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

Грачев, Евгений Юрьевич

Разработка ионно-оптических систем с планарными дискретными электродами для времяпролетных масс-анализаторов ионов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Грачев, Евгений Юрьевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Рязань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.01 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Разработка ионно-оптических систем с планарными дискретными электродами для времяпролетных масс-анализаторов ионов»

Автореферат диссертации на тему "Разработка ионно-оптических систем с планарными дискретными электродами для времяпролетных масс-анализаторов ионов"

005534888

На правах рукописи

Грачев Евгений Юрьевич

РАЗРАБОТКА ИОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПЛАНАРНЫМИ ДИСКРЕТНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ ДЛЯ ВРЕМЯПРОЛЕТНЫХ МАСС-АНАЛИЗАТОРОВ ИОНОВ

Специальность 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 ОКТ 2013

Рязань 2013

005534888

Работа выполнена на кафедре «Промышленная электроника» ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет».

д-р физ.-мат. наук, профессор Мамонтов Евгений Васильевич Коненков Николай Витальевич, д-р физ.-мат. наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина», профессор

Явор Михаил Игоревич, д-р физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, Институт аналитического приборостроения РАН, главный научный сотрудник

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург

Защита состоится «22» октября 2013 г. в зале ученого совета, аудитория 235, в 11 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.211.03 ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» по адресу: г. Рязань, ул. Гагарина, д. 59/1.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Рязанского государственного радиотехнического университета.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 390005, Рязань, ул. Гагарина, д. 59/1, ученый совет РГРТУ.

Автореферат разослан «20» сентября 2013 г.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

Ученый секретарь диссертационного совета д-р физ.-мат.наук, профессор

Чиркин М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее, врелы существует потребность в масс-спектрометрических приборах, обладающих высокими аналитическими характеристиками, малым временем анализа, имеющих простую конструкцию, малые габариты и невысокую стоимость. Указанным параметрам удовлетворяют радиочастотные времяпролетные масс-спектрометры с линейными электрическими полями (Ю? ТОР МБ). Для практической реализации таких приборов необходима разработка ионно-оптических систем (ИОС), позволяющих образовывать ВЧ ■ электрические поля в рабочих областях с различной конфигурацией. С учетом сложного характера движения ионов в ВЧ электрических полях актуальной - также является задача углубленного изучения механизмов их времяпролетного масс-разделения и оценки факторов, влияющих на характеристики Щ7 ТОБ МБ.

Цель работы и задачи исследований

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

Поставленные цели достигаются решением ряда задач:

• изучение спектров колебаний ионов в высокочастотных электрических полях с параметрами Матье а = 0 и # «1;

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

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

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

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

Научная новизна результатов работы

В диссертационной работе получен ряд новых результатов, которые следует учитывать при разработке ионно-оптических систем времяпролетных масс-спектрометров:

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

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

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

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

Достоверность научных выводов

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

Практическая значимость

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

• Показано, что применение ионно-оптических систем из планарных дискретных электродов с переменной прозрачностью позволяет уменьшить габариты анализатора (по сравнению с дипольной системой) при малой (5^ <10"4) нелинейности распределения потенциала.

• Разработана ионно-оптическая система, состоящая из планарного дискретного электрода с постоянной прозрачностью и гиперболического электрода, которая имеет более простую и технологичную конструкцию и позволяет формировать двумерные линейные электрические поля с относительной погрешностью не хуже 5ф < 2 • 10"4.

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

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

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении НИОКР «Разработка опытного образца радиочастотного времяпролетного масс-анализатора ионов» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, НИР «Разработка теории и методов масс-разделения ионов по времени пролета в линейных высокочастотных полях для высокоскоростных приборов микроанализа состава и структуры вещества» при поддержке гранта РФФИ (№ 10-02-97500), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 гг., в учебном процессе РГРТУ по курсам «Физические основы технологии производства приборов промышленной электроники», «САПР устройств электроники».

Научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. В радиочастотных времяпролетных масс-анализаторах ионов монопольного и дипольного типов зависимость отклонения шкалы масс от линейной имеет характер, близкий к гармоническому. В масс-анализаторах монопольного типа амплитуда отклонений обратно пропорциональна массе ионов и не зависит от их начальных параметров ч0у, а в масс-

анализаторах дипольного типа амплитуда отклонений не зависит от массы ионов и является функцией начальных параметров ДГДтах ~ х01{у0у + Pv0J.

2. Для образования двумерных линейных электрических полей планарными многоэлементными электродами применима концепция «средних потенциалов» их элементов. В дальней зоне электрические поля, образуемые планарными дискретными электродами из элементов с различной геометрией и одинаковыми размерами, совпадают с погрешностью не хуже 10"3 при условии равенства их «средних потенциалов».

3. Ионно-оптические системы из комбинации гиперболических и планарных многоэлементных электродов с шагом дискретности Ау < 0,015^ позволяют образовывать электрические поля с относительной погрешностью не хуже 2 • Ю-4 при размерах электродных систем по оси X в 2-3 раза меньших по сравнению с системами из гиперболических электродов.

Апробация работы

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

Публикации

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

Структура и объем работы

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и решаемые задачи, показаны научная новизна и практическая значимость работы, приведены научные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе («Тенденции развития времяпролетных масс-спектрометров») проведен краткий обзор времяпролетных масс-спектрометров с различными типами ионно-оптических систем со статическими и радиочастотными полями. Основным недостатком времяпролетных масс-спектрометров со статическими полями' является узкий энергетический диапазон анализируемых частиц,, ограничивающий их разрешение и динамический диапазон. По результатам анализа существующих работ был сделан вывод о целесообразности применения для решения указанной проблемы масс-анализаторов с линейными ВЧ полями. Обоснована необходимость оценки их характеристик с учетом ВЧ составляющих колебаний ионов. Показано, что для создания ИОС анализаторов с линейными ВЧ полями целесообразно использовать системы с планарными многоэлементными электродами [1].

Во второй главе («Шкала масс и разрешающая способность радиочастотных времяпролетных масс-анализаторов ионов») приведены результаты исследования спектрального состава колебаний ионов в радиочастотных масс-анализаторах монопольного и дипольного типов. Получены аналитические выражения, описывающие возвратное движение ионов в линейных ВЧ электрических полях анализаторов обоих типов с учетом низкочастотных и высокочастотных компонент колебаний [2]. Наличие высокочастотных составляющих колебаний ионов является причиной отклонения шкалы масс от линейной. Структура колебаний ионов и влияние их начальных параметров на шкалу масс и разрешение масс-анализатора исследовались численными методами путем построения траекторий движения ионов в ионно-оптических системах монопольного и дипольного типов. Без учета ВЧ компонент траекторий движения ионов шкала масс в обоих случаях описывается выражением:

2л пг0 ю др рю л/2еК

Отклонение шкалы масс от (1) для ИР ТОР МБ монопольного типа учитывается поправкой:

АЛ,

4 еУ со3гп2/я

-БШ

2я + Фо_

Р 2

(2)

0,02

0,01

Из (2) с учетом значения параметра

следует, что

отклонений

пропорциональна

амплитуда обратно массе

АЛ,

■1/М и не зависит от

,1М тах

начальных параметров ионов х0> Г0х> % [3].

На рисунке 1 приведены результаты моделирования и расчетов по формуле (2) в виде нормированных

зависимостей амплитуды отклонения шкалы масс времяпролетного анализатора монопольного типа. Результаты расчетов и численного моделирования совпадают с погрешностью не более 5 %.

В случае анализатора дипольного типа колебания ионов вдоль осей X и Г оказываются связанными. При этом отклонения шкалы масс от (1) для ЯР ТОР МБ дипольного типа учитываются поправкой:

Р *0

У0 ,+ру01

50 100 150 200 250 300 М, а.е.м.

Рисунок 1 - Нормированные зависимости амплитуды отклонения шкалы масс от линейной: 1 - рассчитанной по формуле (2), 2 —численное моделирование

Д/

2п

СОЭфо -СОБ —

(3)

Из (3) для амплитуды отклонения шкалы масс получаем:

х0

АI

Д тах

"0 у

+ 14

(4)

Таким образом, в анализаторах дипольного типа амплитуда колебаний шкалы масс является функцией начальных параметров ионов х0, у0у и не зависит от их массы.

Для подтверждения справедливости выражения (3) и оценки влияния начальных параметров ионов на величину колебаний шкалы масс времяпролетных анализаторов дипольного типа проведено компьютерное моделирование процесса масс-разделения.

Д t.i. не

V -1 мм

Ы, а.е.м.

Рисунок 2 - Зависимость величины отклонений шкалы масс в RF TOF MS дипольного типа от массы иона при различных начальных координатах влета.

Результаты моделирования подтверждают линейную зависимость (рисунок 2) амплитуды отклонения МДап шкалы масс дипольного анализатора от начальной координаты х0 и обратно пропорциональную зависимость от начальной скорости v0r Так как в (3) параметр v0j входит с коэффициентом

Р «1, влияние углов влета на шкалу масс дипольного анализатора оказывается незначительным, что также подтверждается результатами моделирования. Шкала масс также зависит от начальной фазы Фо ВЧ поля. Минимальные отклонения шкалы масс соответствуют оптимальной фазе <р0 = Зп/2.

В третьей главе («Планарные электродные системы для времяпролетных радиочастотных масс-анализаторов ионов») приведены результаты исследований ионно-оптических систем с планарными дискретными электродами из элементов различной геометрии. Предложенные в других

работах системы для образования ВЧ электрических полей с дискретно-линейным распределением потенциала на электродах сложны в реализации из-за необходимости создания высокоточных делителей ВЧ напряжения. В данной работе предложены и исследованы ИОС с планарными дискретными электродами, позволяющие решить эту проблему [4,13]. Возможность создания таких систем вытекает из эквивалентности образования двумерных электрических полей планарными электродами с дискретно-линейным распределением потенциала и планарными электродами с дискретно-линейным распределением «среднего потенциала». Это подтверждается сопоставлением результатов численного моделирования электрических полей заряженной полоски и щели перед потенциальной плоскостью (рисунок 3).

В дальней зоне х»Ау электрические поля, создаваемые полоской и

щелью, различаются не более чем на 0,1 %. Данное утверждение справедливо для планарных элементов шириной Ау с различной геометрией при условии равенства их «средних потенциалов» [5]:

I Ау

Фч»=Т- /фаООФ, (5)

ДУо

где ) — распределение потенциала в плоскости планарного элемента шириной Ау. Из этого следует, что для образования двумерных электрических полей планарными электродами достаточным является условие создания на его границе дискретно-линейного распределения «среднего потенциала». Эта

Рисунок 3 — Зависимости отклонения электрических полей, создаваемых щелью и полоской 1,2,3 - в сечениях у/Ау=0.5, 1, 2

задача может быть решена с помощью дискретных электродов из множества элементов.

Используя понятие «среднего потенциала» были оптимизированы и исследованы две системы с переменной плотностью распределения элементов. В первом случае ИОС состоит из двух электродов, каждый из которых образован заземленной плоскостью и расположенными перед ней потенциальными нитями (рисунок 4, а) [6, 7]. Изменение величины «среднего потенциала» происходит за счет изменения расстояния между нитями Лу. Задача проектирования таких электродов состоит в нахождении функции распределения координат нитей у: = /(/) при заданных значениях параметров /г, с/ и числа нитей п [8, 9]. Данный вариант ИОС не во всех случаях обеспечивает требуемый уровень погрешности распределения потенциала, что связано с большим значением шага дискретности Ау в области малых значений координаты у. В качестве компромиссного был предложен вариант электродной системы, состоящей из гиперболических и дискретных электродов (рисунок 4, б) [10].

а б

Рисунок 4 - Схемы ИОС: а-из дискретных электродов с переменной плотностью распределения элементов, б — с гиперболическими и дискретными

электродами

Как показали исследования, второй вариант ИОС позволяет формировать электрическое поле с погрешностью распределения потенциала не хуже 8ф <1.2-10"4 [11]. ИОС из гиперболических и дискретных электродов

целесообразно применять при малых по оси X размерах рабочей области ха < 0.02уа.

Недостатком рассмотренных выше электродных систем является переменный шаг дискретности, требующий позиционирования нитей с точностью до единиц микрометров. Более совершенной с этой точки зрения является ИОС с «гибридными» электродами (рисунок 5) [12].

Рисунок 5 - Схема ИОС дйполъного типа с гибридными электродами

Гибридный электрод состоит из гиперболического 2 и дискретного 3 электродов. Дискретные электроды расположены в плоскостях х = ±хх и состоят из равномерно распределенных с шагом Ау металлических нитей диаметром ¿«Ау. Гиперболические электроды 2 расположены в системах координат, начало которых смещено на величину ±лг00. Профиль электродов 2

задается кривой, описываемой уравнением:

' г!

У = :

(6)

где гт — радиус поля гиперболических электродов в смещенных системах координат. Преимущество гибридной ИОС заключается в меньшем в 2-3 раза значении параметра гю гиперболических электродов по сравнению с параметром га электродов 1 в дипольной системе. Это позволяет в 2-3 раза сократить размер системы по оси X при сохранении ее размера по оси У (вдоль направления дрейфа ионов).

При моделировании И ОС с гибридными электродами решалась задача оптимизации ее параметров Ау, гт по заданным значениям ха, уа. На первом этапе определяются параметры гт и Ду. Параметр гиперболического электрода гт выбирается минимально возможным для обеспечения заданных размеров системы. Ограничением при уменьшении параметра гт является минимальное расстояние Ахп между гиперболическим электродом и нитями, обеспечивающее электрическую прочность ИОС. Шаг дискретности Ду выбирается с учетом требуемой точности поля. В процессе оптимизации находится значение х5ор1, соответствующее минимуму отклонения

распределения потенциала в рабочей области масс-анализатора от линейного. По известным ха, уа и Ду рассчитывается положение гиперболического электрода х00:

Ф Оср

-Ахп+хх,

Фо-Фоср

(7)

Л 2Ду3/2 '

Дх„ = '—

Зя

^оФо 1

Здесь ф0ср •<?()/ха - средний потенциал последнего и-го элемента дискретного электрода, к0 = 1 - сИ Ду — коэффициент прозрачности дискретного электрода. По разработанной методике оптимизирована ИОС с параметрами л5=20мм, ^=200мм, г0=89.4мм, /-00 =34.6мм, Ау = 3.05мм, хт =18.707мм, Аха = 1.707 мм. Погрешность распределения потенциала в рабочей области ИОС с указанными параметрами составила 8ф < 2 - Ю-4.

В четвертой главе («Радиочастотный времяпролетный масс-анализатор ионов с несимметричной электродной системой») был разработан вариант

времяпролетного масс-анализатора

дипольного типа на основе ИОС с несимметричной электродной системой (рисунок 6) [14].

Для реализации режима

времяпролетного масс-разделения в таком масс-анализаторе необходимо траектории ионов во время возвратного дрейфа сместить по оси X в сторону больших значений координаты Это

осуществляется под действием ~Х однородного вдоль оси X статического

Рисунок 6-Схема электродной электРического поля, для создания системы ЯГ ТОР МБ на основе К0Т0Р0Г0 на все элементы дискретного несимметричной ИОС с электрода подается отрицательное

однофазным ВЧ питанием няпп„,,„ц,.„ ТТ п г

напряжение -и0. С использованием

понятия псевдопотенциала получено выражение для секулярных колебаний

ионов по оси X в суперпозиции ВЧ линейного и статического однородного

полей:

х(0 = (*0 ~хс) соб Ш + хс, (8)

где д"е=г^ий/хаип, 1ГП =еУг /та2г<? - псевдопотенциал ВЧ поля. Из (8) следует, что величина смещения Дх = дгс -*0 пропорциональна напряжению СГ0 и массе ионов т. Таким образом, под действием статического поля траектории ионов смещаются по оси I и времяпролетное масс-разделение можно осуществлять в одном квадранте плоскости ХОГ, что позволяет существенно упростить конструкцию ИОС и в два раза сократить ее габариты.

По схеме несимметричной ИОС (рисунок 6) с гибридным электродом в среде БоНсШогкз была разработана конструкция и изготовлен экспериментальный образец радиочастотного времяпролетного масс-анализатора ионов (рисунок 7).

Основой конструкции являются нижнее 1 и верхнее 2 основания и опоры 3 и 4. Нижнее основание 1 и плоская опора 3 выполняют функцию заземленного уголкового электрода. Гибридный электрод состоит из

Рисунок 7 - Экспериментальный макет ЯР ТОР с несимметричной ионно-оптической системой

гиперболического 5 и расположенного перед ним дискретного 6 электродов. Источник ионов монопольного типа с электронным ударом и вторично-электронный умножитель динодного типа расположены на нижнем основании. Ввод ионов в анализатор осуществляется через узкую щель, а вывод - через полупрозрачное окно. Элементы ИОС изготовлены из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. Точность изготовления и сборки ИОС 10 мкм. Питание и управление масс-анализатора осуществляются от блока электроники. Высокочастотное питающее напряжение с амплитудой 1.8 кВ и частотой / = 1МГц вырабатывается в генераторе со стабильностью амплитуды 8У = 10~4 и частоты =10~б.

В приложении представлены акты о практическом использовании результатов диссертационной работы, некоторые аналитические выражения, полученные в работе, конструкторская документация на экспериментальный образец радиочастотного времяпролетного масс-анализатора ионов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Определен спектральный состав колебаний ионов в двумерных ВЧ электрических полях с параметром Матье <з = 0, q« 1. Установлено, что с

погрешностью не более КГ3 колебания ионов могут быть представлены одной низкочастотной составляющей с частотой Q, = рсо/2 и двумя ВЧ составляющими с частотами со ± Qc и амплитудами С_2 ~С2 «д/4.

2. Установлено, что из-за наличия ВЧ компонент колебаний ионов шкала масс радиочастотных времяпролетных масс-анализаторов ионов приобретает колебательный, близкий к гармоническому характер. В радиочастотных времяпролетных масс-анализаторах монопольного типа величина амплитуды отклонений шкалы масс от линейной Atilma обратно пропорциональна массе ионов и не зависит от начальных параметров ионов л:0, vo,> voу- В масс-анализаторах дипольного типа амплитуда отклонений не зависит от масс и является функцией начальных, параметров:

~*o/(vo, +Pvoy)- Наименьшая амплитуда отклонений шкалы масс соответствует оптимальной фазе ввода ионов (рор1 = Зл/2.

3. Методами численного моделирования показано, что в дальней зоне О» Ау) электрические поля, создаваемые элементами планарных дискретных электродов с одинаковым размером Ду и различной геометрией, совпадают с

погрешностью не более 10"3 при условии равенства их «средних потенциалов».

4. Разработана модель ионно-оптической системы из многоэлементных электродов с дискретно-линейным распределением «среднего потенциала». Модель позволяет формировать двумерные ВЧ электрические поля, протяженные вдоль оси У. Для системы с параметрами У а =200 мм, ха = 12 мм относительное отклонение распределения потенциала

от линейного в рабочей области (|х|<8 мм, 0 < <160 мм) не превышает

8 = 1.610"3.

5. Разработаны модели ионно-оптических систем из комбинаций гиперболических и планарных дискретных электродов с меньшими в 2-2,5 раза по сравнению с системами из гиперболических электродов размерами по оси X, позволяющие образовывать в протяженных вдоль оси дрейфа ионов областях линейные электрические поля с погрешностью 8(р = 2 • 10*4.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

1. Грачев Е.Ю., Мамонтов Е.В. Радиочастотный времяпролетный масс-анализатор вещества (RF-TOF-MS) // Тезисы докладов. Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи «Актуальные проблемы развития нано-, микро- и оптоэлектроники». - Рязань, 2010. - С. 145— 148.

2. Мамонтов Е.В., Гуров B.C., Дягилев A.A., Грачев Е.Ю. Масс-разделение ионов по времени пролета в радиочастотных двумерных линейных электрических полях //Масс-спектрометрия. - 2011.-Т. 8,-№3.-С. 195-200.

3. Mamontov E.V., Gurov V.S., Dyagilev A.A., Grachev E.Yu. Time-of-Flight Mass Separation of Ions in Planar Linear Radiofrequency Electric Fields // Journal of Analytical Chemistiy. -2012. - Vol. 67. № 13. -P. 15-20.

4. Мамонтов E.B., Дягилев A.A., Грачев Е.Ю. Образование двумерных линейных электрических полей системами плоских дискретных эквипотенциальных электродов // Вестник РГРТУ. - 2010. - № 2. Вып. 32. - С. 84-88.

5. Мамонтов Е.В., Гуров B.C., Дягилев A.A., Грачев Е.Ю., Журавлев В.В. Радиочастотные анализаторы для времяпролетного масс-разделения ионов // Вестник РГРТУ. - 2012. - № 1. Вып. 39. - С. 97-103.

6. Мамонтов Е.В., Грачев Е.Ю., Дягилев A.A., Журавлев В.В. Ионно-оптические системы из плоских дискретных электродов с переменной плотностью эквипотенциальных элементов // Вестник РГРТУ. - 2013. - № 1. Вып. 43.-С. 96-101.

7. Пат. 2422939 Российская Федерация, МПК H01J 49/22. Способ образования двумерного линейного электрического поля и устройство для его

осуществления / Мамонтов Е.В., Грачев Е.Ю.; заявитель и патентообладатель Рязанский государственный радиотехнический университет. - № 2009143282/28 ; заявл. 25.11.09 ; опубл. 27.06.11, Бюл. № 18. -5с.: ил.

8. Мамонтов Е.В., Грачев Е.Ю., Дягилев А.А. Образование двумерных линейных электрических полей системами плоских дискретных электродов // Тезисы докладов. Четвертая Всероссийская конференция-школа «Фундаментальные основы масс-спектрометрии и ее аналитические применения». - Звенигород, 2010. - С. 29-30.

9. Мамонтов Е.В., Гуров B.C., Дягилев А.А., Грачев Е.Ю. Радиочастотный масс-рефлектрон для времяпролетного разделения ионов // Прикладная физика. - 2011. - № 6. - С. 127-132.

10. Мамонтов Е.В., Грачев Е.Ю., Дягилев А.А. Образование двумерных линейных высокочастотных электрических полей для времяпролетного масс-разделения ионов // V съезд ВМСО. IV Всероссийская конференция с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы». -Москва, 2011.-С. 148

П.Грачев Е.Ю., Мамонтов Е.В. Радиочастотный масс-рефлектрон с плоскими многоэлементными электродами // Тезисы докладов X Всероссийского семинара «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики». - Москва, ГНЦ РФ ФГУП «Орион», 2011.

12. Заявка 2011138617/07 Российская Федерация, МПК H01J 49/00.

Способ образования двумерного линейного электрического поля и устройство для его осуществления / Мамонтов Е.В., Грачев Е.Ю. - № 2011138617/07 ; заявл. 20.09.11 ; опубл. 27.03.13.

13. Dyagilev A.A., Grachev E.Yu., Zhuravlev V.V., Mamontov E.V. Radio Frequency Mass Reflectrons with plane Discrete Electrodes - 19th" International Mass Spectrometry Conference. - Japan, Kyoto. - 2012.

14. Mamontov E.V., Dyagilev A.A., Grachev E.Yu., Zhuravlev V.V. Ion-optical systems with planar discrete electrodes for time-of-flight separation mass of ions in radio-frequency linear electric fields // European science and technology: Materials of the IV International research and practice conference. - Germany, Munich.-2013.

Грачев Евгений Юрьевич

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 18.09.13. Формат бумаги 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз.

Рязанский государственный радиотехнический университет. 390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Грачев, Евгений Юрьевич, Рязань

РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

0420136262

На правах рукописи

ГРАЧЕВ ЕВГЕНИИ ЮРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ИОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПЛАНАРНЫМИ ДИСКРЕТНЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ ДЛЯ ВРЕМЯПРОЛЕТНЫХ МАСС-АНАЛИЗАТОРОВ

ИОНОВ

Специальность 01.04.01 — Приборы и методы экспериментальной физики

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — д.ф.-м.н., профессор Мамонтов Евгений Васильевич

Рязань 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................... 5

ГЛАВА 1 ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ВРЕМЯПРОЛЕТНЫХ МАСС-СПЕКТРОМЕТРОВ

1.1 Магнитные времяпролетные масс-спектрометры....................... 12

1.2 Линейные времяпролетные масс-спектрометры......................... 14

1.3 Времяпролетные масс-анализаторы на основе ионного зеркала..... 15

1.4 Времяпролетные масс-анализаторы с секторными полями........... 17

1.5 Многопроходные времяпролетные масс-анализаторы................. 20

1.6 Многоотражательные времяпролетные масс-анализаторы на

основе ионных зеркал....................................................................................................................................21

1.7 Многооборотные времяпролетные масс-анализаторы на основе секторных полей......................................................................................................................................................22

1.8 Времяпролетные радиочастотные масс-анализаторы ионов..................24

1.9 Времяпролетные радиочастотные масс-рефлектроны с планарными дискретными электродами............................................................................................28

1.10 Выводы.......................................................................... 30

ГЛАВА 2 ШКАЛА МАСС И РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ РАДИОЧАСТОТНЫХ ВРЕМЯПРОЛЕТНЫХ МАСС-АНАЛИЗАТОРОВ ИОНОВ

2.1 Шкала масс времяпролетных масс-анализаторов с учетом секулярных составляющих колебаний ионов........................................ 31

2.2 Траектории движения ионов в RF TOF МА монопольного и дипольного типов с учетом ВЧ составляющих колебаний.......................... 38

2.2.1 Траектории движения ионов в RF TOF МА монопольного типа............................................................................................. 38

2.2.2 Траектории движения ионов в Ю7 ТОБ МА дипольного типа. 42 2.3 Влияние ВЧ составляющих колебаний ионов на шкалу масс

времяпролетного радиочастотного масс-анализатора....................................................................45

2.3.1 Шкала масс Ю7 ТОБ МА монопольного типа..............................................45

2.3.2 Шкала масс Ю7 ТОБ МА дипольного типа..................................................49

2.4 Выводы......................................................................................................................................................................................58

ГЛАВА 3 ПЛАНАРНЫЕ ЭЛЕКТРОДНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ВРЕМЯПРОЛЕТНЫХ РАДИОЧАСТОТНЫХ МАСС-АНАЛИЗАТОРОВ ИОНОВ

3.1 Планарные электродные системы с дискретно-линейным распределением потенциала на элементах.................................................... 59

3.2 Концепция среднего потенциала в задачах образования электрических полей планарными дискретными электродами............... 62

3.3 Планарные электродные системы с переменной плотностью распределения эквипотенциальных элементов.................................. 70

3.4 Электродные системы с гиперболическими и планарными с переменной плотностью распределения элементов электродами.............. 78

3.5 Анализаторы на основе ИОС с переменной электрической прозрачностью...................................................................................... 87

3.6 Выводы......................................................................................... 95

ГЛАВА 4 РАДИОЧАСТОТНЫЙ ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-АНАЛИЗАТОР ИОНОВ С НЕСИММЕТРИЧНОЙ ЭЛЕКТРОДНОЙ СИСТЕМОЙ

4.1 Времяпролетное масс-разделение ионов в анализаторах дипольного типа с несимметричной электродной системой....................... 96

4.2 Разработка структурной схемы экспериментального масс-

анализатора на основе несимметричной ИОС с гибридным электродом... 105

4.3 Разработка конструкции радиочастотного времяпролетного анализатора ионов на основе несимметричной ИОС с гибридным электродом................................................................................................................................................................................................................110

4.4 Выводы......................................................................................................................................................................................................121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................................................................................................122

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..........................................................................................................................124

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................................................................................................................133

ВВЕДЕНИЕ

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

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

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

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

поддерживать с большой точностью потенциалы на всех элементах каждого электрода.

Актуальность темы

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

Цель работы и задачи исследований

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

Поставленная цель достигается решением ряда задач:

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

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

Научная новизна результатов работы

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

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

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

• для времяпролетных масс-спектрометров с линейными ВЧ электрическими полями предложены и разработаны варианты ионно-

оптических систем с планарными многоэлементными электродами с переменной прозрачностью.

Достоверность научных выводов

Практическая значимость

(5ф < 10-4) нелинейности распределения потенциала.

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

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

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении НИОКР «Разработка опытного образца радиочастотного времяпролетного масс-анализатора ионов» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, НИР «Разработка теории и методов масс-разделения ионов по времени пролета в линейных высокочастотных полях для высокоскоростных приборов микроанализа состава и структуры вещества» при поддержке гранта РФФИ (№10-0297500), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., в учебном процессе РГРТУ по курсам «Физические основы технологии производства приборов промышленной электроники», «САПР устройств электроники».

Научные положения и результаты, выносимые на защиту

масс-анализаторах дипольного типа амплитуда отклонений не зависит от массы ионов и является функцией начальных параметров

Л'дтах-^АЛ.+К,)-

погрешностью не хуже 1СГ3 при условии равенства их «средних потенциалов».

3. Ионно-оптические системы из комбинации гиперболических и планарных многоэлементных электродов с шагом дискретности Ау < 0,01позволяют образовывать электрические поля с относительной

погрешностью не хуже 2-Ю-4 при размерах электродных систем по оси X в 2-3 раза меньших по сравнению с системами из гиперболических электродов.

Апробация работы

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

Публикации

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

Структура и объем работы

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

ГЛАВА 1 ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ВРЕМЯПРОЛЕТНЫХ МАСС-

СПЕКТРОМЕТРОВ

1.1 Магнитные времяпролетные масс-спектрометры

Одним из первых магнитных приборов, использующих принцип времяпролетного разделения ионов, был масс-спектрометр описанный в [17]. Автор предложил более удобную и компактную конструкцию, которая отличалась тем, что не требовала использования громоздкого магнита. Ионы двигаются в магнитном поле анализатора, которое создается с помощью соленоида, по винтовой траектории. Таким образом, длина траектории была намного больше, чем линейное расстояние между источником и детектором. В 1948 Сэмюэлом Гаудсмитом был предложен магнитный ВПМС [18]. Принцип работы прибора основан на том, что время полного оборота иона в магнитном поле прямо пропорционально отношению М/2 -е (где М[а.е.м.] = т[кг]/1,66 • 10~27- масса иона, г. 2-е -его заряд, Z - зарядовое число, е - элементарный заряд). В работах [19, 20] предложено устройство, в котором ионы, двигаясь в магнитном поле по спиральным траекториям, фокусируются на плоскости в �