Сравнительный анализ многопроходных времяпролетных масс-анализаторов на основе зеркал и секторных полей Текст научной статьи по специальности «Физика»

ISSN 0868-5886

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2006, том 16, № 3, c. 21-29

МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ ДЛЯ БИОТЕХНОЛОГИИ. =

ПРИБОРЫ

УДК 621.384.668.8: 537.533.34

© М. И. Явор, А. Н. Веренчиков

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МНОГОПРОХОДНЫХ ВРЕМЯПРОЛЕТНЫХ МАСС-АНАЛИЗАТОРОВ НА ОСНОВЕ ЗЕРКАЛ И СЕКТОРНЫХ ПОЛЕЙ

В работе проведен сравнительный анализ свойств многопроходных времяпролетных масс-анализаторов на основе двух типов ионно-оптических элементов: электростатических зеркал и секторных полей. Сделан вывод о том, что анализаторы на основе бессеточных зеркал в целом имеют преимущества в возможности достижения высокой разрешающей способности и чувствительности.

ВВЕДЕНИЕ

Термин "многопроходные" характеризует вре-мяпролетные масс-анализаторы, в которых траектории ионов "сложены" для достижения большой полной длины в сравнительно небольшом занимаемом объеме. Формирование ионных траекторий достигается их периодическим поворотом с помощью ионно-оптических элементов. Траектории ионов в многопроходном анализаторе могут быть представлены как последовательности большого числа N однотипных периодов движения. Большая длина ионных траекторий позволяет повысить разрешающую способность анализатора по массам, которая в многопроходном анализаторе может быть представлена как

Rm

NT

(1)

2[( ДО + N (ДО]

где Tl — время одного периода движения, Д^0 — длительность временного импульса ионов после выхода из источника, Д^— временное уширение импульса ионов на одном периоде движения. Фактически увеличение длины пролета уменьшает вклад в разрешающую способность длительности временного импульса, формируемого источником.

Как известно, длительность импульса ионов, формируемого источником, определяется так называемым "turn-around time" — временем разворота ионов, имеющих в момент включения поля E, выталкивающего ионы из источника, скорость v, направленную против этого поля. Это время разворота равно Дt0 = mv /(qE), где q — заряд иона, m — его масса. Напряженность выталкивающего поля E ограничена, во-первых, амплитудой потенциала, который возможно сформировать импульсным генератором, а во-вторых, требованием ограниченности энергоразброса в сформированном ионном импульсе ДК = qE (Az), где Az — ширина

области, занимаемой ионами в момент включения выталкивающего поля. Энергоразброс приводит к уширению ионного пакета в тракте времяпролет-ного прибора. Его допустимая величина зависит от качества ионно-оптической системы анализатора, т. е. от ее способности компенсировать зависимость времени пролета ионов от их энергии. Способы такой компенсации рассмотрены в следующем разделе работы. Однако в любом случае величина в реальных времяпролетных системах не опускается ниже нескольких единиц наносекунд для типичной величины массы т = = 1000 а.е.м., и именно эта величина, как правило, ограничивает разрешение по массам в большинстве современных времяпролетных приборов. Отсюда и вытекает стремление увеличить длину ионных траекторий.

В настоящей работе рассматриваются и сравниваются два типа современных многопроходных времяпролетных анализаторов: один, в котором траектории ионов периодически отражаются в ионных зеркалах, и второй, где поворот траекторий ионов осуществляется секторными электростатическими полями. В разделе 1 работы кратко рассмотрены времяпролетные свойства указанных ионно-оптических элементов. В разделе 2 описаны типы современных многопроходных времяпролетных анализаторов и сравниваются их характеристики.

1. ИОННЫЕ ЗЕРКАЛА И СЕКТОРНЫЕ ПОЛЯ КАК ЭЛЕМЕНТЫ ИЗОХРОННЫХ ВРЕМЯПРОЛЕТНЫХ АНАЛИЗАТОРОВ

Временное уширение ионного сигнала в тракте времяпролетного масс-анализатора происходит из-за зависимости времени пролета от энергий индивидуальных ионов и различного положения их траекторий. При этом доминирующий вклад в рассматриваемое уширение вносит энергетический

Зеркало

Рис. 1. Фокусировка времени пролета по энергии в анализаторе с ионным зеркалом. ПВФ — первичный временной фокус

Рис. 2. Фокусировка и дисперсия по энергии ионов в цилиндрическом конденсаторе

Рис. 3. Геометрия электродов тороидального конденсатора

разброс, формируемый в ионном источнике, поскольку этот разброс обратно пропорционален достигаемой в источнике величине А^0. Во второй половине прошлого века был предложен способ

[1] компенсации зависимости времени пролета ионов от их энергии. Он заключался в отражении ионов, прошедших некоторое расстояние в бесполевом пространстве, в поле однородного электростатического зеркала, как показано на рис. 1. Поскольку ионы больших энергий К глубже проникают в зеркало, то их время пролета через зеркало больше, чем время пролета ионов меньших энергий. При длине бесполевого промежутка В, вдвое превышающей глубину проникновения ионов в зеркало Ь, положительная производная времени пролета по энергии в зеркале компенсирует отрицательную производную времени пролета по энергии в бесполевом пространстве, так что на детекторе выполняется условие независимости времени пролета от энергии в первом порядке: ^/¿К = 0. Применение зеркал с однородным полем позволило поднять разрешающую способность времяпро-летных масс-спектрометров до величины порядка 10 000 при энергоразбросе в ионном пучке порядка 1-3 %. Увеличение энергоразброса приводит к падению разрешающей способности, поскольку в масс-анализаторе с рассматриваемым зеркалом время пролета зависит от энергии во втором порядке, т. е. ¿2/МК2 > 0. Указанный недостаток может быть устранен применением зеркал с двумя промежутками, в которых создаются однородные поля с различной напряженностью [2]. В зеркалах с фокусировкой второго порядка времени пролета по энергии величины разрешающей способности 10 000 можно достичь уже при большем энергоразбросе порядка 4-6 %.

В работе [3] было предложено для компенсации зависимости времени пролета ионов от энергии использовать секторные электростатические поля. Простейшее секторное поле создается цилиндрическим конденсатором с коаксиальными электродами, на которые подаются различные потенциалы

V и У2 (см. рис. 2). Цилиндрический конденсатор обладает дисперсией по энергии, т. е. он пространственно разделяет пучки ионов с различными энергиями К1 и К2 , а также фокусирующим свойством в плоскости дисперсии. Для того чтобы пространственная фокусировка ионов имела место также и в плоскости У, перпендикулярной плоскости дисперсии, используют тороидальные конденсаторы, у которых электроды имеют кривизну в этой плоскости (см. рис. 3).

Тороидальное поле также можно получить, используя цилиндрический конденсатор, высота которого (в направлении У) ограничена плоскими электродами (см. рис. 4), так называемыми пластинами Мацуды [4]. На эти электроды подается потенциал Ум, отличающийся от среднего между

VI и У2 . В этом случае, как показано на рис. 4, эк-випотенциали электростатического поля приобретают кривизну в плоскости, проходящей через ось У, так что в некоторой ограниченной области

межэлектродного зазора поле можно считать тороидальным.

Компенсация зависимости времени пролета ионов от энергии в анализаторах с секторными полями достигается так же, как и при применении зеркал. Именно, в секторном поле ион с большей энергией проходит больший путь, а кроме того, движется ближе к внешнему электроду в области с тормозящим потенциалом (см. рис. 5). Поэтому время пролета иона через секторное поле тем больше, чем больше его энергия. Выбором определенного сочетания угла поворота в дефлекторе (или его радиуса) и длин бесполевых промежутков движения ионов можно достичь выполнения условия дИ/йК = 0.

Обратим внимание на несколько существенных отличий зеркал и секторных полей как ионно-оптических элементов для создания энергетически изохронных времяпролетных масс-анализаторов. Во-первых, в секторном поле, в отличие от зеркала нет степеней свободы, позволяющих достичь фокусировки второго или более высокого порядка

Д"

щ\\\ ^

V

V

АУ

Рис. 4. Создание поля тороидального типа в цилиндрическом конденсаторе с пластинами Мацуды: а — геометрия электродов, б —эквипотенциали электростатического поля

времени пролета по энергии. Во-вторых, в то время как настройка зеркала возможна изменением напряженности поля в нем (или напряженностей поля в различных его секциях), т. е. электрически, настройка анализатора с секторным полем фиксирована его геометрическими параметрами. И наконец, еще одно отличие состоит в количестве параметров ионного пучка, влияющих на время пролета иона через анализатор. В случае зеркала с однородным (или кусочно-однородным) полем единственным параметром, от которого зависит время пролета, является энергия иона, точнее, ее продольная составляющая, параллельная направлению напряженности поля зеркала. Действительно, координаты входа иона в зеркало не имеют значения из-за трансляционной симметрии системы, а изменение угла входа равносильно изменению продольной составляющей энергии иона. Таким образом, разность между временем пролета г через анализатор произвольного иона с кинетической энергией К и временем пролета Т иона с "номинальной" кинетической энергией К0 может быть записана в виде разложения в ряд по степеням относительного отклонения энергии от номинальной

^ & е 1 „2 1 ^ ез

г - Т =—8+---8 +---8 +...

а8 2а82 ба83

(2а)

или в обозначениях, принятых в ионной оптике,

г - Т = (г 18)8 + (г 188)82 + (г 1888)83 +... (2б)

Для секторного поля дело обстоит иначе. Даже в моноэнергетическом пучке ионы, пролетающие в секторном конденсаторе ближе к внешнему электроду, находятся в области тормозящего по-

а

б

тенциала, и, таким образом, время их пролета через конденсатор больше, чем у ионов, пролетающих ближе к внутреннему электроду. Поэтому в анализаторах с секторными полями в общем случае время пролета зависит от пространственных координат и углов ионов на входе в конденсатор: dt/dx Ф 0, dt/da Ф 0, где x — координата в плоскости дисперсии, a — угол наклона траектории по отношению к оптической оси в этой плоскости. Таким образом, в анализаторах с секторными полями разложение (2а) усложняется и принимает вид:

t - T =

dt с dt dt =—8 +—x+—a + d8 dx da

1 d2t e2 1 d2t 2 d2t 1 d2t 2

+--^ о +--r x +-xa+--^ a +

2 dS 2 dx2 dxda 2 da2

1 d2t 2 d2t 1 d2t o2

+--г У +-xa+—— ß +

2 dy dydß 2 dß2

1 d3t оз

+ 6d83 0 + (3а)

или в обозначениях, принятых в ионной оптике, t - T =

= (t 18)8 + (t | x) x + (t | a)a +

+(t 188)82 + (t | xx) x2 + (t | xa) xa + (t | aa)a2 +

+(t|yy)У2 + (t|yß)xa + (t | ßß)ß2 +

+(t 1888)83 +... (3б)

(члены первого порядка по y и ß отсутствуют

Рис. 6. Пространственно изохронная (ахроматичная) система на основе секторных полей

в разложении из-за симметрии системы относительно плоскости у = 0).

Достижение изохронности движения ионов в анализаторах с секторными полями даже в линейном приближении требует оптимизации их ионно-оптических схем для выполнения условий

(ФО = (А|а) = 0. (4)

Из общей теории ионной оптики известно [5], что выполнение условий пространственной изохронности (4) равносильно выполнению условий пространственной ахроматичности

Ш = №) = 0. (5)

Условия (5) означают, что ионы различных энергий, входящие в систему вдоль одной и той же траектории, должны выходить из этой системы также вдоль одной и той же траектории в линейном приближении. Такому требованию можно удовлетворить, например, располагая друг за другом два одинаковых анализатора, показанных на рис. 5, в которых пространственная дисперсия на выходе анализатора обращается в ноль. Подобная двухкаскадная система показана на рис. 6.

Секторные конденсаторы проигрывают зеркалам не только в возможности достижения высокой разрешающей способности времяпролетных приборов, но и в трансмиссии, поскольку пропускаемый конденсатором фазовый объем пучка ограничен межэлектродным зазором конденсатора.

Следует также отметить, что применение секторных конденсаторов во времяпролетных системах требует большой точности в их сборке. Если в одиночном секторном конденсаторе влияние небольшой вариации межэлектродного зазора (смещение и наклон траектории иона) может быть легко скомпенсировано простым изменением разности потенциалов на электродах, то в ахроматичных системах, состоящих из нескольких конденсаторов, ситуация выглядит по-другому. Если электроды всех конденсаторов подсоединены к одной и той же паре от источников питания, то одновременное изменение разности потенциалов на всех парах электродов равносильно изменению энергии настройки системы конденсаторов. Однако, поскольку в ахроматичной системе положение и направление траектории иона на выходе не зависит от его энергии, подстройка разности потенциалов не влияет на эти положение и направление. Таким образом, компенсация смещения траектории возможна только изменением разности потенциалов на отдельном конденсаторе, однако практически такая компенсация затруднена, поскольку неизвестно, в каком из конденсаторов требуется такая компенсация. Расчет показывает, что в отличие от секторных полей даже в сложных многоэлектродных зеркалах требования к точности сборки в несколько раз слабее.

Табл. 1. Сравнение зеркал и секторных полей как элементов времяпролетных масс-анализаторов

Зеркала Секторные поля

Оценка Свойство Оценка Свойство

+ + + + + Достижима изохронность по энергии высокого порядка Пространственная изохронность в первом порядке выполняется автоматически Оптимальные параметры подстраиваемы потенциалами Большой аксептанс Умеренные требования к точности сборки Энергия ионов ограничена 10-15 кВ Высокие требования к стабильности источников питания Наличие сеток в зеркалах простых конструкций; бессеточные зеркала многоэлек-тродны и требуют тщательной оптимизации конструкции и потенциалов + + + Достижима изохронность по энергии только первого порядка Пространственная изохронность в первом порядке требует оптимизации системы Оптимальные параметры фиксированы геометрией Аксептанс ограничен межэлектродным зазором Высокие требования к точности сборки Возможна работа с ионами энергии 3040 кВ Умеренные требования к стабильности источников питания Отсутствие сеток

Наряду с проанализированными выше недостатками секторные поля как элементы времяпролетных систем обладают и некоторыми преимуществами перед зеркалами. Во-первых, в секторном поле средняя кинетическая энергия ионов остается неизменной, а значит, к электродам конденсатора не требуется приложения высоких напряжений для торможения пучка ионов. Например, для поворота ионов в секторном конденсаторе с радиусом траектории 40 мм и межэлектродным зазором 10 мм требуется разность потенциалов на электродах, примерно в два раза меньшая, чем ускоряющий потенциал, задающий кинетическую энергию ионов. Поэтому в системах с секторными полями возможен анализ ионов больших энергий, чем в зеркальных системах. Увеличение кинетической энергии позволяет достичь больших значений разрешающей способности, поскольку при таком увеличении увеличивается отношение времени пролета к временной длительности импульса, формируемого источником ионов. Применение источников питания с меньшими напряжениями также облегчает борьбу с влиянием паразитных шумов и нестабильностей этих источников.

Еще одним преимуществом секторных полей

является отсутствие сеток на входе и выходе ионного пучка. Это обстоятельство делает секторные элементы привлекательными для использования в качестве элементов многопроходных масс-анализаторов, где наличие многочисленных сеток на пути ионов неприемлемо из-за потерь трансмиссии и эффектов рассеяния. Реализация бессеточных зеркал также возможна, но требует применения многоэлектродных конструкций и их тщательной оптимизации.

В целом, сравнение зеркал и секторных полей как элементов времяпролетных масс-анализаторов можно суммировать таблицей (см. табл. 1).

2. ТИПЫ МНОГОПРОХОДНЫХ ВРЕМЯПРОЛЕТНЫХ МАСС-АНАЛИЗАТОРОВ

Многопроходные времяпролетные масс-анали-заторы в настоящее время разрабатываются как на основе секторных полей, так и зеркал. Исторически развитие многопроходных анализаторов началось с систем, в которых ионы многократно проходят через один и тот же набор ионно-оптических элементов. Организация циклического движения требует наличия переключаемых эле-

ментов, обеспечивающих "запирание" ионов в анализаторе после входа в него и "отпирание" анализатора для выпуска ионов. Ионы устойчиво удерживаются внутри анализатора с помощью фокусировки в периодических электростатических полях [6].

Многопроходный времяпролетный масс-анализатор на основе бессеточных зеркал был разработан Вольником и Казаресом [7]. Ионный пучок в анализаторе совершает челночные движения между двумя зеркалами, одно из которых состоит из 7, а другое из 11 полых цилиндрических электродов (см. рис. 7). Потенциалы на электродах подобраны так, что поле каждого зеркала создает линзовый эффект и ионы удерживаются внутри системы периодической фокусировкой. Кроме того, зеркала обеспечивают изохронность по энергии в первом порядке после каждого цикла движения ионов в анализаторе: (^д) = 0. Условия изохронности первого порядка по пространственным переменным (А|х) = (А|а) = (А|у) = (А$) = 0 выполняются автоматически из-за того, что оптическая ось пучка ионов в анализаторе — прямая и линейная пространственная дисперсия по энергии в таком анализаторе отсутствует. Для впуска ионов в пространство между зеркалами и выпуска ионов на детектор используется импульсное отключение внешних электродов соответствующего одного из зеркал.

При длине траектории ионов на одном обороте 0.6 м рассматриваемый анализатор показывал разрешающую способность по массам порядка 35 000 при диаметре ионного пучка 3 мм и относительном энергоразбросе 3 % после прохождения примерно 300 циклов челночного движения. Основными факторами, ограничивающими разрешающую способность, являлись, по-видимому, временные аберрации второго порядка по энергии и пространственным переменным, а также наводки на потенциалы электродов, вызванные импульсным переключением напряжений.

Альтернативная конструкция многопроходного времяпролетного масс-анализатора была разработана Тойодой и др. [8] на основе секторных электростатических дефлекторов с углом поворота 157°. Движение в анализаторе происходит по 8-об-разной траектории, как показано на рис. 8. Геометрия анализатора оптимизирована таким образом, что после половины прохода каждого цикла в анализаторе обеспечиваются условия энергетической и пространственной изохронности первого порядка: (А|^) = (А|х) = (А|а) = (А|у) = (А^) = 0. В работе [8] предложены два варианта компоновки ион-но-оптической схемы для обеспечения геометрической фокусировки в плоскости, перпендикулярной плоскости рис. 8. В одном из вариантов (МиЬТиМ) такая фокусировка производится с помощью квадрупольных линз, помещенных на

Рис. 7. Разрез геометрии зеркал многопроходного анализатора работы [7]

Рис. 8. Схема многопроходного анализатора работы [8]

входе и выходе каждого из цилиндрических секторных конденсаторов, а в другом варианте (МиЬТиМ II) в самих секторных конденсаторах формируются тороидальные поля с помощью пластин Мацуды. Для впуска ионов в анализатор и выпуска их на детектор во внешних электродах двух конденсаторов проделаны щели, как показано на рис. 8. В момент впуска и выпуска пучка потенциалы на электродах соответствующего конденсатора импульсно выключаются.

При длине одного оборота 1.3 м в анализаторе с цилиндрическими конденсаторами было достигнуто значение разрешающей способности 350 000, а в анализаторе с тороидальными секторными полями получена разрешающая способность по массам порядка 50 000. Такие значения были показаны при энергоразбросе в ионном пучке порядка 1 % и диаметре пучка порядка 1 мм. Существенная разница показанных в двух вариантах анализатора

Сектор

Проекция траектории на поперечную плоскость

Рис. 9. Геометрия анализатора со спиральным движением ионов

результатов, возможно, объясняется влиянием в режиме работы, использованном в анализаторе с квадрупольными линзами, явления автофокусировки, вызванного наличием объемного заряда в пучке ионов [9]. Отметим, что упомянутые результаты достигались при количестве оборотов порядка 500.

Большое количество замкнутых циклов движения в рассмотренных выше многопроходных анализаторах является их наиболее серьезным недостатком, поскольку приводит к существенному ограничению диапазона масс ионов, анализируемого прибором. Действительно, этот диапазон должен быть настолько узок, чтобы ионы минимальной и максимальной массы совершали в анализаторе одно и то же количество циклов. Зависимость отношения максимальной массы иона М к минимальной т при таком условии имеет вид

М | Н

т < N -1

Избавиться от этого недостатка можно, лишь избегая замыкания ионных траекторий в циклы. Последние разработки многопроходных время-пролетных масс-анализаторов развиваются именно в этом направлении.

"Размыкание" циклов ионного движения в масс-анализаторе типа МиЬТИМ, основанном на использовании секторных полей, возможно организацией спирального движения, при котором ионы, сохраняя 8-образную проекцию траектории на плоскость пространственной дисперсии, медленно смещаются в "направлении дрейфа", поперечном этой плоскости. Такая конструкция анализатора была реализована в работе [10]. При сохранении

всех поперечных размеров анализатора МиЬТИМ II электроды цилиндрических секторных конденсаторов в рассматриваемом анализаторе были растянуты в направлении дрейфа до длины 0.8 м, как показано на рис. 9. Внутри межэлектродных зазоров на расстояниях 50 мм друг от друга были вставлены пластины Мацуды. Таким образом, смещение в направлении дрейфа за один период 8-образного движения составило 50 мм, а общая длина ионной траектории — 20 м. Импульсный пучок ионов размером 1 х 6 мм формировался ортогональным ускорителем. При транспортной энергии 7 кэВ относительный энергоразброс в ионном пучке составлял 1 %. В указанном режиме работы на анализаторе была достигнута разрешающая способность по массам 35 000.

Многопроходный времяпролетный масс-анали-затор с незамкнутой ионной траекторией на основе бессеточных зеркал был предложен в работах [11, 12]. Его основу составляют два планарных че-тырехэлектродных зеркала, протяженные в "направлении дрейфа". Пучок ионов движется по зигзагообразной траектории, периодически отражаясь от зеркал и медленно смещаясь в направлении дрейфа, как показано на рис. 10. Удержание ионов в узкой окрестности зигзагообразной траектории в плоскости этой траектории производится блоком линз, расположенным между зеркалами. Крайние линзы блока работают так же, как дефлекторы: первая на пути пучка линза обеспечивает нужный угол зигзагообразного движения, а последняя возвращает ионы после прохождения анализатора назад, удваивая таким образом длину пути ионов. Первая линза также может служить переключателем для зацикливания ионных траекторий в анализаторе и увеличения разрешающей способности за счет сокращения анализируемого массового диапазона ^оош-мода).

Ионно-оптические свойства планарного время-пролетного масс-анализатора подробно рассмотрены в работе [11]. Оптимизация геометрии и распределения электростатического потенциала бессеточных зеркал позволила добиться высокого порядка времяпролетной фокусировки в анализаторе. По энергии достигнута временная фокусировка третьего порядка: (1|^) = (1\ё8) = (1\ёё8) = 0, а по пространственным переменным — второго порядка в направлении, перпендикулярном плоскости зигзагообразного движения: (1[у) = (1|Д) = (1|уу) = = (АуР) = (1|вв) = 0. В плоскости зигзагообразного движения имеет место времяпролетная фокусировка первого порядка (1|х) = (1|а) = 0. Указанные свойства позволили в прототипе анализатора с общей длиной пути ионов 20 м [13] устойчиво показывать разрешающую способность 35 000 для ионов с тЬ = 570 и кинетической энергией 2 кэВ при использовании радиочастотного ловушечного источника с накоплением ионов, на выходе которого

Рис. 10. Схема движения ионов в планарном многопроходном анализаторе

Табл. 2. Сравнительные параметры планарного и спирального многопроходных анализаторов (импульсный источник ионов с ортогональным ускорителем (ОУ))

Параметры анализатора Планарный анализатор Спиральный анализатор

Длина ионного пакета вдоль ОУ, мм Длина ионного пакета поперек ОУ, мм Энергоразброс ионов, % Размеры камеры анализатора, ^хНхЬ) мм Длина пути ионов, м Кинетическая энергия ионов, кэВ Разрешающая способность 7 2 7 250 х100 х 700 20 2 35 000 6 1 1 400 х400 х 1000 20 7 35 000

формировался пучок с энергоразбросом около 7 % и диаметром 2 мм. При зацикливании ионных траекторий удавалось повысить разрешающую способность до уровня, превышающего 100 000. Аналогичный результат был достигнут и при использовании источника с ортогональным ускорением ионов [14].

Отметим, что временная фокусировка второго порядка в направлении, перпендикулярном плоскости зигзагообразного движения, теоретически позволяет расширить ионный пучок в этом на-

правлении до 7 мм при расстоянии между крайними (отражающими) электродами зеркал 600 мм. В анализаторе с ловушечным источником этот резерв остается невостребованным, однако он может быть задействован при использовании импульсного источника ионов с ортогональным ускорителем (ОУ). С такой поправкой интересно сравнить параметры рассматриваемого планарного анализатора и анализатора со спиральным движением ионов, описанного в работе [10]. Указанное сравнение приведено в табл. 2.

Проанализируем данные табл. 2. Прежде всего заметим, что анализаторы имеют одинаковую длину пути ионов 20 м при том, что объем камеры планарного анализатора примерно в 10 раз меньше. Разрешающая способность также одинакова, при том что транспортная энергия в планарном анализаторе в 3.5 раз меньше (т. е. можно ожидать повышение разрешающей способности планарно-го анализатора в >/3~5 = 1.9 раз при такой же, как у спирального анализатора, транспортной энергии). Наконец, аксептанс планарного анализатора примерно в 20 раз больше аксептанса спирального анализатора. Таким образом, суммарный выигрыш в параметрах достигает 200 раз.

Из проведенного анализа можно сделать вывод, что в целом в настоящее время многопроходные анализаторы на основе бессеточных зеркал представляются предпочтительными. Нишей для применения секторных анализаторов являются задачи, в которых по тем или иным причинам важно малое время анализа, поскольку секторные поля позволяют проводить анализ на более высоких энергиях ионов.

4. Matsuda H. // Rev. Sci. Instrum. 1961. V. 32. P.850-852.

5. Вольник Г. Оптика заряженных частиц. СПб.: Энергоатомиздат, 1992. 280 с.

6. Веренчиков А.Н., Явор М.И. // Научное приборостроение. 2004. Т. 14, № 2. C. 46-58.

7. Wollnik H., Casares A. // Int. J. Mass Spectrometry. 2003. V. 227, N 2. P. 217-222.

8. Toyoda M., Okumura D., Ishihara M., Katakuse I. // J. Mass Spectrometry. 2003. V. 38. P. 1125-1142.

9. Strasser D., Heber O., Goldberg S., Zajfman D. // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 2003. V. 36. P.953-959.

10. Satoh T., Tsuno H., Iwanaga M., Kammei Y. // J. Am. Soc. Mass Spectrometry. 2005. V. 16. P.1969-1975.

11. Явор М.И., Веренчиков А.Н. // Научное приборостроение. 2004. Т. 14, № 2. C. 38-45.

12. Verenchikov A.N., Yavor M.I. Patent WO 2005/001878A2.

13. Козлов Б.Н. и др. // Этот выпуск. C. 40-48.

14. Хасин Ю.И. и др. // Этот выпуск. C. 30-39.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Алиханов С Г. // ЖЭТФ 1956 Т 31 № 3 Институт аналитического приборостроения РАН, C 517-521 ' Санкт-Петербург

2. Каратаев В.И., Мамырин Б.А., Шмикк Д.В. // ЖТФ. 1971. Т. 41. C. 1498-1501.

3. Poschenrieder W.P. // Int. J. Mass Spectrometry. Материал поступил в редакцию 16.05.2006. Ion Phys. 1972. V. 9. P. 357-365.

COMPARATIVE ANALYSIS OF MULTIPASS TIME-OF-FLIGHT MASS ANALYZERS BASED ON MIRRORS AND SECTOR FIELDS

M. I. Yavor, A. N. Verentchikov

Institute for Analytical Instrumentation RAS, Saint-Petersburg

In the present paper, a comparative analysis is undertaken of multiturn time-of-flight mass analyzers based on two types of ion-optical elements: electrostatic mirrors and sector fields. It is concluded that the analyzers based on gridless mirrors generally have advantages in possibility to achieve high resolving power and sensitivity.