Электронно-оптические элементы на плоских электродах для масс-спектрометрических систем и систем транспортировки пучков заряженных частиц тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Бубляев, Ростислав Анатольевич

• Бубляев, Ростислав Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Бубляев, Ростислав Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Одиночная трехэлектродная скрещенная линза с одинаковыми прямоугольными отверстиями.

1.2. Модификации одиночной скрещенной линзы.

1.3. Системы скрещенных линз.

1.4. Корректоры геометрических аберраций.

1.5. Времяпролетные масс-спектрометры рефлекторного типа с ортогональным вводом ионов.

1.6. Постановка задачи.

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИКИ ПЕРВОГО ПОРЯДКА

СКРЕЩЕННЫХ ЛИНЗ.

2. 1. Экспериментальная установка.

2.2. Определение кардинальных элементов линзы.

2.3. Создание банка данных оптики первого порядка одиночных скрещенных линз.

2.4. Приближенный метод расчета параксиальной оптики скрещенных линз.

2.5. Системы одиночных скрещенных линз.

2.6. Скрещенная линза как тестовая модель для расчёта трехмерных полей.

Глава 3. ХРОМАТИЧЕСКАЯ АБЕРРАЦИЯ ОДИНОЧНЫХ

СКРЕЩЕННЫХ ЛИНЗ.

3.1. Расчётно-экспериментальный метод исследования хроматической аберрации.

Глава 4. ИММЕРСИОННЫЕ СКРЕЩЕННЫЕ ЛИНЗЫ.

4.1. Экспериментальное исследование иммерсионных скрещенных линз.

4.2. Двухэлектродные скрещенные иммерсионные линзы.

4.3. Трехэлектродные скрещенные иммерсионные линзы.

Глава 5. ТРЕХМЕРНЫЕ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В

ФОКУСИРУЮЩИХ СИСТЕМАХ.

5.1. Методика расчета ионно-оптической схемы масс-спектрометра со скрещенными линзами.

5.2. Повышение чувствительности масс-спектрометра MX-1321А.

5.3. Экспериментальное исследование корректоров искривления изображения на плоских электродах.

5.4. Фокусирующие свойства электростатических линз с одинаково ориентированными прямоугольными отверстиями.

5.5. Пространственно-временные свойства электростатических линз с одинаково ориентированными прямоугольными отверстиями.

Глава 6. ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР

И ОРТОГОНАЛЬНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ИОНОВ.

6.1 Модифицированный масс-рефлектрон.

6.2 Монополь - как ортогональный ускоритель для времяпролётного анализатора.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электронно-оптические элементы на плоских электродах для масс-спектрометрических систем и систем транспортировки пучков заряженных частиц»

Современные аналитические приборы, в которых для анализа свойств и структуры веществ используются пучки заряженных частиц - электронов и ионов, в своем составе содержат различные электронно-оптические элементы, создающие фокусировку по координатам и разделение (или фокусировку) по импульсам заряженных частиц. Эти элементы, входящие в общую ионно-оптическую схему спектроаналитического прибора, должны совместно с диспергирующими устройствами обеспечивать транспортировку и фокусировку пучков и, тем самым, чувствительность и разрешающую способность приборов. В качестве транспортирующих элементов используются линзовые системы всех известных типов, однако предпочтение неизменно отдается линзам, которые обладают наибольшими фокусирующими и транспортирующими возможностями при максимальной простоте реализации. Важными дополнительными факторами, определяющими достоинства использования тех или иных линз, являются также возможности уменьшения их хроматических аберраций, особенно в тех случаях, когда эти линзы используются в системах высокого уровня фокусировки.

Постоянно возрастающие требования, предъявляемые современной экспериментальной физикой к приборам и установкам, разрабатываемым для проведения экспериментов, в частности - к масс-спектрометрам, стимулируют создание, разработку методов расчета, изучения характеристик и предложения к практическому использованию все новых классов электронно-оптических элементов, в том числе - новых типов электронных линз и корректоров изображения. К их числу относятся и класс скрещенных линз, и линзы с одинаково ориентированными прямоугольными отверстиями, и корректоры изображения на плоских электродах с треугольными отверстиями.

Скрещенные линзы представляют собой системы параллельных тонких плоских диафрагм с прямоугольными отверстиями различных размеров, развернутыми на 90° по отношению друг к другу. Благодаря такой геометрии, эти линзы приобретают, наряду со свойствами, характерными для осесимметричных линз, и свойства квадрупольных линз, а иммерсионные скрещенные линзы при определённых условиях проявляют ещё и ряд самостоятельных уникальных свойств, что позволяет с успехом использовать скрещенные линзы в анизотропных электронно-оптических системах.

Корректоры изображения на плоских электродах с треугольными отверстиями, в свою очередь, исправляют искривление изображения в электронно-лучевых приборах, а также в энерго- и масс-спектрометрах.

Новые возможности в повышении характеристик спектроаналитических приборов, создаваемые электронно-оптическими системами с прямоугольными отверстиями и корректорами на плоских электродах, определяют актуальность данной работы.

Очевидно, что для успешного применения оптических систем из скрещенных линз и корректоров изображения на плоских электродах с треугольными отверстиями необходимо разработать расчетные и экспериментальные методы определения оптических характеристик таких систем, определить реальные их характеристики и исследовать возможности их применения в современных спектроаналитических приборах.

Однако, поскольку поля скрещенных линз и других электронно-оптических систем, обсуждаемых в работе, существенно трёхмерны, а численные расчёты с помощью пакетов программ, претендующих на расчёт трёхмерных полей, не дают достаточной точности, то очевидно, что для успешного применения трёхмерных систем необходимо провести экспериментальное исследование их оптических характеристик.

Целью диссертационной работы явилось широкое экспериментальное и теоретическое исследование оптических и времяпролётных свойств различных типов электронно-оптических систем на плоских электродах с прямоугольными отверстиями, а также корректоров аберраций на плоскопараллельных электродах;

- разработка на основе полученных экспериментальных данных аппроксимирующих формул для проведения экспресс-расчетов систем транспортировки пучков заряженных частиц;

- проектирование схемы статического масс-спектрометра с двойной фокусировкой, содержащей дублет из скрещенных линз, который оптимизирует условия пучка ионов, тем самым повышая чувствительность прибора; повышение чувствительности и разрешающей способности времяпролётного масс-спектрометра с помощью линзы с одинаково ориентированными прямоугольными отверстиями, установленной в бесполевое пространство анализатора;

- разработка новой схемы времяпролётного масс-анализатора и устройства ортогонального ввода ионов;

Научная новизна работы.

Впервые в настоящей работе исследована хроматическая аберрация одиночной скрещенной линзы. Коэффициент хроматической аберрации представлен в виде полинома по степеням обратного увеличения. Полиномиальные коэффициенты определены в широком диапазоне изменения возбуждения линзы.

Впервые экспериментально определены кардинальные элементы иммерсионной скрещенной линзы в широком диапазоне изменения электрических параметров. Показано, что при значительных возбуждениях линзы происходит поворот линейного изображения точечного источника на 90°, а трех электродная иммерсионная скрещенная линза может создавать стигматичное изображение.

Впервые определены характеристики первого порядка линз с одинаково ориентированными прямоугольными отверстиями.

Впервые предложена схема времяпролётного масс-спектрометра, обобщающего масс-рефлектрон Мамырина Б.А. и имеющего фокусировку третьего порядка ионных пакетов по энергии.

Впервые рассчитан ортогональный ускоритель, уменьшающий время разворота ионов и повышающий, тем самым, разрешение времяпролётного масс-спектрометра.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Аппроксимирующие формулы для расчета оптических свойств первого порядка одиночных скрещенных линз и систем из них.

2. Результаты экспериментального исследования свойств первого порядка иммерсионных скрещенных линз и дублетов из них.

3. Определение коэффициентов хроматической аберрации одиночной скрещенной линзы.

4. Проектирование и расчет оптической схемы масс-спектрометра с дублетом скрещенных линз.

5. Результаты экспериментального исследования корректоров искривления изображения.

6. Результаты исследования фокусирующих и пространственно-временных свойств линз с одинаково ориентированными прямоугольными отверстиями.

7. Новая схема времяпролётного масс-спектрометра, обладающего фокусировкой по энергии третьего порядка.

8. Ортогональный ускоритель ионов, увеличивающий разрешение времяпролётного масс-спектрометра в два раза.

Практическая значимость работы

В работе проведено экспериментальное исследование оптических свойств различных типов скрещенных линз в широком диапазоне изменения их геометрических и электрических параметров, а также корректоров изображения на плоских электродах. На основе полученных данных для одиночных скрещенных линз и дублетов линз построены аппроксимирующие формулы, описывающие свойства первого порядка, что значительно облегчает расчёт и проектирование систем, использующих эти линзы.

Дублет скрещенных линз, установленный в масс-спектрометре с двойной фокусировкой, позволил повысить чувствительность прибора в несколько раз.

Одиночная линза с одинаково ориентированными прямоугольными отверстиями, установленная в пролётном пространстве времяпролётного масс-спектрометра, позволила повысить разрешение и чувствительность прибора на 20+30 %.

Апробация результатов работы, публикации и структура диссертации.

Материалы диссертации докладывались на IX, XI Всесоюзных семинарах по методам расчёта электронно-оптических систем (Ташкент, 1988 г., Алма-Ата, 1992), на Шестом Всероссийском семинаре по проблемам теоретической и прикладной электронной и ионной оптики (Москва, 2003 г.).

По материалам диссертации опубликовано 13 работ.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Она содержит 132 страницы, в том числе 65 рисунков, 5 таблиц и список литературы, включающий 63 наименования.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Бубляев, Ростислав Анатольевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В заключении перечислим основные результаты работы:

1. Экспериментально определены кардинальные элементы одиночной скрещенной линзы в большом диапазоне их геометрических и электрических параметров. Найдены аппроксимирующие формулы, позволяющие проводить приближенный расчёт линз с погрешностью 4-5%.

2. Впервые экспериментально исследована оптика первого порядка иммерсионной скрещенной линзы. Показано, что при значительных возбуждениях двухэлектродная иммерсионная скрещенная линза становится собирающей в обеих плоскостях, а стигматичный режим достижим для трёхэлектродной иммерсионной скрещенной линзы.

3. Впервые проведено экспериментальное исследование хроматической аберрации одиночной скрещенной линзы. Коэффициент хроматической аберрации представлен в виде полинома по степеням обратного увеличения. Полиномиальные коэффициенты определены в широком диапазоне изменения возбуждения линзы.

4. Рассмотрено использование дублета скрещенных линз для оптимизации транспортировки ионного пучка в масс-спектрометре с двойной фокусировкой. Применение дублета позволяет повысить чувствительность в масс-спектрометре в несколько раз при сохранении разрешающей способности. Проведён расчёт параметров для масс-спектрометра МХ-1321А.

5. Проведено экспериментальное исследование корректоров искривления изображения, образованных тремя и четырьмя плоскими электродами с треугольными отверстиями. Проведено сравнение действия таких секступолей с действием обычного шестиполюсника.

6. Впервые проведено исследование фокусирующих и пространственно-временных свойств различных электростатических одиночных и иммерсионных линз, образованных плоскопараллельными электродами с одинаково ориентированными прямоугольными отверстиями.

7. Впервые проведено исследование ортогонального ускорителя ионов, увеличивающего разрешение времяпролетного масс-спектрометра в два раза. Проведён расчёт параметров для масс-спектрометра МХ5303.

8. Впервые проведён аналитический расчет времяпролетного масс-спектрометра с фокусировкой по энергии третьего порядка.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Бубляев, Ростислав Анатольевич, 2007 год

1. Adams A., Read F. R. J. Ptys. 1.str. 1972, v5, №2, p. 156-160,

2. Явор С. Я. II Расчёт скрещенных электронно-оптических линз. ЖТФ, 1970, т. 40, №10, с. 2257-2260.

3. Himmelbauer Е. Е. Phillips Res. Repts. Suppl. I, 1969, p. 1-114.

4. Афанасьев В. П., Явор С. Я. // Расчет в системе, состоящей из произвольного числа диафрагм с прямоугольными отверстиями. ЖТФ, 1973, т. 43, №7, С. 1371-1380.

5. Афанасьев В. П., Явор С. Я. // Расчет электронно-оптических параметров одиночной трёхэлектродной скрещенной линзы. ЖТФ, 1977, т. 47, №5, с. 908-916.

6. Петров И. А. // Исследование электронно-оптических свойств первого порядка одиночной скрещенной линзы. ЖТФ, 1976, т. 46, №5, с. 1085-1089.

7. Петров И. А., Явор С. Я. Письма в ЖТФ, 1375, т. 1, №14, с. 651-654.

8. Петров И. А., Явор С. Я. // Исследование сферической аберрации одиночной скрещенной линзы. ЖТФ, 1976, т. 46, №8, с. 1710-1712.

9. Баранова Л. А., Садыкин А. Д., Мухин В. М., Явор С. Я. // Влияние формы электродов на электронно-оптические свойства скрещенных линз. ЖТФ, 1982, Т52, №2, с. 246-250.

10. Баранова Л. А., Садыкин А. Д., Явор С. Я. // Многоэлектродные скрещенные линзы. Радиотехника и электроника, 1986, т. 31, №2, с. 365-369.

11. Грицюк Н. П., Лачашвили Р. А. // Иммерсионная скрещенная линза, ЖТФ, 1979, т49, №11, с. 2467-2468.

12. Петров И. А., Баранова Л. А., Явор С. Я. // Шестиэлектродный дублет в стигматичном режиме, ЖТФ, 1978, т48, №2, с. 408-410.

13. Петров И. А. Электрон, техника, 1982, сер. 4, №3, с. 30-32.

14. L. A. Baranova and F. Н. Read, Rev. Scl. Instrum., 1994, June, Vol. 65, No.6.

15. Баранова Л. А., Петров И. А., Явор С. Я. // Новый тип корректора сферической аберрации, ЖТФ, 1978, т48, №12, с. 2588-2590.

16. Цуккерман И. И. Преобразования электронных изображений. 1972, JI.1. Энергия, 184 с.

17. S. Taya and Н. Matsuda. Int. J. Mass Spektrom. Ion Phys., 1972, v. 9, № 3, p.235.246.

18. Баранова Л. А., Явор С.Я.ЖТФ, 1, 1972, т. 47, № 12, с. 2639-2641.

19. Баранова Л. А., Петров И. А., Явор С. Я, А. С. № 632262, Б. И. 1980, №3., с.276.20. 73. А.Е. Cameron, D.F. Eggers. An Ion "Velocitron" // Review Scientific Instruments 1948 - v. 19, pp. 605.

20. Н.И. Ионов, Б.А. Мамырин. Масс-спектрометр с импульсным источником ионовЛЖТФ 1953-т. 23, в. 11, сс. 2101-2103.

21. W.C. Willey, I.H. McLaren. Time-of-flight Mass Spectrometer with Improved Resolution. // Rev. Sci Instrum. 1955 - v, 26, pp. 1150.

22. С.Г. Алиханов. Новый импульсный метод измерения масс ионов. // ЖЭТФ 1956-т.31№3,сс. 517-518

23. В.И. Каратаев, Б.А. Мамырин, Д.В. Шмикк. Новый принцип фокусировки ионных пакетов во времяпролетных масс-спектрометрах // ЖТФ 1971 -т.41, в.7, сс.1498-1501.

24. Б.А. Мамырин, В.И. Каратаев, Д.В. Шмикк, В.А. Загулин. Масс-рефлектрон. Новый безмагнитный времяпролетный масс-спектрометр с высокой разрешающей способностью. // ЖЭТФ 1973 - т. 64, в. 1, сс. 8289.

25. В.А. Mamyrin. Time-of-flight mass spectrometry (concepts, achievements, and prospects) II Int. J. of Mass Spectrom. 2001 - v. 206, pp. 251-266.

26. A.H. Веренчиков, H.B. Краснов, М.З. Мурадымов, Ю.И Хасин. Простая качественная модель времяпролетного масс-спектрометра // Научное приборостроение. 2002 - Т. 12, №4, сс. 63-69.

27. T. Bergman, H. Goehlich, T.P. Martin, H. Schaber, G. Malegiannakis, High-resolution time of-flight mass spectrometers. Part II. Cross beam ion optics // Rev. Sci. Instrum. 1990 - v. 61, pp. 2585-2991.

28. R. Grix, R. Kutscher, G. Li U. Gruner, H. Wollnik. A time-of-flight mass analyzer with high resolving power // Rapid Commun. Mass Spectrom. 1988 -V.2, #5 pp. 83-85 .

29. U. Boesl, J. Grotemeyer, K. Walter, E.W. Schlag. // Anal.Instrum. 1987 - v. 16 pp. 151.

30. J. Franzen. Method and Device for orthogonal ion injection into a time-of-flight mass spectrometer// US5763878- 1996.

31. A. Makarov. A time-of-flight mass-spectrometer including an orthogonal accelerator // WO 01/11660 2001.

32. M. Guilhaus. Principles and instrumentation in time-of-flight mass spectrometry. Physical and instrumental concepts // J Mass Spectrom. 1995 - v. 30, pp. 1519.

33. R.J. Cotter. Time-of-Flight Mass Spectrometry: Instrumentation and Applications in Biological Research // ACS, Professional Reference Booh, Washington, DC- 1997.

34. А.Ф. Додонов, И.В. Чернушевич, Т.Ф. Додонова, В.В. Разников, B.JI. Тальрозе. Метод времяпролетного масс-спектрометрического анализа из непрерывных ионных пучков // AC No. 1681340А1 Февраль 1987.

35. A.F. Dodonov, M.V. Chernushevich, V.V. Laiko. Time-of-flight mass spectrometer with atmospheric pressure ionization // Proceedings of 12th International Mass Spectrometry Conference, Amsterdam August 1991 - v. 2630, pp. 153-155.

36. O.A. Mirgorodskaya, A.F. Dodonov, I.V. Chernushevich, et. al. Application of Time-of-flight mass spectrometer with orthogonal acceleration to analysis of peptides and proteins II Anal. Chem 1994 - v. 66, pp. 112-126.

37. D.P. Myers, G. Li, P.P. Mahoney. An inductively coupled plasma time-of-flight mass spectrometer for elemental analysis. // J. Am. Soc. Mass Spectrom 1995 -v. 6, #5, pp. 400-410.

38. C. Wu, T.A. Dresch, U.P. Giessmann, M.A. Park, H. Wang. Analytical Figures of Merit of a Multi-Pass Time-of-Flight Mass Spectrometer // Extended Abstracts of ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics 1999.

39. JI. В. Верёвкина. Известия ЛЭТИ, в. 39, с. 257, 1959.

40. Т. Я. Фишкова, Л.А. Баранова. Радиотехника и электроника, т. 13, с. 1525, 1968.

41. И. М. Квльман, С. Я. Явор, Электронная оптика, "Наука", Л., 1968, с. 487.

42. Баранова Л. А., Бубляев Р.А., Явор С.Я // Приближенный метод расчета параксиальной оптики скрещенных линз. ЖТФ, 1987, Т. 57, В. 3, С. 430433.

43. Грицюк Н. П., Лачашвили Р. А. ЖТФ, 1979, т49, №11, с. 2467-2468.

44. Явор С. Я., Фокусировка заряженных частиц кзадруполъными линзами., М.,: Атомиздат, 1968, с. 263.

45. Иванов В. Я. Методы автоматизированного проектирования приборов электроники. Новосибирск, 1986. ч. 1: Методы расчёта электростетических полей. 192 е.; ч. 2: Методы решения задач электронной оптики. 184 с.

46. Hawks P. W., Kasper Е. Principles of Electron Optics. N. Y., London, Academic Press, 1989.

47. Баранова Jl. А., Ульянова Н. С., Явор С. Я. ЖТФ, т. 61, в. 7, с. 157-161, 1991.

48. Баранова Л. А., Ульянова Н. С., Явор С. Я. ЖТФ, т. 59, в. 12, с. 69 72, 1989,

49. Баранова Л.А., Бубляев Р.А., Явор С .Я. Хроматическая аберрация одиночной скрещенной линзы. // ЖТФ, т.63, в. 12, 1993.

50. Баранова Л.А., Бубляев Р.А., Явор С.Я. Экспериментальное исследование иммерсионных скрещенных линз. // ЖТФ, т.60, в. 2, с. 159 163, 1990.

51. Баранова Л.А., Бубляев Р.А., Явор С.Я. Расчёт вертикальной фокусировки ионно-оптической схемы масс-спектрометра. // Научное приборостроение. 1991, №2, с.37-43.

52. Баранова Л.А., Бубляев Р.А., Явор С.Я. Электростатические системы для коррекции искривления изображения // Радиотехника и электроника. 1991, т.36, С. 577-581.

53. Бубляев Р.А., Галеев Г.А., Баранова Л.А. Исследование фокусирующих и пространственно-временных свойств нового типа трёхмерных электростатических линз // Прикладная физика. 2004, №1, С. 39-42.

54. R.A. Bubliaev, G.A. Galeev, L.A. Baranova. Studying Focusing and Space-time Features of the 3-D Electrostatic Lenses of the New Type. // Proceedings of SPIE, 2004, v.5398, p. 59-62.

55. Harting E., Read E.H. Electrostatic Lenses. Amsterdam: Elsevier, 1976. 322 p.

56. Damaschin Ioanovicin. Ion-optical properties of time-of-flight mass-spectrometers. International Journal of Mass Spectrometry. 206(2001), 211 -229.

57. Ю.К.Голиков, Н.В.Краснов, Р.А.Бубляев // Патент Российской Федерации №2295797. Заявка на изобретение №2005119734 с приоритетом от 16.06.2005 г.

58. Ю.К.Голиков, Н.В.Краснов, Р.А.Бубляев Модифицированный масс-рефлектрон. // Прикладная физика. 2005, Т. 15, №4, С. 42-50.