Вид РИД
Изобретение
Изобретение относится к областям электронно-ионной оптики и масс-спектрометрии, основанных на движении заряженных частиц в статических и переменных двумерных линейных электрических полях, и может быть использовано для усовершенствования конструкции и технологии изготовления устройств пространственно-временной фокусировки и масс-разделения заряженных частиц. Гиперболические электродные системы не эффективны для создания масс-анализаторов с протяженной вдоль одной оси рабочей областью из-за значительных размеров электродов по всем координатам [1]. Задачу решают системы из плоских электродов с дискретно-линейным распределением потенциала [2], с дискретно-изменяющейся электрической прозрачностью [3] и дискретно-изменяющейся плотностью зарядов [4]. Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в усовершенствовании конструктивно-технологических характеристик устройств образования двумерных линейных электрических полей с протяженной вдоль одной оси рабочей областью, использующих гиперболические и плоские дискретные эквипотенциальные электроды.
Двумерные линейные электрические поля в рабочей области с размерами 2xc, 2yc, L по осям X, Y, Z при условии yc>>xc можно образовывать с помощью плоских дискретных поверхностей из неэквипотенциальных проводящих элементов, распределенных по оси Y с постоянным шагом ∆y [2] или эквипотенциальных проводящих элементов, неравномерно распределенных по оси Y [3, 4]. Наиболее близким к заявленному решению является способ, описанный в [4], заключающийся в образовании линейного электрического поля с помощью эквипотенциальных элементов, неравномерно распределенных по оси Y. Однако недостатками указанных систем являются трудности конструкторско-технологического характера, которые усложнят процесс изготовления ионно-оптических устройств и анализаторов ионов с использованием плоских дискретных электродов.
Во всех случаях при использовании плоских дискретных электродов задача образования двумерных линейных в плоскости XOY электрических полей сводится к созданию на границах области x=±xc линейных вдоль оси Y распределений среднего значения потенциала:
где φ∂i(y) - распределение потенциала в плоскостях x=±xc i-го дискретного элемента, ∆yi - шаг дискретности электродов, φmср=φср(yc).
Для практической реализации ионно-оптических систем с двумерными линейными электрическими полями представляют интерес использование плоских дискретных поверхностей, образованных из равномерно распределенных по оси Y с шагом ∆y, параллельных оси Z, одинаковых эквипотенциальных проводящих элементов - нитей или полосок. Однако использование только плоских дискретных с постоянным шагом ∆y эквипотенциальных поверхностей не решает проблему образования двумерных линейных электрических полей. Задача решается с помощью дополнительных 4-х гиперболических потенциальных поверхностей, позволяющих сформировать линейные по оси Y распределения среднего значения потенциала в плоскостях x=±xc дискретных поверхностей. Гиперболические поверхности 2 располагают в области |x|>xc и на смежных поверхностях устанавливают противоположные потенциалы φ0 и -φ0 (Фиг.1). Наличие дискретных поверхностей 1 позволяет сместить начала координат гиперболических поверхностей 2 по оси Х на расстояние x0 для поверхностей в I и IV квадрантах и на расстояние - x0 для поверхностей во II и III квадрантах и тем самым существенно уменьшить значение их геометрического параметра r0 - действительной полуоси гипербол. Величина смещения определяется соотношением:
Гиперболические поверхности в этом случае описываются уравнением:
Под действием противоположных потенциалов φ0 и -φ0 на смежных гиперболических поверхностях в сечениях x=±xc формируются распределения потенциала φ(±xc,y) - (кривая 1, Фиг.2), средние значения которых φср(±xc,y) при выполнении условия (2), будут изменяться по линейному закону (кривая 2, Фиг.2):
где . При этом в рабочей области |x|<xc, |y|<yc образуется поле с распределением потенциала вида:
которое соответствует двумерному линейному электрическому полю с проекциями напряженности поля на оси X и Y:
Из (5) и (6) следует, что система из 2-х плоских с постоянным шагом ∆y эквипотенциальных дискретных и 4-х гиперболических поверхностей позволяет образовывать двумерные линейные электрические поля в рабочих областях 4 |x|<xc, |yc|<y с произвольным соотношением параметров xc, yc. Причем при фиксированной длине полуосей r0 гиперболических поверхностей выбором параметров xc и ∆y размеры рабочей области по оси X могут изменяться в широких пределах.
Устройство для образования двумерного линейного электрического поля по предлагаемому в п.1 формулы изобретения способу состоит из 2-х плоских дискретных электродов 1 длиной L>>2xc и 4-х гиперболических электродов 2 длиной L>>2xc (Фиг.1). Дискретные электроды 1 с размером ya>>xc по оси Y расположены в плоскостях x=±xc и образованы из равномерно распределенных по оси Y с шагом ∆y тонких диаметром d<<∆y параллельных оси Z эквипотенциальных нитей. Начала координат гиперболических электродов сдвинуты попарно по оси Х на расстояние ±x0 и имеют конечные координаты х=±xa, y=±ya, где xa≥(xc+1.5r0), ya≥(yc+1.5xc). Гиперболические электроды расположены за пределами рабочей области 4 (Фиг.1) |x|>xc по одному в каждом квадранте. Геометрический параметр r0 гиперболических электродов определяется шагом дискретности ∆y плоских электродов и их размером ya по оси Y:
.
При заданных параметрах xc, yc рабочей области геометрический параметр r0 гиперболических электродов, используемых в совокупности с плоскими дискретными электродами с постоянным значением шага ∆y, оказывается значительно меньше параметра r0 гиперболических электродов 3 (Фиг.1), создающих такое же поле в отсутствии дискретных электродов. Это позволяет в анализаторах с вытянутыми вдоль оси Y рабочими областями 4 (Фиг.1), когда yc>>xc путем минимизации значения параметра r0 гиперболических электродов в 2-2,5 раза сократить размеры электродных систем анализаторов по оси X. Размер L электродов 1 и 2 по оси Z выбирается исходя из допустимого уровня отклонения поля от линейного в рабочей области анализатора из-за краевых эффектов:
L≥4xc.
Использование в качестве плоских дискретных электродов равномерно распределенных по оси Y металлических нитей в совокупности с гиперболическими электродами упрощает конструкцию и технологию изготовления, а также снижает размеры анализаторов с двумерными линейными электрическими полями.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гуров B.C., Мамонтов Е.В., Дягилев А.А. Электродные системы с дискретным линейным распределением высокочастотного потенциала для масс-анализаторов заряженных частиц // Масс-спектрометрия. 2007. №4 (2). - С.139-142.
2. Патент RU №2327245 от 03.05.2006, Способ масс-селективного анализа ионов по времени пролета и устройство для его осуществления.
3. Патент RU №2387043 от 10.04.2008, Способ формирования линейного поля и устройство для его осуществления.
4. Патент RU №2422939 от 25.11.2009, Способ образования двумерного линейного электрического поля и устройство для его осуществления.