Исследование и разработка масс-анализатора заряженных частиц типа монополярной ионной ловушки

• Автор: Дятлов, Роман Николаевич
• Шифр специальности: 05.27.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Рязань
• Количество страниц: 151 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Обзор литературы по динамическим и статическим ионным ловушкам для заряженных частиц

1.1 Классификация существующих типов ионных ловушек для заряженных частиц

1.2 Принципы фокусировки и захвата заряженных частиц в дву и трехмерных квадрупольных полях .

1.3 Двумерный квадруполь фильтр масс

1.4 Гиперболоидная квадрупольная ионная ловушка.

1.5 Гиперболоидная ионная ловушка как массспектрометр

1.6 Динамическая квадрупольная линейная ионная ловушка

1.7 Выводы и постановка задачи

Глава 2. Моделирование процессов разделения ионов по массам в монополярных ВЧ полях с квадратичным распределением потенциала
2.1 Монополярные колебания ионов в ВЧ полях с квадратичным распределением потенциала
2.2 Одномерное разделение ионов по массам в монополярных гиперболоидных анализаторах с импульсным ВЧ питанием
2.3 Моделирование аппаратной функции монополярного гиперболоидного массанализатора ионов
2.4 Аналитические свойства монополярных гиперболоидных массанализаторов ионов
2.5 Выводы к главе 2.
Глава 3. Моделирование электрических полей в монополярных гиперболоидных массанализаторах ионов
3.1 Монополярные гиперболоидные массанализаторы ионов
3.2 Оптимизация параметров монополярных гиперболондных анализаторов
3.3 Оптимизация параметров гиперболоидных массанализаторов типа монополярной ионной ловушки
3.4 Выводы к главе 3
Глава 4. Разделение ионов но массам в монополярных гиперболоидных массанализаторах с нелинейными отклонениями поля
4.1 Особенности траекторий движения ионов в монополярных гиперболоидных массанализаторах со слаболинейными отклонениями поля
4.2 Аналитические параметры монополярных гиперболоидных массанализаторов со слабонелинейными отклонениями поля
4.3 Разделение ионов по массам в гиперболоидном анализаторе типа монополярной ионной ловушки.
4.4 Монополярная ионная ловушка с внешним вводом ионов
4.5 Выводы к главе 4
Глава 5. Экспериментальный массспектрометр на монополярной
ионной ловушке
5.1 Описание экспериментальной установки
5.2 Результаты исследования экспериментальной монополярной ионной ловушки
5.3 Выводы к главе 5
Заключение
Библиографический список используемой литературы
Введение
Массспектрометрические методы исследования состава вещества основываются на различиях в траекториях движения заряженных частиц с неодинаковым удельным зарядом 2ет, где ей т заряд и масса анализируемой частицы, в электростатических и магнитных нолях. Массселективные свойства обнаруживаются при движении ионов как в статических, так и в переменных магнитных и электрических полях и, соответственно, существуют массспектрометры статического и динамического типов. В данной работе рассматривается прибор динамического типа на основе монополярной ионной ловушки, в котором массселективное разделение ионов происходит под действием линейных высокочастотных ВЧ электрических полей. Траектории заряженных частиц в ВЧ полях имеют колебательный характер, что позволяет при ограниченных размерах массанализаторов удерживать в их рабочем объме ионы достаточно длительное время и получать высокие массселективные свойства приборов.
Актуальность


Свойства неотрицательности периодических решений нулевого порядка уравнений Матье-Хилла позволяют осуществлять масс-разделение ионов в монополярных ВЧ полях с трёхмерным квадратичным распределением потенциала в масс-анализаторах из двух гиперболоидных электродов. Аппаратная функция гиперболоидных масс-анализаторов типа мо-иополярной ионной ловушки строго ограниченна по нулевому уровню с шириной, обратно пропорциональной квадрату числа периодов ВЧ поля, и интенсивностью, обратно пропорциональной числу периодов ВЧ поля. Я=. Зависимость чувствительности монополярной ионной ловушки с внешним фазовым вводом ионов от амплитуды питающего напряжения имеет пороговый характер с величиной порогового напряжения Гпор=0 В, при котором импульсное ВЧ питание гиперболоидных масс-анализаторов с частотной разверткой масс становится эффективным. Глава 1. Масс-спектрометрические методы позволяют исследовать вещество на атомарном уровне. Методы успешно применяются в химии, физике, медицине, геологии, космической технике и т. В настоящее время практическое применение масс-спектрометрических методов привело к созданию приборов различного типа, отличающихся друг от друга, как по принципу действия, так и по кругу решаемых ими задач. Масс-спектрометры на основе ионных ловушек позволяют исследовать изолированные частицы в течение длительных интервалов времени. Идея построения ловушек возникла в физике молекулярных пучков, масс-спектрометрии и физике ускорителей частиц [1]. В - годы было установлено, что плоские электрические и магнитные поля в состоянии фокусировать частицы в двух измерениях, действуя на их магнитные или электрические дипольные моменты. Были задуманы и реализованы линзы для атомных и молекулярных пучков, что существенно улучшило метод молекулярных пучков для спектроскопических приложений или для сортировки по состояниям []. Исследование проблемы ввода заряженных частиц в мультипольные поля привело к разработке квадрупольного масс-спектрометра. В нем используются не только фокусирующие и дефокусирующие силы, действующие на ионы со стороны высокочастотного электрического квадрупольного поля, но также и свойства устойчивости уравнений движения ионов [2]. Если распространить правила двумерной фокусировки на три измерения, то получим все составляющие для ловушек ионов. В основе классификации ионных ловушек лежит принцип их устройства и физика работы. Различают статические и динамические ионные ловушки (таблица 1. Таблица 1. В статических ионных ловушках для удержания ионов используются электрические и магнитные поля, постоянные или практически не изменяющиеся за время анализа иона. Элементный анализ осуществляется на основе зависимости направления движения ионов в постоянных магнитных полях от их скорости. К анализаторам данного типа относятся ионно-циклотронная ловушка, ловушка 1 Хеннинга и орбитальная электростатическая ловушка ОгЬйгар [, , ]. В настоящее время на практике используют следующие типы динамических ионных ловушек: трехмерная квадрупольная ионная ловушка, линейная двумерная ионная ловушка, цилиндрическая ионная ловушка С-Тгар. Ф-(ах2+ру2+у). Подходящим средством создания таких полей сил являются поля электрических мультиполей. В таких конфигурациях напряженность поля возрастает по степенному закону и обладает требуемой симметрией. Ф ~ г'"2 соз(-^-ф). Ф = ^-(си2 + Р/+уг2). Из уравнения Лапласа ДФ=0 следует условие: а+р-Ь7=0. Ф = ^г2); (1. Прежде чем рассматривать физику работы ионных ловушек, полезно ознакомиться с устройством и принципом работы двумерного квадруполя. Так, например линейная ионная ловушка является конструктивной модификацией фильтра масс. Конфигурация анализатора состоит из четырёх электродов гиперболической формы, линейно протяженными вдоль оси у, как показано на рисунке 1. Если приложить между парами электродов напряжение Ф0, то потенциалы на электродах равны ±Ф(>/2. Ея=? Е2=-±2,Еу= 0. Если инжектировать ионы в направлении оси у, то при постоянном напряжении Ф0 они будут совершать гармонические колебания в плоскости х, уу а их отклонение по оси 2 будет экспоненциально увеличиваться ввиду того, что Е. При этом частицы дефокуснру-ются и теряются за счет соударений с электродами.