Файл: Слободенюк, Г. И. Квадрупольные масс-спектрометры.pdf

Г Л а В a S. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ОДНОПОЛЬНОГО

МАСС-СПЕКТРОМЕТРАЦОМ)

О возможности построения ОМ впервые было сооб­ щено в работе [12]. Эта возможность возникает благода­ ря одному существенному различию между проекциями траектории иона в анализаторе КМ на плоскости xz и yz. Сравнивая выражения (1.41) и (1.42), нетрудно за­ метить, что если х-параметр траектории со временем, т. е. при изменении величины £, изменяет свой знак через каждый период электрического ВЧ-поля, то у-параметр изменяет свой знак через интервал времени в 1/р раз больший, чем х-параметр. Это различие обусловлено присутствием в формуле (1.41) дополнительного сомно­ жителя cos | и отсутствием его в (1.42). Отмеченное различие между х- и у-параметрами траектории иона означает, что при благоприятных фазе и начальных ус­ ловиях влета иона в анализатор он в течение интервала времени

находится в полупространстве с у i>0.

Благоприятные начальные условия соответствуют си­ туации, при которой выражение в квадратной скобке формулы (1.42) отрицательно при уо>0. Практически это означает, что у0 должно быть положительным и иметь достаточно большую величину. Выбором началь­ ных условий Хо и хо можно добиться, чтобы заметная доля стабильных ионов при своем движении в анализа­ торе в течение времени At (8.1) не выходила за пределы объема, ограниченного одним из электродов анализатора КМ, на который подано относительно потенциала корпу­ са напряжение (—U—Kcosco^), и плоскостями симмет­ рии квадрупольного анализатора, проходящими через ось z (рис. 17). Если теперь заменить эти гипотетические плоскости симметрии, являющиеся в анализаторе КМ геометрическим местом точек, потенциал которых равен нулю (или потенциалу корпуса), на реальные проводя­ щие поверхности, соединенные друг с другом по оси z, и заземлить их, то конфигурация поля в объеме между цилиндрическим и V-образным электродами останется такой же, какой она была в соответствующей части обычного анализатора КМДвижение ионов в указанном объеме подчиняется системе тех же уравнений (1.12),

130

(1.13) и (1.14), что и в обычном КМ. Это означает, что характер движения ионов (деление их на стабильные и нестабильные), по крайней мере в отношении у-пара- метра их траектории, остается тем же, что и в КМ и поэтому у-граница диаграммы стабильности в таком од­ нопольном анализаторе (однопольном потому, что вме­

довательно, расстояние от входной диафрагмы анализа­ тора до первого фокуса меньше. Это обстоятельство об­ условливает расположение правой границы стабильно­ сти на диаграмме (a, q) (см. рис. 4) не по линии, определяющей в КМ границу стабильности х-параметра траектории иона, а вблизи границы стабильности у- параметра. Упомянутая правая граница стабильности ОМ является геометрическим местом точек с одинако­ вым |32, рассчитываемым по формуле

Таким образом, диаграмма стабильности ОМ, изо­ браженная на рис. 18, выглядит как узкая полоска, при­ легающая к «/-границе стабильности и лишь сверху на небольшом интервале значений q>0,706 ограниченная

Х-границей. Заштриховайная часть рисунка соответствует стабильным решениям уравнений (1.12) и (1.13), описывающих движение ионов в анализаторе ОМ. В от­ личие от диаграммы стабильности КМ, в которой доста­ точно высокая разрешающая способность реализуется

Рис. 18. Диаграмма стабильности ОМ (заштрихован­ ный участок соответствует области стабильных зна­ чений коэффициентов а и q в уравнениях Матье), построенная на фоне диаграммы стабильности КМ.

лишь вблизи ее вершины с координатами а ~ 0 ,236 и <7—0,706, диаграмма стабильности ОМ дает возможность реализовать высокое разрешение теоретически при зна­ чениях K=U/V, значительно меньших, чем в КМ. Меньщие значения а и q соответствуют меньшим величинам электрических напряжений U и V, подаваемым на электроды анализатора ОМ.

Если известны размеры отверстия в выходной диа­ фрагме анализатора ОМ, то можно рассчитать величину абсолютной разрешающей способности ОМ по следую­

где 0 < /i^ r 0 — размер отверстия в выходной диафрагме анализатора в направлении оси у, отсчитываемый от оси г, или, что то же самое, от ребра V-образного элек­

132

Сопоставление формул (8.3) и (2.69) позволяет за­ ключить, что разрешающая способность К.М и ОМ в одинаковой мере (с точностью до постоянного коэффи­ циента) зависит от одних и тех же параметров; энер­ гии влетающих в анализатор ионов, частоты ВЧ-элек-

ние. Однако увеличение разрешения здесь возможно только за счет уменьшения чувствительности.

Работа анализатора в ОМ основана на частичной фокусировке ионов (по (/-параметру), поэтому к ионам, инжектируемым в анализатор ОМ, помимо уже упоми­ навшегося выше требования к направлению вектора их начальной скорости должно быть предъявлено требо­ вание к величине этого вектора, точнее говоря, требо­ вание моноэнергетичности ионов при их влете в анали­ затор. Максимальное значение £/уск определяется величиной, реализуемой в ОМ (как и в КМ) абсолютной разрешающей способности на максимальной массе, т. е. выражением (8.3), а минимальное значение £/уск выте­ кает из условия фокусировки (/-параметра траектории иона в анализаторе ОМ, т. е. из выражения (8.2). Все ионы данной массы М, обладающие минимально необ­ ходимой энергией при влете, будут фокусироваться на расстоянии I от начала анализатора, меньшем, чем его длина L, и, следовательно, упадут на его V-образный электрод. Поэтому разброс ионов по энергиям от 0 до Пуск. макс, допустимый в КМ, в ОМ приведет к пропор­ циональному снижению чувствительности, причем раз­ ница в чувствительности между КМ и ОМ будет ориен­ тировочно иметь следующее значение:

®' ^уск.мин

где W(U) — распределение ионов по энергиям на входе анализатора. Кроме того, разброс ионов по энергиям во столько же раз ухудшает абсолютную разрешающую

133

способность ОМ, так как при этом в ионном пучке ионы разных масс могут фокусироваться на одинаковом рас­ стоянии от входа в анализатор и, следовательно, вместе проходить на приемник ионов. Среднее значение энер­ гии ионов С/уск, отнесенное к интервалу допустимого энергетического разброса AUYCk, равно величине, реа­ лизуемой в ОМ относительной разрешающей способ­ ности.

К особенностям ОМ необходимо также отнести и то, что по сравнению с КМ при равенстве эффективности их ионных источников и инжекции ионов в анализатор параллельно оси г (т. е. при у0=0) интенсивность сиг­ налов на выходе КМ (и, следовательно, его чувстви­ тельность) будет по крайней мере в 2 раза выше, чем на выходе ОМ. Объясняется это тем, что координата у

в общем виде, когда уоФО и уо¥=0, можно было придать ионам такое направление при инжекции их в анализа­ тор (т. е. такую величину г/о>0), чтобы независимо от величины и знака первого слагаемого в круглых скоб­ ках (1.42), знак всего выражения в круглых скобках не изменялся. Как следует из (1.42), это возможно при со­ блюдении условия:

134