью при L / г0 > 80 представля непреодолимую техническую задачу. На практике L/r„ s 50 , что привод] к ограничению разрешающей способности и потерям чувствительности i тяжелых массах попов.

Повышение Я предполагает уменьшение транспортной гшерп анализируемых ионов, увеличение частоты ВЧ поля или длт лнали/атора. Увеличение частоты / приводит к росту мощности | генератора как ~ f*. Поэтому типовой диапазон используемых чап составляет 1 - 2,5 Мгц. Длина электродов, как указывалось paît ограничен" возможности ни изготовления и сборки электродов с ммкрокп точностью (1-4 mk.'î) и не превышает 30 см. Уменьшение энергии 1101,

зплоп. до 1 эВ приводит к снижению эффектны юг: и coi ласования источника попов и анализатора.

Из нредстанлепного кразкого анализа современного состояния ICMO, по мнению автора, повышение характеристик нрнбора следует пекан, в 1гримененнн lioiiiio - отическпх cuonimi зон стабильности боЛСС высокого поря; yes.

Научная новизна заюцочается в следующем.

Развита теория фильтра месс я режиме разделения кон»» лмсохих зон стабильности и тем самым создано направление сопсршенс-гпопания квалрунолышд масс-спектр;...-гоо?.

Впервые предложен метод расчета и построения контуров пропускания на фазовой плоское™ начальных положений и скоростей попов на основе комбинации «¡.-Сленных. м его доз Руше-Кутга, Нумсрова и матричного метода решения уравнения Матье.

Впервые показано, что краевые поля увеличивают ахсеитанс КФМ я промежуточной области 111.

Впервые найдены условия максимума пропускании филм-ра масс и зависимости от энергии ионов ¡1 условий ввода пучки ноиоп п анализатор.

Впервые развита теория нелинейных резонаисов на геометрических гармониках поля применительно к высоким зонам стабильности.

Впервые разработан метод численного построения изолиний и рассчитаны плогноети распределения концентрации ионов но сечению пучка.

Впервые экспериментально достигнута разрешающая способность R0¿ = 5400 i 400 на ионах СО+ (т = 27.9949 а.е.и.) и /V] (и = 28.006! а.е.м.) на простых члекчродных структурах (круглых стержнях) при энергии ионов 18 >В и рабочей чаезою ВЧ генератора /- 1.55 Мщ,

Впервые созданы сорезнчсские основы построения тандемного филыра масс (ТФМ), анализаторы которого работают п режимах разделения ионов по второй и промежуточной зонах стабильности.

Впервые определены потери ионов на согласование составных (тандемных) анализаторов, работающих о различных областях стабильное!и. ' ■

Впервые получена оценка разрешающей способности » зависимости ог, времени соршроинм попон дня ряда облаезеи сгабильносш.

Ha защиту ныноснтся следующие положения:

1. Исследования дамжешш ионов в квадрупольных полях высоких зо стабильности обнаруживают следующие фундаментальные Ионнс опт. 1ЧССКИС свойства:

- среди чон высокого порядка, где вошожиа работа с минимально опюоггель.тюй полосой пропускания (Л > 25) без наложения снектральны линий от соседних зон, существует промежуточная зона стабильности П1 двумя рабочими вершинами;

- краевые ноля увеличивают аксептанс в три раза при работе в 30j ' 11 н всегда уменьшают ею при работе в зоне II ;

- падение пропускания Г с увеличением разрешающей способности минимально для режима разделения ионов в зоне III ;

- разрешающая способность JR квадратично зависит от числа периодов ВЧ поля сортировки ионов и максимальна ( R = S000 ) в режю работы области ст абильности Г11(М);

- нелинейные резонансы на leoMtripn'iecxnx гармониках поля низаю] порядка N = 3, 4, 6 в режиме работы зоны 1П(М) при высоких значеии: разрешающей способности не возбуждаются;

- с ростом порядка зоны стабильности оптимальная транспорт» энергия ионов возрастает; так для зоны Г11 она в 6 раз выше, чем д используемой зоны I.

2. Столкновения ионов с нейтральными атомами плазмы ВЧ разря? а также движение ионов в комбинации ВЧ электрического поля постоянного кппдрунолмюго магнитного поля приводит к формирован« зон стабильности с дополнительным параметром,

3. Выявленные полезные ионно • оптические свойства зон высокс порядка позволяют:

- расширить диапазон масс KMC в 2 - б раз по сравнению существующими;

• увеличить разрешающую способность до 5000 , достигаемую простых электродных структурах ;

• расширить диапазон энергий анализируемых ионов до 600 эВ г обеспечении единичной разрешающей способности.

Практическая значимость работы заключается в следующем.

Разработаны методы инженерного проектирования KMC ; создг рабочие про|раммы расчета ионно-оптических характеристик КФ\ аксептаиса. эмиттанса и пропускания. 11а основе использования реж! разделения ионов в зоне Г11(М) создан опытный KMC УАВЗ - 600/2 •

с компьютерным управлением. Получены рабочие характеристики : диапазон масс - 2 - 600 (800) а.е.м., чувствительность по аргону - 10-5 А/Па , предельная разрешающая способность Rgj = 2500 на ионах C¡F^ (М = 169). Легко обнаруживаются следовые примеси благородных газов в воздухе : Не (7.5 • 10-5%), Ne (1-2-10-5%), Кг(3- Ю"4%), Хе (4 • 10-5%).

Создан масс - спектрометр с высокой разрешающей способностью f?0_5 = (100 - 200) М на диапазон масс 2-60 а.е.м.

Создан KMC на основе ТФМ с длиной электродов 12.5 см для анализа ионов с разбросом по энергиям до 500 эВ и высокой зарядного,ю (ЛГг++++).

Разработан серийный KMC УАВ.Э - 200/1 - 010.

Личный вклад автора в диссертационную работу.

Лично автором получены следующие результаты :

- р'азвнта теория нелинейных резонансов на геометрических гармониках пола применительно к зонам высокого порядка, осуществлена постановка эксперимента по их наблюдению ;

• предложен метод оценки разрешающей способности п зависимости от времени сортировки для ряда зон стабильности ;

- созданы основы теории работы и построения тандемного фильтра масс, анализаторы которого функционируют в различных областях стабильности ;

- предложены методы :

- расчета аксентанса и пропускания анашпатора ;

- расчета распределения концентрации попов но ссченшо пучка ;

- расчета потерь на согласование составных анализаторов, работающих п различных областях стабильности ;

- расширения диапазона масс КФМ на основе использования нонно-оптических свойств промежуточной зоны стабильности.

Под научным руководством или личном участи автора :

- создан ряд серийных и опытных образцов KMC : УАВ.Э - 100/2 - 006 i ("ШИК") , УАН.Э - 200/1 • 010 ("ЗЕЛАНДИЯ - 2");

- созданы МС установки для котроля состав;« газон н подкорпусном объеме и1г1с1-рал1,ных микросхем ("31ШС - 1" , "31ДОС - Iя) ;

- раз^р^рдан и, создан первый огечепиепиын ионный микрозоид на базе KMC ("1111 UK ШПИК - 6й) ;

- создан-опыты» образец КМСЗ тидиаг>«зон иагс до 600 а.е.м. с компьютерным управлением ("ЧШШ • I") .

л

Апробация работа. Основные результаты работы, полученные в данной работе, докладывались на 13-й международной конференции по масс-спсктрометрял 1MSC - 13 (1994 , Будапешт), на 11-м годичном заедании секции масс-спектрометрии Сибирского аналитического семинара (1989 , Новосибирск), на 5-м всесоюзном семин.чре по вторичной иош'ой и ионно-фотоннон эмиссии (1987 , Харьков), на семинарах инсппуга общей и неорганической химии РАН, института морфологии и экологии животных РАН, Московского инженерно-физического института (1995, Москва).

Часть научных результатов работы обобщены в обзоре в международном журнале "Itemational Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes" (¡991).

Созданное no результатам работы оборудование представлялось автором на международных выставках : "Наука - 88" (1988 , Москва), Ленпцпгская ярмарка (1989 , Лейпциг), "Электронмаш - 90" (1990 , Москва), 11-я международная торговая ярмарка (1991 , Дели) .

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 33 работы, включая 8 авторехнх свидетельств.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Структура и обт.ем работы. Работа состоит из введения, семи глав и заключения. Она содержит 287 страниц, в том числе: 187 страниц машинописного текста, 87 рисунков, три таблицы и список цитированной литературы нз 124 наименовании.

Глава первая '

Данная глава является обзорной. Рассматриваются принципы работы КФМ: уравнения движения ионов, диаграмма стабильности, питающие напряжения и структура электродов. Исторический обзор высоких зон стабильносгн включает анализ четырех работ. Отмечается, что основным физическим фактором, ограничивающим разрешение, является время сортировки. Наличие краевых полей накладывает ограничение на геомаричсскле размеры фильтра масс при обеспечении заданного разрешения п диапазона пасс. Для устранения указанных ограничений автор предлагает использовать высокие зоны стабильности, что требует решения рчдп mr iMocibisaimi.rx задач, которые формулируются в конце главы.

Глапа вторая

В этой глапе представлены и решены задачи расчета границ рабочих областей рада зон стабильности: определении параметров КФМ, создания экспериментальной аппаратуры для исследования режимол разделения ионов по массам. Представлен анализ влияния магшпиого по.чя и столкновений частиц в плазме ВЧ разряда на формирование границ зон стабильности.

В нерпом разделе представлен метод расчета второй и третьей зон сгабилыюсги. Обласг» II расположена вдоль оси q на интервале (7.513610 , 7.579690). Координата рабочей вершины F имеют значения ¡jf = 7.5747 и ар = 0.02955 . Аппаратурная поло> а пропускания Лт фильтра млсс, контролируемая параметром X = а / 2q-U /V, определяется соотношением:

RaJL^lr s__?íí_- , (1)

Лет Af l~X/Xf

где \r = aF/2qFs 1.9506-10-3.

Зона стабильности III имеет очень узкую полосу пропускания, характеризуемую величиной R = 5000 . Граничные значения полосы пропускания по оси q равны qg s 21.298631 и qp 5 21.30095 . Разрешающая способность й , устанавливаемая соотношением ¿.равна:

. (2)

Ат I — X/Xq

Зоны II, III и выше по оси q являются стабильными одновременно для ряда групп ионов и в этом случае фильтр масс является многополосовым. Поэтому, например, для работы во второй области необходимо удалять тяжелые ионы с массами т > 8.3 тр , где m¡: - масса анализируемого иона.

Во втором разделе представлены результаты ' экспериментального исследования области II . Обнаружено, что при длине электродов L = 27.5 см (г„ = 0.72 см) и рабочей частоте / = I Мгц на ионах Кг+ досшгаегся предельная разрешающая способность Rq $ £ 6ОМ - 2400 . В соответствии с (1) наблюдается уменьшение полосы пропускания Ат с уменьшением массы иона как AmSm/114 при ля<114 а.с.м. Предельное детектируемое давление аргона составляет 4 • Ю-'® Па при регистрации ионов с помошыо вторичного электронного умножителя ВОУ - 6 .

В третьем разделе рассчитаны рабочие области четырехугольника стабильности - промежуточной зоны П1 . Показано, что возможна работа КФМ с контролируемой полосой пропускания без наложения спектральных линий от соседних зон как в верхней М (рис. 1а), так и нижней £ (рис. 16) рабочих вершинах. Относительная полоса пропускания т / Ат в указанных областях определяется выражениями:

Дм км-Х ям-в

и ж 0.167 0.9374 ...

цв—s -—s--. (4)

Am

Требуемые амшиггуды У IJ4 напряжений на электродах КФМ для реализации режимов разделения ионов в областях стабильности вблизи вершин М a S равны;

Ум £ 33.0fimf}rl ; (5)

s 28.79mf\] , (6)

где m - масса иона, а.е.м.; /- частота, Мгц ; г„ - радиус поля, см .

Для обеспечения постоянства - полосы пропускания Ат = const требуемые величины малых добавок напряжений ±к при вершине М равны:

u = 5.62mf2r? . (7)

Экспериме1ггалы(ая проверка режимов работы в двух областях зоны П1 показала справедливость формул (3) - (7) . В одних и тех же условиях (#■„ = 0.5 см, L = 27.5 см и /= 1 Мгц) предельная разрешающая способность на ионах Хе+ в обычном режиме сепарации (область I) составляет R0 } s 450 , в то время как для зоны П1 (М) - Rot5 = 4200 .

В третьем разделе обсуждаются результаты исследования второй промежуточной зоны П2 , следующей по оси а за зоной III. Расоишши границы и определены параметры КФМ. В нижней вершине минимальная разрешающая способность равна R = 600 . Настройка на режим сепарации в исследуемой области производится обеспечением соотношения X = 0.625 . Наблюдение масс - спектров возможно при энергиях ионов 200 - 300 эВ .

Они содержат шумовой пьедестал в диапазоне пасс до 180 а.е.м. Имеет место уширепие массовых пиков до Am =0.5 а.с м. Эти явления связаны с резким различием аксептансов и требуемого времени сортировки в xz и )Z плоскостях анализатора.

В четвертом разделе рассматривается движение ионов в комбинация магнитного и ВЧ электрического плоских квадрупольных полей. Наличие поперечного магнитного поля эквивалентно действию постоянного электрического поля с параметром а , разным:

где / - сила тока, пропускаемая через электроды анализатора; ¡¡^ -нагтгтная по с шнная; е - заряд иона; z - осевая скорость иона; о -круговая- частота ВЧ поля; р - радиус вписанной окружности между центрами круглых электродов. В высоких зонах по оси q режим сепарации критичен к внешним магнитный полям, что указывает на причину отсутствия данных по наблюдению работы КФМ в области III при обычных условиях.

В пятом разделе рассматриваются вопросы применения ВЧ разряда в квадрупольиом конденсаторе для целей получения активной ц>еды гадовых лазеров. Анализ показывает, что столкновения ионов с частицами в разреженной плазме приводят к образованию зон устойчивости, в которых ионы совершают финитное движение. В соответствии с теорией КФМ (глава 6) в приосевой области конденсатора плотность ионов максимальна.

Глава третья

В данной главе представлены результаты исследования фундаментальных ионно - оптических свойств КФМ - пропускания и ахсептанса на основе предложенной автором комбинации численных методов Рунге - Кутга, Нумерова и Меисиера,(матричного метода) решения уравнения Матье.

'В первом разделе'Исследуется аксептанс Идеального КФМ, у которого' отсутствуют краевые поля, поя; внутри него идеальное, а !и<^1тя сортировки-' ионов велико. Тогда аксепташ в динамике описывается ЪДчяйгами захвата:

2 2 ' хр та

(S)

Гид 4 2Ай0и0 + Вй* = ё

где Л , В , Г - параметры эшшпеон захвата, которые записят только от

положения рабочей точки а , ц на диаграмме стабильности и начально! фазы влета попов в анализатор. Величину 8 называют аксегггансом которая равна площади эллипса, делейной на я.

Аксешаис КФМ п статике характеризуется областями на фазова плоскости начальных координат и скоростей и0 и и0 , ограниченным: контурам»". Контура определяются по заданному уровню пропускания Р Величина Р (иц , иц) даст вероятность прохождения иона через фильтр мае за достаточно большое время наблюдения. Для численного расчет контуров пропускания предложен метод, основанный на локализации точк О , р в полярной системе координат методом деления отрезка пополах Метод имеет хорошую сходимость - достаточно всег 5-6 итераций для нахождения искомого р р при заданном угле 0 .Таки образом, определенный аксеитаис допускает его экснериментальнс нахождение.

Исполь?уя указанный подход, рассчитаны аксептансы д[ перспективной зоны Ш при различных значениях разрешайте способности. Навдено, что аксеитаис в вершине 5 сравним с акссптансо первой зоны.

Далее исследуется пропускание КФМ. Для численных расчгп формализуется описание коэффициента пропускания Т в форме:

где Р - число ш пер и ал о и разбиение начальной фазы Ьд на интервале [0 , т Т? и Т:^ - элементы матриц пропускания в хг и уг плоскост

аналюатора:

(10)

(П

(12

Здесь хтах и - максимальные смешения ионов, рассчитываемые

формуле:

где Вщдх - максимальное значение параметра О на интервале 10 , я].

По результатам численных расчетов получено, что пропускание выше а нижней вершине М и ниже в 3 - 4 раза, чем я зоне I при типичных апертурах КФМ. Экспериментальные результаты качественно согласуются с теоретическими оценками. При Яд} — 400 на ионах. Ха+ достигается пропускание Т- 1 % при относительно большой входной апертуре КФМ га ~ 0.347 Гл . При это!'.- чупс чнтельностъ и газовом анализаторе (зона П!(М) , ионы Хе+) составляет 4 • 10"<> А / Пс. В диапазоне Яд $ ~ 40 - 400 пропускание убывает приблизительно по закону Т~ й-'.

Применегнгг нового режима разделения пторпчныл яолоа и методе ВИМС обнарухешо уменьшение предан,ной рюрештощей способности на порэдо;с по сразиенжэ с работой в газовом анализаторе. Это явление езгзано о тем, что иеполъдуемый злергосенаратор вторичных ионоп формирует полый выходной пучок. На основе зтого делается важный пт,к<ти'!еский вывод - необходимо применение знергетнчеемк филырсв с осевыми траекториями типа сферического ил'и цилиндрического конденсаторов.

Во втором разделе главы 3 исследуется ахсептанс КФМ г.ри наличии входных краевых нолей. Краевые поля списываются т;:?ло::е<:п :алы!;;п моделью иар&стакия потенциала на входе анализатора:

; (Н)

4

/(т„)=1-ехр(иг-Ьг2) , (15)

где а и & - подгоночные конст.ипы, зависящие от расстоям:и 4 между входной пластиной (диафрагмой) и торцами электродов. Уравнения движений ионов в краевом поле имеют вид:

+ [л 4- 2асо!2(% - %о ))/(г)х = О ; К>!б)

- [а + 2Ч со*:а - Ъ,0 )]/ЫУ = о ; (|7)

г = г}%/г1, (18)

где г/ = 1.5 Гу - линейные размеры краевого поля , вдоль оси г при

й = 0.25 гд; лу число периодов ВЧ поля пребывания ионов в краевом поле. Использование (18) предполагает, что ионы движутся с постоянной скоростью г независимо в хг " У1 плоскостях, анализатора. Такое допущение разумно при малых входных апертурах КФМ, что соответствует Н > 100 .

Так как в уравнениях движения (16) и (17) отсу гствуют члены, содержащие скорость иона, то координата иа и скорость на в плоскости входном диафрагмы линейно преобразуются в координату а и скорость й в поле КФМ:

г-г/

= /"<0 = (С ^ У"'

Ы 1с-

(19)

причем ¿е! Г = I. Преобразование (19) и теорема Лиувилля позволяют усгановить связь между модифицированными параметрами эллипсов захвата Ва,Га, /1а н парамезрами В ,Г,А идеального КФМ в форме:

'К

4» =

г V в>

С5Г

С^+ОЯ 2СС

СИ

в

с2 /,'7

(20)

где Ва,Га,Аа соответствуют фазе влета ионов во входную диафрагму ( г = 0) , а параметры В , Г , А соответствуют фазе влета + "/* > поскольку время пролета ионамн краевого поля равно пуп.

Нахождение элемегггов матрицы ¥ предполагает численное решение уравнений (16) и (17) с малой погрешностью, которая оценивалась отклонением определителя матрицы К от единицы. Для сокращения времени расчета и достижения приемлемой точности предложен способ решения уравнений Мстье (16) , (17) на основе комбинации методов: мазрнчного, Рунге-Кутга и Нумсрова. Метод Рунге-Кутга является сгарзовым для метода Нумсроаа, который предназначен для расчета траекторий ионов н выражается рекурентнон формулой:

н - П + 11%_2/12)и^2~2(1-к^п_1 /12)ип.,

(21)

где Гп =\а + 29соз2(Ьп-*и))]Г<г(\п))

(22)

%n = nh;h^-x./N ;n = 2,i,4..........(23)

На каждом шаге п производится расчет координаты ип ¡ и и„ ¡ ггредыдутсго шага. Ош.гг пока и.тает, тга и зависимости от интервала интегрирования [О , кяу| число /V шагов должно cocía иди п. 100 - 1000 при Яу—0-3 ндискретизации фазы Л^д = я/ 1000 .

На рис. 2 показаны контуры пропускания, определенчые по 50 % уровню и при указанных числах Лу для рабочей области 111(5) н разрешающей способности R — 100 . Краевые поля увеличивают пространственную составляющую аксет анса, поэтому при всех равных условиях с целью увеличения пропускания КФМ предио'тпглы«« увеличивать радиус поля гд, а не частоту / ВЧ генератора.

На рис. ~ приведены зависимости эффективного ак«мгганса i: (площади, ограничиваемой котуром) от числа лу для двух рскнмоп разделения вблизи вершим М и .V зоны 111 при гу= 1.5 r¿) п Я - ¡00. Ич представленных рисунков За и ?-6 следует, что оптимальное число ну пребывания ионов и краевой област и cocí юшке! nf ~ - ' -3 ■ что приближенно соответствует осевом скорости Z~- !■ 2Srg f . Оптимальна:! транспорта.! чнертя ьоноп, при которой достигается минимум потерь ионов, возрастает в 6 раз по сравнению с обычным режимом работы КФМ, что подтверждается "> кемер им ei п ал». н о. Повышение транспортных энергии позволяет увеличить зффехтивноегь согласования источника ионов н анализатора. Так, например, для условии работы КФМ f~ 1 -55 Мгц и Гц — 0.72 см доя области /11 (М) оптимальная incpi ни ионов N^ составляет 30 эН , для зоны 1-5 зВ .

В разделе .1 представлены результаты исследования пропускания КФМ с учетом влияния входных краевых полей п зависимости от разрешающей способности, осевой знер! нн ионов и условии фокусировки входного пучка.

Используйся простая модель неточшпеа ионов, описываемая прямой и = рй на фазовой плоскости начальных координат и и скоростей й . Парамегры фокусировки рх и Ру характеризуют влияние независимой фокусировки пучка ионов в плоскостях хz и уг анализатора. Для нахождения оптимальных величин рх и Ру введены козффнцнаггы пропускания Тх и Ту , дающил долю ионов, которые совершают колебания с амплитудами, меньшими гр в плоскостях хг и yz анализатора:

Р К

Г* = £ 1^/РА- ; (24)

*} = £ ХТ^'ГМ ' (25)

Число Р соответствует числу начальных фат влета ионов в анализатор эа период * и выбрано разным 100 . К - М - 40 - число точек х^ , ут начальных положений ионов в плоскости входной диафрагмы. Таким образом, поток ионов на входе КОМ выбирался равным 1.6 • 10' ионов за период В Ч ноля.

При л/ = 1.2 найдено, что оптимальные величины приближенно равны

рх = -0.5, ру 2-1.0 для вершины М и рх £ -0.5 , Ру = -0.7 для вершины 5', что согласуется с расчетом аксептанса. По известным величинам рх и Ру рассчнтаны оптимальные скорости, характеризуемые числами ну. Для зоны . Г11 вблизи иершины М (и/ = 1.2) и вблизи вершины 5 (яу — 1.3) найдено, что пропускание составляет 30 и 40 % , соответственно, при К = 200 и входной апертуре гя = 0.1 гд.

Теоретическая и экспериментальная зависимости Т (Я) дня вершины М зоны П1 представлены на рис. 4. В эксперименте (ионы Хе+) использовалась круглая диафрагма и поэтому рх — Ру = -0.5 , В условиях эксперимента параметры га = 0.357 гд и лу = 0.75 . При начальных величинах имеет место хорошее количественное согласие между

теорией и экспериментом. В эксперименте падение Т с ростом Я - более сильное (Г — Л'1) но сравнению с рассчитанной зависимостью (кривая 2), когда Т ~ К-®-? . Расхождение теории с экспериментом объясняется следующими факторами, которые необходимо принять во внимание: (¡) рабочее поле не идеальное из - за использования круглых стержней; (и) не оптимальное согласование источника ионов и анализатора; (30 о1раниченио разрешающей споррбиости временем сортировки, когда необходимо устанавливать меньшую аппаратную полосу пропускания, чем это требуется теоретически. 1

Пропускание Т п записнмости от • разрешающей способности Я = ^ / А^ для трех режимов работы показано на рис. 5 при оптимизированных параметрах р, и /ту . Отмстим, что наименьшим падением пропускания Т с увеличением И обладает режим разделения

ионов в рабочей области П1(5) . Грубая аппрокскмация Т (lt) для вершины М дает Г~ „ ПрН д = 4000 пропускание naiaer до 5%.

Глава четвертая

Для удаления ионов на стержни анализатора, двигающихся с экспоненциально возрастающими амплитудами, необходимо пр^мн. ')то время в сильно!! мерс завчагг от характера волноиого движения ночо» на конечной дайне анрлизитор:, а также от начальных условий влета в анализатор. Нахождение требуемого времени в зависимости о г разрешающей способности для ряда зон стабильности и является задачей главы 4.

В первом разделе выделяются дна основных физических лвления, ограничивающих й : конечность времени сортировки и качество поля анализатора. Первое явление приводит к "размыванию" маземашческнх границ звн стабильности, второе • к потерям на пропускание.

В разделе 2 дзн анализ наишшплх частот О колебаний ионов для ряда обласгей стабильности. Часто1ы Q приведены в таблице 1.

Наинизише частоты CJ колебании ионов в зависимости от характеристического показателя ß для указанных зон, требуемое время разделения и разрешающая способность как функция числа п периодов сортировки.

таблица I

Зона Нал низшая частота О Требуемое Разрешающая

время способность

I 2 (O<pyS0.S) я/ 2П Ry =л2/2.2

(Грх)т/2 (0.5 <; (1, < 1) k/2U Rx=n2/S.45

II ф-1)а>/2 Г2-р>/2 (J.5<P<2) n/2Q n/2Q R^ISOn2

III (Л/) (2-ptW2 Р„о>/2 (J.S<P, i 2) (0<Pf<0.S} J*/2Q я / 2Q Rx = 2,2n2 Ry = i.6n2

шм Гр, 1)ч,/2 (t (S,)ca/2 (J' ß, - 'S) (O.Si |>, <1) %/а 2кП1 Rx = 0.6in2 Ii, = I.7S*2

Вблизи границ рабочих вершин (рис. I и рис. 2) обласпчЧ стабильности траектории ионов имеют вид волновых пугоп, частоты которых определяются основными гармониками колебаний поной, найдены

требуемые числа я периодов сортировки. Для установления связи между п и Л зависимости положения рабочей точки в для зоны Ш(Л/) аппроксимировались в виде:

ам-**Сх<2-$хГ : (26)

ам-а*С,^ , (27)

1де Сх £ 2.0 и Су 2 0.1 - подгоночные константы. Получено, чго в облает 111 (\{) разрешают:*« способность Я квадратично зависит от числа я .как и в случае зоны I :

йх £ ; И, = 1.6п2 , (28)

где Кх и Ну характеризуют степень размытия полосы пропускания КФМ со сгороим легких и тяжелых масс ноноп, соответственно. Аналогичный подход использовался И для остальных исследуемых зон. Полученные результаты сведены в таблицу 1.

В разделе 4 настоящей главы приведены результаты экспериментальных исследований. Показано, что для области П1 (М) ИдЗ г (0,8 • 1.6) я2 и для зоны II = 24 л* . В частности при сепарации ионов С91-'2оН+ ( А! = 502) при оптимальной транспортной энергии 50 эВ (£ = 15 см ,го = 0.35 см ,/= 1 Мгц) имеет место $ - 1.4 п1.

В режиме сепарации области стабильности 111 (М) (рис. 1а) достигается на практике наибольшая предельная разрешающая способность, что иллюстрирует! на рис. б. Но рис. б приведен масс - спектр дублета ионов /У^ и СО+ с разрешением = 54001400 при числе иериодоп сортировки п — 40 . Для достижения такого результата в обычном режиме в лучшем случае необходимо п > 225 .

Глава пятая

В этой главе представлены результат исследования явлсшп появления регулярных пропилов на массовых пиках применительно 1 рисокпм зонам стабильности.

В первом раздело дано описание сослана геомстрпчечких I армоии: толя в кппкрунолыю»! коиденсаюрс. 11«(сиииал <р и шкшрной систем коор.шнаг 0, г нргдепшпм и форме ряда:

4>(в,г,1) = Х?.Ап(г/г0)"СО^Л^ГО-0о)\[и + ЬпГс,п\тГ(1 -(„)]] ,(29)

где Ап - коэффициенты разложения по геометрическим и Ь„- по нремсниым гармоникам. Для идеального поля п = N = 2 , а силы, действующие на ионы, прямо пропорциональны их смещениям по двум независимым координатам х и у анализатора. Наличие слагаемых в (29) приводит к связанному движению ионов и образованию потенциальных ям, при которых возможно резонансное возбуждение колебаний ионов на частотах собственных колебаний в поле ндспльного КФМ.

В разделе 2 рассмотрен спектральный состав колебаний ионов, представимый частотами:

^„»Кл+р , (30)

где л = О; 1,2,3,... и р - характеристический показатель.

В разделе 3 определяются условия резонансного возбуждения колебаний ионов в возмущающих полях ряда (29). Для случая, когда

Ат «Л2 , условие нелинейных ^езонансов имеет вид: *

Ka}+(N-K)<ax=^в , (31)

где «в^ и - частоты колебаний ионов (30) в хг и уг плоскостях анализатора; К - N, N-2 , N-4 ,.... Выражение (31) справедливо дня всех зон стабильности.

В четвертом ■разделе получены условия наблюдения резонансоп для промежуточной и второй зон стабильности. В частности, для рабочей области П1(Л*) возможно возбуяодение резонансоп только на намнизшнх частотах О (табд. I). когда имеет место:

. К$у/2+(Н-К)(1-$х/2)=1, 0<$у$0.5 , (32)

K(l-Vy)/2 + (N-K)a-$x/2) = l, 0.5 <Ру < I , (33)

Из условий (32) и (33) дал зоны П1(М) установлена связь между разрешением и порядком резонанса N:

2{2-рх/ »

Из (34) п(35) следует, что высоким зиачлшям К соответствуют высокие значения ьорндка резонанса N , когда о ростом N амплитуда гармоник Лп убывает. Из (35) находим, что резонансы шестого порядка, обусловленные использованием круглых стержней, исчезают уже при Я > 100. Полученный результат объясняет причину возможности достижения Я = 5000 на простых электродных структурах.

В разделе 5 приведены результаты эксперимента по наблюдению нелинейных резонансов. Условия (32) и (33) проверялись экспериментально путем построения линий резонансов на диаграмме стабильности, так как парс значений Р^ и Р^ соответствует рабочая точка а,§ (рис. 7 и рис. 8). Линии резонансов вблизи вершины М приблизительно следуют параллельно х • границе и при порядок N наблюдаемого резонанса

может быть найден из условия N(2 - |5Л) = 2 .

Наличие провалов (рис. 8) на массовом пике возможно также объяснить ситуацией, когда пучок ионов на входе КФМ сильно сфокусирован и когда аксептанс детектора ионов мал. В этом случае линии резонансов расположены вдоль изолинии показателей р£ и Р^ , определяемых из условий:

где к = 0, 1,2,...; пд - число периодов пребывания ионов в анализаторе. В условиях эксперимента (/= 1 Мгц ; £ = 27.5 см ; гц = 0.72 см ; Е. = 30 эВ) щ = 20 и изолинии Р^ = (2А+1)/20 на рнс. 8 отсутствуют. Это обстоятельство'подтверждает механизм наблюдаемых регулярных провалов (рис. 7). Укажем также, что на этом же КФМ достигается разрешающая способность Л = 5400 (рис. 6).

В разделе б рассмотрены оценки допустимых электрических н.¡стабиль л остей, основанные на экспериментальных данных.

Относительное отклонение амплитуды ёУ/У ВЧ напряжения должно удовлетворять условию;

(36)

2к+1 "0

0<$у <,0.5 ;

(37)

&У/У£с/2Ш ,

(38)

где кМ - разрешающая способность, М - массовое число, я - относительная доля изменения выходного сггнала. Так прм ЛЛ/ = 200 (Л/ =28), е = 0.05 и У/а ~ 40 В/а.е.м. относительны - флуктуации амплитуды должны йыть менее

5 • Ю-® , что соответствует о У 2 б мВ и наблюдается а условиях зксперимента.

Вариация 5 У параметра Я. = и/У прнноднг в режиме работы верхней вершины М зоны П! к изменению разрешающей способности Н как:

Из эксперимнггальной згнпг.чмости Т (Я) (рис. 4) н (39) следует, что дкя 5 % поддержания стабильности выходного сигнала флупуаш и отношения и/У должны быть менее 4 • I О"4 .

Измерения влияния разбаланса постоянных ±И к амплитуды V питающих напряжений ±(1> + УсозШ) показывают, что при разрешающей способности И/у ! = 219 (С4РЧ+) допустамый уход от номинала составляет АН / и з 0.023 и Д V /У ~ 0.04 , когда интенсивность сигнала падает на 5 % . Для сравнения укажем, что для области ! относительная асимметрия питающих напряжений должна при этих условиях составлять доли процента.

Глава шестая

В данной главе рассматриваются распределение ионов в анализаторе по скоростям и энергиям, плотность распределения конце1гграции ионов но сеченшо пучка, а также эмитганс КФМ с учетом влияния выходных краевых полей. Используется подход Тодда (ЛЛ'.Товс!) применительно к изучаемым зонам стабильности.

Первый раздел посвишен распределению ноной но скоростям и энергиям. Функция распределения ионов по скоростям имеет вид:

- с—

А, п-

(39)

та)

где с - аксептанс, ДЗД - параметр эллипса захвата, зависящий от фазы ВЧ поля ¡^0 . В соответствии с (40) максимальная кинетическая энергия ионов пог срочного движения равна:

где У - амплитуда ВЧ напряжения, В ; ц - рабочий параметр; Вх и В} • максимальные значения В - параметров эллипсов захвата по х и у координатам. Здесь Кт1Х выражается в электронЕольтах.

С учетом того, что оптимальная аксиальная энергия для зоны П1(Л/) составляет /:'- 2 2.5 • 10*2 V (эВ), то полная средняя кинетическая энергия ионов в анализаторе чыражаегся формулой:

2.5-10'^ +—L^UD^l

9«tM

Bx By

(42)

Расчеты показывают, что при типовых условиях работы КФМ Vim =2 В/а.с.м. и т 100 а.е.м. разброс по энергиям в выходном пучке составляет по порядку величины: зона I - 20 эВ ; зона Г11 - 40 эВ ; зоиа II -70 эВ . Порученные данные важны при построении коллекторного узла KMC.

В разделе 2 даны результаты исследования распределения концентрации ионов в прноссвой области КФМ. Функция распределения концентрации ионов по сечению пучка, усредненная за период ВЧ поля, имеет вид:

п(х,у) = ~Л~--ñT¿ мГТГТ------------• (43>

Для построения линий рапной коицситрзцин л (х ,у) = const на поперечной х ,у плоскости получено иитегро - дифференциальное уравнение:

<>У_ _/](*,У) ,

Л /2(*,У) '

где

: Ну (%0 ) -

iiixa0)By<^lCxi}xa0)-x:

Ji(x,y)=\—----7---¿\<Щ>0 •

оВхОоРгЪокуВуО*)-]?)

(46)

Как доказывает опыт, применение метода Рунге - Кутта 4 - го порядка для вычисления (44) не обеспечивает необходимой точности и бысгро накапливает ошибки. Поэтому предложен эффективный метод локализации изоконцеитраций на основе деления отрезка пополам. Используемый метод построения изолиний намного эффективней и точней, чем предложенный ранее, где используется расчет значений п (лг,- , ур и далее по ним строятся изолинии вручную.

В разделе 3 исследуется эмитганс КФМ при Наличии выходных краевых полей. Для учета влияния краевых полей на распределение попов в плоскости выходной диафрагмы получена матрица преобразования параметров А о , Вд , Г'о эллипсов захвата идеального КФМ в модифицированные параметры Л, В, Г :

'лУ -2CS сМ

в = -sy yc+as -сс А) » (47)

.Г г'г/ -2СУ и l/»J z=0

где С , С', S, S' - элементы матрицы F' преобразования начальных координат и скоростей в поле КФМ в координаты и скорости ионов в плоскости выходной диафрагмы; if - "длина" краевого поля. При выводе (47) использовалось условие del F' = 1 и условие постоянства фазового объема.

В четвертом разделе обсуждаются результаты расчетов распределения концентрации ионов в режиме работы ряда областей стабильности. На рис. 9 показана структура раенредедения л (л , у) = const для зоны III (Л/). В первой области попы локализуются преимущественно вдоль осн у , о зоне П1 - вдоль осн х анализатора. Концентрация л (0 ,0) на оси z анализатора на порядок выше, чем для зоны I .

Распределение п (х , у) в плоскости выходной диафрагмы {z-zfj в режиме работы зоны Ш(Л»") щи оптимальном числе иу= 1.2 становится более однородным и сжимается к оси у . Для этого режима несоосноспъ анализатора и выходной диафрагмы более критична для потерь ионов, чем для зоны I . Для зоны П1 характерно сильное влияние осевой скорости z на эшггглнс выходного пучха. Концентрация в (0 , 0) на оси z достигает резкого максимума при лу £ 0.15 , что соответствует скорости нонов Z — 10 Г(/ и подтверждается экспериментально.

Глава седьмая

В данной главе рассматриваются вопросы построения и согласоадния таццемных анализаторов, работающих в различных режимах разделения нонов.

В нервом разделе представлены принципы построения таддемного фильтра масс (ТФМ), анализаторы которого работают, в областях стабильности П1 и II . Совмещенная диаграмма стабильности указанных зон показана на рис. 10. Для согласованной работы анализаторов ТФМ н>.о; ходимо, чтобы парамехры двух фильтров масс удовлетворяли условию:

К2гАО?

2.)3<-^—>-<2.72 , (48)

viry2

где У,, со/, i"i - амплитуда, частота ВЧ напряжения и радиус поля фильтра масс, работающего в зоне П1 и служащего для удаления тяжелых ионов с массами

м > 8.3 игр , ray - масса анализируемого иона. В качестве основного анализатора применяется филыр масс в режиме работы зоны II с параметрами » ш2 » г2 • Комбинация режимо,в работы ТФМ в первой и второй областях имеет т от недостаток, что требуются относительно длинные электроды префильтра (I), тогда как для рассматриваемого случая даинь: электродов обоих анализаторов приближенно равны.

В зависимости от положения рабочей точки а, Qi на диаграмме зоны I I1 (рис. 10) будут различными эмютаис фильтра Q1 и аксептанс фильтра Q2 (область II) и, соответственно, потерн ионоз. Задача оценки потерь нонов на согласование фильтров масс решается в разделе 2.

Для простоты рассматривается частный случай: частоты ю; = ; время пролета ионами краевых полон межэлектродного промежутка намного меньше периода ВЧ поля; ориентация х и у пар электродов

фильтров масс идентична. При указанных допущениях удобно ввес-ш коэффициент согласования в момент фазы Вд перехода иона из

одного анализатора в другой:

1, если е/ < с ^ ;

Б2> 3 с2 <Е1 г

(49/

(50)

(51)

где ">¡2 - площадь взаимного перекрытия эллипсов захвата; Е/ и е;> -эмитганс и аксептанс' ()1 и 0,2 ТФМ. Соотношение (49) соответствует случаю, когда эллипсы захвата имеют точки пересечения; (50) и (51) -случаю, когда один эллипс входит в другой. Величина ¡¡2 дает долю ионов, которые будут совершать колебания с конечной амплитудой ид < гд в анализаторе Q2 . Доля потерь попов при этом составит 1 - 02 • Эффективное значение коэффициента согласования Т/2 находится усреднением ¡¡2 по периоду ВЧ поля:

! *

т12 = -]112(*#;а1><и;а2,Ч2>^0 • (52> Я0

При вводе ионов в анализатор 0.2 : 1 «

т21 = -]{21(1о;аьЧ1:а2>Ч2)^о • (53)

Из (52) и (53) следует асимметрия потерь ионов в зависимости от последовательности сепарации ионов в двух анализаторах. При ¿"/2 — 5*2/ Т]-/Т2! = В}/В-1 , где В; и II2 - максимальные значения В параметров эллипсов захвата. Так как В2 > В] , то целесообразно вводить ионы сначала в основной анализатор 02 . Численные расчеты показывают, что потерн на согласование по координате х составляют 40 % , по координате у - 80 % и суммарные - 88 % .

В разделе 3 представлены результаты экспериментального исследования ТФМ. На практике реализован случай, когда питание электродов двух фильтров масс производилось от одного' ВЧ генератора с частотой f— 1 Мгц. Длина и диаметр электродов составляли 12.5 см и 10 мм , соответственно. Настройка на согласованный режим работы производилась путем обеспечения соотношения амплитуд

2.33 2 / V} 5 2.72 с помощью емкостного делителя, а также установкой соотношения - 1}/Ух в пределах промежуточной области (рис. 10).

Работа ТФМ иллюстрируется масс ■ спектром изотопов Хе+++ (рис. 11) при транспортной энергии ионов 330 эВ. При энергии ионов Хе+ , равной 75 эВ , достигается предельная разрешающая способность 5 £ 2000 . Минимально детектируемое давление аргона в режиме газового анализа ТФМ составляло 4 • 10-' 0 Па при регистрации ионов Аг+ с помощью вторичного электронного умножителя ВЭУ - 6.

В отличие от предсказания теории (раздел 2) в эксперимент не обнаружено повышение пропускания ТФМ в зависимости от порядка следования аналшаторов, что с' уясняется существованием и различием входных краевых поией доя двух рассматриваемых случаев.

В разделе 4 описаны конструкция и принцип работы тандемного квадруполыюго масс - спектрометра (ТКМС), состоящего из трех анализаторов (>] , £>2 , ()3 (далее квадруполей). Квадруполи ()) и 0} работ ; тг в режиме масс - анализа, а (>2 • в режиме пропускания широкой полосы масс в первой области стабильности (в ВЧ режиме, а = 0). Квглруполь ()2 служит для удержания ионов в сголкновителыюй ячейке, в которую напускают газ - мишень (обычно N2 или Ат). В ячейке 1Гроисходит столкношггельная диссоциация родительских ионов т^, выделяемых анализатором 0,1 . Спектр дочерних ионов т^ получают с помощью третьего квадрупчля ()3 . Масс - спектр дочерних ионов существенно отличается для различных химических веществ, что служит основой идентификации сложной химической смеси на базе библиотечных спектров компьютерными методами.

В пятом разделе дай анализ режима работы широкополосного фильтра масс 22 . Показано, что выбор условий работы ВЧ квадруполя существенно влияет на эффективность фрагментации и сбора дочерних ионов. Это определяется необходимостью удержания одновременно родительских и дочерних ионов на молекулах газа, а также резким изменением массы иона при диссоциации.

Параметры родительских qp н дочерних ионов определяются как:

4еУ2

4eV2

(54)

Чр"

2~2 •'

"п

'р'

где nip и mj - массы родительских и дочерних ионов. Из условия удержания дочерних ионов qfi < qj = 0.908 следует, что mj > tnflp !q; ■

Возможны два осшшных связанных режима сканирования: (i) qp - const , что достигается поддержанием = const ; (¡i) qj - const , 'по

обеспечивается V-/V¡ - const при получении спектра дочерних ионов. При работе а режиме q¿ = const анализ дочерних ионов следует проподшъ при отиосигемыю высоких значениях q 0.5 - 0.7 , когда пропускание Q2 максимально. Требование удержания дочерних ионов в возможно более широкой полосе масс приводит к необходимости установления q¡¡- 0.1 • 0.2 при qp ~ const . В результате этого наблюдается явление периодического пропускания Q2 при изменении параметра Ц2-

Указанное явление связано с пространственной фокусировкой ионов, имеющей место, когда характеристический показатель (5 = р/п , где р и п -целые числа, причем л - число периодов ВЧ поля пребывания ионов в анализаторе 02 . При условии, когда на длине анализатора Q2 укладывается четное или нечетное число полуволн изображение пучка ионов на входе Q2 будет повторяться на оси z на расстоянии = f ,

где i - осевая скор оси, иона. В ВЧ режиме (а = О) ßt = ßj , и поэтому имеет место одновременная фокусировка пучка в плоскостях xz и уг анализатора, наиболее сильно проявляющаяся при малых q , так как ß s q-j2 .

В разделе б предстаплсн анализ потерь ионов из - за несоответствия эшптанса квпдруполя QI и аксентанса Q2 , а также эмиттанса Q2 и аксентанса Q3 для случая, когда анализаторы (¿I и QJ работают в режиме разделения промежуточной зоны III (Л/).

Эффективность согласования анализаторов как и в случае ГФМ определяется козффнцисчпами:

|де Е^ - фаза ВЧ ноля пролета ионами межэлектродного промежутка меж.'IV соотетстнующимн анализаторами. Задача расчета Т рассмотрена при следукминч допущениях: (¡) время пролета межэлекгродно! о расстояния пампою меньше периода ВЧ ноля (пренебрегаклея переходные красные ноля); (и) радн\г ноля и частоты всех фильзрои масс одинаковы; (3|) ориентация х и у пар электродов идентична.

»

(55)

(56)

Параметры А, В, Г эллипсов захвата рассчитывались матричньп методом решения уравнения Матье при шаге интегрирования й£, = я /1001 и интервале начальной фазы А^д = к / 20 .

Сравнение потерь ионов на согласование для случая зоны Г11 (Л/) 1 зоны I показывает, что они для анализаторов ТКМС имеют один порядок Для повышения эффективности согласования аналшаторов 02 и О-необходима ионно - оптическая развязка, роль которой может выполнят одиночная линза. Неконтролируемая разность фаз трех ВЧ генераторо! приводит к существенным потеряй ионов, и поэтиму необходимо, чтобы во три генератора была сфазиро^аны.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Создано новое научное направление совершенствовошь кяедрупольных масс-спектрометров на основе использования нонно отеческих свойств высоких зон стабильности.

2. Предложены и обоснованы новые режимы разделения ионов в ряд. областей стабильности КФМ. Развита теория квадрупольного фильтра маа примеюгтельно к высоким зонам стабильности.

3. Найдены оптимальные условия работы КФМ в промежуточной зог.! стабильности в зависимости от энергии ионов, условий фокусировк! входного пучка и разре1лающей способности на основе исследовали) аксептанса и пропускания фильтра масс. Предложены методы построенш контуров пропускания и расчета модифицированных эллипсов захвата пр! наличии входных краевых полей.

4. Развит метод оценки разрешающей.способности в зависимости о: времени сортировки для ряда областей стабильности.

5. Развита теория нелинейных резонансов на геометрически; гармониках поля применительно к высоким зонам стабильности и найдет, условия резонансного возбуждения колебаний ионов в нелинейных полях.

6. Разработан метод численного построения изолиний концентрадш ионов и ириосевой области КФМ и на основе этого дан анализ влмяиш выходных краевых полей на эмиттанс анализатора.

7. Предложены принципы построения тандемного фильтра масс анализаторы которого работают в различных областях стабильности Предложен критерии оценки потерь ионов на согласование при тандемноь построении квадрупольного анализатора.

8. Разработана и испытана аппаратура для нсследованш ф у нда м с 1 п ал ь н ы х ионно - оптических свойств ряда зон стабильности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Калашников М.В,, Коненков Н.В., Шагимуратов Г.И., Кратенко В.И. Сепарация ионов по массам а постоянном магнитном и ВЧ электрическом плоских квадрупольных полях И ЖТФ. - 1989. Т.59, N1. С. 170- 172.

2. Квадрупольный масс-спектрометр для ионного микрозонда / Волков С.С., Коненков Н.В., Могильченко Г.А., Тостогузов А.Б., Шагимуратов Г.И. // Тезисы V Всесоюзного семинара " Вторичная ионная и ионно-фотонная эмиссия Харьков ": ХГУ. Часть 2. 1988. С.156 - 157.

3. Коненков Н.В., Кратенко В.И., Могильченко ГА., Тостогузов А.Б., Шагимуратов Г.И. Автоматизированный квадрупольный масс-спектрометр на диапазон массовых чисел 1 - 300 и 2 - 600 а.е.м. II Электронная Промышленность. - 1988. - выи. 7 (175). - С. 51 - 52.

4. Волхов С.С., Коненков Н.В., Могильченко Г.А., Тостогузов А.Б., Шагимуратов Г.И. Коллекторный узел' для квадрупольного масс-спектрометра // ПТЭ. - 1989. - N6. - С. 140 - 142.

5. Коненхов II.В., Коновалов В.А., Могильченко Г.А„ Шагимуратов Г.И. Аналитические возможности масс - спектрометра 09 ИОС 200 - 008. // Электронная промышленность. - 1987. - вьгн. 3. - С. 55 - 58.

6. Шагимуратов Г.И., Коненков Н.В., Могильченко Г.А., Силаков'С.С. Режим сепарации во II области стабильности квадрупольного фильтра масс И ЖТФ. - 1990. Т.60, N1. 0:112- 116.

7. Шагимуратов Г.И., Коненков Н.В., Могильченко Г.А., Силаков С.С. Трансмиссия и разрешающая способность в режиме сепарации промежуточной области стабильности квадрупольного фильтра масс // ЖТФ. - 1990. Т.60, N1. С. Н7 - 122.

8. Коненков Н.В., Кратенко В.И., Могильченко Г.А., Силаков С.С. Влияние качества ноля на характеристики КФМ, работающего в 1громежуточной области стабильности // Письма в ЖТФ. - 1989. Т.15, N15. С. 23 - 27.

9. Коненков П.В., Могильченко ГЛ., Силаков С.С. Режим сепарации в нижней вершние промежуточной области стабильности // ЖТФ. - 1990. Т.60, N6.С. 128- 132.

10. Коненков Н.В., кратенко В.И., Могильченко Г.А., Силаков С.С. Квадрупольный масс - спектрометр с высокими характеристиками II Электронная промышленность. - 1990. -N1(191). - С. 37 - 38.

11. Коненков Н.В., Мотильченко ГЛ., Снлаков С.С., Шагнмуратов Г.И. Кнадрупольнын масс - спектрометр с высокой разрешающей способностью .'/ IT13. - 1990. -N2.-C. 179- 181.

12. Коненков Н.В., Сияаков С.С. Тандемный квадрупольылй фильтр масс // ПТЭ. - 1990. -.N3.-С. 157- 159.

13. Коненков H.D., Могиль ченко Г.А., Снла.-ов С.С., Шагнмуратов Г.И. Промежуточная область стабильности КС>М : время сортировки и разрешающая способность // ЖТФ. - 1990. Т.60, N10. С. I4K- 152.

14. Коненков II.В. Согласование анализаторов замдемною фильтра масс II ЖТФ. - 1990. Т.60, N10. С. 153- 158.

15. Коненков Н.В., Кратенко В.И /Аппаратура тандемной квадрупольнон масс - спектрометрии // Обзоры но электронной технике. Сер.7. Технология. Организация производства и оборудование. - 1991. Вып. 4(1603). М: ЦНИИ Электронике. 31с.

16. Коненков Ц.В., Снлаков С.С. Линии резонансов на a-q /щаграмме счабпл.'.иостн промежуточной зоны // ЖТФ. - 1991. Т.61, N7. С. (46 - 150.

17. Коненков Н.В., Силакоа С.С. Коэффициент пропускания КФМ в режиме сепарации промежуточной зоны стабильности // ПТЭ. - 1Ч91. - N2. -С. 138 - 142.

18. Коненков Н.В., Силакои С.С. Плотность рацределения ионов в приосевон области квадрупольного фильтра масс // ЖТФ. - 1991. '1.01, N3. С. 145 - 146.

19. Коненков Н.В., Снлаков С.С., Могнльченко Г.А. Изотопный анализ водорода квадрупольным масс - спектрометром при имплантации дейтерия в титан II Письма в ЖТФ. - 1991. Т.17, N1. С. 21 - 24.

20. Коненков П.В. Согласование фильтров масс тандемного квадрупольного

масс - спектрометра // ЖТФ. - 1991. T.6I. N12. С. 120- 124.

21. Koncnkov N.V., Kratenko V.l. Characteristics of a QMi; in the separation mode of a few stability regions. A Review If Int. J. Mass Specltom. Ion Process. - 1991. - V. 108. - N 2/3. - I'. 1 15- 136.

22. Konenkov N.V. Influence of fringing fields on the acceptance of a quadrupole mass filter in the separation mode of the intermediate stability region // Int. J. MassSpectrom. Ion Process. - 1993. - V. 123. - P. 101 - 105.

23. Коненков H.B., Кн гнева Т.П., Никольский П.С., Снлаков С.С., Толсто! уэоп Л.Ь. Масс - сепарация вторичных ионов в режиме рабозы промежуточной облает стабильности квадрунольиою фильтра масс // Радиоjexiiitxa н элек фоника. - 1УУ2. - Т.37. - N8. - С.1528 -1530.

24. Коненков II.B, Мошльченко Г.А., Силакев С.С. Аксептаис кводрупольного ф!шътра масс в режиме работы промежуточной зоны стабильности// ЖТФ. - 1992. Т.62, N9. С. 165- 170.

25. Konenkov N.V. Acceptance Comparison of a Quadrupolc Mass Filter in the Separation Mode of a Few Stability Regions // Book of Abstrackts. P.264.

13th International Mass Spectrometry Conference. 29 August - 2 September 1994. Budapest, Hungary.

26. Способ масс - сепарации заряженных частиц / М.В.Калашников, Н.В.Коненков, МАЛяпин, Г.И.Шагнмуратов. А.С. N 13966174. -Бюл.нзобр. - 1988.-N 18.

27. Способ масс - сепарации заряженных частиц / Н.В.Коненков, Г-А.Могильченко, С.С.Силаков, С.И.Смирнов. А.С. N 1758706. Бюл.изобр. - 1992. - N 32.

28. Квадрунольный масс • спектрометр / С.С.Волков, Н.В.Коненков, М.АЛяпин, А.М.Сомкин, А.Б.Толстогузов. А.С. N 1614050.- Бюл.изобр. -1990.-N46.

29. Коненков Н.В., Толсгогузов А.Б. Масс - спектрометр с одновременным анализом положительных и отрицательных ионов. А.С. N 1755333 с зрноритетом от 04.06.92.

50. Детектор ионов / Н.В.Коненков, В.И.Кратенко, Г.А.Могильченко, ЕЛ.Черняк, В.А.Коновалов. А.С. N 1644255. - Вюл.нзобр. -1991. - N 15.

51. Способ масс - сепарации заряженных частиц / Н.В.Коиенков, ГА.Могильчеико, С.С.Силаков, Г.И.Шагнмуратов. А.С. N 1691907. -Зюл.изобр. -1991. -N 42.

52. Способ масс - сепарации заряженных частиц и устройство для его эеалнзации / Н.В.Коненков, Г.А.Могильченко, С.С.Силаков, ^.И.Шагимуратов. Положительное решение по заявке N 4635115 от >5.01.90.

53. Квадрупольный масс - спектрометр / Н.В.Коненков, С.С.Силаков, VI .В.Калашников, Н.Н.Коблев, Г.И.Шагнмуратов. Положительное эешение по заявке N 4899602 от 28.01.91.

ИВ

М 0.2 № ~

а

А? й2 а* аз й7

у/. -/-У— А-А-/- -/--/-

" г I / / / / ,

/ ' У '' * / ' А --у-,- + ~ -/- Л -1л

// I / / I ,/' ' '

' / / / / / ^'

' • ' ' / ,'///

-л-А-/- -/-- -

. / / / / / /

/ 1 / / / У / / --/.л -¡-¿Ю'/б'

-Л'-Л 7-//а^Ж / / / / / // /

£77 2.79 2.61 2.83

Рис.1. Рабочие области зоны стабильности ГП вблизи ьерхячл (М) и нняней (3) верили, Пунктир - изолиний характеристического показателя ^ .

-tlrcOi

~Q.i

I \ 1 1 1

/\Л V 1 1 1 . 03 Х/Гд

-

Ркс.2. Контуры пропускания на разовых плоскостях X » X, . и у , у поперечных координат и скоростей. Зояа IlKS).

R = 100 ( а = 2,5304, а= 2,8153 ). Уровеяь пропускания 50%.

/

1Рис«3.

■а т ш и

'Зависимости эффективша значений акоешгавоов Я8Щ, определённых по уровню пропускания 50%, в областях Щ(М) и ПКв) от числа периодов ВЧ поля пребывания ионов в краевой области.

кг

7 /

3 2

о о о

J-1-1—1

10а

3 и 2 6 7 м*

Ряо.4. Зависимости пропускания от разрешающей способности КФМ: I - эксперимент, 2 - теория.

Ю*

4 5 67 /03

Рис.5. Пропускания КФМ для трёх режимов работы фильтра масо

при %а= 0,1 г0 •

5

I,

шпп/сек ЪООО

¡500

-т

Рис.В. Масс-спектр дублета йодов СО и

Форма массового лика ионов

,;-Зона< ГЦ (I

ь

сл I

3.10 Ъ.21 ы

Р„.в. Л«:* _»«. » «-» ***** ~ ««. ►УГ.'ПУ Л»: ГТ."».

даруемый с номером провала рис.7 : I - N - о, * 5 - Й = 14, 6 - N =13.

Ркс. 9. Плотность распределения »?6<,^)ионов по поперечному сечению пучка. Зона ППМ). -100 (а=3. 1533, о, 3.23408; Д =i.93, Л -0.3&4f. 0.1= . «1.5?, .

а

3.0 2.8 2.6 и

м

л!

2.7 2$ 2.9

7.32 735 7Лк 9,г 7.56 7.62 Я

Рис.10. Совмешеннне диаграмма промежуточной П1 ( вверху ) -и второй ( внизу ) областей стабильности тавдемно-го фильтра масо.

Рис.11. Масс-спектр изотопов Лв . Ь = 12,5 см; Х0 = 0,5 см; $ - I (¿Гц; Е2 = 330 эВ.