Разработка бессеточных ионно-оптических элементов времяпролётных масс-анализаторов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

Помозов Тимофей Вячеславович

РАЗРАБОТКА БЕССЕТОЧНЫХ ИОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ВРЕМЯПРОЛЁТНЫХ МАСС-АНАЛИЗАТОРОВ

01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 4 К ЮН 2012

Санкт-Петербург 2012

005045732

Работа выполнена в лаборатории биомедицинской масс-спектрометрии Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института аналитического приборостроения Российской академии наук (ИАП РАН)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Явор Михаил Игоревич, ИАП РАН

доктор физико-математических наук, профессор Голиков Юрий Константинович, СПбГПУ

доктор физико-математических наук, профессор Танеев Александр Ахатович, СПбГУ

Ведущая организация:

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук

Защита состоится 22 июня 2012 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д002.034.01 на базе Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института аналитического приборостроения Российской академии наук (ИАП РАН) по адресу: 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, 31-33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИАП РАН по адресу: 190103, Санкт-Петербург, Рижский пр., 26. Отзывы на автореферат и диссертацию направлять по адресу: 190103, Санкт-Петербург, Рижский пр., 26, диссертационный совет.

Автореферат разослан 21 мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.034.01, кандидат физ.-мат. наук, с.u.c.

А.П. Щербаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Времяпролётная масс-спектрометрия, использующая разделение ионов по массам за счёт различия времён пролёта коротких импульсных пакетов заряженных частиц, на сегодняшний день является одни из самых мощных и востребованных методов в самых разнообразных областях исследования вещества (атомная и молекулярная физика, химия, биология, геология, фармацевтика и многие другие), а времяпролётный масс-спектрометр (ВПМС) является в настоящее время одним из самых популярных типов масс-анализаторов.

Разрешающая способность - одна из важнейших аналитических характеристик ВПМС, стремление к увеличению которой представляет собой общую тенденцию в истории развития масс-спектрометров вообще и времяпролётных приборов в частности. Необходимость улучшения данной характеристики диктуется расширением области применений времяпролётного метода анализа вещества на области задач, характеризующихся сложными молекулярными масс-спектрами (нефтехимия, протеомика и т.д.) или наличием в атомных спектрах близких по массе изобар (анализ редких изотопов в ядерной физике). При присущих времяпролетному методу уникальных качеств, таких как возможность анализа ионов в практически неограниченном диапазоне масс, высокая чувствительность и информативность получаемых масс-спектров, скорость анализа и точность определения массы, достижение высокой разрешающей способности делает ВПМС незаменимыми приборами в перечисленных выше областях исследований. Кроме того, обеспечение сравнимых значений разрешающей способности по полувысоте пиков и на малых уровнях их высот, т.е. улучшение формы регистрируемых сигналов, позволяет существенно улучшить динамический диапазон ВПМС и, таким образом, расширить диапазон их применений, в том числе на область изотопного анализа.

Один из возможных перспективных способов увеличения разрешающей способности ВПМС - уменьшение временных искажений сигнала (аберраций), вносимых нонно-оптическими элементами масс-анализатора. Понятие «ионно-оптические элементы» здесь включает в себя ортогональные ускорители и ионные зеркала для ВПМС рефлектронного типа и многоотражательных ВПМС (МОВПМС). Выбор указанных оптических элементов обусловлен тем, что в настоящее время подавляющее большинство ВПМС использует ионные зеркала для компенсации временного уширения ионных пакетов, возникающего вследствие их энергоразброса, а ортогональный ускоритель, в свою очередь, является' наиболее широко используемым способом создания импульсных ионных \ Г, пучков из стационарных потоков заряженных частиц. В диссертации ] рассматриваются в основном планарные бессеточные зеркала с двумерной

структурой электростатического поля, поскольку они являются основой для МОВПМС с незамкнутым циклом движения ионов и, соответственно, с неограниченным диапазоном масс ионов.

Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью разработки нового поколения бессеточных ионно-оптических элементов с улучшенными свойствами с целью увеличения разрешающей способности ВПМС, в том числе МОВПМС.

Цель н задачи работы

Целью диссертационной работы является разработка бессеточных ионно-оптических элементов ВПМС планарного типа, обеспечивающих малые искажения временного сигнала. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Адаптация программного обеспечения, использующегося для расчёта и оптимизации аберрационных коэффициентов бессеточных ионных зеркал, с целью включения в список оптимизируемых параметров длин электродов планарных и осесимметричных ионных зеркал.

2. Разработка ионно-оптической схемы конструктивно простого бессеточного ионного зеркала с двумя управляющими потенциалами, обладающего малыми аберрациями времени пролёта, с целью применения в ВПМС рефлектронного типа высокого разрешения.

3. Разработка ионно-оптических схем бессеточных ионных зеркал с высоким порядком фокусировки времени пролёта по энергии и пространственным параметрам ионных пучков.

4. Разработка и оптимизация ионно-оптической схемы бессеточного ортогонального ускорителя, вносящей малые временные искажения в пакеты заряженных частиц.

Основные положения, выносимые на защиту

Совокупность результатов, достигнутых в настоящей диссертационной работе, позволяют сформулировать ряд основных положений, выносимых на защиту и представляющих научную новизну данной работы. На защиту выносятся:

1. Ионно-оптическая схема бессеточного планарного ионного зеркала для ВПМС рефлектронного типа, управляемого двумя источниками питания и обладающего свойствами фокусировки третьего порядка времени пролёта по энергии и второго порядка по пространственным параметрам ионных пакетов.

2. Ионно-оптические схемы бессеточных планарных ионных зеркал, обладающих свойствами фокусировки четвёртого и пятого порядков времени пролёта по энергии и пространственной изохронности во втором аберрационном порядке.

3. Ионно-оптическая схема бессеточного планарного ионного зеркала, обладающего свойством полной фокусировки третьего порядка времени пролёта по энергии и пространственным параметрам пакета ионов.

4

4. Ионно-оптическая схема бессеточного ортогонального ускорителя с малыми искажениями формируемого временного сигнала.

Достоверность результатов работы обеспечивается корректностью применяемых математических и компьютерных методов моделирования ионно-оптических систем, совпадением результатов моделирования известных систем с описанными в литературе, а также совпадением результатов моделирования, проведенных различными методами.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что применение в ВПМС и МОВПМС предлагаемых в ней ионно-оптических решений позволит создать новое поколение времяпролетных масс-спектрометров, характеризующихся сверхвысокой разрешающей способностью (более 100 000), а также широким динамическим диапазоном (более 105), для высокоскоростного анализа сложных веществ и соединений. Предложенные в настоящей диссертационной работе схемы ионных зеркал, обладающих уникальными иопно-оптическими характеристиками, могут служить основой создания ВПМС, использующих не только плапарные, но и осесимметричные зеркала.

Личный вклад автора

Представленные в диссертации новые результаты исследований и оптимизации ионно-оптических схем бесссточных элементов для ВПМС получены лично автором.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конкурсе научных работ молодых учёных ИАП РАН (Санкт-Петербург, 2010 г.), на семинаре «Успехи современной масс-спектрометрии» ИАП РАН (Санкт-Петербург, 2010 г), на Первой Международной конференции «Advances in radioactive isotope science» (Левей (Бельгия), 2011 г.), на Десятом Всероссийском семинаре «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики» (Москва, 2011 г.) и на IV Всероссийской конференции «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы» (Москва, 2011 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликованы 3 печатных работы в отечественных изданиях, входящих в перечень ВАК, список которых приведён в конце автореферата.

Структура и объём диссертации

Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 70 наименований. Материал содержит 153 е., 70 рис. и 10 табл.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и сформулирована её цель, содержится краткое описание структуры диссертации с указанием выносимых на защиту положений, а также приводятся сведения об апробации работы.

Первая глава является обзорной и посвящена истории и современному состоянию развития ВПМС.

Первый ВПМС был предложен в конце 1940-х годов [1] и представлял собой линейный анализатор, основными компонентами которого являлись импульсный ионный источник с одноступенчатым ускорением, дрейфовое пространство и детектор. Несмотря на дешевизну, простоту конструкции и компактность, первые времяпролётные приборы не имели практической значимости и значительно уступали масс-анализаторам других типов из-за чрезвычайно низкой разрешающей способности, которая была ограничена в первую очередь малым временем пролёта ионов, временем разворота заряженных частиц в ускорителе, аберрациями времени пролёта по энергии (среди которых наибольший вклад вносит аберрация второго порядка времени пролета по энергии), невысоким качеством системы регистрации и составляла менее 100.

Устранение аберрации второго порядка времени пролета по энергии и увеличение длины времяпролётного прибора стало возможным при использовании импульсного источника с двухступенчатым ускорением заряженных частиц, впервые предложенного в середине 1950-х годов [2], благодаря чему разрешающая способность была увеличена до нескольких сотен. С линейных ВПМС с двухступенчатым ускорением ионов начинается история первых коммерческих времяпролётных приборов.

Существенно более эффективное решение - компенсация энергоразброса в электростатических зеркалах - впервые было предложено в теоретической работе Алиханова [3], а её экспериментальная реализация подтверждена в работе Мамырина [4]. Альтернативным способом компенсации энергоразброса заряженных частиц является применение электростатических секторных полей [5 - 6].

Традиционные зеркала для простейших ВПМС (рефлектронов) - приборов с однократным отражением ионных пакетов - состоят из промежутков однородного тормозящего поля, отделённых друг от друга и от дрейфового пространства сеточными электродами. Использование сеток в конструкции ионных зеркал сопровождается целым рядом негативных эффектов: малоугловым рассеянием ионных пакетов на неоднородностях поля вблизи сеток, приводящим к искажениям, увеличивающим длительность временного сигнала в плоскости детектора (по этой причине пики спектра масс, полученные, полученные времяпролетным методом, характеризуются типичными длинными «хвостами», ограничивающими динамический диапазон масс-спектрометра в режиме высокой разрешающей способности),

уменьшением трансмиссии ионов, обусловленным конечной прозрачностью сеточных электродов и рассеянием на большие углы, эффектами зарядки, нагревом и фрагментацией заряженных частиц. Перечисленных недостатков лишены бессеточные зеркала, поэтому их использование позволяет существенно улучшить параметры рефлектрона при работе в режиме высокого разрешения по массе (> 10000 на полувысоте пика). Наиболее высококачественным известным в настоящее время бессеточным зеркалом для рефлектрона с двумя управляющими потенциалами является аксиально-симметричное зеркало Фрея [7], сочетающее в себе свойства пространственной фокусировки ионных пакетов и фокусировку второго порядка времени пролёта по энергии. Разрешающая способность времяпролётных приборов рефлектронного типа, как правило, находится в диапазоне 1000- 15000.

Использование ионных зеркал даст возможность существенно снизить уширение временного сигнала в ВПМС, связанное с энергоразбросом ионных пакетов, формируемых в импульсном источнике или конвертере. В этом случае основным фактором, ограничивающим разрешающую способность ВПМС, остаётся время разворота заряженных частиц в источнике/конвертере, которое по техническим причинам не может быть сделано меньшим определённого уровня. Таким образом, остающимся ресурсом увеличения разрешающей способности ВПМС является увеличение общего времени пролёта заряженных частиц, которое может быть достигнуто путём «складывания» ионных траекторий. Такое «складывание», в свою очередь, может быть реализовано двумя разными способами: с замыканием траекторий заряженных частиц в периодические циклы (схемы МОВПМС с ограниченным массовым диапазоном) и без зацикливания траекторий (схемы МОВПМС с неограниченным массовым диапазоном). Хотя идея зацикливания траекторий при помощи многократных отражений между двумя электростатическими зеркалами впервые была предложена ещё в середине 1950-х годов в теоретической работе Алиханова [3], однако, попытки реализации МОВПМС начали предприниматься лишь в начале 1990-х годов. Ввиду неудовлетворительных ионно-оптических характеристик бессеточных зеркал и малого количества отражений, первые МОВПМС демонстрировали низкую разрешающую способность. Самые высококачественные известные к настоящему времени бессеточные ионные зеркала для МОВПМС обладают свойствами эффективного удержания ионных пакетов вблизи оптической оси анализатора на всей длине пути, пространственной изохронностью во втором аберрационном порядке и фокусировкой третьего порядка времени пролёта по энергии [8]. Разрешающая способность современных МОВПМС составляет порядка 100000 в режиме неограниченного массового диапазона и 200000 в режиме зацикливания ионных траекторий. По величинам достигаемой разрешающей способности МОВПМС уступают лишь приборам ион-циклотронпого резонанса.

Абсолютное большинство используемых в настоящее время в масс-спектрометрии ионных источников являются непрерывными или могут быть преобразованы в таковые. Согласование ВПМС с такими источниками осуществляется посредством применения импульсных конвертеров, преобразующих стационарный поток ионов в импульсные пакеты. Наиболее широко используемым импульсным конвертером в настоящее время является ортогональный ускоритель, в котором узкий непрерывный ионный пучок пропускается в пространстве между двумя электродами и периодически ускоряется однородным электрическим полем в перпендикулярном направлении [9]. Традиционная конструкция ортогонального ускорителя предусматривает наличие, как минимум, трёх сеточных электродов.

Вторая глава диссертации посвящена разработке бессеточных зеркал для ВПМС.

В первом разделе главы 2 дано описание общей процедуры расчёта и оптимизации аберрационных коэффициентов бессеточных ионных зеркал.

Электростатические поля планарных и осесимметричных ионных зеркал имеют двумерную структуру, и их пространственные распределения полностью определяется соответствующими распределениями потенциала и (г) вдоль оптической оси г. Распределение потенциала на оптической оси в компьютерной программе, которая используется для оптимизации свойств рассматриваемых в рамках данной работы ионных зеркал, в общем случае (при электродах произвольной формы и при наличии

ВТ

Рисунок 1. Схемы /¡-электродного зеркала (а) и двухэлектродной системы (б) с отсутствующими межэлектродными зазорами в продольном направлении.

продольных зазоров между ними) вычисляется методом граничных элементов. Затем выполняется интегрирование траекторий заряженных частиц, вычисление аберрационных коэффициентов и оптимизация параметров зеркала в соответствии с заданной целевой функцией. Расчёт коэффициентов аберрационных разложений, которые являются частными производными разных порядков функций нескольких переменных, производится методом дифференциальной алгебры [10]. При численном расчёте электростатического поля методом граничных элементов оптимизируемыми параметрами ионного зеркала являются потенциалы электродов зеркала и положение центральной плоскости. Однако, если считать, что межэлектродные размеры в продольном направлении малы, то функцииU'*(z) и U"t' (2) для, в общем случае, «-электродных зеркал (рис. 1,а) могут быть выражены через суперпозицию потенциала двухэлектродпой системы t/„'''1"" (рис. 1,6):

и(z) = 2ü[i'u")(ul ,-z)+2Ü;;'^(U2 ,z)+ü (-t/2 ,z-it) +

u:;"-\-u2 ,z+/,)+иi;'u"\u,,*-/,) +üi;'ua,(u, ,*+/,)+ (1) 0;;'.....(-u„z-it-Lj+ü^i-u^z+i, +/2)+... .

Для планарной двухэлектродпой системы аналитический вид функции С/,¡'(г) может быть найден при конформном отображении этой системы на верхнюю полуплоскость и имеет вид (z) = 2[/arctan(exp(;zz/d). Для функции U'("(z) простого аналитического представления не существует. Приближённое выражение для С/,'" (2) приведено в работе [11], однако, как показывают расчёты, оно является слишком грубым для вычисления аберрационных коэффициентов осесимметричных ионных зеркал. Путём аппроксимации численных значений напряжённости поля на оптической осп осесимметричной двухэлектродпой системы, полученных в программе SIMION 8.0 [12], нами было найдено выражение для E"(z), на порядок превосходящее по точности ранее известную аппроксимирующую формулу:

№)=-^-. (2)

R(cxp(2Bz / R) + exp(-2ßz / R) + С)

где А ~ 1.05, В ~ 1.23 ,С~ 1-18.

Использование аналитического представления функций U,f'(z) и U"(z) позволяет существенно ускорить их расчёт и эффективно включить в список оптимизируемых параметров длины всех электродов зеркала, что существенно расширяет возможности получения с помощью вышеописанной процедуры расчета набора требуемых ионно-оптических характеристик зеркал.

Во втором разделе главы 2 исследуется возможность получения в конструктивно простых бессеточных планарных ионных зеркалах, управляемых двумя источниками питания, различных совокупностей иошю-

оптических характеристик, позволяющих увеличить разрешающую способность ВПМС рефлектронного типа, реализованного на основе таких зеркал. Схематическое представление масс-рефлектрона с ортогональным ускорением ионов на основе планарного бессеточного ионного зеркала

Рисунок 2. Схематическое представление рефлектрона с ортогональным ускорением ионов на основе планарного бессеточного ионного зеркала с двумя настраиваемыми потенциалами электродов К| и У2 и электродом-экраном, находящимся под потенциалом дрейфового пространства Кдрейф.

дрейфа у, отклонение времени пролёта Т произвольного иона с фиксированным отношением массы к заряду т/<2 и начальными значениями пространственных параметров х0, а0 (а = с!х/с1г) и кинетической энергии К от плоскости первичного временного фокуса, создаваемого ортогональным ускорителем, до плоскости детектора от времени пролёта Т0 иона с тем же отношением m/Q, но летящего в средней плоскости зеркала с номинальной энергией К0, может быть записано в виде аберрационного разложения Т-Т„=АТ = (Т\ 3)3, +(Т 133)31 +(Т 1333)31 +(Л 3333)3* +...

+ (Т | хх)х2й + (Т | ха)х„а„ +(Т\аа)а] (3)

+ (Т | ххЗ)х]За + (Т |хаЗ)х0а„д„ + (Г | аа3)а2„30 +..., где - коэффициенты разложения, 3„ = (К - К„)/К0- величина

относительного энергоразброса. В то же время, отклонение иона Ах в плоскости детектора ху в рассматриваемой системе также может быть представлено в виде разложения

х-х0 = Ах = (х\ х)х„ + (х I а)а„ + (х | хЗ)хпЗ„ + (х \ а3)а„3„+.... (4) Ионно-оптическая система ВПМС должна вносить минимальное временное уширение сигнала ионных пакетов с фиксированным значением m/Q на детекторе, что обеспечивается устранением и минимизацией возможно

10

большего числа коэффициентов (прежде всего, младших порядков) в разложении (3), а также обеспечивать разумные размеры пучка заряженных частиц в направлении .V, что эквивалентно небольшим значениям коэффициентов разложения (4).

Наиболее высококачественным известным в настоящее время бессеточным зеркалом с двумя управляющими потенциалами является аксиально-симметричное зеркало Фрея [7], которое обладает свойствами пространственной фокусировки заряженных частиц (,г|.г) = 0 и фокусировки второго порядка времени пролёта по энергии (Т\б) = (7]&5) = 0. Конструктивно оно состоит из набора кольцеобразных апертур и содержит короткий замедляющий линзовый промежуток поля и протяжённый промежуток отражающего почти однородного поля.

В настоящем разделе исследуются планарные двухпотенцнальные зеркала с альтернативными ионно-оптпческнми характеристиками. Численное моделирование и оптимизация потенциалов и длин электродов показывают, что в планарных ионных зеркалах с двумя управляющими тормозящими потенциалами возможно реализовать два альтернативных набора иопно-оптических свойств: либо (х|.г) = (7]г5) = (Т\<Щ = (7](Ш) = 0, либо (г|.г) = (7]х\") = (Т\аа) = (7]<^) = 0 (условие (Т\аа) = 0 автоматически следует из выполнения условий (,т|х) = (Т\хх) = 0 при равенстве расстояний от зеркала до плоскостей детектора и первичного временного фокуса, формируемого ортогональным

Таблица 1. Нормированные значения основных аберрационных коэффициентов двухпотенциальных бессеточных ионных зеркал с различными оптическими свойствами.

Нормированный аберрационный коэффициент Зеркало Фрея Зеркало с (По-) = (Цаа) = (7>*) = 0 Зеркало с (7>5) = №5) = (7>Ш) = 0 Зеркало с (71-™-) = (Т\аа) = (Т\д) = (7Щ) = (7>Щ) = 0

(71.гд-)/7о , мм-2 0.00006 0 0.00044 0

(Т\ха)/Та, мм"1 0.0354 -0.0009 0.1445 -0.005

(Т\аа)/Т„ 5.25 0 12 0

(Т\д)'То 0 0 0 0

(71&5)/Г(| 0 0.266 0 0

(71<Ш)/Г0 -0.425 1.241 0 0

(71&Ш)/7Ь 0.987 6.873 7.079 19.271

(7]лд(5)/Г(|, мм-2 0.0001 -0.0071 -0.0027 0.00016

(7]л'<7(5)/7о , мм"' -0.038 -2.399 -0.822 0.074

(Т\аад)!Тп -3.007 -202.781 -61.866 7.357

ускорителем). Нормированные значения основных аберрационных коэффициентов для рассматриваемых ионных зеркал перечислены в табл. 1. На рис. 3,а-в приведены результаты расчёта аберрационных уширений времени пролёта для зеркал с тормозящими потенциалами и соответствующие аберрационные пределы разрешающей способности на различных уровнях интенсивности сигнала, которые являются универсальной характеристикой качества ионных зеркал, для модельных пучков однозарядных положительно заряженных ионов массы т = 1 ООО а. е. м с равномерно задаваемыми разбросами по координате Лхо = 2 мм, углу, который соответствует угловому акспетансу зеркал и определяется соотношением Дд0 = (а|х)Дл'о, и энергии Л(50 ~ 6.7%. Основным недостатком зеркала Фрея являются нескомпенсированные аберрации второго порядка по пространственным переменным (Т\хх)х1, (Т\ха)хпа{) и (Г \аа)а^, которые при выбранных параметрах модельных пучков вносят наибольший вклад в аберрационное уширение временного сигнала и ответственны за

(3} 330-,

>30-

550 -

■3 550 -

о 530-

г ¿5-С -

£ * 350-

У £ $00 ■

* 250

200-

)Ь0 -

t-ЭО-

50-

е-

и

$.3 mjx

..ix ••• 3 ,w.\t

,:!<; 0.4*

:1Л' «

■У!,2Л . ;5.6 «с, •••■ 4^00 ff, tf^..«5Ш

м ie ;з 20 ;

:>Г,а» " «••• Кжщ " МЗТО .¡г, - SA мх в - Жв

(6) 300-,

280 -

2-iO -

220 -

s 200 -

7 Ж -

• г»

® r '20 •

С з :OC -

(г) 120)

neo-f

JOOO {-

SSO-f ■■

з* soo к i

5 ?öo 4"

Г i.UYiA sie-/ h мы

W *w>H

jr V1 . <«.i iK. 14200

Jf <> 1 «с. R U«X)

и HV, * ад

1С. a -S -Й -2 5 2 4 6 г 33 w «S 15 20 22 2« Т-Тг.ис

Av "•■- ?. мм

А? - 0.54*

0J (К.'. .<?., Ч4, - 1

АТу, 1 «с./i .. -- t ;(Ж> ;

dT^ « U «с, ?300 I

■1С -S -6 -t -2

24 ж

-10 й -4 -с О

14 10 ts 20

Рисунок 3. Формы аберрационных уширений временного сигнала и соответствующие аберрационные пределы разрешающей способности после однократного отражения ионных пакетов для зеркал со свойствами (х\х) = (7]<S) - (T\SS) = 0 (зеркало Фрея) (а), (х|л-) = (Т\хх) = (71 аа) = (7>5) = 0 (б), (х\х) = (Г|<5) = (Л<И) = (Г|<Ш) = 0 (в) и (х\х) = (Г]хл-) = (Т\аа) = (715) = (71<5<5) = (Г|<Ш) = 0 (г), m - 1000 а. е. м, Ка =- 4500 эВ.

^ .ЗОЭГ)

иусоо

- Яцгенима/1Ы ЭЯйРфОДО*

- рзслрйдйпен^ потенциала нл оси аефкапл

наблюдаемую асимметрию формы временного пика. Попытки устранения аберраций (Г^гх).^ и (Т\аа)а1 (смешанная аберрация (Т \ ха)х0а0 не может быть устранена при однократном отражении заряженных частиц) сопровождаются понижением порядка времяпролётной фокусировки по энергии и значительному росту хромато-геометрических аберраций третьего порядка, а повышение качества фокусировки времени пролёта по энергии даёт в результате существенное увеличение абсолютных значений коэффициентов (7]хт), (Т\ха) и (Т\аа). Таким образом, в ионных зеркалах с двумя тормозящими потенциалами оптимальным набором ионно-оптических характеристик являются свойства, сочетаемые в зеркале Фрея.

Повышение порядка времяпролётной фокусировки вместе с устранением аберраций второго порядка (Т \ хх)х1 и (Т \ аа)а1 становится возможным

реализовать в ионных зеркалах, в которых пространственная

фокусировка ионных пакетов осуществляется электродом с ускоряющим потенциалом.

Распределение потенциала на оптической оси и его значения на электродах для ионного зеркала, обладающего свойствами (х[.т) =

(Цхх) = (Т\аа) = (7^) = (7]<5<5) = (7](5с5<5) = 0, показаны па рис. 4. В предлагаемом варианте к электродам с тормозящими потенциалами прикладываются пропорциональные потенциалы, причём 2-ой, 3-ий и 4-ый электроды имеют одинаковую длину. Форма аберрационного уширения временного сигнала для данного зеркала показана на рис.

та го

2, ШЛ1

Рисунок 4. Распределение потенциала на оптической оси и его значения на электродах для двухпотенциального ионного зеркала с ускоряющим потенциалом. Координата г = О соответствует положению сплошного отражательного электрода-крышки. Полная высота зеркала равна с/ = 30 мм. Расстояние от электрода-крышки до плоскости первичного временного фокуса составляет 204.95 мм. Ка = 4500 эВ.

3,г. Из сравнения рис. 3,а и рис. 3,г видно, что существенными преимуществами предложенного зеркала являются увеличение аберрационных пределов разрешающей способности на 10%-ом уровне интенсивности сигнала и по основанию по сравнению с аналогичными характеристиками зеркала Фрея приблизительно в 2.4 и 3.8 раза, соответственно, а также больший (примерно в 1.35 раза) угловой аксептанс.

В третьем разделе главы 2 рассматриваются ионно-оптические схемы бессеточных планарных ионных зеркал для МОВПМС. Улучшение оптических свойств существующих зеркал может проводиться в двух направлениях, в зависимости от высоты ионных пакетов в масс-анализаторе. Если ионный пакет в анализаторе намного уже, чем высота зазора окна

зеркала (схема МОВПМС с продольно ориентированным ортогональным ускорителем), то основным фактором, уширяющим пакет в зеркале, является аберрация времени пролета по энергии, и, таким образом, основным ресурсом улучшения качества зеркал становится повышение порядка фокусировки времени пролёта по энергии этими зеркалами. Если же высота ионного пакета сравнима с высотой окна зеркала (схема МОВПМС с продольно ориентированным ортогональным ускорителем [8]), то наибольшее значение для улучшения качества зеркал имеет уменьшение смешанной аберрации третьего порядка времени пролета по энергии и пространственной высоте пакета ионов.

Численное моделирование электростатических полей и траекторий заряженных частиц показывает, что увеличение порядка фокусировки времени пролёта по энергии в ионных зеркалах эффективно достигается при изменении распределения потенциала в окрестности точки поворота ионных пакетов, которое наиболее легко реализуется при введении в конструкцию зеркала дополнительных управляющих потенциалов. Распределения потенциала на оптической оси и его значения на электродах для ионных зеркал, обладающих свойствами фокусировки 4-го и 5-го порядков времени пролёта по энергии и пространственной изохронностью во втором аберрационном порядке, показаны на рис. 5,а и 5,6, соответственно.

<1>) !*СГ:

еоч.

С".1'-

■ пО!енциа'!ыэ№1ародсХ! - рлспмделений потесала .-..1 -ки г»-:|Х!1Л<1;

(О) в№Э

¡¡ОСц

■госо

'■■■'< х> 4>:; и «о я> т ЭЙ гю -

------ - ПГИЙМГ^ЗШЫ 314*1 рздоз

■ - ■■ - распределении 1!!:гс>и<и.и';|

с и а м м

ш 1-а ис

Рисунок 5. Распределения потенциала на оптической оси и его значения на электродах для ионных зеркал с 5-ым (а) и 6-ым (б) порядками фокусировки времени пролёта по энергии. Координата z = 0 соответствует положению сплошного отражательного электрода-крышки. Полная высота зеркал равна сI = 30 мм. Расстояния от электрода-крышки до центральной плоскости зеркал составляют 318.7 мм и 327.1 мм, соответственно. Ка = 4500 эВ.

Количество управляющих потенциалов в ионных зеркалах с перечисленными свойствами может быть уменьшено до трёх при подаче пропорциональных потенциалов на электроды.

Дисперсионные характеристики рассматриваемых ионных зеркал приведены на рис. 6, а результаты расчёта аберрационных уширений времени пролёта и аберрационных пределов разрешающей способности для пучка однозарядных положительно заряженных ионов массы т = 1 ООО а. е. м. с

Рис. 6. Дисперсионные характеристики ионных зеркал с различными порядками времяпролётной фокусировки по энергии после двукратного отражения заряженных частиц, т = 1000 а. е. м. Ко = 4500 эВ.

равномерно задаваемыми разбросами по координате Ах0 = 2 мм, углу Айг0 — 0.4° и энергии = 10% после 10-ти отражений ионных пакетов показаны на рис. 7. На данных рисунках для сравнения представлены также аналогичные характеристики для планарного ионного зеркала с 3-им порядком фокусировки времени пролёта по энергии из работы [8]. Таким образом, повышение качества времяпролётной фокусировки по энергии позволяет существенно увеличить аберрационный предел разрешающей способности,

рассчитанной по основанию (приблизительно в 6.5 и 8.5 раз для 4-ого и 5-ого порядков фокусировки при заданных параметрах модельного пучка) и, соответственно, возможность ионных пиков, сильно различающихся по интенсивности, порядка времяпролётной фокусировки по энергии

Рисунок 7. Формы аберрационных уширений временного сигнала и соответствующие аберрационные

пределы разрешающей способности после 10-ти отражений ионных пакетов для ионных зеркал с 3-им (а), 4-ым (б) и 5-ым (в) порядками фокусировки времени пролёта по энергии, т = 1000 а. е. м. Ко = 4500 эВ.

разрешения Увеличение

сопровождается ростом аберраций третьего порядка по пространственным переменным и энергии (Т \ххЗ)х*Зи и (Т \ааё)а18и.

В МОВПМС, где размеры ионных пакетов являются существенными в направлении х [8], приоритетной задачей улучшения качества ионных зеркал является ие увеличение порядка фокусировки времени пролёта по энергии, а

Ь , ■ I ■ I ' . - I ' I ■ I ■ I

4253 4000 4350 44С0 4450 4500 4550 4000 4650 4700 4?50

К, ЭВ

фокусировка 3-го гюрияка ;Т. - 40.221 икс) фокуснпоака 4-го порядка = 393 ыкс) фокусировка 5-го порядка (Т. - 46 33' мкс)

устранение смешанных аберрации третьего порядка (Т \ хх3)х13{1 и

• логеициалы электродов - раочэеделеимг: потенциала иа аш зеркаее;

кэ >гс

1Й0 !в* 2$С У-,

Рисунок 9. Формы аберрационных уширений временного сигнала и соответствующие аберрационные

пределы разрешающей способности после )0-ти отражений ионных пакетов для ионных зеркал с 3-им порядком времяпролётной фокусировки по энергии и пространственной изохронностью во втором аберрационном порядке (а) и с полной фокусировкой 3-го порядка времени пролёта (б), т = 1 ООО а. е. м, Кп = 4500 эВ.

Рисунок 8. Распределение потенциала на оптической оси и его значения на электродах для ионного зеркала с полной фокусировкой третьего порядка. Координата г = 0 соответствует положению сплошного отражательного электрода-крышки. Полная высота зеркала равна с! = 30 мм. Расстояние от электрода-крышки до центральной плоскости зеркала составляет 457.6 мм. Ко = 4500 эВ.

{Т \аа5)а2и5„. Эта задача упрощается тем обстоятельством, что при выполнении условия геометрической фокусировки (х|х) = 0 все три аберрационных коэффициента

третьего порядка в разложении (3) обращаются в ноль одновременно после двух последовательных отражений ионов от зеркал, если выполнено только одно условие (Т\ххб) = 0. Численное моделирование электростатических полей и траекторий заряженных частиц показывает, что эффективным способом устранения рассматриваемых аберраций является увеличение протяжённости области, в которой ионы движутся с повышенной кинетической энергией. Распределение потенциала на оптической оси и его значения на электродах для ионного зеркала с полной фокусировкой третьего порядка времени пролёта показаны на рис. 8. Особенностью данного зеркала является длинный электрод с ускоряющим потенциалом, смежный с электродом, находящимся под потенциалом дрейфового пространства.

На рис. 9 показаны результаты расчёта аберрационных уширений времени пролёта и аберрационных пределов разрешающей способности для ионного зеркала с 3-им порядком времяпролётной фокусировки по энергии и

пространственной изохронностью во втором аберрационном порядке [8] и ионного зеркала с полным третьим порядком фокусировки времени пролёта для модельных пучков однозарядных положительно заряженных ионов массы т = 1000 а. е. м с равномерно задаваемыми разбросами по координате Лхо = 6 мм, углу, соответствующему угловым аксептансам зеркал, и энергии А до ~ 6.7% после 10-ти отражений ионных пакетов. Из представленных результатов видно, что устранение смешанных аберраций третьего порядка позволяет увеличить аберрационные пределы разрешающей способности на всех рассматриваемых уровнях интенсивности сигнала: в 22 раза на полувысоте, в 7.7 раз на 10%-ом уровне ив 1.5 раза по основанию при заданных параметрах модельных пучков. Следует отметить, что определенным недостатком ионных зеркал с длинными электродами является уменьшение углового аксептанса, что является прямым следствием увеличения фокусного расстоянии таких зеркал.

Третья глава посвящена разработке ионно-оптической схемы бессеточного ортогонального ускорителя. Для МОВПМС с бессеточными ионными зеркалами, обладающими небольшим угловым аксептансом, наиболее существенным из негативных эффектов, вносимыми сеточными электродами импульсного конвертера, является малоугловое рассеяние ионных пакетов, приводящее к потере трансмиссии и, соответственно, чувствительности масс-анализатора. Таким образом, эффективное использование таких ионных зеркал требует отсутствия сеточных электродов в ионно-оптнческой схеме ускорителя.

В первом разделе главы 3 проводится оптимизация геометрии выходной (статической) части бессеточного ускорителя. Устранение расхождения ионного пучка, возникающего при отказе от использования сетки, разделяющей однородное поле конвертера от дрейфового пространства, возможно при создании фокусирующей линзы. Данная линза может быть реализована либо путём формирования областей с различной напряжённостью поля, либо при помощи использования дополнительного фокусирующего электрода. Сравнение этих двух способов показывает, что оптимальным вариантом, обеспечивающим независимую от параметров ионных пакетов на выходе ускорителя настройку линзы и наименьшие величины времяпролётной аберрации второго порядка по пространственной координате (Г | уу)у\ (где у - направление, перпендикулярное направлению движения непрерывного ионного пучка) является размещение в выходной статической части конвертера ускоряющего электрода, формирующего одиночную двумерную линзу. Аберрация (Т\уу)у\, создаваемая неоднородным полем линзы, положительна.

Во втором разделе главы 3 рассматривается оптимизация входной (импульсной) части ортогонального ускорителя. Замена сеточных земляного и тянущего электродов во входной части конвертера на бессеточные апертуры неизбежно приводит к проникновению постоянного ускоряющего поля в область локализации стационарного ионного пучка в моменты

времени между экстрагирующими импульсами. что нарушает прямолинейность движения заряженных частиц. Для защиты стационарного пучка к импульсному тянущему электроду в указанные промежутки времени должен прикладываться некоторый положительный потенциал, компенсирующий отрицательный потенциал ускоряющего поля конвертера.

Другим существенным эффектом, возникающим при отказе от использования сеток во входной импульсной частиц ускорителя, является формирование линз в окрестностях заземлённого и тянущего щелевых электродов, суммарное действие которых является дефокусирующим. Неоднородное поле этих линз создаёт отрицательную аберрацию второго порядка по пространственной координате (Г | уу)у] < 0, причём абсолютная величина соответствующего аберрационного коэффициента увеличивается при смещении координаты ипжекции непрерывного пучка в сторону выталкивающего электрода. Таким образом, в реальности оптимальное положение стационарного пучка заряженных частиц между выталкивающим и заземлённым электродами определяется взаимной компенсацией рассматриваемой аберрации во входной и выходной частях ускорителя.

В третьем разделе главы 3 приведена схема полностью бессеточного ортогонального ускорителя с напряженностью выталкивающего поля Е = 300 В/мм и выходной кинетической энергией ионов ^дрсйф= 7700 эВ (рис. 10).

5 мм

Рисунок 10. Схема бессеточного ортогонального ускорителя. Направление х соответствует направлению движения непрерывного ионного пучка.

Для заряженных частиц, стартующих из центра зазора между выталкивающим и заземлённым электродами, величина аберрации (Т \ уу)у„, формируемой импульсным конвертером в плоскости первичного временного фокуса, положительна, и её компенсация осуществляется при сдвиге координаты инжекции приблизительно на 0.7 мм в сторону выталкивающего электрода. На рис. 11, а и 11 ,б для ортогонального ускорителя со смещённой

18

я «5

г

к

йл

ш

я»

инжекцией показаны форма временного пика (без учёта времени разворота

ионов) в плоскости первичного временного фокуса и уширение временного сигнала в этой плоскости, обусловленное энергоразбросом

заряженных частиц, соответственно, для пучка ионов массы т = 1000 а. е. м и диаметра с1 = 2 мм, демонстрирующие пренебрежимо малый вклад

аберрации (Т \уу)у1- Остающийся вклад аберраций времени пролёта по энергии, формируемый, главным образом, аберрацией второго порядка (Т153)51, в плоскости детектора ВПМС может быть практически полностью скомпенсирован ионными зеркалами.

В четвёртой главе обсуждаются возможные примеры использования бессеточных планарных ионных зеркал с улучшенными оптическими характеристиками, разработанных во второй главе, в ионно-оптических схемах ВПМС.

В первом разделе главы 4 рассматривается ионно-оптическая схема ВПМС рефлектронного типа,

Рисунок 11. Форма пика в плоскости первичного временного фокуса (без учёта времени разворота ионов) и уширение временного сигнала, обусловленное энергоразбросом заряженных частиц, для

бессеточного ортогонального

ускорителя со смещенной инжекцией.

\

П

реализованного на основе

масштабированного двухпотенциального ионного зеркала с ускоряющим

потенциалом, обладающего

времяпролётной фокусировкой третьего порядка по энергии и малыми аберрациями времени пролёта по пространственным параметрам ионов (рис. 4). Дисперсионная характеристика масс-рефлектрона показана на рис. 12 (здесь же приведены соответствующие характеристики ионного зеркала и ортогонального ускорителя с однородным полем), а результаты расчёта уширений временного сигнала в плоскости детектора (без учёта влияния сеточных электродов импульсного конвертера) для модельных ионных пучков представлены на рис. 13. Аберрационное уширение временного сигнала в рассматриваемом ВПМС связано, главным образом, с

У-'.---

Рисунок 12. Дисперсионные характеристики масс-рефлектрона, ионного зеркала и ортогонального ускорителя с напряжённостью однородного поля Е - 200 В/мм.

аберрациями времени пролёта по энергии ионного зеркала, среди которых доминирующий вклад вносит положительная аберрация четвёртого порядка (Г | Ш3)ё04.

Рисунок 13. Временные уширения сигнала в масс-рефлектроне в плоскости детектора для модельных пучков однозарядных положительно заряженных ионов массы т = 1 ООО а. е. м с параметрами в ускорителе с! = 1.5 мм. Да = 1.6° (а) и с/= 2 мм, Да = 1.2° (б). Напряжённость однородного поля ортогонального ускорителя равна Е = 200 В/мм. Кп = 4500 эВ.

Во втором разделе главы 4 рассматривается ионно-оптическая схема трёхоборотного ВПМС с продольно ориентированным ортогональным ускорителем на основе масштабированных бессеточных планарных ионных зеркал с пятым порядком фокусировки времени пролёта по энергии (рис. 5, б). Дисперсионные характеристики масс-анализатора, бессеточного ортогонального ускорителя и ионных зеркал показаны на рис. 14, а, а

«СС и'*: лш -¡л-> икя ¿!ГК-

К- ЙВ К, »8

Рисунок 14. Дисперсионные характеристики трёхобортного масс-анализатора, ионных зеркал и бессеточного ортогонально ускорителя с напряжённостью выталкивающего поля Е = 200 В/мм (а) и соответствующие характеристики при компенсации аберрации (7° 185)51 ускорителя ионными зеркалами (б).

результаты расчёта временного уширения сигнала в плоскости детектора для модельных пучков заряженных частиц приведены на рис. 15,а и 15,6. Доминирующий вклад в аберрационное уширение временного сигнала вносит положительная аберрация второго порядка (Т \ , формируемая

бессеточным импульсным конвертером. Данная аберрация может быть

20

компенсирована соответствующей отрицательной аберрацией второго порядка ионных зеркал, что требует незначительных изменений их настроечных потенциалов, фокусного расстояния и оптимизируемых длин электродов. На рис 14,6 показаны дисперсионные характеристики масс-

ащ

«л...

«4

ШЙ

ШЙт

Рисунок 15. Временные уширения сигнала в трёхоборотном масс-анализаторе в плоскости детектора для модельных пучков однозарядных положительно заряженных ионов массы т = 1000 а. е. м с параметрами в ускорителе с1= 1.5 мм, Аа = 1.6° и с/= 2 мм, Да = 1.2° (а, б) и соответствующие формы уширений временного сигнала при компенсации аберрации (Г^с))^2 ионными зеркалами (в, г). Напряжённость выталкивающего поля бессеточного ортогонального ускорителя равна Е = 200 В/мм. К0 = 4500 эВ.

анализатора и его оптических элементов при выполнении данной компенсации, а на рис. 15,в и 15,г представлены результаты расчёта временных ширин пика, демонстрирующие возможность улучшения разрешающей способности. В данном разделе также обсуждаются вопросы, касающиеся краевых полей и эффектов смещения электродов зеркал для рассматриваемой схемы ВПМС.

В заключении приведён список основных полученных в диссертации результатов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Получено приближённое аналитическое выражение для расчёта напряжённости поля на оптической оси многоэлектродных бессетрчных осесимметричных ионных зеркал с пренебрежимо малыми межэлектродными

зазорами, на порядок превосходящее по точности ранее известную аппроксимационную формулу.

2. На основе анализа различных типов бессеточных ионных зеркал для ВПМС рефлектронного типа, управляемых двумя потенциалами, разработана ионно-оптическая схема бессеточного планарного зеркала, управляемого двумя источниками питания и обладающего свойствами фокусировки третьего порядка времени пролёта по энергии и пространственной изохронности во втором аберрационном порядке.

3. Предложены ионно-оптические схемы бессеточных планарных ионных зеркал, обладающих свойствами фокусировки четвёртого и пятого порядков времени пролёта по энергии и пространственной изохронности во втором аберрационном порядке, для использования в МОВПМС с продольной ориентацией ортогонального ускорителя по отношению к плоскости зигзагообразного движения ионов.

4. Разработана ионно-оптическая схема бессеточного планарного ионного зеркала, обладающего свойством полной фокусировки третьего порядка времени пролёта по энергии и пространственным параметрам ионных пакетов, для использования в МОВПМС с поперечной ориентацией ортогонального ускорителя по отношению к плоскости зигзагообразного движения ионов.

5. Проведён сравнительный анализ качества предложенных ионных зеркал между собой и с их существующими наиболее высококачественными аналогами.

6. Предложена и исследована ионно-оптическая схема бессеточного ортогонального ускорителя, обеспечивающая малые искажения формируемого временного сигнала.

7. На основе разработанных ионно-оптических элементов предложены схемы ВПМС рефлектронного типа и трёхоборотного МОВПМС с продольно ориентированным ортогональным ускорителем, демонстрирующие высокую разрешающую способность.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

[1]. Cameron А. Е., Eggers D. F. An Ion " Velocitron". // Rev. Sei. Instrum. 1948. V. 19. P. 605.

[2]. Wiley W. С., McLaren I. H. Time-of-flight mass spectrometer with improved resolution. // Rev. Sei. Instrum. 1955. V. 26. N. 12. P. 1150 - 1157.

[3]. Алиханов С. Г. Новый импульсный метод измерения массы ионов. 1956. //ЖТФ. Т. 31. Вып. 3. С. 517-521.

[4]. Мамырин Б. А., Каратаев В. И., Шмикк Д. В., Загулин В. А. Масс-рефлектрон, новый безмагнитный времяпролётный масспектрометр с высоким разрешением. // ЖТФ. 1973. Т. 64. Вып. 1. С. 82 - 89.

[5]. Moorman С. J., Parmater J. Q. Time of flight mass spectrometer having both linear and curved drift regions whose energy dispersions with

time are mutually compensatory. // US Patent 3576992. 1971.

[6]. Сысоев А. А., Артаев В. Б., Металышков П. С. Времяпролётные свойства аксиально-симметричных масс-анализаторов ионов. 1992. // Письма в ЖТФ. Т. 18. Вып. 11. С. 67-71.

[7]. Frey R., Schlag Е. Time of flight mass spectrometer using an ion reflector. // US Patent 4731532. 1986.

[8]. Verentchikov A. N., Yavor M. I., Mitchell J. C., Artaev V. Multi-reflecting time-of-flight mass spectrometer and a method of use. // WO Patent 0028787. 2005.

[9]. Додонов А. Ф., Чернушевич И. В., Додонова Т. Ф., Разников В. В., Тальрозе В. JI. Метод времяпролётного масс-спектрометрического \ анализа из непрерывных ионных пучков. // А. с. 1681340. 1991.

[10]. Berz М. Modern map methods in particle beam physics (Advances in imaging and electron physics, V. 108). Acad. Press, 1999. P. 81-117.

[11]. Хокс П., Каспер Э. Основы электронной оптики. Москва: Мир, 1993.

[12]. Manura D.J., Dahl D.A. SIMION™ 8.0 User Manual. Sci. Instrument Services, Inc., Idaho Nat. Lab., 2006.

СПИСОК АВТОРСКИХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Помозов Т. В., Явор М. И. О возможности улучшения характеристик планарных бессеточных ионных зеркал. // Научное приборостроение. 2011. Т. 21. Вып. 2. С. 90-97.

2. Помозов Т. В., Явор М. И. Бессеточный ортогональной ускоритель для многоотражательных времяпролётных масс-анализаторов. // Научное приборостроение. 2012. Т. 22. Вып. 1. С. 113 - 120.

3. Помозов Т. В., Явор М. И., Веренчиков А. Н. Рефлектроны с ортогональным ускорением ионов на основе планарных бессеточных зеркал. 2012. // ЖТФ. Т. 82. Вып. 4. С. 130 - 136.

Подписано в печать 18.05.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 9293Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

РАЗВИТИЯ ВПМС

1.1. Простейший ВПМС

1.2. ВПМС с двухступенчатым ускорителем

1.3. Способы компенсации энергетического разброса в ВПМС

1.3.1. Компенсация энергетического разброса в ионных 18 зеркалах

1.3.2. Компенсация энергетического разброса в электростатических и магнитных секторных полях

1.4. Способы формирования импульсных ионных пакетов из непрерывных ионных источников. Метод ортогонального 21 ускорения

1.5. Ионные зеркала для ВПМС рефлектронного типа

1.5.1. Общие оптические свойства ионных зеркал

1.5.2. Ионные зеркала с времяпролётной фокусировкой по энергии

1.5.2.1. Ионные зеркала с кусочно-однородными полями

1.5.2.2. Ионные зеркала с неоднородными аксиальными полями

1.5.3. Ионные зеркала с пространственной (пространственно-угловой) фокусировкой

1.5.4. Эффекты, вносимые сетками

1.6. Особенности секторных ВПМС

1.7. Сравнение ионных зеркал и секторных полей как элементов для ВПМС

1.8. МОВПМС

1.8.1. Принципы МОВПМС и общие требования

1.8.2. МОВПМС на основе ионных зеркал

1.8.2.1. МОВПМС на основе осесимметричных ионных зеркал

1.8.2.2. МОВПМС на основе планарных (двумерных) ионных зеркал

1.8.3. Секторные МОВПМС

ГЛАВА 2. ПЛАНАРНЫЕ БЕССЕТОЧНЫЕ ИОННЫЕ ЗЕРКАЛА ДЛЯ ВПМС

2.1. Расчёт и оптимизация аберрационных коэффициентов планарных (двумерных) и осесимметричных бессеточных ионных зеркал

2.2. Планарные бессеточные зеркала для рефлектронов с ортогональным ускорением ионов

2.2.1. Бессеточные ионные зеркала с тормозящими потенциалами всех электродов

2.2.1.1. Зеркало Фрея

2.2.1.2. Ионные зеркала с альтернативными ионно-оптическими свойствами

2.2.2. Планарное ионное зеркало с ускоряющим потенциалом одного из электродов

2.2.3. Обобщение оптических свойств бессеточных ионных зеркал с двумя настроечными потенциалами

2.3. Планарные бессеточные ионные зеркала для МОВПМС 86 2.3.1. Планарные бессеточные ионные зеркала для МОВПМС с продольно ориентированным ортогональным ускорителем

2.3.1.1. Бессеточные план арные ионные зеркала с третьим порядком фокусировки времени пролёта по энергии

2.3.1.2. Бессеточные планарные ионные зеркала с четвёртым порядком фокусировки времени пролёта по энергии

2.3.1.3. Бессеточные планарные ионные зеркала с пятым порядком фокусировки времени пролёта по энергии

2.3.2. Планарные бессеточные ионные зеркала для МОВПМС с поперечно ориентированным ортогональным ускорителем

2.3.2.1. Бессеточное планарное ионное зеркало с полной фокусировкой третьего порядка времени пролёта

ГЛАВА 3. БЕССЕТОЧНЫЙ ОРТОГОНАЛЬНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ДЛЯ МОВПМС

3.1. Оптимизация выходной части ортогонального ускорителя

3.2. Оптимизация импульсной части ортогонального ускорителя

3.3. Ортогональный ускоритель с бессеточными входной и выходной частями

ГЛАВА 4. ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЛАНАРНЫХ БЕССЕТОЧНЫХ ИОННЫХ ЗЕРКАЛ С УЛУЧШЕННЫМИ ОПТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ В СХЕМАХ ВПМС

4.1. Одиночный масс-рефлектрон на основе двухпотенциального бессеточного ионного зеркала с ускоряющим потенциалом

4.2. Трёхоборотный масс-анализатор на основе бессеточного планарного ионного зеркала с пятым порядком фокусировки времени пролёта по энергии

Времяпролётная масс-спектрометрия, в основе своей использующая разделение ионов по массам за счёт различия времён пролёта коротких импульсных пакетов заряженных частиц, на сегодняшний день является одним из самых мощных и востребованных методов в самых разнообразных областях исследования вещества (атомная и молекулярная физика, химия и нефтехимия, геология, химия и биология, фармацевтика и многие другие), а времяпролётный масс-спектрометр (ВПМС) является, пожалуй, одним из самых популярных типов масс-анализатора. Успех ВПМС обусловлен их фундаментальными особенностями, такими как высокие чувствительность (единицы пг), информативность получаемых масс-спектров, скорость анализа (менее 1 мсек на спектр), точность определения массы (единицы ррт) и широкий динамический диапазон (порядка 104). Кроме того, возможность реализации ионно-оптических схем, функционирующих в неограниченном массовом диапазоне, делает времяпролётные приборы практически не имеющими альтернативы при исследовании тяжёлых молекулярных ионов, а достигнутый к настоящему времени уровень компенсации искажений временного сигнала позволяет достигать высокой разрешающей способности: от 5000 - 15000 для простейших ВПМС (рефлектронов) до 70000 - 100000 для многоотражательных ВПМС (МОВПМС).

Разрешающая способность - одна из важнейших аналитических характеристик ВПМС, стремление к увеличению которой, сопровождающееся расширением области возможных применений, является общей тенденцией в истории развития времяпролётных приборов. Один из возможных и наиболее перспективных способов улучшения этой характеристики - уменьшение временных искажений сигнала (аберраций), вносимых оптическими элементами масс-анализатора.

Современные ВПМС, как правило, используют ионные зеркала для компенсации временного уширения ионных пакетов, возникающего вследствие энергоразброса заряженных частиц. Традиционные ионные зеркала для простейших ВПМС (рефлектронов) - приборов с однократным отражением ионных пакетов - состоят из промежутков однородного тормозящего электростатического поля, отделённых друг от друга и от дрейфового пространства сеточными электродами. Использование сеток в конструкции ионных зеркал сопровождается целым рядом негативных эффектов: малоугловым рассеянием ионных пакетов на неоднородностях поля вблизи сеток, приводящим к искажениям, увеличивающим длительность временного сигнала в плоскости детектора (по этой причине пики спектра масс, полученные времяпролетным методом, характеризуются типичными длинными «хвостами», ограничивающими динамический диапазон масс-спектрометра в режиме высокой разрешающей способности), уменьшением трансмиссии ионов, обусловленным конечной прозрачностью сеточных электродов и рассеянием на большие углы, эффектами зарядки, нагревом и фрагментацией заряженных частиц. Перечисленных недостатков лишены бессеточные зеркала, поэтому их использование позволяет существенно улучшить параметры рефлектрона при работе в режиме высокого разрешения по массе (> 10000 на полувысоте пика). До настоящего времени предпринимались попытки замены в рефлектронах традиционных сеточных зеркал на бессеточные, однако они, как правило, не приводили к существенному улучшению характеристик зеркал из-за того, что неоднородная структура электростатического поля в бессеточном зеркале приводит к зависимости времени пролета от пространственного распределения ионов в пакетах. Наиболее высококачественным известным в настоящее время бессеточным зеркалом для рефлектрона с двумя управляющими потенциалами является аксиально-симметричное зеркало

Фрея, сочетающее в себе свойства пространственной фокусировки ионных пакетов и фокусировку второго порядка времени пролёта по энергии.

Однако, данное зеркало обладает существенным недостатком, а именно, 7 большими времяпролётными аберрациями второго порядка по пространственным переменным пучка заряженных частиц, которые ограничивают разрешающую способность на 10%-ом уровне интенсивности сигнала и по основанию и, соответственно, возможность разрешения ионных пиков, сильно различающихся по интенсивности. Таким образом, для ВПМС рефлектронного типа по-прежнему актуальной является разработка конструктивно простых бессеточных ионных зеркал с малым количеством источников питания, обладающих малыми аберрациями времени пролёта как по энергии пакетов заряженных частиц, так и по пространственным координатам ионов в этих пакетах.

Гораздо более перспективными по сравнению с времяпролётными приборами рефлектронного типа с точки зрения достигаемых величин разрешающей способности являются МОВПМС, к котором в последние годы проявляется колоссальный интерес, связанный со стремительной динамикой развития и сложностью решаемых задач в таких областях естествознания, как биология и биохимия. Среди МОВПМС на основе ионных зеркал особый интерес представляют так называемые анализаторы с зигзагообразной траекторией ионов, которые, в отличие от спектрометров «челночного» типа с аксиально-симметричными зеркалами, способны функционировать в режиме анализа ионов в полном массовом диапазоне. Приборы такого типа эквивалентны комбинации последовательно расположенных времяпролётных анализаторов с однократным отражением и реализуются на основе планарных (двумерных) ионных зеркал. Известные к настоящему времени план арные МОВПМС используют ионные зеркала, обеспечивающие фокусировку 3-го порядка времени пролёта по энергии, пространственную изохронность во втором аберрационном порядке и эффективное удержание малой ширины ионного пучка на всей длине пути. Увеличение разрешающей способности таких приборов, несомненно, может быть достигнуто при улучшении оптических свойств существующих зеркал, которое может происходить в двух направлениях, в зависимости от высоты пакетов ионов в анализаторе. Если ионный пакет в анализаторе намного уже, чем высота зазора окна зеркала, то основным фактором, уширяющим пакет в зеркале, являются аберрации времени пролета по энергии, и, таким образом, основным ресурсом улучшения качества зеркал становится повышение порядка фокусировки времени пролёта по энергии этими зеркалами. Если же высота ионного пакета сравнима с высотой окна зеркала, то набольшее значение для улучшения качества зеркал имеет уменьшение смешанной аберрации третьего порядка времени пролета по энергии и пространственной высоте пакета ионов. Актуальность предлагаемых улучшений обусловлена тем, что они создают условия повышения разрешающей способности МОВПМС до уровня, позволяющего этим приборам конкурировать по этому параметру с магнитными приборами ион-циклотронного резонанса, демонстрирующими на сегодняшний день рекордные величины разрешающей способности среди существующих типов масс-спектрометров при, однако, небольшой скорости снятия спектров.

Бессеточные ионные зеркала с двумерной структурой распределения поля хорошо согласуются с геометрией ионных пакетов, получаемых методом ортогонального ускорения, который, в свою очередь, является наиболее широко используемым способом создания импульсных ионных пучков из стационарных потоков заряженных частиц. Существенный недостаток традиционной конструкции ортогонального ускорителя - наличие сеточных электродов, негативные эффекты которых были перечислены выше. Для МОВПМС с бессеточными ионными зеркалами, обладающими небольшим угловым аксептансом, наиболее существенным из перечисленных эффектов является рассеяние пучка ионов на сетках ускорителя, приводящее к потере чувствительности прибора. Поэтому эффективное использование подобных ионных зеркал требует отсутствия сеточных электродов в конструкции импульсного конвертера.

Бессеточным ортогональным ускорителям в оптике заряженных части на сегодняшний момент уделено крайне мало внимания, а в единичных 9 публикациях, где представлены их принципиальные схемы, ничего не сообщается об эффектах уширения временной длительности ионных пакетов в неоднородных полях таких систем, о вариациях потенциала в области движения непрерывного пучка в моменты времени между экстрагирующими импульсами и о многих других особенностях их работы. Поэтому разработка и оптимизация электродной конфигурации полностью бессеточного импульсного конвертера, вносящей малые временные искажения ионных пакетов, остаётся актуальной для создания высокоразрешающих МОВПМС.

Таким образом, цель настоящей диссертационной работы состоит в разработке бессеточных ионно-оптических элементов для ВПМС, обеспечивающих малые аберрационные искажения временного сигнала. Понятие «ионно-оптические элементы» здесь включает в себя планарные зеркала для ВПМС рефлектронного типа и МОВПМС, а также ортогональный ускоритель. Отметим, что предложенные в настоящей работе типы бессеточных ионных зеркал, обладающих определённой совокупностью ионно-оптических свойств, могут быть реализованы на основе не только планарных, но и осесимметричных электродов. Поскольку принципы дизайна обоих указанных типов зеркал идентичны, то конкретные результаты представлены в диссертации для планарных зеркал, представляющих больший интерес для анализа спектров в широком диапазоне масс. Исключением является представленная в главе 2 аналитическая аппроксимация осевого распределения поля совокупности цилиндрических электродов, отличающаяся от аппроксимации, использующейся для планарных зеркал.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение сформулируем основные результаты, полученные в диссертации:

1. Получено приближённое аналитическое выражение для расчёта напряжённости поля на оптической оси многоэлектродных бессеточных осесимметричных ионных зеркал с пренебрежимо малыми межэлектродными зазорами, на порядок превосходящее по точности ранее известную аппроксимационную формулу.

2. На основе анализа различных типов бессеточных ионных зеркал для ВПМС рефлектронного типа, управляемых двумя потенциалами, разработана ионно-оптическая схема бессеточного планарного зеркала, управляемого двумя источниками питания и обладающего свойствами фокусировки третьего порядка времени пролёта по энергии и пространственной изохронности во втором аберрационном порядке.

3. Предложены ионно-оптические схемы бессеточных планарных ионных зеркал, обладающих свойствами фокусировки четвёртого и пятого порядков времени пролёта по энергии и пространственной изохронности во втором аберрационном порядке, для использования в МОВПМС с продольной ориентацией ортогонального ускорителя по отношению к плоскости зигзагообразного движения ионов.

4. Разработана ионно-оптическая схема бессеточного планарного ионного зеркала, обладающего свойством полной фокусировки третьего порядка времени пролёта по энергии и пространственным параметрам ионных пакетов, для использования в МОВПМС с поперечной ориентацией ортогонального ускорителя по отношению к плоскости зигзагообразного движения ионов.

5. Проведён сравнительный анализ качества предложенных ионных зеркал между собой и с их существующими наиболее высококачественными аналогами.

6. Предложена и исследована ионно-оптическая схема бессеточного ортогонального ускорителя, обеспечивающая малые искажения формируемого временного сигнала.

7. На основе разработанных ионно-оптических элементов предложены схемы ВПМС рефлектронного типа и трёхоборотного МОВПМС с продольно ориентированным ортогональным ускорителем, демонстрирующие высокую разрешающую способность.

1. Cameron А. Е., Eggers D. F. An 1.n vvVelocitron". // Rev. Sci. Instrum. 1948. V. 19. P. 605.

2. Ионов H. И., Мамырин Б. А. Масс-спектрометр с импульсным источником ионов. // ЖТФ. 1953. Т. 23. Вып. 11. С. 2101 2103.

3. Wiley W. С., McLaren I. Н. Time-of-flight mass spectrometer with improved resolution. // Rev. Sci. Instrum. 1955. V. 26. P. 1150 1157.

4. Алиханов С. Г. Новый импульсный метод измерения массы ионов. // ЖТФ. Т. 31. Вып. 3. С. 517-521.

5. Мамырин Б. А., Каратаев В. И., Шмикк Д. В., Загулин В. А. Масс-рефлектрон, новый безмагнитный времяпролётный масс-спектрометр с высоким разрешением. // ЖТФ. 1973. Т. 64. Вып. 1. С. 82 89.

6. Moorman С. J., Parmater, J. Q. Time of flight mass spectrometer having both linear and curved drift regions whose energy dispersions with time are mutually compensatory. // US Patent 3576992. 1971.

7. Poschenrieder, W. P. Multiple-focusing time of flight mass spectrometers. Part I. TOFMS with equal momentum acceleration. // Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys. 1971. V. 6. P. 413-426.

8. Poschenrieder, W. P. Multiple-focusing time of flight mass spectrometers. Part II. TOFMS with equal energy acceleration. // Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys. 1972. V. 9. P. 357 373.

9. Matsuda H., Matsuo Т., Ioanoviciu D., Wollnik H., Rabbel V. Particle flight times through electrostatic and magnetic sector fields and quadrupoles to second order. // Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys. 1982. V. 42. P. 157 -168.

10. Додонов А. Ф., Чернушевич И. В., Додонова Т. Ф., Разников В. В., Тальрозе В. J1. Метод масс-спектрометрического анализа по времени пролёта из непрерывного пучка ионов. АС 1681340. 1991.

11. Douglas D. J., French J. B. Collisional focusing effects in radiofrequency quadrupoles. // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1992. V. 3. P. 398-408.

12. Xu H. J., Wada M., Tanaka J., Kawakami, H., Katayama, I., Ohtani, S. A new cooling and focusing device for ion guide. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. 1993. V. 333. P. 274 281.

13. Gohl W., Kutcher R., Laue H. J., Wollnik H. Time-of-flight mass spectrometry for ions of large energy spread. // Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys. 1983. V. 48. P. 411 414.

14. Haberland H., Kornmeier H., Ludewigt C., Risch, A. Converting a reflectron time-of-flight mass spectrometer into a tandem instrument. // Rev. Sci. Instrum. 1991. V. 62. P. 2368 2371.

15. Vestal M.L. Time-of-flight analyzer and method. US Patent 5160840.1991.

16. Cornett D. C., Peschke M., LaiHing K., Cheng P. Y., Willey K. F., Dunkan M. A. Reflectron time-of-flight mass spectrometer for laser photodissociation. // Rev. Sci. Instrum. 1991. V. 63. P. 2177 2186.

17. Ionavociu D. Complete third-order resolution formulae for time-of-flight mass spectrometers incorporating reflectrons. // Rapid Comm. Mass Spectrom. 1993. V. 7. P. 1095.

18. Scheinfein M. R., Seidman D.N. Time aberrations of uniform fields: an improved reflectron mass spectrometer for an atom-probe field-ion microscope. // Rev. Sci. Instrum. 1993.V. P. 3126 3131.

19. Zhang J., Enke C.G. Simple cylindrical ion mirror with three elements. // Am. Soc. Mass Spectrom. 2011. V. 11. P. 759 764.

20. Yefchak G. E., Flory C.A. Improved method for designing a cylindrical Zhang-Enke ion mirror. // Int. J. Mass Spectrom. 2002. V. 214. P. 89 94.146

21. Hansen S.C. Ion mirror for time-of-flight mass spectrometer. US Patent 6717135.2001.

22. Zhang J., Gardner B. D., Enke C. G. Simple geometry gridless ion mirror. // Am. Soc. Mass Spectrom. 2000. V. 11. P. 765 -769.

23. Frey R., Schlag E. Time of flight mass spectrometer using an ion reflector. US Patent, 4731532 (1986).

24. Grix R., Kutcher R., Li G., Gruner U., Wollnik, H. A time-of-flight mass analyzer with high resolving power. // Rapid Comm. Mass Spectrom.1988. V. 2. P. 83 -85.

25. Kutcher R., Grix R., Li G., Wollnik, H. Ion reflector. US Patent 5017780.1989.

26. Kutcher R., Grix R., Li G., Wollnik, H. A transversally and longitudinally focusing time-of-flight mass spectrometer. // Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 1991. V. 103. P. 117 128.

27. Holle A. Space-angle focusing reflector for time-of-flight mass spectrometers. US Patent 6740872.2002.

28. Franzen J. Gridless time of flight mass spectrometer for orthogonal ion injection.UK Patent GB2361353. 2000.

29. Kawato E. Time-of-flight mass spectrometer. US Patent 6384410. 1999.

30. Schmid R. P., Weickhardt C. Designing time-of-flight mass spectrometers with and without grids: a direct comparison. // Int. J. Mass Spectrom. 2001. V. 206. P. 181 190.

31. Haberland H., Kornmeier H., Ludewigt C., Rich, A. Converting a reflectron time-of-flight spectrometer into s tandem instrument. // Rev. Sei. Instrum. 1991. V. 62. P. 2368 2371.

32. Yavor M. Optics of charge particle analyzers. Acad. Press. Amsterdam. 2009. P. 130-132.

33. Matsuda H. Electrostatic analyzer with variable focal length. // Rev. Sci. Instrum. 1961. V. 32. P. 850 852.

34. Matsuo T., Sakurai T., Matsuda, H. Ion optics of new TOF mass spectrometer in the third order approximation. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. 1987. V. 258. P. 327 330.

35. Sakurai T., Matsuo T., Matsuda, H. Ion optics for time-of-flight mass spectrometers with multiply symmetry. // Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 1985. V. 63. P. 273-287.

36. Sakurai T., Fujita Y., Matsuo T., Matsuda H., Katakuse I., Miseki K. A new time-of-flight mass spectrometer. // Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 1985. V. 66. P. 283 290.

37. Wollnik H. Time-of-flight mass spectrometer. UK Patent GB208021.1982.

38. Wollnik H., Przewloka M. Time-of-flight mass spectrometer with multiply reflected ion trajectories. // Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 1990. V. 96. P. 267.

39. Wollnik H. et al. Time-of-flight mass analyzers. // Mass Spec. Rev. 1993. V. 12. P. 89.

40. Casares A., Kholomeev A., Wollnik H. Multipass time-of-flight mass spectrometer with high resolving powers. // Int. J. Mass Spectrom. 2001. V. 206. P. 267 273.

41. Wollnik H., Casares A. An energy-isochronous multi-pass time-of-flight mass spectrometer consisting of two coaxial electrostatic mirrors. // Int. J. Mass Spectrom. 2003. V. 227. P. 217 222.

42. Ishida Y., Wada M., Matsuo Y., Tanihata I., Casares A., Wollnik H. A time-of-flight mass spectrometer to resolve isobars. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B. 2004. V. 219 220. P. 468 - 472.

43. Ishida Y., Wada M., Wollnik H. A multi-reflection time-of-flight mass spectrometer for mass measurements of short-lived nuclei. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B. 2005. V. 241. P. 983 985.

44. Wollnik H., Casares A., Radford D., Yavor M. Multi-pass time-of-flight mass-spectrometers of high resolving power. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. 2004. V. 519. P. 373 379.

45. Yavor M. Optics of charge particle analyzers. Acad. Press. Amsterdam. 2009. P. 130 132.

46. Giles R., Sudakov M., Wollnik H. A coaxial time-of-flight mass spectrometer. WO Patent 071921 A2. 2008.

47. Назаренко JI. M., Секунова Л. М., Якушев Е. М. Времяпролетный масс-спектрометр с многократным отражением. АС 1725289. 1989.

48. Явор М. И., Веренчиков А. Н. Планарный многоотражательный времяпролетный масс-анализатор с неограниченным массовым диапазоном. // Научное приборостроение. 2004. Т. 14. Вып. 2. С. 38 -45.

49. Verentchikov А. N. Time of flight mass spectrometer employing a plurality of lenses focusing an ion beam in shift direction. UK Patent GB 2403063 A. 2003.

50. Verentchikov A. N., Yavor M. I., Mitchell J. C., Artaev V. Multi-reflecting time-of-flight mass spectrometer and a method of use. WO Patent 0028787. 2005.

51. Verentchikov A. N., Yavor, M. I. Quasi-planar multi-reflecting time of flight mass spectrometer. WO Patent 008386 Al. 2010.

52. Yavor ML, Verentchikov A., Hasin Ju., Gavrik M., Trufanov A. Planar multi-reflecting time-of-flight mass analyzer with a jig-saw ion path. // Physics Procedia. 2008. V. 1. P. 391 400.

53. Poschenrieder W. P. Multiple-focusing time of flight mass spectrometers. Part II. TOF MS with equal energy acceleration. // Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys. 1972. V. 9. P. 357 373.

54. Toyoda M., Okumura D., Ishihara M., Katakuse I. Multi-turn time of flight mass spectrometers with electrostatic sectors. // J. Mass Spectrom. 2003. V. 38. P. 1125-1142.

55. Okumura D., Toyoda M., Ishihara M., Katakuse I. A compact sector-type multi-turn time-of-flight mass spectrometer «MULTUM II». // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. 2004. V. 519. P. 331 337.

56. Satoh Т., Tsuno H., Iwanaga M., Kammei Y. The design and characteristic features of a new time-of-flight mass spectrometer with a spiral ion trajectory. // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2005. V. 16. P. 1969 1975.

57. Satoh Т., Sato Т., Tamura J. Development of high-performance MALDI-TOF mass spectrometer utilizing a spiral ion trajectory. // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2007. V. 18. P. 1318 1323.

58. Berz M. Modern map methods in particle beam physics (Advances in imaging and electron physics, V. 108). Acad. Press. 1999. P. 81 117.

59. Миролюбов H. H., Костенко H. В., Левинштейн M. Л., Тиходеев Н. Н. Методы расчёта электростатических полей. Москва: Высшая школа. 1963. С. 178-210.

60. Хокс П., Каспер Э. Основы электронной оптики. Москва: Мир. 1993.

61. Manura D.J., Dahl D.A. SIMION™ 8.0 User Manual. Sci. Instrument Services, Inc., Idaho Nat. Lab. 2006.

62. Веренчиков A. H., Явор M. И. Планарный многоотражательный времяпролетный масс-анализатор, работающий без ограничения диапазона масс. // Научное приборостроение. 2004. Т. 14. Вып. 2. С. 38 -45.

63. Веренчиков А. Н., Явор М. И., Хасин Ю. И., Гаврик М. А. Многоотражательный планарный времяпролетный масс-анализатор. I. Анализатор для параллельного тандемного анализа. // ЖТФ. 2005. Т. 75. Вып. 1. С. 74-83.

64. Verentchikov А. N. Multi-reflecting time-of-flight mass spectrometer with orthogonal acceleration. US Patent 0176090. 2007.

65. Franzen J. Gridless time-of-flight mass spectrometer for orthogonal ion injection. US Patent 0011703 Al. 2001.

66. Makarov A. A. A time of flight mass spectrometer including an orthogonal accelerator. Patent WO 01/11660 Al. 2000.

67. Явор M. И., Веренчиков A. H. Сравнительный анализ многопроходных времяпролетных масс-анализаторов на основе зеркал и секторных полей. // Научное приборостроение. 2006. Т. 16. Вып. 3. С. 21 29.