Монохроматор для масс-спектрометрических ионных источников

Транспортировка монохроматического по энергии пучка ионов на вход масс-анализатора является основным фактором, от которого зависят разрешающая способность, точность определения массы и пропускание масс-спектрометра, а также дискриминация ионов в источнике.

В ряде работ [1–3] предложены методы транспортировки ионов от источника к камере масс-анализатора, проведены теоретические и экспериментальные исследования методов. Эти методы базируются на использовании фокусирующего ионные пучки свойства радиочастотного (RF) поля мультипольных систем и диссипации энергии ионов при столкновениях с молекулами буферного газа, наполняющего объем этих систем. Указанные методы требуют использования дополнительных систем дифференциальной откачки масс-спектрометров. Транспортировка ионов в этих системах в высоковакуумную область масс-спектрометра производится газовым потоком или дополнительными постоянными электрическими потенциалами.

В работе [4] нами предложена идея метода мо-нохроматизации ионного пучка путем преобразования энергетического спектра частиц в высоком вакууме за счет ударного воздействия электрических импульсов на ионы. Рассмотрен случай пространственно однородного импульсного поля. Показано, что путем воздействия серии импульсов электрического поля на ионы за время их движения в пространстве преобразования можно уменьшить разброс ионов по энергии в потоке частиц. Однако геометрические размеры монохроматора, основанного на этом методе, превышают размеры монохроматоров на основе мульти-польных радиочастотных систем, а реализация метода требует применения высоковольтного высокочастотного генератора коротких импульсов электрического напряжения достаточно большой мощности.

В настоящей работе предложено развитие этого метода на основе пространственно неоднородных импульсных полей. Проведенное математическое моделирование работы метода подтверждает его эффективность и возможность его реализации с высокими физико-техническими характеристиками.

МОДЕЛЬ МОНОХРОМАТОРА

В предлагаемом в данной работе монохроматоре сужение функции распределения частиц по энергии (монохроматизация) осуществляется за счет целенаправленного преобразования энергетического спектра частиц в высоком вакууме путем ударного воздействия серии коротких электрических импульсов напряжения на ионы в пространственно неоднородном поле [5]. Рассмотрено двумерное поле с плоскостью симметрии и гармоническим потенциалом Φ = Φ0e-bx/l cosby/l, где Ф0 — значение потенциала в точке x0 = y0 = 0, b — безразмерный параметр, l — выбранный линейный масштаб. Эквипотенциалями этого поля являются цилиндрические поверхности с сечением в любой плоскости z = const = С в виде "арки". В работе рассматривается движение частиц вблизи плоскости симметрии, когда на отверстие входного электрода падает ленточный поток частиц в направлении Х с малым поперечным угловым расхождением. Рассмотрим движение частиц выпущенных из точки x0 вдоль оси Х со скоростью U0 под действием электрического поля, включающегося на короткие промежутки времени Δt (см. рисунок). Потенциал вдоль оси симметрии будет иметь вид Фy 0 = Ф0e-bx1l. Расстояние между входным и выходным электродами (эквипотенциалями) xt=пП = = L, имеющими отверстия для пропуска потока ионов, частицы пройдут за время, равное n периодов П, при этом конечная скорость и координата частиц зависят от числа периодов n, согласно

n

U = n n = U 0 + s Ce - bx ⁽ n - 1) ^{n +A}* A t , (4) i = 1

x t = n _n = U 0 nn + ^TC'e - ^{bx (} n ^{- 1) n +4} ‘ / l A t(П - A t ). (5) i = 1

Здесь C' = ( qb I ml ) Ф₀. По величине скорости частиц (4) находится их кинетическая энергия на выходе монохроматора.

При численном моделировании работы монохроматора безразмерный параметр выбран равным b = 4; линейный масштаб — равным l = 3.82 см; ширина "арки" — H = lπ / b = 3 см; L = 2 см;

масса иона — m = 200 а.е.м.; потенциал входного электрода Ф 0 = 200 В.

При моделировании приняты характеристики импульсов электрических потенциалов (длительность импульсов Δ t = 3·10^–8 c, период П = 5Δ t = = 1.5·10^–7 c и частота их поступления f^* ~ ~ 6.6·10⁶ /с, амплитуды импульсов 200 < Ф 0 < < 1000 В), выбранные на основе существующих и описанных в литературе высокочастотных и высоковольтных генераторов электрических импульсов [6–8]. Рассмотрено движение однозарядных ионов с массой m = 200 а.е.м. В гипотетической начальной функции распределения ионов по энергии минимальная энергии ионов принята равной Е s0 = = 0.2 эВ, максимальная энергия — Е f0 = 10 эВ.

При выбранных характеристиках импульсного поля и геометрии электродной системы получены следующие результаты. "Медленная" частица испытает большее число ударов, чем "быстрая", что будет иметь результатом относительно большее изменение ее энергии и "сужение" кривой распределения частиц по энергии. Показано, что при пролете от входного до выходного отверстий "медленные" ионы испытают n ₁ ≈ 105, "быстрые" ионы — n 2 ≈ 14 ударных воздействий поля и при этом разность конечных энергий существенно уменьшается: E f – Е s = 13 – 10 = 3 эВ, т. е. произойдет эффективная монохроматизация потока ионов.

Схема встроенного в масс-спектрометр монохроматора.

IS — ионный источник; (1, 2) и (2, 3) — тормозящие иммерсионные линзы; (4, 5) — область преобразования энергии ионов; (6, 7) — ускоряющая иммерсионная линза; MA — масс-анализатор

Известно, что пучки ионов выходят из некоторых источников с энергией, имеющей значительный разброс по величине, который может составлять величину ~10 эВ. Представим начальную энергию частиц в потоке на выходе из источника в виде Е 0 i = Е 0 + δЕ i . Здесь Е 0 — "постоянная" часть энергии ионов в потоке, δЕ i — часть энергии, меняющаяся от иона к иону по определенному закону распределения. Для упрощения теоретических оценок и обеспечения эффективной экспериментальной реализации предлагаемого метода с относительно малыми геометрическими размерами "постоянную" часть энергии ионов на входе в монохроматор Е 0 необходимо выбирать по возможности малой Е 0 < 1 эВ. Поэтому составными частями монохроматора служат электростатическая тормозящая иммерсионная линза на входе и электростатическая ускоряющая иммерсионная линза на выходе области преобразования энергии монохроматора. Преобразование энергетического спектра ионов можно реализовать путем пропускания потока ионов на выходе из источника через межэлектродное пространство, к электродам которого приложена разность потенциалов в виде последовательности электрических импульсов V ( t ).

На рисунке приведена схема одного из вариантов встроенного в масс-спектрометр (квадрупольный) монохроматора. Работа монохроматора в масс-спектрометре предполагает: 1) торможение потока ионов, выходящих из ионного источника (IS), до энергий Е 0 = qV 3 ≈ 0.5 эВ, соответствующих минимальному значению в кривой распределения, с одновременной фокусировкой пучка в иммерсионных линзах (1, 2) и (2, 3); 2) мо-нохроматизацию потока ионов в области (4, 5) преобразования энергии; 3) ускорение потока ионов в иммерсионной линзе (6, 7) на выходе из монохроматора до энергий оптимальных для выбранного масс-анализатора (MA) с одновременной фокусировкой пучка на его вход.

Основные характеристики оптической системы монохроматора приведены ниже.

Тормозящие иммерсионные линзы (1, 2) и (2, 3) состоят из цилиндров диаметрами D 1 = D 2 = D 3 = = 6 мм и длинами l ₁ = l ₂ = 14 мм, l ₃ = 6 мм. Зазор между цилиндрами составляет 1 мм (см. рисунок). При отношении потенциалов цилиндров V ₂ / V ₁ = = 4 и V 3 / V 2 = 2 (принято V 1 = 5 В) фокусные расстояния линз, отсчитываемые от плоскости, проведенной через зазор между цилиндрами, составят f 1 ≈ 4 D ≈ 24 мм и f 2 ≈ 10 D ≈ 60 мм. Ускоряющая иммерсионная линза состоит из двух цилиндров длиной l 6 = l 7 = 14 мм и диаметрами D 6 = D 7 = = 7 мм.

Здесь мы пользуемся расчетами характеристик линз, приведенными в работе [9]. Эта система позволяет получать ускоренные пучки ионов для различных типов масс-спектрометров, подбирая необходимые потенциалы.

Область монохроматизации потока ионов формируется электродами 4 и 5, имеющими форму эквипотенциалей, создающими выбранное двумерное поле. Размеры электродов в направлении оси Z, лежащей в плоскости симметрии, равны по величине ширине "арки" что обеспечивает отсутствие возмущения выбранного поля вблизи прохождения потока ионов. Полная длина всей системы монохроматизации составляет величину ~ 120 мм. Диаметры отверстий в электродах монохроматора имеют величину d ≈ 6 мм. Из схемы видно, что для ускорения "охлажденного" в монохроматоре потока ионов необходимо системы питания тормозящей линзы и монохроматора поднять на потенциал ускоряющего напряжения выходных иммерсионных линз.

В данной работе подобраны необходимые условия для функционирования предложенного монохроматора: по характеристикам импульсов, частоте их поступления, величине амплитуды импульса электрического напряжения, величинам электрического потенциала для торможения и ускорения ионов в иммерсионных линзах, геометрическим размерам монохроматора.

Независимо от закона распределения ионов по энергии F(E0,i) в пучке на выходе из источника многократное воздействие на ионы импульсов поля в области преобразования будет иметь результатом установление иного (более узкого) распределения на выходе монохроматора. Тогда закон распределения вероятностей для частиц иметь энергию в интервале от Еn,i до Еn,i + dEn,i будет иметь вид dNi =F(E0,i), (7) N0

где dN i и N 0 — доля и полное число ионов соответственно, dE = 5· 10^–2 эВ определяет (шаг) число точек в интервале энергий . Функцию F ( E _{0, i} ) предстоит найти теоретически в результате численного моделирования или экспериментально при решении конкретных практических задач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе рассмотрена возможность реализации нового типа монохроматора потока ионов, испускаемых масс-спектрометрическими ионными источниками с широким энергетическим разбросом. Монохроматизация потока ионов осуществляется путем преобразования энергетического спектра частиц в высоком вакууме за счет ударного воздействия коротких электрических импульсов на ионы в пространственно неоднородном электриче- ском поле с последующим формированием потока ионов электростатической иммерсионной линзой. Математическое моделирование работы монохроматора показывает его реализуемость как компактного и эффективного устройства для решения проблемы монохроматизации в масс-спектрометрии.