Радиочастотные времяпролетные масс-анализаторы ионов

УДК 621.384.82 
ББК 32.851 
    М22 

Р е ц е н з е н т ы : доктор физ.-мат. наук, профессор  М. И. Явор, главный научный 
сотрудник Института аналитического приборостроения РАН (С.-Петербург); 
доктор физ.-мат. наук, профессор  Н. В. Коненков, Рязанский государственный 
педагогический университета имени С.А. Есенина 
 
Мамонтов Е. В., Гуров В. С. 
М22    Радиочастотные времяпролетные масс-анализаторы ионов. – 
М.: Горячая линия – Телеком, 2012. – 98 с.: ил. 
ISBN 978-5-9912-0231-2. 
Содержит результаты разработки и исследования методов пространственно-временной фокусировки немоноэнергетичных заряженных частиц в двумерных линейных высокочастотных электрических полях. Представлены ионно-оптические схемы, аналитические 
и численные модели времяпролетных масс-анализаторов ионов с высокочастотными полями – радиочастотных масс-рефлектронов. Приведены результаты компьютерного моделирования траекторий движения заряженных частиц в радиочастотных масс-рефлектронах, 
оценки их аналитических возможностей.  
Для специалистов и научных работников, работающих в области 
масс-спектрометрических методов микроанализа вещества, руководителей и экспертов инновационных и венчурных компаний, будет 
полезна аспирантам и студентам соответствующих специальностей. 
ББК 32.851 

 
Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 
 
Научное издание 
Мамонтов Евгений Васильевич, Гуров Виктор Сергеевич 

Радиочастотные времяпролетные масс-анализаторы ионов 

Монография 

Компьютерная верстка  И. А. Благодаровой 
Обложка художника  В. Г. Ситникова 
Подписано в печать 05.11.2011. Печать офсетная. Формат 60×88/16. Уч. изд. л. 8,13. Тираж 500 экз. 
 
ISBN 978-5-9912-0231-2                        © Е. В. Мамонтов, В. С. Гуров, 2012 
                                         © Издательство «Горячая линия – Телеком», 2012 

ВВЕДЕНИЕ 

Среди 
многообразия 
способов 
анализа 
вещества 
массспектрометрические методы являются наиболее эффективными. 
Возможность масс-разделения и регистрации отдельных атомов  
и молекул вещества потенциально обеспечивает масс-спектрометрическим методам высокую чувствительность. В основе 
современных масс-спектрометрических методов исследования 
состава вещества лежат различия в траекториях движения 
заряженных частиц с неодинаковыми удельными зарядами 
m
e
z
/

, где е и m – заряд и масса частицы, в электрических  
и магнитных полях. Масс-селективные свойства обнаруживаются 
при движении заряженных частиц как в статических, так и в динамических полях, и соответственно различают масс-спектрометры 
статического и динамического типа. Предметом нашего рассмотрения являются приборы динамического типа, в которых массселективное разделение заряженных частиц происходит под 
действием переменных ВЧ электрических полей. 
Траектории движения заряженных частиц в ВЧ полях имеют 
колебательный 
характер, 
что 
позволяет 
при 
ограниченных 
размерах электродных систем анализаторов удерживать в них 
частицы длительное время и получать высокие масс-селективные 
свойства 
приборов. 
Наиболее 
распространенными 
являются 
динамические масс-анализаторы ионов с двумерными и трехмерными линейными электрическими полями, образованными 
гиперболическими и гиперболоидными электродными системами. 
Математической основой для исследования процессов разделения 
ионов в линейных ВЧ полях являются дифференциальные 
уравнения второго порядка с периодическими коэффициентами – 
уравнения Матье [1]. Большинство функций Матье, применяемых в 
технической и прикладной математике, было найдено при решении 
практических 
задач, 
одной 
из 
которых 
явилась 
массспектрометрия.  
Предложенные в 1953 году В. Паулем фильтр масс и ионная 
ловушка явились результатом удачного синтеза положений теории 
функций Матье и идей фокусировки заряженных частиц в 
электрических и магнитных линзах [2]. Разнообразие методов 
удержания и разделения ионов в линейных ВЧ электрических 

Радиочастотные времяпролетные  
масс-анализаторы ионов 

4

полях позволило создать широкий класс масс-спектрометрических 
приборов с высокими аналитическими и потребительскими 
свойствами [3, 4, 5]. Конструктивная гибкость квадрупольных 
анализаторов позволяет использовать их в таких областях, как 
биология, фармацевтика, пищевая промышленность, медицина, 
мониторинг окружающей среды, а также в фундаментальных  
и прикладных физико-химических исследованиях [7]. Наблюдается 
рост 
финансирования 
зарубежными 
фирмами 
исследований  
и разработок новых типов приборов, в основе которых лежит 
принцип масс-разделения ионов в квадрупольных ВЧ полях.  
В данной работе исследуются фокусирующие свойства линейных 
электрических ВЧ полей и возможность создания на их основе 
времяпролетных масс-спектрометров нового типа – радиочастотных масс-рефлектронов. 

МЕТОДЫ МАСС-РАЗДЕЛЕНИЯ  

ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПО ВРЕМЕНИ ПРОЛЕТА 

В современной масс-спектрометрии широко используются 
приборы с гиперболическими электродными системами, в которых 
масс-разделение ионов осуществляется в переменных электрических полях [3–6], и приборы времяпролетного типа со статическими 
полями [4, 7, 11]. Известные квадрупольные масс-спектрометры 
являются приборами последовательного типа, для которых 
характерны низкая скорость анализа и ограниченный массовый 
диапазон. 
Высокоскоростной 
параллельный 
метод 
анализа 
реализуется в масс-спектрометрах времяпролетного типа. Они 
отличаются неограниченным диапазоном масс, простотой конструкции анализатора и системы его питания. Идея метода основана 
на различии времени движения в пространстве дрейфа ионов 
разных масс. Во времяпролетных масс-спектрометрах со статическими полями заряженные частицы образуются в источнике с 
одинаковыми энергиями W0 и затем вводятся в пространство дрейфа анализатора в виде короткого импульсного пакета [4]. При этом 
время дрейфа ионов до выходной апертуры анализатора оказывается пропорциональным корню квадратному из их массы [9]:  

 
0
2W
m
L
ta 

, 
(1) 

где L – длина анализатора. Как следует из (1), разрешающая 
способность 
времяпролетных 
масс-анализаторов 
зависит 
от 
размера L пространства дрейфа анализатора и разброса ионов по 
энергиям. С необходимостью увеличения длины анализатора L и 
уменьшением энергетического разброса 
0
W
W

 вводимых ионов 
связаны основные проблемы времяпролетных масс-спектрометров 
со статическими полями. Для увеличения длины дрейфа используются масс-рефлектроны, многооборотные и многоотражательные 
масс-анализаторы [8, 12].  
Во времяпролетных масс-спектрометрах с отражением (массрефлектронах) параметр L увеличивается в 2 раза за счет прямого и 
обратного прохождения ионами пространства дрейфа [9, 11]. 
Отражение заряженных частиц происходит в ионном зеркале, 

Радиочастотные времяпролетные  
масс-анализаторы ионов 

6

состоящем из системы полупрозрачных электродов, создающих по 
оси дрейфа распределение потенциала, близкое к квадратичному 
[2]. Ионное зеркало позволяет также частично снизить влияние 
разброса заряженных частиц по энергиям на разрешающую 
способность прибора.  
Времяпролетные 
масс-рефлектроны 
благодаря 
высокой 
скорости анализа находят широкое применение [7]. Однако область 
их 
использования 
ограничена 
значительными 
размерами 
анализаторов в направлении оси дрейфа, малым энергетическим 
разбросом анализируемых ионов, а также сравнительно узким 
динамическим диапазоном из-за действия пространственного 
заряда в сгруппированном пакете ионов. Влияние пространственного заряда на траектории движения ионов и их пространственно-временную фокусировку оказывается значительным из-за 
ограниченности объема фазового пространства ионных пакетов. 
Часть ионов теряется на полупрозрачных электродах ионного 
зеркала [12]. Для увеличения разрешения предложены многоотражательные и многооборотные времяпролетные массанализаторы с циклическим движением пучков ионов [14]. Однако в этих 
приборах при увеличении числа оборотов происходит сужение 
диапазона анализируемых масс. Полный диапазон масс при значительном увеличении эффективной длины дрейфа сохраняется в 
анализаторе с незамкнутой зигзагообразной траекторией ионных 
пучков [11]. Расчеты и эксперименты показали высокую разрешающую способность R=5104 и широкий динамический диапазон  
(6 порядков) таких систем. Однако следует отметить, что многоотражательный планарный времяпролетный масс-анализатор имеет 
значительные размеры и довольно сложную конструкцию со множеством отражающих и фокусирующих электродов, требующих 
высокой точности изготовления и монтажа, а также точной установки и поддержания на них потенциалов. Несмотря на некоторые 
проблемы, характерные для времяпролетных масс-спектрометров 
со статическими полями, их доля в мировом выпуске и реализации 
масс-спектрометрической аппаратуры превышает 30 %.  
Другим типом массовых приборов для микроанализа вещества 
являются 
квадрупольные 
масс-спектрометры, 
использующие 

Методы масс-разделения заряженных частиц  
по времени пролета 

7

фундаментальные свойства линейных электрических ВЧ полей  
[3, 4, 5]. Представляется интересным создание на основе этих 
свойств масс-спектрометрических приборов, сочетающих полезные 
качества как  квадрупольных, так и времяпролетных массанализаторов ионов [18]. Достоинства ВЧ электрических линейных 
полей как средства масс-сепарации ионов, вытекающие из общего 
решения уравнений Матье, состоят в инвариантности нормированных траекторий движения ионов у(t)/ym к изменению начальных 
координат частиц у0 при нулевых начальных скоростях v0 = 0 и к 
изменению 
начальных 
скоростей 
при 
нулевых 
начальных 
координатах у0 = 0 [3]. Эти свойства, определяющие независимость 
времени возвратного дрейфа заряженных частиц от энергий и 
углов влета, и могут быть использованы для эффективного решения проблемы времяпролетного масс-разделения немоноэнергетичных ионов.  
Возможность использования фокусирующих свойств квадрупольных ВЧ электрических полей для масс-анализа ионов по времени пролета в обобщенном виде рассматривалась в [3]. Экспериментально была показана возможность времяпролетного массразделения ионов в анализаторе с трехмерным квадратичным 
распределением ВЧ потенциала. В [10] предложен режим совмещенного удержания ионов по осям X и Y в квадрупольном ВЧ поле 
с их времяпролетным масс-разделением по оси Z.  
Однако 
идеи 
масс-сепарации 
ионов 
в 
переменных 
электрических полях по времени пролета долгое время не 
развивались и не были реализованы практически. Их развитие 
связано с исследованием свойств колебаний заряженных частиц в 
линейных ВЧ электрических полях при малых значениях 
параметров a и q диаграммы стабильности Матье [19]. Было 
установлено, что при значениях a = 0 и малых значениях параметра 
стабильности 
1


 линейные ВЧ электрические поля обладают 
свойствами пространственно-временной фокусировки ионов и 
могут оказывать на них тормозящее и укоряющее воздействия.  
В случаях, когда движение ионов по одной из координат 
приобретает возвратный характер, системы с линейными ВЧ 
электрическими 
полями 
выполняют 
функции 
отражателей 

Радиочастотные времяпролетные  
масс-анализаторы ионов 

8

заряженных частиц – радиочастотных масс-рефлектронов, которые 
могут использоваться для времяпролетного масс-разделения ионов 
[18]. В отличие от времяпролетных масс-спектрометров со 
статическими полями, в которых значительная часть дрейфа 
заряженных частиц происходит в бесполевом пространстве, в 
анализаторах с линейными ВЧ электрическими полями во время 
движения на ионы оказывается непрерывное силовое воздействие. 
Это обстоятельство в сочетании с такими свойствами линейных 
электрических полей, как независимость движения заряженных 
частиц по всем координатам и инвариант-ность траекторий 
движения ионов с одинаковым отношением координата/скорость, 
позволяет эффективно решать важные для времяпролетных массспектрометров задачи: 
– осуществлять пространственно-временную фокусировку 
ионов с широким диапазоном энергий, начальных координат и 
углов влета; 
– ослаблять влияние пространственного заряда на траектории 
движения и время пролета ионов; 
– реализовывать линейную шкалу развертки в широком 
диапазоне масс времяпролетных анализаторов. 
Всё это позволяет рассматривать линейные ВЧ электрические 
поля как привлекательную среду для осуществления массразделения заряженных частиц по времени пролета и создания 
времяпролетных масс-анализаторов ионов нового типа – радиочастотных масс-рефлектронов [20].  
Практическая реализация радиочастотных времяпролетных 
масс-спектрометров связана с решением задачи образования 
двумерных линейных электрических полей в рабочих областях, 
протяженных вдоль оси дрейфа ионов. Решить эту задачу 
традиционным способом с помощью гиперболических электродных 
систем 
затруднительно 
из-за 
неприемлемых 
размеров 
анализатора по всем трем координатам.  
Эффективным решением является использование систем из 
плоских 
с 
дискретно-линейным 
распределением 
потенциала 
электродов или плоских много-элементных эквипотенциальных 
электродов [21, 22]. Практическая реализация подобного рода 

Методы масс-разделения заряженных частиц  
по времени пролета 

9

электродных систем может быть осуществлена на основе 
современных точных технологий нанесения металлизированных 
покрытий или с использованием других перспективных технологий. Разработка теории и методов проектирования плоских 
дискретных электродных систем и технологий их изготовления 
позволит создавать эффективные анализаторы с линейными ВЧ 
полями 
не 
только 
для 
динамических 
масс-спектрометров 
времяпролетного типа, но и для широко распространенных 
квадрупольных масс-спектрометров, таких как фильтр масс, ионная 
ловушка, монополь, а также для решения задач электронной и 
ионной оптики.  

ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ  

В ЛИНЕЙНЫХ ВЧ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ  

С ПАРАМЕТРОМ МАТЬЕ а = 0 

В квадрупольной масс-спектрометрии широко используются 
анализаторы с электрическими полями, составляющие напряженности которых Ех и Еу являются линейными функциями координат 
х и у (двумерные линейные электрические поля) [3]. Примером 
анализатора с двумерным линейным полем является квадрупольный конденсатор (рис. 1).  
Распределение потенциала в квадрупольном конденсаторе без 
учета краевых эффектов описывается выражением [3] 

 




2
2
2
0
,
y
x
r
U
y
x



, 
(2) 

где r0 – минимальное расстояние гиперболических электродов от 
оси анализатора. Cоставляющие напряженности электрического 
поля являются линейными функциями координат х и у: 

 
y
r
U
E
x
r
U
E
y
x
2
0
2
0

2
,
2



. 
 

В случае статического поля, когда U(t) = U0 = const, движение 
ионов в квадрупольном конденсаторе в параметрической форме 
описывается функциями [6]: 

 
 

 
,

,
sin
cos

0
0

0
0

t
sh
t
ch
y
t
y

t
t
x
t
x

y

x

















 
(3) 

где x0, y0 и v0x, v0y – начальные координаты и скорости ионов по 

осям Х и Y, 
m
r
e
U
2
0
0
2


, e и m – заряд и масса ионов. Как 

видно из (3), в статическом квадрупольном поле ионы по оси Х 
совершают гармонические колебания с периодом 

 
2
T
, а по 
оси Y их координаты со временем неограниченно возрастают.