Патент на изобретение №2387043

(54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДВУМЕРНОГО ЛИНЕЙНОГО ПОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области масс-спектрометрических приборов, основанных на движении заряженных частиц в двумерных линейных электрических полях, и может быть использовано для улучшения аналитических и потребительских характеристик таких приборов. Способ формирования двумерных линейных электрических полей основан на использовании системы, состоящей из плоских непрерывных и дискретных электродов с заданными на них потенциалами. Внешние непрерывные электроды с потенциалами – и создают в рабочей области анализатора электрическое поле, а внутренние заземленные дискретные электроды формируют за счет экранирующего действия требуемое распределение потенциала по осям Х и Y. Для этого дискретные электроды выполняют из набора тонких металлических пластин, ширина которых по осям Х и Y изменяется таким образом, чтобы получить требуемое распределение потенциала в рабочей области. Число элементов дискретных электродов определяется исходя из размеров x₀ и у₀ рабочей области по осям Х и Y и требуемой точности распределения потенциала в ней. Предлагаемый способ позволяет формировать двумерное линейное поле в рабочих областях прямоугольной формы при различных соотношениях размеров x₀ и у₀ в однополярном и двухполярном пространствах анализаторов. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области масс-спектрометрических приборов, основанных на движении заряженных частиц в электрических полях с квадратичным распределением потенциала по двум координатам, и может быть использовано для улучшения аналитических и потребительских характеристик таких приборов. Двумерные квадрупольные масс-анализаторы типа монополя и фильтра масс сложны в изготовлении и сборке, имеют краевые искажения поля [1, 2]. Анализаторы с плоскими электродами с дискретным линейным распределением потенциала могут быть использованы для формирования линейных ВЧ полей без постоянной составляющей [3]. Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в усовершенствовании конструкции, технологии изготовления и сборки электродных систем масс-анализаторов с двумерными линейными электрическими полями, минимизации краевых искажений поля и создании анализаторов с различными геометрическими параметрами рабочей области и увеличенным ее объемом.

Задача создания двумерного линейного поля в рабочей области в форме параллелепипеда с заданными параметрами 2х₀, у₀, L для радиочастотного времяпролетного масс-спектрометра может быть решена как и в [3] с помощью системы из двух плоских дискретных электродов и одного заземленного сплошного электрода. В случае дискретных электродов потенциал в каждой точке рабочей области двумерного анализатора определяется как суперпозиция потенциалов _i, создаваемых каждым дискретным элементом системы. Учитывая симметрию электродной системы относительно плоскости х=0 и используя принцип зеркального отображения (Фиг.1), выражение для распределения потенциала в рабочей области анализатора с дискретными электродами можно представить в виде

где _i(х, у) – потенциал, создаваемый в точке с координатами (х, у) системой из четырех параллельных оси Z тонких проводников с координатами x=±x₀, y=±y·i.

Линейное распределение потенциала по координатам x и у вида

в системе с плоскими дискретными электродами можно получить различными способами. Предлагаемый способ заключается в изменении зарядов q_i на дискретных элементах системы при постоянстве их потенциала _i. Достигается это изменением емкости С_i дискретных элементов электродной системы. Действительно известно, что

Требуемое распределение потенциала (2) в рабочей области анализатора соответствует линейному в зависимости от координаты у_i изменению емкости С_i=С·i, которое достигается изменением геометрических параметров дискретных элементов электродной системы.

Этот принцип реализуется в электродной системе, состоящей из двух 1, 2 дискретных с шагом у в плоскостях х=-х₀ и х=х₀, и одного 3 непрерывного в плоскости у=0 заземленных электродов, и двух 4, 5 непрерывных в плоскостях x=-х₀-d и x=x₀+d, где d<0, электродов с противоположными потенциалами – и (Фиг.2). Переменная ширина дискретных элементов s_i по оси Y выбирается с таким расчетом, чтобы обеспечить линейную зависимость емкости элемента от его номера С_i=C·i. Электроды 4, 5 с противоположными потенциалами – и создают электрическое поле в рабочей области анализатора, которое частично ослабляется за счет экранирующего действия заземленных дискретных электродов 1, 2. При малых i ширина s_i дискретных элементов электродов 1 и 2 близка к у и поле ослабляется значительно. С увеличением координаты у_i ширина s_i уменьшается, экранирующее действие электродов 1 и 2 ослабляется, что обеспечивает возрастание потенциала в рабочей области анализатора в соответствии с (2).

Влиянием дискретной структуры электродов на распределение потенциала в рабочей области можно пренебречь в точках, отстоящих от электродов 1, 2 на расстоянии, превышающем шаг дискретности электродной системы у. Если принять, что область точного поля по оси X должна составлять величину 1,5х₀, тогда число дискретных элементов каждого электрода должно быть n>4у₀/х₀. По конструктивно-технологическим соображениям пространство между непрерывными 2, 5 и дискретными 1, 2 электродами может заполняться диэлектриком.

Электродная система на Фиг.2 эффективна для анализаторов с у₀>>х₀, когда краевые искажения из-за ограниченного размера у₀ незначительно сокращают рабочую область анализатора. Для анализаторов с соизмеримыми параметрами у₀ и х₀ необходимо иметь замкнутую по всему периметру электродную систему. Для этого случая предлагается электродная система, состоящая из дискретного заземленного электрода 1 прямоугольного в плоскости XOY сечения с размерами 2у₀ и 2х₀ по осям X и Y и двух пар с противоположными потенциалами – и уголковых электродов 2, 4 и 3, 5 с размерами у₀ и х₀ по осям X и Y, установленных по внешнему периметру дискретного электрода на расстоянии d от него (Фиг.3). При х₀=у₀ электродная система в плоскости XOY имеет квадратное сечение и соответствует анализатору типа фильтр масс. В этом случае шаг дискретности и ширина элементов дискретного электрода по осям X и Y совпадают х=y, s_i=s_j, i=j, а ширина дискретных элементов в зависимости от номера элемента определяется по формуле

Предлагаемый способ формирования двумерных линейных электрических полей и устройство для его осуществления обладают простотой и универсальностью, позволяют создавать эффективные и технологичные конструкции электродных систем и на их основе масс-спектрометрические приборы для микроанализа состава вещества с высокими аналитическими и потребительскими свойствами.

Фиг.1. Схема формирования двумерного линейного поля с помощью плоских дискретных электродов с дискретно-линейным распределением, распределение потенциала на них по оси Y.

Фиг.2. Схема электродной системы для формирования двумерного линейного поля в монополярной области у0 из пары плоских непрерывных с потенциалами –, электродов 4, 5 и пары плоских дискретных заземленных электродов 1, 2 и плоского непрерывного заземленного электрода 3.

Фиг.3. Схема замкнутой электродной системы для формирования двумерного линейного электрического поля из дискретного заземленного прямоугольного сечения электрода 1 и двух пар уголковых электродов 2, 4 с потенциалом – и 3, 5 с потенциалом .

Литература

1. Dawson Р.Н. Quadrupole Mass Spectrometry and Application. Elsevier, Amsterdam, 1976.

2. March R.E., Hygehes R.J. Quadrupole Storage Mass New York. John Wiley, 1989.

2006115270/28(016599).

Формула изобретения

1. Способ формирования двумерного линейного по осям Х и Y электрического поля, заключающийся в создании по границам рабочей области поля параллельных оси Z проводящих поверхностей длинной L с заданными на них потенциалами, отличающийся тем, что в качестве проводящих используют дискретные по осям Х и Y с шагом x и у, состоящие из плоских с переменной шириной s_i и s_j по осям Х и Y заземленных элементов, поверхности прямоугольного в плоскости XOY сечения с размерами 2х₀ и 2у₀ по осям Х и Y и расположенные по их внешнему периметру на расстоянии d0, у₀ от них двух пар уголковых поверхностей с противоположными потенциалами – и , а пространство между поверхностями прямоугольного сечения и уголковыми поверхностями заполняют или не заполняют диэлектриком.

2. Устройство для формирования двумерного линейного электрического поля, содержащее параллельные оси Z длиной L электроды с приложенными к ним потенциалами, отличающееся тем, что используют прямоугольного с размерами 2х₀,
2у₀ в плоскости XOY сечения, дискретные с шагом x и у по осям Х и Y, состоящие из заземленых металлических пластин шириной s_i=f_i(x_i) и s_j=f₂(y_i), где f_i(x_i) f₂ (y_j) – функции дискретных координат x_i=x·j и y_i=y·j, i и j-номера пластин по осям Х и Y, электроды и расположенные по их внешнему периметру на расстоянии d<<x, y от них две пары с противоположными потенциалами – и и с размерами x₀ и у₀ по осям Х и Y уголковых электродов, причем пространство между дискретными и уголковыми электродами заполняют или не заполняют диэлектриком.

РИСУНКИ