[go: up one dir, main page]

RU2806730C1 - Four-electrode kingdon trap with equispaced electrodes - Google Patents

Four-electrode kingdon trap with equispaced electrodes Download PDF

Info

Publication number
RU2806730C1
RU2806730C1 RU2023117704A RU2023117704A RU2806730C1 RU 2806730 C1 RU2806730 C1 RU 2806730C1 RU 2023117704 A RU2023117704 A RU 2023117704A RU 2023117704 A RU2023117704 A RU 2023117704A RU 2806730 C1 RU2806730 C1 RU 2806730C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
trap
potential
electrons
electrodes
ions
Prior art date
Application number
RU2023117704A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Николаевич Николаев
Олег Николаевич Харыбин
Глеб Николаевич Владимиров
Сергей Викторович Горбатов
Александр Сергеевич Семенов
Антон Валерьевич Лиознов
Петр Юрьевич Борисовец
Original Assignee
Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий"
Filing date
Publication date
Application filed by Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" filed Critical Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий"
Application granted granted Critical
Publication of RU2806730C1 publication Critical patent/RU2806730C1/en

Links

Abstract

FIELD: mass spectrometry.
SUBSTANCE: mass spectrometer with electron impact ionization based on a multi-electrode harmonized Kingdon trap. The mass spectrometer is equipped with at least one source of electrons located outside the Kingdon trap, ionizing molecules of the analyte gas inside the trap, located under a negative potential U, sufficient to accelerate the electrons and their penetration into the trap, and configured to ionize the molecules of the analyte gas with electrons, the energy value varies from U in the region near the external electrodes to zero - at the electron turning point, where the potential of the trap field created by the internal electrodes coincides with the potential applied to the electron source.
EFFECT: increase in the reliability of the device and the operating time without replacing the cathode by doubling the working volume of the trap, lowering the coalescence threshold and doubling the independent sources of electrons.
4 cl, 8 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИTECHNICAL FIELD

Изобретение относится к области масс-спектрометрии, а именно описывает масс-спектрометр с ионизацией электронным ударом на основе четырехэлектродной ловушки Кингдона с равноудаленными электродами. Предложенный масс-спектрометр позволяет создавать ионы сразу в двух направлениях, что удваивает рабочий объем ловушки, снижает порог коалесценции, позволяет работать с двумя независимыми источниками электронов, повышает надежность прибора и увеличивает время работы без замены катода. Изобретение может найти применение во многих областях техники.The invention relates to the field of mass spectrometry, and specifically describes a mass spectrometer with electron impact ionization based on a four-electrode Kingdon trap with equidistant electrodes. The proposed mass spectrometer makes it possible to create ions in two directions at once, which doubles the working volume of the trap, reduces the coalescence threshold, allows you to work with two independent sources of electrons, increases the reliability of the device and increases the operating time without replacing the cathode. The invention can find application in many fields of technology.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE ART

Современная масс-спектрометрия - чувствительный, быстрый и информативный метод атомарного и молекулярного анализа веществ, имеющий широчайшие применения во многих областях науки и техники. Использование масс-спектрометрии для идентификации молекул требует высокой разрешающей способности и высокой точности измерения масс. Долгое время таким требованиям удовлетворяла масс-спектрометрия ионного циклотронного резонанса (ИЦР) с преобразованием Фурье, однако, существенным недостатком этого метода является необходимость использования сверхпроводящих крио-магнитов с высокой (7 Тесла и выше) магнитной индукцией, что приводит к большим эксплуатационным расходам и большому размеру, а также весу, самого прибора. Другим типом масс-спектрометров, приближающимся по разрешению и точности к приборам на основе ИЦР, являются приборы, использующие принцип орбитальной ионной ловушки - удержания ионов с большой кинетической энергией (несколько килоэлектрон-вольт) внутри ионной ловушки при помощи электростатических полей, впервые предложенный Кингдоном (далее в настоящем описании - ловушка Кингдона; Kingdon, K.H.: A method for the neutralization of electron space charge by positive ionization at very low gas pressures. Phys. Rev. 21, 408-418 (1923)) и предложенный в работе Knight (Knight, R.D.: Storage of ions from laser produced plasmas. Appl. Phys. Lett. 38, 221-223 (1981)) в качестве масс-спектрометра, и в последствии в работах Макарова, который создал такой масс-спектрометр, названный им Орбитрэп (Orbitrap) (Eliuk, S., Makarov, A.: Evolution of Orbitrap mass spectrometry instrumentation. Annu. Rev. Anal. Chem. 8, 61-80 (2015)). В орбитальной ионной ловушке Орбитрэп электродами специальной формы создаётся осесимметричное статическое электрическое поле. Попадающие в поле ионы с достаточным для захвата моментом количества движения, вводимые извне перпендикулярно оси ловушки на некотором расстоянии от центра ловушки, начинают двигаться по стабильным циклическим траекториям вокруг центрального электрода и одновременно осциллировать вдоль оси (ось z) центрального электрода в квадратичном потенциале, создаваемым электродами ловушки вдоль оси z. Частоты радиального и углового движения, а также частота колебаний вдоль оси z зависят массы и заряда иона. Вдоль оси z ионы совершают гармонические осцилляции с частотой обратно пропорциональной квадратному корню из отношения массы к заряду иона. В связи с тем, что электрический потенциал квадратично зависит от координаты z эта частота не зависит от амплитуды колебания ионов. Измеряемой величиной является разность потенциалов, наводимая движущимися ионами на внешних электродах. Благодаря тому, что частота аксиальной осцилляции ионов не зависит от их энергии и тому, что электрическое поле устанавливается с высокой точностью и стабильностью, может быть достигнуто высокое разрешение, и масса может быть определена с высокой точностью по измеренной частоте аксиальных колебаний. Орбитальная ловушка также характеризуется способностью одновременного захвата и измерения масс относительно большого количества ионов.Modern mass spectrometry is a sensitive, fast and informative method for the atomic and molecular analysis of substances, which has wide applications in many fields of science and technology. The use of mass spectrometry to identify molecules requires high resolution and high mass measurement accuracy. For a long time, such requirements were satisfied by ion cyclotron resonance (ICR) mass spectrometry with Fourier transform; however, a significant disadvantage of this method is the need to use superconducting cryo-magnets with high (7 Tesla and above) magnetic induction, which leads to high operating costs and high the size, as well as the weight, of the device itself. Another type of mass spectrometer, approaching the resolution and accuracy of ICR-based instruments, are instruments that use the principle of an orbital ion trap - the retention of ions with high kinetic energy (several kiloelectron volts) inside an ion trap using electrostatic fields, first proposed by Kingdon ( further in this description - the Kingdon trap; Kingdon, K.H.: A method for the neutralization of electron space charge by positive ionization at very low gas pressures. Phys. Rev. 21, 408-418 (1923)) and proposed in the work of Knight (Knight , R.D.: Storage of ions from laser produced plasmas. Appl. Phys. Lett. 38, 221-223 (1981)) as a mass spectrometer, and subsequently in the works of Makarov, who created such a mass spectrometer, which he called Orbitrap ( Orbitrap) (Eliuk, S., Makarov, A.: Evolution of Orbitrap mass spectrometry instrumentation. Annu. Rev. Anal. Chem. 8, 61-80 (2015)). In the Orbitrap orbital ion trap, an axisymmetric static electric field is created by specially shaped electrodes. Ions entering the field with sufficient angular momentum to capture, introduced from the outside perpendicular to the trap axis at some distance from the center of the trap, begin to move along stable cyclic trajectories around the central electrode and simultaneously oscillate along the axis (z axis) of the central electrode in the quadratic potential created by the electrodes traps along the z axis. The frequencies of radial and angular motion, as well as the frequency of vibrations along the z axis, depend on the mass and charge of the ion. Along the z axis, ions perform harmonic oscillations with a frequency inversely proportional to the square root of the ratio of mass to charge of the ion. Due to the fact that the electric potential depends quadratically on the z coordinate, this frequency does not depend on the amplitude of ion vibration. The measured quantity is the potential difference induced by moving ions on the external electrodes. Due to the fact that the frequency of axial oscillation of ions does not depend on their energy and the fact that the electric field is set with high accuracy and stability, high resolution can be achieved and the mass can be determined with high accuracy from the measured frequency of axial oscillations. The orbitrap is also characterized by the ability to simultaneously capture and measure the masses of a relatively large number of ions.

Наиболее близкими аналогом предложенного изобретения являются масс-спектрометр, раскрытый в патенте США № US 7989758 B2 (принадлежащий BRUKER DALTONIK GMBH и опубликованный 02.08.2011 МПК B01D59/44; H01J49/00) содержащий так называемую ловушку Кассини и также масс-спектрометр на основе мультиэлектродной гармонизированной ловушки Кингдона RU 2693570C1 (принадлежащий АВТОНОМНАЯ НЕКОММЕРЧЕСКАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "СКОЛКОВСКИЙ ИНСТИТУТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ" и опубликованный 03.07.2019 МПК H01J49/42). Однако, описанные в этих патентах приборы не предусматривают возможность создания ионов внутри ловушки. Геометрии поверхностей электродов, предложенные в этих патентах не оптимизированы для случая, когда ионы создаются внутри электростатической ловушки - масс-анализатораThe closest analogue of the proposed invention is the mass spectrometer disclosed in US patent No. US 7989758 B2 (owned by BRUKER DALTONIK GMBH and published on 08/02/2011 IPC B01D59/44; H01J49/00) containing the so-called Cassini trap and also a mass spectrometer based on a multielectrode harmonized Kingdon trap RU 2693570C1 (belonging to the AUTONOMOUS NON-PROFIT EDUCATIONAL ORGANIZATION OF HIGHER EDUCATION "SKOLKOVO INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY" and published on 07/03/2019 IPC H01J49/42). However, the devices described in these patents do not provide for the possibility of creating ions inside a trap. The electrode surface geometries proposed in these patents are not optimized for the case where ions are created inside an electrostatic trap - a mass analyzer

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков современного уровня техники и отличается от известных ранее тем, что предложенное решение позволяет создавать ионы одновременно в двух направлениях, что удваивает рабочий объем ловушки и снижает порог коалесценции, позволяет работать с двумя независимыми источниками электронов, повышает надежность прибора и увеличивает время работы без замены катода.The proposed technical solution is aimed at eliminating the shortcomings of the current state of the art and differs from previously known ones in that the proposed solution allows the creation of ions simultaneously in two directions, which doubles the working volume of the trap and reduces the coalescence threshold, allows working with two independent sources of electrons, increases the reliability of the device and increases operating time without cathode replacement.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Технической проблемой, на решение которое направлено заявленное решение, является создание масс-спектрометра с ионизацией электронным ударом на основе многоэлектродной гармонизированной ловушки Кингдона.The technical problem that the claimed solution is aimed at is the creation of a mass spectrometer with electron impact ionization based on a multielectrode harmonized Kingdon trap.

Технический результат заключается в удваивании рабочего объема ловушки, снижении порога коалесценции и удваивании независимых источников электронов, что повышает надежность прибора и увеличивает время работы без замены катода.The technical result consists in doubling the working volume of the trap, lowering the coalescence threshold and doubling the independent sources of electrons, which increases the reliability of the device and increases the operating time without replacing the cathode.

Заявленный технический результат достигается за счет осуществления масс-спектрометра с ионизацией электронным ударом на основе многоэлектродной гармонизированной ловушки Кингдона, состоящей из двух внешних и четырех внутренних электродов, которые расположены симметрично, выполненных с возможностью детектирования сигнала наводимого осциллирующими в квадратичном потенциале внутри ловушки ионами, при этом на внутренние электроды подан потенциал, создающий вне этих электродов внутри ловушки электрическое поле, величина потенциала которого квадратично зависит от координаты вдоль внутренних электродов, при этом квадратичность потенциала обеспечивается формой внутренних и внешних электродов, причем геометрия поверхностей внутренних электродов совпадает с геометрией эквипотенциальных поверхностей, соответствующих напряжению -4кВ на внутренних электродах, а внешний электрод имеет геометрию эквипотенциальной поверхности, проходящей на расстоянии от 20 мм до 90 мм от центра ловушки вдоль направления оси Х;The claimed technical result is achieved by implementing a mass spectrometer with electron impact ionization based on a multielectrode harmonized Kingdon trap, consisting of two external and four internal electrodes, which are located symmetrically, made with the ability to detect a signal induced by ions oscillating in a quadratic potential inside the trap, while a potential is applied to the internal electrodes, creating an electric field outside these electrodes inside the trap, the magnitude of which depends quadratically on the coordinate along the internal electrodes, while the quadratic potential is ensured by the shape of the internal and external electrodes, and the geometry of the surfaces of the internal electrodes coincides with the geometry of the equipotential surfaces corresponding to the voltage -4 kV on the inner electrodes, and the outer electrode has the geometry of an equipotential surface extending at a distance from 20 mm to 90 mm from the center of the trap along the X-axis direction;

при этом масс-спектрометр снабжен, по меньшей мере, одним расположенным вне ловушки Кингдона источником электронов, ионизирующих молекулы газа-аналита внутри ловушки, находящимся под отрицательным потенциалом U достаточным для ускорения электронов и их проникновения внутрь ловушки, и выполненным с возможностью ионизации молекул газа-аналита электронами с величиной энергии изменяющейся от U в области вблизи внешних электродов, до нуля - в точке поворота электронов, где потенциал поля ловушки, создаваемого внутренними электродами совпадает с потенциалом, приложенным к источнику электронов.in this case, the mass spectrometer is equipped with at least one source of electrons located outside the Kingdon trap, ionizing molecules of the analyte gas inside the trap, located under a negative potential U sufficient to accelerate the electrons and their penetration inside the trap, and configured to ionize gas molecules - analyte by electrons with an energy value varying from U in the region near the external electrodes, to zero - at the electron turning point, where the potential of the trap field created by the internal electrodes coincides with the potential applied to the electron source.

В одном из вариантов исполнения источник электронов может представлять собой по меньшей мере один катод с косвенным нагревом.In one embodiment, the electron source may be at least one indirectly heated cathode.

В одном из вариантов исполнения источник электронов может представлять собой, по меньшей мере один автоэмиссионный катод.In one embodiment, the electron source may be at least one field emission cathode.

В одном из вариантов исполнения между источником электронов и ловушкой может быть установлена одиночная линза для фокусировки электронов в входное отверстие ловушки.In one embodiment, a single lens may be installed between the electron source and the trap to focus the electrons into the trap inlet.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙDESCRIPTION OF DRAWINGS

Реализация изобретения будет описана в дальнейшем в соответствии с прилагаемыми чертежами, которые представлены для пояснения сути изобретения и никоим образом не ограничивают область изобретения. К заявке прилагаются следующие чертежи:The implementation of the invention will be described further in accordance with the accompanying drawings, which are presented to explain the essence of the invention and in no way limit the scope of the invention. The following drawings are attached to the application:

Фиг. 1, иллюстрирует распределение потенциала в ловушке.Fig. 1 illustrates the potential distribution in the trap.

Фиг. 2, иллюстрирует трехмерный вид ловушки.Fig. 2 illustrates a three-dimensional view of the trap.

Фиг. 3, иллюстрирует распределение потенциала при напряжении -4кВ на стержнях и заземленном внешнем электродеFig. 3, illustrates the potential distribution at a voltage of -4 kV on the rods and a grounded external electrode

Фиг. 4, иллюстрирует распределение потенциала вблизи внешнего электрода, показывающее глубину проникновения электронного пучка с энергией 300эВ.Fig. 4 illustrates the potential distribution near the outer electrode, showing the penetration depth of an electron beam with an energy of 300 eV.

Фиг. 5, иллюстрирует траектории ионов созданных в областях -0.1mm<x<0.1mm, 77mm<y<90mm и -0.1mm<y<0.1mm, 77mm<x<90mmFig. 5, illustrates the trajectories of ions created in the areas -0.1mm<x<0.1mm, 77mm<y<90mm and -0.1mm<y<0.1mm, 77mm<x<90mm

Фиг. 6, иллюстрирует фазовый портрет движения ионов в направлении Z при зарождении ионов и сразу после возбуждающего импульса.Fig. 6 illustrates the phase portrait of ion motion in the Z direction during ion nucleation and immediately after the exciting pulse.

Фиг. 7, иллюстрирует фазовое пространство ионов через 1мс полета в случае ChargeFactor=100.Fig. 7 illustrates the phase space of ions after 1 ms of flight in the case of ChargeFactor=100.

Фиг. 8, иллюстрирует число оставшихся ионов в случае ChargeFactor=100 спустя 1мс полета (вверху) и в конце моделирования (100мс).Fig. 8 illustrates the number of remaining ions in the case of ChargeFactor=100 after 1ms of flight (top) and at the end of the simulation (100ms).

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту, будет очевидно каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.The following detailed description of the invention sets forth numerous implementation details designed to provide a clear understanding of the present invention. However, it will be apparent to one skilled in the art how the present invention can be used with or without these implementation details. In other cases, well-known methods, procedures and components have not been described in detail so as not to unduly obscure the features of the present invention.

Кроме того, из приведенного изложения будет ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, будут очевидными для квалифицированных в предметной области специалистов.In addition, from the above discussion it will be clear that the invention is not limited to the above implementation. Numerous possible modifications, alterations, variations and substitutions, while retaining the spirit and form of the present invention, will be apparent to those skilled in the art.

Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведены некоторые термины, использованные в настоящем описании изобретения. В описании данного изобретения термины «включает» и «включающий» интерпретируются как означающие «включает, помимо всего прочего». Указанные термины не предназначены для того, чтобы их истолковывали как «состоит только из». Если не определено отдельно, технические и научные термины в данной заявке имеют стандартные значения, общепринятые в научной и технической литературе.For a better understanding of the present invention, below are some terms used in the present description of the invention. As used herein, the terms “includes” and “including” are interpreted to mean “including, but not limited to.” These terms are not intended to be construed as “consisting only of.” Unless otherwise defined, technical and scientific terms in this application have their standard meanings commonly accepted in the scientific and technical literature.

Создавать ионы для их анализа по массам в гармонизированной ловушке Кингдона можно несколькими путями. Можно осуществлять ионизацию газообразных веществ вне ловушки, например, в стандартном ионном источнике Нира, и вводить ионы в ловушку из этого источника захватывая их полем во время пролета через ловушку, как это делается в Орбитрэпах. Преимущество такого метода состоит в том, что можно использовать стандартную энергию ионизации 70 вольт, что позволяет идентифицировать молекулы, используя базы данных по масс-спектрам электронного удара и использовать магнитное поле для коллимирования ионизующих электронов. Недостатком метода является необходимость в устройстве накопления ионов перед выбросом их в ловушку, так как иначе эффективность отбора ионов для масс анализа будет очень низкой.There are several ways to create ions for mass analysis in a harmonized Kingdon trap. It is possible to ionize gaseous substances outside the trap, for example, in a standard Nira ion source, and introduce ions into the trap from this source by capturing them in the field while flying through the trap, as is done in Orbitraps. The advantage of this method is that a standard ionization energy of 70 volts can be used, allowing molecules to be identified using electron impact mass spectral databases and the use of a magnetic field to collimate the ionizing electrons. The disadvantage of the method is the need for a device for accumulating ions before releasing them into the trap, since otherwise the efficiency of selecting ions for mass analysis will be very low.

Другим очевидным способом ионизации является ионизация внутри самой ловушки. Это можно делать двумя способами: с заземлением всех электродов ловушки, что позволяет фиксировать энергию электронов, и с рабочими потенциалами на электродах. В первом случае duty cycle буден ничтожно маленьким, так как могут быть захвачены ионы, находящиеся в ловушке только в момент ионизации (микросекунды), а во втором случае будет большой разброс в энергиях ионизации, так как она зависит от места рождения иона, которое находится на пути ионизирующих электронов. Траектории электронов не совпадают с силовыми линиями электрического поля внутри ловушки, разброс по энергиям электронов в момент ионизации составляет до 400 электрон вольт. (Энергия электронов в ловушке составляет от 0 до 400 eV) Получаемые при такой ионизации масс-спектры не будут в общем случае совпадать с масс-спектрами, полученными при стандартной энергии ионизации, и будут требовать коррекции. Образованные при таком способе ионизации ионы будут захватываться ловушкой. Моделирование процесса ионизации показывает, что эффективность захвата составляет от 10 до 60%. Как показывают эксперименты, время жизни ионов в ловушке после их образования и захвата составляет более 1000 миллисекунд.Another obvious method of ionization is ionization within the trap itself. This can be done in two ways: with grounding of all electrodes of the trap, which allows the electron energy to be recorded, and with operating potentials on the electrodes. In the first case, the duty cycle will be negligibly small, since ions that are trapped only at the moment of ionization (microseconds) can be captured, and in the second case there will be a large spread in ionization energies, since it depends on the place of birth of the ion, which is located at path of ionizing electrons. The electron trajectories do not coincide with the electric field lines inside the trap; the electron energy spread at the moment of ionization is up to 400 electron volts. (The energy of the electrons in the trap ranges from 0 to 400 eV) The mass spectra obtained with such ionization will generally not coincide with the mass spectra obtained with standard ionization energy and will require correction. The ions formed by this method of ionization will be captured by the trap. Simulations of the ionization process show that capture efficiencies range from 10 to 60%. Experiments show that the lifetime of ions in a trap after their formation and capture is more than 1000 milliseconds.

Для получения сигнала необходимо возбудить движение ионов в направлении, в котором потенциал имеет квадратичную зависимость от координаты, а именно вдоль внутренних электродов ловушки. Это можно делать в случае ввода ионов из накопительного устройства вводя ионы не по центру ловушки, как в ловушке Орбитрэп. Тогда ионы попадают в поле с квадратичным потенциалом не по его центру, где потенциал минимален, а в область потенциала выше потенциала в центре и начинают совершать гармонические колебания в этом квадратичном потенциале. В случае ввода ионов по центру их движение в квадратичном потенциале необходимо возбуждать либо прикладывая переменное напряжение с частотой, совпадающей с резонансными частотами гармонических колебаний ионов в квадратичном поле, к внешним электродам ловушки либо к внутренним, для чего электроды должны быть разрезаны по вертикальной плоскости симметрии. Амплитуда напряжения настраивается экспериментально для получения максимальной амплитуды сигнала от ионов и разрешающей способности. Для избирательного возбуждения ионов определенных масс может быть использован метод SWIFT, как в FT ICR масс-спектрометрии. В этом методе синтезируется спектр частот, преобразование которого дает временной сигнал необходимой частоты и амплитуды для возбуждения ионов в определенном диапазоне масс или ионов определенных масс. Запрограммированный SWIFT временной сигнал подается из ЦАП через усилитель на электроды возбуждения. При внешнем вводе ионов в ловушку Кингдона можно использовать любые виды источников ионов, что позволяет ионизировать газовые, жидкие и твердые вещества. В случае анализа газов ионы можно создавать непосредственно в самой ловушке Кингдона используя ионизацию электронным ударом, и фотоионизацию.To obtain a signal, it is necessary to excite the movement of ions in the direction in which the potential has a quadratic dependence on the coordinate, namely along the internal electrodes of the trap. This can be done in the case of introducing ions from a storage device by introducing ions not in the center of the trap, as in the Orbitrap trap. Then the ions enter a field with a quadratic potential not at its center, where the potential is minimal, but in a potential region above the potential in the center and begin to perform harmonic oscillations in this quadratic potential. In the case of introducing ions at the center, their movement in a quadratic potential must be excited either by applying an alternating voltage with a frequency coinciding with the resonant frequencies of harmonic oscillations of ions in a quadratic field, to the external electrodes of the trap or to the internal ones, for which the electrodes must be cut along the vertical plane of symmetry. The voltage amplitude is adjusted experimentally to obtain maximum ion signal amplitude and resolution. To selectively excite ions of certain masses, the SWIFT method can be used, as in FT ICR mass spectrometry. In this method, a frequency spectrum is synthesized, the transformation of which produces a time signal of the required frequency and amplitude to excite ions in a certain mass range or ions of certain masses. The programmed SWIFT time signal is fed from the DAC through the amplifier to the excitation electrodes. When externally introducing ions into a Kingdon trap, any type of ion source can be used, which allows the ionization of gaseous, liquid and solid substances. In the case of gas analysis, ions can be created directly in the Kingdon trap itself using electron impact ionization and photoionization.

Как показывают результаты моделирования, вероятность захвата образуемых таким образом ионов может превышать 50% при оптимальном выборе положения ионизирующего пучка электронов и фотонов. Таким образом, ионы можно накапливать в ловушке и проводить их анализ по массам при достижении необходимого количества. Ионизация должна осуществляться в плоскости симметрии ловушки, чтобы избежать возбуждения движения образующихся ионов в продольном направлении ловушки.As the simulation results show, the probability of capturing the ions formed in this way can exceed 50% with the optimal choice of the position of the ionizing beam of electrons and photons. Thus, ions can be accumulated in a trap and analyzed by mass when the required amount is reached. Ionization must be carried out in the plane of symmetry of the trap in order to avoid excitation of the movement of the resulting ions in the longitudinal direction of the trap.

Для реализации принципа удваивания рабочего объема ловушки и снижения порога коалесценции был создан масс-спектрометр с ионизацией электронным ударом на основе многоэлектродной гармонизированной ловушки Кингдона, состоящей из двух внешних и четырех внутренних электродов, которые расположены симметрично.To implement the principle of doubling the working volume of the trap and lowering the coalescence threshold, a mass spectrometer with electron impact ionization was created based on a multielectrode harmonized Kingdon trap, consisting of two external and four internal electrodes, which are located symmetrically.

Поле ловушки и форма электродов.Trap field and electrode shape.

Была исследована ловушка, предложенная Юрием Голиковым в диссертации Никитиной Д.В. (Golikov, Y.K., et al., Integrable electrostatic ion traps. Appl. Phys. (Russian). 5, 50-57 (2006)), (Nikitina, D.V.: Ion trap Mass spectrometry in a dynamic mass spectrometry. Thesis for PhD degree, St. Petersburg (2006)). The trap proposed by Yuri Golikov in the dissertation of Nikitina D.V. was investigated. (Golikov, Y.K., et al., Integrated electrostatic ion traps. Appl. Phys. (Russian). 5, 50-57 (2006)), (Nikitina, D.V.: Ion trap Mass spectrometry in a dynamic mass spectrometry. Thesis for PhD degree, St. Petersburg (2006)).

Формула для вычисления потенциала представлена ниже:The formula for calculating the potential is given below:

U(x,y,z)= с*(2*z**2 -x**2 -y**2)/2 +U(x,y,z)= с*(2*z**2 -x**2 -y**2)/2 +

ln((x+а)**2+(y+b)**2) + ln((x+а)**2+(y+b)**2) + ln((x+a)**2+(y+b)**2) + ln((x+a)**2+(y+b)**2) +

ln((x-а)**2+(y+b)**2) + ln((x-а)**2+(y-b)**2)ln((x-а)**2+(y+b)**2) + ln((x-а)**2+(y-b)**2)

При значениях параметров, а= 1.0, b= 1.0, с= 0.5. Потенциал создается трехмерным квадрупольным полем и полей четырех бесконечных заряженных нитей.With parameter values a = 1.0, b = 1.0, c = 0.5. The potential is created by a three-dimensional quadrupole field and the fields of four infinite charged filaments.

На Фиг.1 показано распределение потенциала в подобной ловушке. Внутренние стержни были образованы эквипотенциальными поверхностями, соответствующими напряжению от 100В до 10кВ. Внешний электрод образован эквипотенциальной поверхностью, проходящей на расстоянии 10мм (допустимый диапазон 5-15мм) от центра ловушки вдоль направления Х.Figure 1 shows the potential distribution in such a trap. The internal rods were formed by equipotential surfaces corresponding to voltages from 100V to 10kV. The outer electrode is formed by an equipotential surface extending at a distance of 10 mm (acceptable range 5-15 mm) from the center of the trap along the X direction.

Моделирование движения ионов с учетом кулоновских взаимодействий.Simulation of ion motion taking into account Coulomb interactions.

Фиг.4 показывает распределение потенциала вблизи внешнего электрода из которого следует, что электронный пучок с энергией 300 эВ проникает в ловушку на глубину 77мм от ее центра. В дальнейших моделированиях ионы создаются в области -0.1mm<x<0.1mm, 77mm<y<90mm и -0.1mm<y<0.1mm, 77mm<x<90mm с равномерным случайным распределением начальных положений и нулевой энергией по всем направлениям. Особенность данной ловушки состоит в том, что в ней можно создавать ионы сразу в двух областях.Figure 4 shows the potential distribution near the external electrode, from which it follows that an electron beam with an energy of 300 eV penetrates into the trap to a depth of 77 mm from its center. In further simulations, ions are created in the region -0.1mm<x<0.1mm, 77mm<y<90mm and -0.1mm<y<0.1mm, 77mm<x<90mm with a uniform random distribution of initial positions and zero energy in all directions. The peculiarity of this trap is that it can create ions in two areas at once.

Во избежание кулоновского взрыва ионы рождаются в течении первых 100мкс моделирования с равномерным случайным распределением времени появления. Сразу после зарождения всех ионов прикладывается импульс напряжения и создается дипольное поле половинками внешнего электрода для того чтобы возбудить колебания ионов вдоль оси Z. Длительность импульса 1мкс, амплитуда 1000 В. Фиг .6. показывает Фазовый портрет движения ионов в направлении Z при зарождении ионов и сразу после возбуждающего импульса без учета кулоновских взаимодействий.To avoid Coulomb explosion, ions are created during the first 100 μs of the simulation with a uniform random distribution of appearance times. Immediately after the nucleation of all ions, a voltage pulse is applied and a dipole field is created by the halves of the external electrode in order to excite oscillations of the ions along the Z axis. The pulse duration is 1 μs, the amplitude is 1000 V. Fig. 6. shows a phase portrait of the movement of ions in the Z direction during ion nucleation and immediately after the exciting pulse without taking into account Coulomb interactions.

В предлагаемом техническом решении электроды разъединены по углам куба и расположены симметрично. Внутренние электроды образованы эквипотенциальными поверхностями, соответствующими напряжению 4кВ, а внешний электрод образован эквипотенциальной поверхностью, проходящей на расстоянии от 20 мм до 90 мм от центра ловушки вдоль направления Х.In the proposed technical solution, the electrodes are separated at the corners of the cube and are located symmetrically. The inner electrodes are formed by equipotential surfaces corresponding to a voltage of 4 kV, and the outer electrode is formed by an equipotential surface extending at a distance from 20 mm to 90 mm from the center of the trap along the X direction.

Размеры электродов ловушки определяются требованиями достижения максимально возможной точности при их изготовлении. От напряжения зависит частота колебаний ловушки. При этом область обрабатываемой поверхности должна составлять не более 200мм х 200мм х 200мм т.е. не более объема рабочей зоны наиболее прецизионных фрезерных станков. Чем больше размер рабочей зоны у станка, тем большее влияние оказывают термические расширения и тем хуже точность изготовления при прочих равных условиях.The dimensions of the trap electrodes are determined by the requirements to achieve the highest possible accuracy in their manufacture. The oscillation frequency of the trap depends on the voltage. In this case, the area of the treated surface should be no more than 200mm x 200mm x 200mm, i.e. no more than the volume of the working area of the most precision milling machines. The larger the size of the working area of the machine, the greater the influence of thermal expansion and the worse the manufacturing accuracy, all other things being equal.

Количество зарядов в каждом из моделирований регулируется параметром ChargeFactor.The number of charges in each simulation is controlled by the ChargeFactor parameter.

Были проведены два моделирования движения ионов CO, N2 и C2H4 с параметром ChargeFactor=100 и 200 (это количество зарядов на одном ионе). В моделировании создаются шесть групп ионов по 500 штук в каждой - три вдоль направления Х и три вдоль направления У. Итого в начале моделирования имеется 3000 ионов. С учетом кулоновских взаимодействий облака ионов значительно расширяются (см. фиг.7) и значительная часть ионов теряется на стержнях. Так в случае ChargeFactor=100 выживает 274 иона (см. фиг. 8). В случае ChargeFactor=100 это соответствует 27 тысячам зарядов в ловушке.Two simulations of the movement of CO, N2 and C2H4 ions were carried out with the parameter ChargeFactor=100 and 200 (this is the number of charges on one ion). In the simulation, six groups of ions of 500 each are created - three along the X direction and three along the Y direction. In total, at the beginning of the simulation there are 3000 ions. Taking into account Coulomb interactions, the clouds of ions expand significantly (see Fig. 7) and a significant part of the ions is lost on the rods. So in the case of ChargeFactor=100, 274 ions survive (see Fig. 8). In the case of ChargeFactor=100, this corresponds to 27 thousand charges in the trap.

В процессе движения ионов ионы продолжают погибать и к концу почти все зеленые ионы исчезают. Поэтому в спектре наведенного тока их пик отсутствует (Фиг. 9).As the ions move, the ions continue to die and by the end almost all the green ions have disappeared. Therefore, their peak is absent in the spectrum of the induced current (Fig. 9).

В случае ChargeFactor=200 облака еще шире и выживает 165 ионов. Это соответствует больше 30 000 зарядов. В процессе моделирования ионы продолжают убывать и за 60мс остается только 45 ионов, которые дают единственный пик в спектре (см. фиг. 4).In the case of ChargeFactor=200, the clouds are even wider and 165 ions survive. This corresponds to more than 30,000 charges. During the simulation, the ions continue to decrease and after 60 ms only 45 ions remain, which give a single peak in the spectrum (see Fig. 4).

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет создавать ионы сразу в двух направлениях, а также обеспечивает возможность использования от 2-х до 4-х источников электронов. Это удваивает рабочий объем ловушки и снижает порог коалесценции. Действительно, в этой ловушке коалесценция имеет развитый характер примерно при 80 000 зарядов, тогда как для используемых в настоящее время ловушек она начинается уже с 25 000 зарядов. Кроме того, такая конструкция ловушки позволяет работать с двумя независимыми источниками электронов, что повышает надежность прибора и увеличивает время работы без замены катода.Thus, the proposed technical solution makes it possible to create ions in two directions at once, and also provides the possibility of using from 2 to 4 electron sources. This doubles the working volume of the trap and lowers the coalescence threshold. Indeed, in this trap, coalescence has a developed character at approximately 80,000 charges, whereas for currently used traps it begins already at 25,000 charges. In addition, this design of the trap allows working with two independent sources of electrons, which increases the reliability of the device and increases the operating time without replacing the cathode.

Несмотря на то, что изобретение описано со ссылкой на раскрываемые варианты воплощения, для специалистов в данной области должно быть очевидно, что конкретные подробно описанные эксперименты приведены лишь в целях иллюстрирования настоящего изобретения, и их не следует рассматривать как каким-либо образом ограничивающие объем изобретения. Должно быть понятно, что возможно осуществление различных модификаций без отступления от сути настоящего изобретения.Although the invention has been described with reference to the disclosed embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that the specific experiments detailed are provided for purposes of illustrating the present invention only and should not be construed as limiting the scope of the invention in any way. It should be understood that various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

Claims (5)

1. Масс-спектрометр с ионизацией электронным ударом на основе многоэлектродной гармонизированной ловушки Кингдона, состоящей из двух внешних и четырех внутренних электродов, которые расположены симметрично, выполненных с возможностью детектирования сигнала наводимого осциллирующими в квадратичном потенциале внутри ловушки ионами, при этом на внутренние электроды подан потенциал, создающий вне этих электродов внутри ловушки электрическое поле, величина потенциала которого квадратично зависит от координаты вдоль внутренних электродов, при этом квадратичность потенциала обеспечивается формой внутренних и внешних электродов, причем геометрия поверхностей внутренних электродов совпадает с геометрией эквипотенциальных поверхностей, соответствующих напряжению -4 кВ на внутренних электродах, а внешний электрод имеет геометрию эквипотенциальной поверхности, проходящей на расстоянии от 20 до 90 мм от центра ловушки вдоль направления оси Х; 1. Mass spectrometer with electron impact ionization based on a multielectrode harmonized Kingdon trap, consisting of two external and four internal electrodes, which are located symmetrically, designed to detect the signal induced by ions oscillating in a quadratic potential inside the trap, while a potential is applied to the internal electrodes , creating an electric field outside these electrodes inside the trap, the magnitude of the potential of which depends quadratically on the coordinate along the internal electrodes, while the quadratic potential is ensured by the shape of the internal and external electrodes, and the geometry of the surfaces of the internal electrodes coincides with the geometry of the equipotential surfaces corresponding to a voltage of -4 kV on the internal electrodes, and the outer electrode has the geometry of an equipotential surface extending at a distance from 20 to 90 mm from the center of the trap along the X-axis direction; при этом масс-спектрометр снабжен по меньшей мере одним расположенным вне ловушки Кингдона источником электронов, ионизирующих молекулы газа-аналита внутри ловушки, находящимся под отрицательным потенциалом U, достаточным для ускорения электронов и их проникновения внутрь ловушки, и выполненным с возможностью ионизации молекул газа-аналита электронами с величиной энергии, изменяющейся от U в области вблизи внешних электродов до нуля – в точке поворота электронов, где потенциал поля ловушки, создаваемого внутренними электродами, совпадает с потенциалом, приложенным к источнику электронов.wherein the mass spectrometer is equipped with at least one source of electrons located outside the Kingdon trap, ionizing molecules of the analyte gas inside the trap, located under a negative potential U, sufficient to accelerate the electrons and their penetration inside the trap, and configured to ionize molecules of the analyte gas electrons with an energy value varying from U in the region near the external electrodes to zero - at the electron turning point, where the potential of the trap field created by the internal electrodes coincides with the potential applied to the electron source. 2. Масс-спектрометр по п.1, характеризующийся тем, что источник электронов представляет собой по меньшей мере один катод с косвенным нагревом.2. Mass spectrometer according to claim 1, characterized in that the electron source is at least one indirectly heated cathode. 3. Масс-спектрометр по п.1, характеризующийся тем, что источник электронов представляет собой по меньшей мере один автоэмиссионный катод.3. Mass spectrometer according to claim 1, characterized in that the electron source is at least one field emission cathode. 4. Масс-спектрометр по п.1, характеризующийся тем, что между источником электронов и ловушкой установлена одиночная линза для фокусировки электронов в входное отверстие ловушки.4. The mass spectrometer according to claim 1, characterized in that a single lens is installed between the electron source and the trap to focus electrons into the inlet of the trap.
RU2023117704A 2023-07-05 Four-electrode kingdon trap with equispaced electrodes RU2806730C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2806730C1 true RU2806730C1 (en) 2023-11-03

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2831990C1 (en) * 2024-02-28 2024-12-18 Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" Multi-electrode harmonized kingdon trap with multi-port input of ions through slot

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7728290B2 (en) * 2003-05-30 2010-06-01 Thermo Finnigan Llc Orbital ion trap including an MS/MS method and apparatus
US7989758B2 (en) * 2008-05-20 2011-08-02 Bruker Daltonik Gmbh Fragmentation of ions in Kingdon ion traps
US20130228679A1 (en) * 2005-05-31 2013-09-05 Alexander A. Makarov Multiple Ion Injection in Mass Spectrometry
US10170292B2 (en) * 2015-05-05 2019-01-01 Thermo Fisher Scientific (Bremen) Gmbh Method and apparatus for injection of ions into an electrostatic ion trap
RU2693570C1 (en) * 2018-11-08 2019-07-03 Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" Multi-electrode harmonized ion trap of kingdon with merged inner electrodes
RU2713910C1 (en) * 2019-05-13 2020-02-11 Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий» Method of designing surface of external electrode of orbital ion trap

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7728290B2 (en) * 2003-05-30 2010-06-01 Thermo Finnigan Llc Orbital ion trap including an MS/MS method and apparatus
US20130228679A1 (en) * 2005-05-31 2013-09-05 Alexander A. Makarov Multiple Ion Injection in Mass Spectrometry
US7989758B2 (en) * 2008-05-20 2011-08-02 Bruker Daltonik Gmbh Fragmentation of ions in Kingdon ion traps
US10170292B2 (en) * 2015-05-05 2019-01-01 Thermo Fisher Scientific (Bremen) Gmbh Method and apparatus for injection of ions into an electrostatic ion trap
RU2693570C1 (en) * 2018-11-08 2019-07-03 Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" Multi-electrode harmonized ion trap of kingdon with merged inner electrodes
RU2713910C1 (en) * 2019-05-13 2020-02-11 Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий» Method of designing surface of external electrode of orbital ion trap

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2831990C1 (en) * 2024-02-28 2024-12-18 Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" Multi-electrode harmonized kingdon trap with multi-port input of ions through slot
RU231761U1 (en) * 2024-12-02 2025-02-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" Device for heating and maintaining the temperature of units of a high-resolution mass spectrometric complex with a harmonized Kingdon trap

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0336990B1 (en) Method of mass analyzing a sample by use of a quistor and a quistor designed for performing this method
US4931640A (en) Mass spectrometer with reduced static electric field
JP5301285B2 (en) Focused mass spectrometer ion guide, spectrometer and method
JP3495512B2 (en) Ion trap mass spectrometer
KR101465502B1 (en) Electrostatic ion trap
AU2003297655B2 (en) Processes for designing mass separators and ion traps, methods for producing mass separators and ion traps. mass spectrometers, ion traps, and methods for analysing samples
US5783824A (en) Ion trapping mass spectrometry apparatus
JP5455653B2 (en) Method and apparatus not sensitive to chemical structure for dissociating ions
WO1997002591A1 (en) Mass spectrometer
US9406495B2 (en) Linear ion beam bonding apparatus and array structure thereof
Blaum et al. Properties and performance of a quadrupole mass filter used for resonance ionization mass spectrometry
US20110042562A1 (en) Mass spectrometer with an electrostatic ion trap
JP2006524413A (en) Axial injection with improved geometry to generate a two-dimensional substantially quadrupole field
JP2008507108A (en) Mass spectrometer
RU2005140948A (en) MASS SPECTROMETER AND RELATED IONIZER AND METHODS
March et al. Radio frequency quadrupole technology: evolution and contributions to mass spectrometry
RU2806730C1 (en) Four-electrode kingdon trap with equispaced electrodes
CN120565393A (en) Multi-electrode coordinated Kimden trap with multi-port ion channel input
JPH02103856A (en) Operation of ion-trapping type mass-spectrometer
RU2818310C1 (en) Multi-electrode harmonized kingdon trap with multi-port input of electrons and ions
RU2634614C1 (en) Method of mass-analysis with resonant excitation of ions and device for its implementation
US6903333B2 (en) Mass spectrometer
RU2831990C1 (en) Multi-electrode harmonized kingdon trap with multi-port input of ions through slot
RU2683018C1 (en) Method of mass analysis of ions in quadrupolar high-frequency fields with dipole excitation of oscillations on borders of stability
RU2327245C2 (en) Mass selective device and analysis method for drift time of ions