автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Исследование динамики движения заряженных частиц в квадрупольных ВЧ полях в присутствии нейтрального газа

На правах рукописи

КИРЮШИН ДМИТРИЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ДВИЖЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В КВАДРУПОЛЬНЫХ ВЧ ПОЛЯХ В ПРИСУТСТВИИ НЕЙТРАЛЬНОГО ГАЗА

00345432

специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

о 5 Р^

'Л®®

Рязань 2008

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рязанский государственный радиотехнический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук

Мамонтов Евгений Васильевич

Официальные оппоненты: д.ф.-м.н. Волков Степан Степанович;

к.т.н. Черняк Евгений Яковлевич.

Ведущая организация:

Московский физико-технический институт (Государственный Университет).

Защита состоится «23» декабря 2008 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.211.03 в ГОУВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» по адресу: 390005, г. Рязань, ул. Гагарина, 59/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет».

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.211.03, д.т.н., проф.

Колотилин Б.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность. В современном мире с интенсивно протекающим научно-техническим прогрессом и развитыми технологиями требуются высокоточные способы анализа вещества. Одним из них является масс-спектрометрический способ анализа. Масс-спектрометры применяются при контроле технологических процессов, в космических исследованиях, в экологии и т.д. Одним из наиболее распространенных разновидностей подобных приборов являются масс-спектрометры динамического типа, которые сочетают в себе высокие эксплутационные и аналитические свойства. Работа приборов этого типа основана на разделении заряженных частиц с различным значением удельного заряда в ВЧ полях с квадратичным распределением потенциала. Используются различные режимы работы приборов этого типа. В некоторых из них для улучшения рабочих характеристик используется заполнение рабочего объема анализатора и смежных устройств легким нейтральным газом.

В масс-спектрометрах и устройствах транспортировки ионов на основе ионной ловушки и фильтра масс этот газ позволяет снизить энергию и размер ионного облака. В этом случае возникает задача оценки влияния нейтрального газа на движение заряженных частиц в двухмерных или трёхмерных ВЧ полях с квадратичным распределением потенциала.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании режимов работы и разработке способов улучшения параметров приборов квадрупольной масс-спектрометрии с газовым наполнением.

Поставленная цель достигалась решением следующих задач -разработкой аналитической теории движения ионов в квадрупольных ВЧ полях с нейтральным газом;

-построением компьютерной модели движения ионов в квадрупольных ВЧ полях с нейтральным газом, сравнение аналитической и компьютерной модели для оценки их достоверности;

-оптимизацией параметров приборов квадрупольной масс-спектрометрии с газовым наполнением на основе аналитической теории и результатов компьютерного моделирования движения ионов в квадрупольных полях с квадратичным распределением потенциала. Научная новизна результатов работы заключается в следующем: - разработана аналитическая теория и численная модель движения ионов в квадрупольных ВЧ полях в присутствии буферного газа, учитывающая

поляризационное взаимодействие и взаимодействие твердых сфер при столкновениях заряженных частиц и нейтральных молекул;

- доказано, что при движении заряженных частиц в квадрупольных ВЧ полях при наличии буферного газа существуют предельные значения амплитуд колебаний ионов по всем координатам;

- установлено, что при движении ионов по стабильным траекториям предельные амплитуды колебаний ионов при наличии буферного газа зависят от температуры газа, отношения масс заряженных и нейтральных частиц, рабочих режимов и не зависят от давления буферного газа;

- установлено, что для нестабильных ионов амплитуда колебаний при наличии буферного газа не являются безгранично возрастающими функциями, а стремятся к предельному значению, зависящему от температуры газа, отношения масс заряженных и нейтральных частиц, рабочих параметров и давления буферного газа.

- показано, что динамика установления предельных амплитуд колебаний заряженных частиц определяется процессами энергообмена между ионами и молекулами, и описывается экспоненциальными функциями с постоянными времени, зависящими от давления буферного газа и отношения масс ионов и нейтральных молекул, длительность переходного процесса не зависит от амплитуды ВЧ поля;

- показана возможность реализации режима масс-селективной нестабильности в трехмерной ионной ловушке без буферного газа за счет использования поперечного ионизирующего электронного потока в сочетании с фазовым вводом ионов;

Достоверность научных выводов работы подтверждается использованием независимых методов определения параметров траекторий заряженных частиц в квадрупольных ВЧ полях (аналитическая теория подтверждена результатами численного моделирования), результатами по экспериментальному исследованию режима масс-селекгивной нестабильности без буферного газа. Практическая значимость работы состоит в следующем:

- результаты исследования механизмов взаимодействия заряженных частиц с нейтральными молекулами при движении ионов в квадрупольных ВЧ полях позволяют определять оптимальные условия работы квадрупольных масс-анализаторов с газовым наполнением и улучшать их аналитические параметры;

- полученные зависимости предельных энергий ионов при наличии буферного газа

от температуры, отношения масс заряженных и нейтральных частиц, положения

2

рабочей точки на диаграмме стабильности позволяют минимизировать размеры и энергию ионного облака ионов, удерживаемых в квадрупольных ВЧ полях; - результаты оптимизации параметров режима масс-селективной нестабильности без буферного газа позволяют повысить разрешающую способность и чувствительность квадрупольных масс-спектрометров.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно-технической работы «Масс-анализатор по проекту «Марс 96» по договору № 68-90 от 02.06.90 г. и «Разработка и изготовление макета прибора для определения содержания летучих компонентов в лунном грунте, устанавливаемого на пенетраторе» по договору № 8-97 от 15.09.97 г., выполненных Рязанским Государственным Радиотехническим Университетом и институтом геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского (ГЕОХИ) РАН.

Результаты, полученные в диссертационной работе, использовались при создании лабораторных работ по курсу «Физические основы современных методов анализа вещества».

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Переходной процесс установления средних амплитуд движения заряженных частиц в квадрупольных ВЧ полях с буферным газом описывается экспоненциальными функциями с постоянными времени и предельными значениями, зависящими от температуры газа, отношения масс заряженных частиц и молекул буферного газа, положения рабочей точки ионов на диаграмме стабильности, предельные значения амплитуды колебаний ионов в области стабильности не зависят от давления буферного газа.

2. Средняя амплитуда колебаний ионов в области нестабильности в присутствии буферного газа стремится к предельному значению, зависящему от давления буферного газа и отношения масс заряженных частиц и нейтральных молекул.

3. Режим масс-селективной нестабильности в трехмерной ионной ловушке без буферного газа с разрешающей способностью более 500 реализуется при фазовом вводе вдоль оси R ионизирующего электронного потока толщиною не более 0.04 от характерного размера анализатора.

4. Режим масс-селективной нестабильности в трехмерной ионной ловушке без нейтрального газа позволяет при том же значении разрешающей способности в 3-5 раз повысить скорость развертки спектра масс по сравнению с режимом с буферным газом.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 14-й Международной конференции по масс-спектрометрии, Тампере, Финляндия, 1997; на Международной научно-технической конференции «Научные основы высоких технологий», Новосибирск, 1997; на 3-й Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии» ФРЭМБ'98, 1998, Владимир; на 2-й Всероссийской конференции с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы», 2007, Москва. Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 20 печатных работ, из них 16 статей ( в том числе опубликованных в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ - 4 статьи), 4 работы - в материалах российских и международных научно-технических конференций. Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 76 наименований. Работа изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы, изложены основные решаемые задачи, показана научная новизна и практическая ценность работы, приведены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе («Обзор литературы и постановка задачи диссертационной работы») проводится краткий обзор существующих аналитических и модельных методов расчета движения заряженных частиц в квадрупольных ВЧ полях в том числе в присутствии буферного газа. По результатам анализа существующих работ сделан вывод об отсутствии аналитической теории, описывающей движение заряженных частиц в атмосфере буферного газа и недостаточной развитости модельных методов исследования данной проблемы.

Во второй главе («Влияние буферного газа на движение ионов в линейных ВЧ полях с квадратичным распределением потенциала. Аналитическая теория.») на основании теории зон захвата для квадрупольных масс-спектрометров и газокинетической теории выводятся соотношения для изменения амплитуды колебаний ионов, двигающихся в ВЧ поле с квадратичным распределением потенциала под действием столкновений с легкими нейтральными молекулами. При этом учитывается возможность столкновений, обусловленных как поляризационным

взаимодействием молекул и ионов, так и столкновений твердых сфер.

4

Изменения амплитуд движения ионов, испытавших столкновение в данную фазу ВЧ поля при известных параметрах эллипса захвата, записываемого в виде (.ххоза + УБта)2/^2 + (хыпа-усо5а)2/В2 =1, находятся интегрированием выражения

(д)=[¡(г:2-г2т)р(у)с1Б- где гт-

амплитуда иона до столкновения, 2'п - амплитуда иона после столкновения, вероятность рассеяния иона с заданной скоростью V. Если имеет место поляризационное рассеяние, то /? = г/г„, где тя - постоянная времени поляризационного рассеяния. При столкновении твердых сфер функция вероятности определяется по формуле р = 1-ехр(-//Л), где Л - длина свободного

пробега. При г -» 0 вероятность р = '/Л •

На основании полученных соотношений установлено, что при преобладании поляризационного механизма столкновений заряженных частиц и нейтралей средний квадрат амплитуды колебаний ионов изменяется по закону

У 1 ) т„ 1 где начальная амплитуда колебаний иона, V, = \\ Т/(пг0) - нормированная

тепловая скорость ионов по данной координате, 6 = та/пг -отношение массы молекулы и иона, К1 =1.5 {^т2а!А2 + соз2а/52), т] = ^5-52К~^,

К = 2.25 + 0.3125 $\п22в(А2 / В2 + В2/А2 -2), А, В и а определяются из уравнения эллипса захвата.

При описании процесса столкновений моделью твердых сфер, амплитуда колебаний ионов определяется выражением

2 =2

mhm ) + (Zmo-Z

mhm

"llm (Z„0+ZmltJ-(Zm0-ZmhJexp(-zO'

где X = 3\J( 1_ SK)Kxv2 л/ В2 cos2 a + A2 sin2 a / (yjósfÍA), X - средняя длина

свободного пробега, a Zmllm =^j].5v¡ Kj\-8К - предельное значение амплитуды

колебаний при длительном удержании ионов в ВЧ поле с квадратичным распределением потенциала в атмосфере буферного газа. При преобладании

поляризационного механизма взаимодействия ионов и молекул предельная амплитуда колебаний в ^fU5 меньше, чем при столкновениях твердых сфер.

Из анализа полученных соотношений следует, что средняя кинетическая энергия ионов с рабочими точками в глубине области стабильности при длительном взаимодействии с буферным газом стремиться к ЪкТ при поляризационном взаимодействии и к 4,5кТ при столкновениях твердых сфер и не зависит от массы иона.

В третьей главе («Моделирование движения заряженных частиц в линейных ВЧ полях при наличии буферного газа») предлагается алгоритм моделирования движения ионов в ВЧ полях с квадратичным распределением потенциала, учитывающий поляризационное взаимодействие и взаимодействие твердых сфер при столкновениях заряженных частиц и нейтралей. Для определения момента столкновения частиц использовался метод Монте-Карло. Плотность вероятности проекции тепловых скоростей молекул на выбранную ось описывалась гауссовым распределением. Проекции скорости ионов на оси координат после столкновения рассчитывались с использованием системы центра масс, при выполнении в ней законов сохранения энергии и импульса. Считалось, что рассеяние в системе центра масс является изотропным и направление скоростей частиц после столкновения определялось случайным образом.

В результате моделирования движения ионов установлено, что колебания ионов имеют нестационарный случайный характер с тенденцией приближения к некоторому установившемуся значению.

Так как столкновения заряженных частиц с молекулами буферного газа носит случайный характер, для получения усредненных параметров траекторий ионов исследовалось поведение ансамбля заряженных частиц, взаимодействующих в ВЧ линейном поле с буферным газом. С этой целью осуществлялось моделирование движения 5*103 ионов с различными начальными координатами и скоростями. В процессе моделирования определялась средняя по ансамблю амплитуда колебаний заряженных частиц и ее зависимость от параметров питающего напряжения, характеристик буферного газа и масс ионов.

Из полученных результатов следует, что амплитуда колебаний стремится к некоторому установившемуся значению, не зависящему от давления буферного газа и начальных координат ионов. Результаты моделирования для ионов, имеющих рабочую точку в глубине зоны стабильности, совпадают с результатами

аналитической теории, изложенными во второй главе, с относительной погрешностью 10%.

С приближением рабочей точки к границе стабильности характер движения ионов в условиях столкновений с буферным газом существенным образом меняется. Для рабочих точек, в которых аналитическая теория дает предельное значение амплитуды колебаний 2т|1П1=со, координаты ионов в процессе столкновений изменяются в широком диапазоне и могут превышать размеры электродной системы анализатора. Такие ионы считаются нестабильными и покидают ловушку. Для получения количественных характеристик траекторий движения нестабильных ионов при моделировании

использовался метод, при котором расчетная область не ограничивалась размерами анализатора. Полученные в результате моделирования зависимости средней амплитуды колебаний ионов массы М=50 а.е.м. от времени нахождения ионов в анализаторе представлены на рисунке 1.

В процессе развертки спектра масс рабочие точки ионов последовательно перемещается из стабильной зоны в нестабильную. Амплитуда колебаний ионов в нестабильной зоне в отсутствии буферного газа неограниченно возрастает. При наличии в рабочем объеме газа легких нейтралей зависимость амплитуды колебаний ионов от времени изменяется. Зависимости средней амплитуды колебаний для 5*103 ионов от давления буферного газа для ионов М=103 а.е.м. представлены на рисунке 2. Анализ полученных зависимостей показывает, что амплитуда колебаний ионов в нестабильной зоне при наличии буферного газа не является монотонно возрастающей функцией как это имеет место в условиях вакуума, а имеет предел, зависящего от давления буферного газа.

Рисунок 1 Зависимости средней амплитуды колебаний ионов 50 а.е.м. от времени при различных давлениях буферного газа. ц=0,354423, а=0.

2т/г< 2,52 -1,51 -0,50 -

мм.рт.ст.

Р=1*1(Г3

4*10"3

2*10"3

О

5

10

15

20

25 ХП

Рисунок 2 Зависимости средней амплитуды колебаний ионов 1000 а.е.м. от времени при

Получено аналитическое соотношение, описывающее изменение амплитуд колебаний ионов в нестабильной области в присутствии буферного газа с течением времени

/л - параметр нестабильности, зависящий от параметров Матье, а - частота колебаний иона. Как следует из этого выражения, при больших временах / з> 1/|д амплитуда колебаний 2т стремится к установившемуся значению 2т]|т. Это значение равно 2т]т =|д/у. Результаты расчетов по этим формулам соответствуют результатам моделирования с относительной погрешностью менее 15%.

В четвертой главе («Исследование влияния буферного газа на характеристики режима масс-селективной нестабильности») на основе разработанной модели, определены аналитические характеристики трехмерной ионной ловушки (ТИЛ) в режиме масс-селективной нестабильности с импульсным питанием.

В результате моделирования установлено, что с повышением давления буферного газа форма массового пика ухудшается. На рисунке 3 представлены массовые пики при различных давлениях буферного газа при скорости развертки \! = Д///=2*10'5, характер изменений которых объясняется результатами,

представленными на рисунке 4. Скорость увеличения амплитуды колебаний ионов в нестабильной области обратно пропорциональна давлению буферного газа. «Размывание» ионного облака при больших давлениях (Р=12*10'3 мм.рт.ст)

8

различных давлениях буферного газа q=0,361154, а=0.

1 ( ( -7 N ( , ^

/ = — 1п —- — у 1п ——- , где

и яи м 1-1 я ртр а 'гоплпгл пгч плртимгрии

л тд п; I и/-\/ты

1ТТП ПГО 1/Л1/А

рзницы области

приводит к ухудшению разрешающей способности. Этот результат также находится в соответствии с выводами о характере изменения амплитуд колебаний ионов вблизи границы области стабильности под действием буферного газа.

Ранее показано, что сжатие ионного облака в ТИЛ с буферным газом происходит до некоторого предела, зависящего от режима работы. В режиме масс-селективной нестабильности без буферного газа предложено использовать поперечный ввод ионизирующих электронов, с образованием ионов с малым разбросом координат г. Режим реализуется в ограниченном диапазоне фаз ввода. Исследовано влияние разброса начальных координат и фаз ввода на рабочие характеристики ТИЛ в режиме масс-селективной нестабильности без буферного газа.

л ш

ь л

о I

о -О л

X с; =г

ш 0) Б:

^ 1- X

о ^

X о ч:

ф о т

1- X

X ь

о

0,5 -| 0,4 -0,3 -0,2 -0,1 -0

3900

Л2

4000

4100

4200

Рисунок 3 Массовые пики в режиме масс-селективной нестабильности в ТИЛ. Скорость

2т/г0 1,4 -

1,2 1 -0,8 -0,60,40,2 -0

развертки у,= 2*10 . 1-3 Р=0.7, 3 и 12* 10" мм.рт.ст.

12600

Рисунок 4 Изменение средней амплитуды колебаний ионов М=103 в процессе развертки в режиме масс-селективной нестабильности. Скорость относительного изменения частоты V ,=5* 10~6, 1,2- Р=0,7, 12 *10"3 мм.рт.ст.

т-1-1-

12700 12800 12900 уТ

граница зоны стабильности

При моделировании этого режима определено, что разрешающая способность более 500 достигается при локализации начальных координат ионов в области -0,04<г0/г0 <0,04 в диапазоне фаз ввода 55°<ф< 125°. Также показано, что режим позволяет повысить скорость развертки спектра масс в 3-5 раз по сравнению с режимом с буферным газом при давлении порядка 10"3 мм.рт.ст.

Приведены результаты экспериментального исследования режима масс-селективной нестабильности без буферного газа. В эксперименте получены спектры ряда органических соединений и остаточного газа. Спектр толуола при давлении 10"5 мм.рт.ст. представлен на рисунке 5. Достигнутая в этом эксперименте разрешающая способность более 500 сравнима с значениями, достигаемыми при работе в режиме масс-селективного удержания в вершине диаграммы стабильности. Таким образом экспериментально подтверждена принципиальная возможность работы ТИЛ в режиме масс-селективной нестабильности без буферного газа.

1 л .

л н о о

X

ш

О X 0) н

X

0,8-1 §0,6

0)

0,2 0

60

65

70

75

80

85

90

95 М

Рисунок 5 Спектр толуола, полученный в режиме масс-селективной нестабильности без буферного газа с ионизацией электронным ударом В конце главы приведены результаты моделирования режима масс-селективной нестабильности без буферного газа в ТИЛ с нелинейными искажениями поля. Показано, что существенные ухудшения формы массового пика происходят при амплитуде гармоник нечетных порядков выше 0,5% и четных выше 2%. При современной технологии изготовления электродных систем амплитуды гармоник искажения поля на несколько порядков меньше, что подтверждает возможность практической реализации режима масс-селективной нестабильности без буферного газа.

В пятой главе («Исследование влияния столкновений ионов с молекулами

остаточного газа на характеристики гиперболоидных масс-спектрометров»)

10

проводятся результаты анализа влияния столкновения ионов при движении в ВЧ полях с квадратичным распределением потенциала с молекулами при соизмеримости масс ионов и нейтральных частиц. Анализ проведен для двух типов приборов: квадрупольного фильтра масс (КФМ) и ТИЛ.

Особенностью КФМ является отсутствие поля вдоль оси Ъ. Ионы двигаются вдоль этой оси по инерции за счет скорости, полученной в ионном источнике. Изменение этой скорости приводит к изменению времени сортировки. При столкновениях ионов с молекулами соизмеримой массы происходит изменение направления импульса заряженных частиц. Так как в отсутствии столкновений проекции скоростей нестабильных ионов на оси X и У в среднем превосходят проекции скорости на ось Ъ, то часть нестабильных ионов при столкновении с молекулами увеличивает скорость движения вдоль оси системы. При моделировании было обнаружено, что минимальное время прохождения подобных ионов может составлять 5 периодов ВЧ поля. При этом нестабильные ионы могут в некоторых случаях проходить через электродную систему КФМ.

На рисунке 6 представлены два массовых пика для КФМ, полученные с помощью моделирования с учетом столкновений ионов с молекулами. Наличие в объеме анализатора тяжелых нейтралей приводит к появлению «хвостов» массовых пиков, а также равномерного фона, снижающего динамического диапазон масс-анализатора.

.10000 -I

ь х 3

о 100 ■

о

х 10 ■

а>

X

ш

5

X

5 юоо-

1

Р=5*10"5

Р=0

0,97

0,98

0,99 масса, отн.ед.

1

Рисунок 6. Расчетная форма массового пика для КФМ, с учетом столкновений с молекулами при различных давлениях остаточного газа.

По результатам моделирования и экспериментов была получена зависимость

отношения сигнал/фон от давления, показанная на рисунке 7. Результаты расчетов

хорошо согласуются с экспериментальными данными. Эта зависимость имеет вид

. сигнал. . .„. , —Ь^/Ч+б, фон

где Р - давление остаточного газа в мм.рт.ст, а Ь - коэффициент, зависящий от геометрических размеров и режима работы КФМ.

Отношение сигнал/фон

ю5

1 о

10 .

10"° 10 Р MMDTCT

10"

Рисунок 7 Зависимость соотношения сигнал/фон от давления. Сплошная линия -расчетная зависимость, точки - результаты эксперимента.

Исследовано влияние столкновений ионов с тяжелыми молекулами на работу ионной ловушки. Ранее показано, что разрешающая способность в режиме масс-селективной нестабильности зависит от размеров ионного облака вдоль оси Z. Из-за столкновений заряженных частиц с нейтральными молекулами с соизмеримыми массами размеры ионного облака в процессе масс-селективной сортировки увеличиваются, что приводит к ухудшению формы массовых пиков.

Для более полной оценки влияния ион-молекулярных столкновений на характеристики ионной ловушки было проведено моделирование процесса масс-селективного разделения ионов в условиях многокомпонентного состава анализируемого вещества. В качестве исследуемого вещества использовался перфтортрибутиламин. При этом в спектре при моделировании учитывалось наличие десяти наиболее интенсивных составляющих в диапазоне от 69 а.е.м. до 502 а.е.м.

о

О 0,0002 0,0004 0,0006

Давление пробы, мм.рт.ст

0 0,0001 0,0002 0,0003 0,0004

Давление пробы, мм.рт.ст

Рисунок 8 Интенсивность и разрешающая способность для пика М=69. Сплошная кривая - результаты моделирования, точки - результаты эксперимента.

Для проверки точности модели был проведен ряд экспериментов по работе ТИЛ в режиме масс-селективной нестабильности при различных давлениях пробы. Сопоставление результатов моделирования и экспериментальных данных проводится на рисунке 8.

Хорошее соответствие результатов моделирования и экспериментальных данных подтверждает справедливость предложенной модели. На основе разработанной модели определено оптимальное давление исследуемой смеси 8*10"5 - 10"4 мм.рт.ст., обеспечивающей наибольшее отношение сигнал/шум ТИЛ в режиме масс-селективной нестабильности без буферного газа.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Разработана уточненная аналитическая теория движения заряженных частиц в линейных ВЧ полях с учетом взаимодействия ионов с нейтральными молекулами, достоверность которой подтверждается результатами компьютерного моделирования. В рамках разработанной теории показано, что при движении

заряженных частиц в линейных ВЧ полях при наличии буферного газа существуют предельные значения амплитуд колебаний ионов по всем координатам. Получены аналитические соотношения, определяющие динамику изменения амплитуд колебаний заряженных частиц в атмосфере буферного газа, в зависимости от параметров рабочих режимов, давления буферного газа, соотношения масс ионов и нейтралей. Определены области диаграммы стабильности, где достигаются минимальные значения кинетической энергии и амплитуд колебаний заряженных частиц при их взаимодействии с легким газом. Эти области являются оптимальными для ТИЛ с газовым наполнением в режиме источника ионов и КФМ в режиме транспортировки ионов.

2. Доказано, что в областях неустойчивости диаграммы стабильности столкновения ионов с молекулами ограничивает амплитуду колебаний заряженных частиц значениями, зависящими от давления и температуры нейтрального газа, отношения масс нейтральных и заряженных частиц и величины питающего напряжения, что показывает возможность удержания в ТИЛ с буферным газом нестабильных в его отсутствии ионов.

3. Показано, что при использовании фазового ввода и образовании ионов с малым разбросом начальных координат |Дг/г0| < 0,04 режим масс-селективной нестабильности в ТИЛ без буферного газа позволяет достичь значения разрешающей способности Я>500. Установлено, что наличие нелинейных искажений поля с относительной амплитудой гармоник разложения потенциала менее 5* 103 не ухудшает существенным образом аналитические характеристики данного режима. Скорость развертки спектра масс в этом режиме без буферного газа в 3-5 раз больше, чем в аналогичном режиме с газовым наполнением.

4. Разработанная модель движения ионов в линейных ВЧ полях в присутствии многокомпонентного нейтрального газа позволяет определять диапазон рабочих давлений остаточного газа при работе квадрупольных масс-анализаторов в различных режимах. Показано, что отношение сигнал/фон для квадрупольного фильтра масс является линейной функцией давления остаточного газа в рабочем объёме.

Вышеизложенные результаты позволяют сделать вывод о том, что поставленные задачи решены и цель диссертационной работы достигнута.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кирюшин Д.В. Математическое моделирование работы гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ионной ловушки в режиме масс-селективной неустойчивости. 1993, Депонирована в ЦНИИ «Электроника» N Р-5477,5 с.

2. Кирюшин Д.В. Оценка возможностей режима масс-селективной неустойчивости при импульсном питании гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ионной ловушки. //Научное приборостроение: межвуз. сб. науч. тр. Рязань, 1994, с. 132-135.

3. Кирюшин Д.В. Сравнение скоростных возможностей работы гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ионной ловушки в режиме масс-селективной нестабильности при различных режимах питания. // Научное приборостроение: межвуз. сб. науч. тр. Рязань, 1995, с. 69-75.

4. Рожков О.В., Кирюшин Д.В. Моделирование работы ГМС типа трехмерной ионной ловушки в режиме масс-селективной нестабильности без буферного газа. //Научное приборостроение: межвуз. сб. науч. тр. Рязань, 1996, с. 128-139.

5. Кирюшин Д.В. Об использовании ЕС-сигнала в режиме МСН. //Научное приборостроение: межвуз. сб. науч. тр. Рязань, 1997, с. 52-56.

6. Кирюшин Д.В. Влияние буферного газа на удержание ионов в трехмерной ионной ловушке. // Научное приборостроение: межвуз. сб. науч. тр. Рязань, 1997. с. 123-129.

7. Шеретов Э.П., Рожков О.В., Кирюшин Д.В. О возможности использования масс-анализатора типа трехмерной ионной ловушки в режиме масс-селективной нестабильности без буферного газа. /Труды международной научно-технической конференции «Научные основы высоких технологий», Новосибирск, 1997.

8. Кирюшин Д.В., Шеретов Э.П., Колотилин Б.И., Гуров B.C., Рожков О.В. Ионные ловушки с поперечным вводом ионизирующего электронного пучка./ Тезисы доклада на 14-ой международной конференции по масс-спектрометрии, Тампере, Финляндия, 1997.

9. Гуров B.C., Кирюшин Д.В. Влияние ион-молекулярных столкновений на параметры квадрупольного фильтра масс. // Научное приборостроение: межвуз. сб. науч. тр. Рязань, 1998, с. 66-69.

10. Рожков О.В., Кирюшин Д.В., Малютин А.Е. Влияние ион-молекулярных столкновений на рабочие характеристики режима масс-селективной нестабильности. //Научное приборостроение: межвуз. сб. науч. тр. Рязань, 1998 с. 129-133.

11. Рожков О.В., Кирюшин Д.В., Малютин А.Е. Использование масс-анализатора типа ионной ловушки в режиме масс-селективной нестабильности без буферного газа./ Материалы 3-й международной научно-технической конференции « Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии» ФРЭМБ'98.1998, Владимир.

12. Мамонтов Е.В., Кирюшин Д.В. Расчет формы массовых пиков гиперболоидных масс-спектрометров с одномерной однополярной сортировкой ионов. //ЖТФ 1999, том 69, вып. 2. с. 103-106.

13. Е. P. Sheretov, О. W. Rozhkov, D.V. Kiryushin, А. Е. Malutin. Mass selective instability mode without a light buffer gas. // International Journal of Mass Spectrometry 190/191 (1999) 103-111.

14. Рожков O.B., Кирюшин Д.В., Малютин А.Е. Нелинейные резонансные явления в ГМС в режиме масс-селективной нестабильности. // Научное приборостроение: межвуз. сб. науч. тр. Рязань, 1999, с. 66-72.

15. Рожков О.В., Кирюшин Д.В., Малютин А.Е. Нелинейные резонансы в режиме масс-селективной нестабильности при импульсном питании. // Научное приборостроение: межвуз. сб. науч. тр. Рязань, 2000, с. 46-49.

16. Кирюшин Д.В. Предельное сжатие ионов на буферном газе. // Научное приборостроение: межвуз. сб. науч. тр. Рязань, 2000, с. 68-73.

17. Кирюшин Д.В. О возможности потери стабильных частиц при использовании буферного газа в трехмерной ловушке. // Научное приборостроение: межвуз. сб. науч. тр. Рязань, 2002, с. 14-17.

18. Кирюшин Д.В. Асимптотика движения ионов в квадрупольных ВЧ полях с квадратичным распределением потенциала при наличии буферного газа. // Вестник РГРТА, 2007, вып. 22 с. 82-86.

19. Кирюшин Д.В. Предельная степень охлаждения ионов на буферном газе в квадрупольных масс-спектрометрах. Тезисы доклада на 2-ой Всероссийской

конференции с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы», 2007, Москва.

20. Кирюшин Д.В., Гуров B.C., Мамонтов Е.В. Предельное сжатие ионного облака на буферном газе в ВЧ полях с квадратичным распределением потенциала. // ЖТФ 2008, том 78, вып. 1. с. 109-113.

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ДВИЖЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В КВАДРУПОЛЬНЫХ ВЧ ПОЛЯХ В ПРИСУТСТВИИ НЕЙТРАЛЬНОГО ГАЗА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 20.11.08 Формат бумаги 60X84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 2,0. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100 экз.

Рязанский государственный радиотехнический университет. 390005, г. Рязань, ул. Гагарина, 59/1. Редакционно-издательский центр РГРТУ.

Кирюшин Дмитрий Вячеславович

Введение.

Глава 1.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

1.1 Введение.

1.2 Принципы разделения заряженных частиц в ВЧ полях с квадратичным распределением потенциала.

1.3 Использование матричного метода и динамики фазового пространства для моделирования движения ионов в квадрупольных полях.

1.4 Моделирование движения заряженных частиц в атмосфере нейтрального газа.

1.5 Выводы и постановка задачи диссертационной работы.

Глава 2.

ВЛИЯНИЕ БУФЕРНОГО ГАЗА НА ДВИЖЕНИЕ ИОНОВ В ЛИНЕЙНЫХ ВЧ ПОЛЯХ С КВАДРАТИЧНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ПОТЕНЦИАЛА. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ.

2.1 Механизмы взаимодействия ионов с молекулами буферного газа.

2.2 Частота столкновений ионов с молекулами буферного газа.

2.3 Предельные соотношения для амплитуд движения заряженных частиц в линейных ВЧ полях с квадратичным распределением потенциала при наличии буферного газа.

2.3.1 Поляризационное рассеяние.

2.3.2 Столкновения твердых сфер.

2.4 Динамика изменения размеров ионного облака.

2.4.1 Динамика изменения размеров ионного облака при поляризационном рассеянии.

2.4.2 Динамика изменения размеров ионного облака при столкновении твердых сфер.

2.5 Предельные соотношения для кинетической энергии заряженных частиц в линейных ВЧ полях с квадратичным распределением потенциала при наличии буферного газа.

2.6 Выводы.

Глава 3.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЛИНЕЙНЫХ ВЧ ПОЛЯХ ПРИ НАЛИЧИИ БУФЕРНОГО ГАЗА.

3.1 Компьютерное моделирование движения заряженных частиц в линейных ВЧ полях при наличии буферного газа.

3.2 Результаты моделирования траекторий движения ионов в квадрупольных полях с учетом буферного газа.

3.2.1 Динамика изменения размеров ионного облака в стабильной области.

3.2.2 Динамика изменения размеров ионного облака в окрестности границы стабильности.

3.2.3 Динамика изменения размеров ионного облака в нестабильной области.

3.3 Выводы.

Глава 4.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ БУФЕРНОГО ГАЗА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЖИМА МАСС-СЕЛЕКТИВНОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ.

4.1 Влияние давления буферного газа на форму массовых пиков в режиме масс-селективной нестабильности.

4.2 Режим масс-селективной нестабильности без буферного газа.

4.3 Скорость развертки спектра масс в режиме масс-селективной нестабильности с частотной разверткой спектра масс.

4.4 Влияние нелинейных искажений поля на характеристики трехмерной ионной ловушки в режиме масс-селективной нестабильности.

4.5 Выводы.

Глава 5.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ ИОНОВ С МОЛЕКУЛАМИ ОСТАТОЧНОГО ГАЗА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИПЕРБОЛОИДНЫХ МАСС-СПЕКТРОМЕТРОВ.

5.1 Особенности моделирования движения заряженных частиц в полях с квадратичным распределением потенциала при наличии остаточного газа тяжелых нейтралей.

5.2 Влияние столкновений ионов с молекулами остаточного газа на движение ионов в двухмерных полях.

5.3 Влияние столкновений ионов с молекулами остаточного газа на движение ионов в трехмерных полях с квадратичным распределением потенциала.

5.4 Выводы.

В современном мире с интенсивно протекающим научно-техническим прогрессом и развитыми технологиями требуются высокоточные способы анализа вещества. Одним из них является масс-спектрометрический способ анализа. Масс-спектрометры применяются при контроле технологических процессов, в космических исследованиях, в экологии и т.д. Одним из наиболее распространенных разновидностей подобных приборов являются масс-спектрометры динамического типа, которые сочетают в себе высокие эксплутационные и аналитические свойства. Работа приборов этого типа основана на разделении заряженных частиц с различным значением удельного заряда в ВЧ полях с квадратичным распределением потенциала. Используются различные режимы работы приборов этого типа. В некоторых из них для улучшения рабочих характеристик используется заполнение рабочего объема анализатора и смежных устройств легким нейтральным газом.

В масс-спектрометрах и устройствах транспортировки ионов на основе ионной ловушки и фильтра - масс этот газ позволяет снизить энергию и размер ионного облака. В этом случае возникает задача оценки влияния нейтрального газа на движение заряженных частиц в двухмерных или трёхмерных ВЧ полях с квадратичным распределением потенциала.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании режимов работы и разработке способов улучшения параметров приборов квадрупольной масс-спектрометрии с газовым наполнением.

Поставленная цель достигалась решением следующих задач -разработки аналитической теории движения ионов в квадрупольных ВЧ полях с нейтральным газом; построения компьютерной модели движения ионов в квадрупольных ВЧ полях с нейтральным газом, сравнения аналитической и компьютерной модели для оценки их достоверности;

-оптимизации параметров приборов квадрупольной масс-спектрометрии с газовым наполнением на основе аналитической теории и результатов компьютерного моделирования движения ионов в квадрупольных полях с квадратичным распределением потенциала.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

- разработана аналитическая теория и численная модель движения ионов в квадрупольных ВЧ полях в присутствии буферного газа, учитывающая поляризационное взаимодействие и взаимодействие твердых сфер при столкновениях заряженных частиц и нейтральных молекул;

- доказано, что при движении заряженных частиц в квадрупольных ВЧ полях при наличии буферного газа существуют предельные значения амплитуд колебаний ионов по всем координатам; установлено, что при движении ионов по стабильным траекториям предельные амплитуды колебаний ионов при наличии буферного газа зависят от температуры газа, отношения масс заряженных и нейтральных частиц, рабочих режимов и не зависят от давления буферного газа; установлено, что для нестабильных ионов амплитуда колебаний при наличии буферного газа не являются безгранично возрастающими функциями, а стремятся к предельному значению, зависящему от температуры газа, отношения масс заряженных и нейтральных частиц, рабочих параметров режима и давления буферного газа.

- показано, что динамика установления предельных амплитуд колебаний заряженных частиц определяется процессами энергообмена между ионами и молекулами, и описывается экспоненциальными функциями с постоянными времени, зависящими от давления буферного газа и отношения масс ионов и нейтральных молекул, длительность переходного процесса не зависит от амплитуды ВЧ поля; показана возможность реализации режима масс-селективной нестабильности в трехмерной ионной ловушке без буферного газа за счет использования поперечного ионизирующего электронного потока в сочетании с фазовым вводом ионов;

Достоверность научных выводов работы подтверждается использованием независимых методов определения параметров траекторий заряженных частиц в квадрупольных ВЧ полях (аналитическая теория подтверждена результатами численного моделирования), результатами по экспериментальному исследованию режима масс-селективной нестабильности без буферного газа.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

- результаты исследования механизмов взаимодействия заряженных частиц с нейтральными молекулами при движении ионов в квадрупольных ВЧ полях позволяют определять оптимальные условия работы квадрупольных масс-анализаторов с газовым наполнением и улучшать их аналитические параметры;

- полученные зависимости предельных энергий ионов при наличии буферного газа от температуры, отношения масс заряженных и нейтральных частиц, положения рабочей точки • на диаграмме стабильности позволяют минимизировать размеры и энергию ионного облака ионов, удерживаемых в квадрупольных ВЧ полях;

- результаты оптимизации параметров режима масс-селективной нестабильности без буферного газа позволяют повысить разрешающую способность и чувствительность квадрупольных масс-спектрометров, существенно упростить конструкцию масс-анализатора.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно-технической работы «Масс-анализатор по проекту «Марс 96» по договору № 68-90 от 02.06.90 г. и «Разработка и изготовление макета прибора для определения содержания летучих компонентов в лунном грунте, устанавливаемого на пенетраторе» по договору № 8-97 от 15.09.97 г., выполненных Рязанской Государственной Радиотехнической Академией и институтом геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского (ГЕОХИ) РАН. . '

Результаты, полученные в диссертационной работе использовались при создании лабораторных работ по курсу «Физические основы современных методов анализа вещества» на кафедре общей и экспериментальной физики РГРТУ.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Переходной процесс установления средних амплитуд движения заряженных частиц в квадрупольных ВЧ полях с буферным газом описывается экспоненциальными функциями с постоянными времени и предельными значениями, зависящими от температуры газа, отношения масс заряженных частиц и молекул буферного газа, положения рабочей точки ионов на диаграмме стабильности, предельные значения амплитуды колебаний ионов в области стабильности не зависят от давления буферного газа.

2. Средняя амплитуда колебаний ионов в области нестабильности в присутствии буферного газа стремится к предельному значению, зависящему от давления буферного газа и отношения масс заряженных частиц и нейтральных молекул.

3. Режим масс-селективной нестабильности в трехмерной ионной ловушке без буферного газа с разрешающей способностью более 500 реализуется при фазовом вводе вдоль оси Я ионизирующего электронного потока толщиною не более 0.04 от характерного размера анализатора.

4. Режим масс-селективной нестабильности в трехмерной ионной ловушке без нейтрального газа позволяет при том же значении разрешающей способности в 3-^-5 раз повысить скорость развертки спектра масс по сравнению с режимом с использованием буферным газа.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 14-й Международной конференции по -масс-спектрометрии, Тампере, Финляндия, 1997; на Международной научно-технической конференции «Научные основы высоких технологий», Новосибирск, 1997; на 3-й Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии» ФРЭМБ'98, 1998, Владимир; на 2-й Всероссийской конференции с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы», 2007, Москва.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 20 печатных работ, из них 16 статей ( в том числе опубликованных в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ - 4 статьи), 4 работы — в материалах российских и международных научно-технических конференций.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 76 наименований и приложения. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков.

5.4 Выводы.

1. Разработанная модель движения ионов в линейных ВЧ полях позволяет учитывать взаимодействие заряженных частиц не только с легким буферным, но и тяжелым остаточным газом, что подтверждается согласованием результатов моделирования с экспериментальными данными.

2. Логарифм отношения сигнал/фон для квадрупольного фильтра масс является линейной функцией логарифма давления остаточного газа.

3. При работе ТИЛ в режиме масс-селективной нестабильности для получения максимального соотношения сигнал/шум оптимальной является работа при давлении пробы 8* 10"5 - 10"4 мм.рт.ст.

4. Возможным методом борьбы с рассеянием ионов на молекулах в ТИЛ в режиме масс-селективной нестабильности может являться разбиение спектра на короткие участки. При этом уменьшится время пребывания ионов в ловушке и эффекты рассеяния будут наблюдаться значительно меньше.

124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью данной диссертационной работы являлся поиск способов улучшения параметров приборов квадрупольной масс-спектрометрии с газовым наполнением.

В работе построена аналитическая теория движения заряженных частиц в линейных ВЧ полях с учетом взаимодействия ионов с нейтральными молекулами, достоверность которой подтверждается результатами компьютерного моделирования.

Было показано, что при движении заряженных частиц в линейных ВЧ полях при наличии буферного газа существуют предельные значения амплитуд колебаний ионов по всем координатам. Получены аналитические соотношения, определяющие динамику изменения амплитуд колебаний заряженных частиц в атмосфере буферного газа, в зависимости от параметров рабочих режимов, давления буферного газа, соотношения масс ионов и нейтралей. Найдены области на диаграмме стабильности, при работе в которых возможно достижение наименьших значений кинетической энергии и амплитуд колебаний заряженных частиц при их взаимодействии с легким газом. Работа в этих частях диаграммы стабильности является наиболее оптимальной при использовании ТИЛ с газовым наполнением, как источника ионов, и КФМ, как средства для транспортировки ионов.

В работе доказано, что для ионов, двигающихся по нестабильным траекториям, наличие буферного газа приводит к существованию предельной амплитуды колебаний. Таким образом показана принципиальная возможность удержания в ТИЛ при определенных давлениях буферного газа нестабильных заряженных частиц.

В работе осуществлен поиск путей оптимизации работы режима масс-селективной нестабильности. Показана принципиальная возможность работы ТИЛ в этом режиме без буферного газа при условии фазового ввода поперечного ионизирующего потока с толщиной не более 0,04 от характерного размера анализатора. Продемонстрировано, что наличие нелинейных искажений поля с относительной амплитудой гармоник разложения потенциала менее 0,005 не ухудшает существенным образом аналитические характеристики данного режима.

Разработанная в работе модель движения ионов в линейных ВЧ полях в присутствии газа нейтралей позволяет определять диапазон рабочих давлений остаточного газа для квадрупольных масс-анализаторов, работающих в различных режимах.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сделать следующие выводы:

1 .Разработана уточненная аналитическая теория движения заряженных частиц в линейных ВЧ полях с учетом взаимодействия ионов с нейтральными молекулами, достоверность которой подтверждается результатами компьютерного моделирования. В рамках разработанной теории показано, что при движении заряженных частиц в линейных ВЧ полях при наличии буферного газа существуют предельные значения амплитуд колебаний ионов по всем координатам. Получены аналитические соотношения, определяющие динамику изменения амплитуд колебаний заряженных частиц в атмосфере буферного газа, в зависимости от параметров рабочих режимов, давления буферного газа, соотношения масс ионов и нейтралей. Определены области диаграммы стабильности, где достигаются минимальные значения кинетической энергии и амплитуд колебаний заряженных частиц при их взаимодействии с легким газом. Эти области являются оптимальными для ТИЛ с газовым наполнением в режиме источника ионов и КФМ в режиме транспортировки ионов.

2. Доказано, что в областях неустойчивости диаграммы стабильности столкновения ионов с молекулами ограничивает амплитуду колебаний заряженных частиц значениями, зависящими от давления и температуры нейтрального газа, отношения масс нейтральных и заряженных частиц и величины питающего напряжения, что показывает возможность удержания в ТИЛ с буферным газом нестабильных в его отсутствии ионов.

3. Показано, что при использовании фазового ввода и образовании ионов с малым разбросом начальных координат |Д^/г0| < 0,04 режим массселективной нестабильности в ТИЛ без буферного газа позволяет достичь значения разрешающей способности R>103. Установлено, что наличие нелинейных искажений поля с амплитудой гармоник разложения потенциала менее 5*10"3 не ухудшает существенным образом аналитические характеристики данного режима. Скорость развертки спектра масс в этом режиме без буферного газа в 3-5 раз больше, чем в аналогичном режиме с газовым наполнением.

4. Разработанная модель движения ионов в линейных ВЧ полях в присутствии многокомпонентного нейтрального газа позволяет определять диапазон рабочих давлений остаточного газа при работе квадрупольных масс-анализаторов в различных режимах. Показано, что отношение сигнал/фон для квадрупольного фильтра масс является линейной функцией давления остаточного газа в рабочем объёме.

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно-технической работы «Масс-анализатор по проекту «Марс 96» по договору № 68-90 от 02.06.90 г. и «Разработка и изготовление макета прибора для определения содержания летучих компонентов в лунном грунте, устанавливаемого на пенетраторе» по договору № 8-97 от 15.09.97 г., выполненных Рязанским Государственным Радиотехническим Университетом и институтом геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского (ГЕОХИ) РАН.

Результаты диссертационной работы используются при чтении лекций и создании лабораторных работ «Трехмерная ионная ловушка»; «Нелинейные резонансы в трехмерной ионной ловушке»; «Режим МС-МС в трехмерной ионной ловушке»; «Режим масс-селективного накопления в трехмерной ионной ловушке»; «Квадрупольный фильтр масс» по курсу «Физические основы современных методов анализа вещества» в Рязанском государственном радиотехническом университете (РГРТУ).

В заключение я выражаю глубокую благодарность моему научному руководителю к.т.н. Мамонтову Е.В. за предоставленную тему диссертации, за помощь в работе и обсуждении результатов.

Я также выражаю благодарность д.т.н. проф. Колотилину Б.И. и к.т.н. Рожкову О.В. за помощь и участие в работе.

128

1. Dempster A.//J. Phys. Rev., 11, 316 (1918).

2. Aston F. M. // Phil. Mag., 38, 707, (1919).

3. Шеховцев H.A. Магнитные масс-спектрометры. М.: Атомиздат, 1971. -232 с.

4. Рафальсон А.Э., Шерешевский A.M. Масс-спектрометрические приборы. М.: Атомиздат, 1968. 243 с.

5. Барнард Дж. Современная масс-спектрометрия. Пер. с англ. /Под ред. Кондратьева В.И. М. Изд-во иностр. лит., 1957. 415 с.

6. Paul W. and Steinwedel Н.// Z. Natur. 8a (1953) 448.

7. Сысоев A.A. Физика и техника масс-спектрометрических приборов и электромагнитных установок. М.: Энергоатомиздат, 1983. 256 с.

8. Todd J.F.J. Instrumentation in mass spectrometry.// Advanced in mass spectrometry. 1986, p 35, 70.

9. Чепмен Дж. Практическая органическая масс-спектрометрия. М. Мир,1988, -216 с.

10. Paul W., Raether М., Das elektrishe Massenfilter //Z. Physik, Bd. 152. (1955) 143-182.

11. Мак Лахлан H.B. Теория и приложения функций Матье. Ин. литер., Москва, 1953.

12. Шеретов Э.П. Основы теории трехмерной квадрупольной масс-спектрометрии. I. //ЖТФ, 49, в. 1 (1979), с 34-40.

13. Paul W. and Steinwedel Н. Ger. Pat. 944 900 (1956); US Pat. 2 939 952 (1960).

14. Paul W., Reinhard H.P., von Zahn U. Das Elektrische Massenfilter als Massenspektrometer und Isotopentrenner.// Zeitschrift für Physik, 1958, Bd. 125, s. 143-182.

15. Слободенюк Г.И., Титов А.И., Воронин B.C., Ивашкин В.И. Быстродействующий динамический квадрупольный масс-спектрометр//ПТЭ, 3 (1986) 141.

16. Gunther K.G.// Vacuum. 10 (1960) 293-309.

17. Dayton I.E., Shoemaker F.C. and Mozley R.F.// Rev. Sci.Instr. 25 (1954) 485.

18. Сысоев А. А., Чупахин M. С. Введение в масс-спектрометрию. M.: Атомиздат, 1977. 304 с.

19. Слободенюк Г.И. Квадрупольные масс-спектрометры. М.: Атомиздат, 1974,-272 с.

20. Dawson Р.Н. Quadrupole Mass Spectrometry and its Applications. -Amsterdam Oxford - New York, 1976. 181 p.

21. Шеретов Э.П. Основы теории, исследование и разработка гиперболоидных масс-спектрометров. Дис. докт. техн. наук - М. 1980, 398 с.

22. U. von Zahn // Rev. Sci.Instrum. 34 (1963) 1.

23. Lever R.F. // I.B.M.J. Res. Develop., 10 (1966) 26.

24. Dawson P.H., Whetten N.R. Ion Storage in Three- Dimensional Rotationally Symmetry Quadrupole Fields. Theoretical treatment. // J. Vac. Sci. and Technol., 1968, 4, p 1-18.

25. Richards J.A., Huly R.M., Hiller J. A new operating mode for the quadrupole Mass Filter.// // Int. J. of Spectrometry and Ion Physics, 12, (1973) P317-339.

26. Шеретов Э.П. Зенкин B.A., Могильченко Г.А. Теория и расчет импульсных масс-спектрометров. «Материалы 1-й Всесоюзной конференции по масс-спектрометрии». JL, 1972. -с 208 -307.

27. Lawson, G., Bonner, R.F., Todd, J.F.J. The the quadruopole ion store ('QUISTOR') as a novel source for a mass spectrometer. // J. Phys. E.: Sci. Instrum., 1973, 6:357-62.

28. Lawson, G., Todd, J.E.J., Bonner, R.F. Theoretical and experimental studies with the quadruopole ion storage trap ('QUISTOR'). //Dyn. Mass Spectrom., 1975,4: 39.

29. Шеретов Э.П. Об областях локализации заряженных частиц в квадрупольных масс-спектрометрах. //ЖТФ, 48, в. 10 (1978), с 22052206.

30. March R. Е., Hughes R. J. Quadrupole Storage Mass Spectrometry, New York, John Wiley , 1989, 450 p.

31. Шеретов Э.П. Гиперболоидные масс-анализаторы. // Измерения, контроль, автоматизация, 1980, № 11-12, с 29 43.

32. Шеретов Э.П. Основы теории трехмерной квадрупольной масс-спектрометрии. II. //ЖТФ, 49, в. 1 (1979), с 41-46.

33. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И. О расчете амплитуд колебаний заряженных частиц в квадрупольных масс-спектрометрах,// ЖТФ, t.XLII, в.9, стр. 1931-1933.

34. Мамонтов Е.В., Кирюшин Д.В. Расчет формы массовых пиков гиперболоидных масс-спектрометров с одномерной однополярной сортировкой ионов. // ЖТФ 1999 г., том 69, вып. 2. с. 103-106.

35. Todd J. F. J. Quadrupoles and Related Devices, in Dynamic Mass Spectrometry, Vol. 11, D. Price, editor, p 11-23, Heyden, London (1980).

36. Stafford G.C., Kelley P. E., Syka J.E.P., etal. Recent improvements in and analytical applications of advanced ion trap technology. // J. of Mass Spectrom. and Ion Proc., 1984, 60, p 85-98.

37. Syka J.E.P., Fies W.J., Jr. Qiadrupole Mass Spectrometer and Method of Operating there of. EP №0262928 A2, 06.04.88.

38. Veber-Grabau M. Method of operating an ion trap mass spectrometer, EP 1 0292180 Al, 23.11.1988.

39. Е. P. Sheretov, О. W. Rozhkov, A. E. Malutin., Kiryushin D.V. Mass selective instability mode without a light buffer gas. // International Journal of Mass Spectrometry 190/191 (1999) 103-111.

40. March R.E., An introduction to quadrupole ion mass spectrometry. // J. of Mass Spectom. 32, 351-369, 1997.

41. Pipes L. A. Matrix Solution of Equations of the Mathieu-Hill Type.// J. of Applied Physics, v. 24, 7, 1953, p 902-910.

42. March R. E., Hughes R. J. Quadrupole Storage Mass Spectrometry, New York, John Wiley , 1989, 450 p.

43. Сафонов М.П. Исследование сортировки заряженных частиц в высокочастотных электрических полях и разработка анализатора масс типа трехмерной ловушки с гиперболоидной электродной системой. -Дисс. канд. техн. наук. Рязань, 1980, 207 с.

44. Bonner R.F., Fulford J.E., March R. E., Hamilton G.F. The cylindrical ion trap, Part 1, General Introduction.// Int. J. Mass Spectrom. and Ion Phys., 1977, 24, p 255- 324.

45. Mather R. E., Waldren R.M., Todd J.E.J., March R. E. Some operational characteristics of a quadrupole ion storage mass spectrometer having cylindrical geometry.// Int. J. Mass Spectrom. and Ion Phys., 1980, 33, P201-231.

46. F. von Busch, W. Paul. Uber nichtlineare Rezonanzen in Elektrische Massenfilter als Folge von Feldfehlern. Z. für Physik, 1961, 464, S.588-594.

47. Шеретов Э.П., Терентьев В.И., Зенкин В.А. О влиянии нелинейных искажений питающего датчик высокочастотного напряжения на условия анализа в квадрупольных масс-спектрометрах. // ЖТФ, т. 47, 1977, стр. 434-437.

48. Franzen J. A simulation study of the ion trap mass spectrometer with multipole superposition.// Int. J. of Spectrometry and Ion Processes 106(1991) p 63-78.

49. Wang. Y., Franzen J. The non-linear ion trap. // Int. J. of Spectrometry and Ion Processes 132(1994) pl55-172.

50. Dawson P.H., Whetten N.R. Non-linear resonance's in Quadrupole Mass Spectrometers due to Imperfect, Fields 1. The Quadrupole Ion Trap. // Int. J. Mass Spectrom. and Ion Phys., 1969, l2, p 45-49.

51. R. Alheit, S. Kleineidam, F. Vedel, M. Vedel, G. Werth. Higher order nonlinear resonance's in Paul trap. // International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes 154 (1996) 155-169.

52. Кирюшин Д.В., Рожков O.B., Малютин A.E. Нелинейные резонансные явления в ГМС в режиме масс-селективной нестабильности. Научное приборостроение: межвуз. сб. науч. тр. Рязань, 1999.

53. Кирюшин Д.В., Рожков О.В., Малютин А.Е. Нелинейные резонансы в режиме масс-селективной нестабильности при импульсном питании. Научное приборостроение: межвуз. сб. науч. тр. Рязань, 2000.

54. Тихонов А.Н., Костамаров Д.П., Вводные лекции по прикладной математике, М: Наука, 1984, 190 с.

55. Waldren R.M., Todd J.EJ. Hie Use of Matrix Method and Fase-spase Dynamics for the Modeling of r.f. Quadrupole-type Device Performance.// Dynamic Mass Spectrometry, 1978, 5, p 14-40.

56. Колотилин Б.И. Исследование поведения заряженных частиц в высокочастотных заряженных полях и разработка трехмерногоквадрупольного масс-спектрометра с вводом ионов. Дисс. канд. техн. наук. - Рязань, 1976, 224 с.

57. Syka J.E.P. et al. Method of operating Ion Trap Detector in MS/MS mode, US Patent1 4736101, 05.04.88.

58. Пауль В.Г. Электромагнитные ловушки для заряженных и нейтральных частиц. Нобелевская лекция, Стокгольм, 08.12.1989.// УФН, 1990, 160, вып. 12, стр. 109-127.

59. Parks J.H., Szoke A. Simulation of collisional relaxation of trapped ion clouds in the presence of spase charge fields. // J. Chem. Phys. 103(4), 1995 1422-1439.

60. Ding Li, Sudakov M., Kumashiro S. A simulation study of the digital ion trap mass spectrometer. // Int. J. of Mass Spectrometry 221 (2002) 117138.

61. Ding Li, Sudakov M., Kumashiro S. etal. A digital ion trap mass spectrometer coupled with atmospheric pressure ion sources.// J, of Mass spectrometry, 39 (2004) 471-481.

62. Appelhans A.D., Dahl D.A. Measurement of external ion injection and trapping efficiency in the ion trap mass spectrometer and comparison with a predictive model. // Int. J. of Mass Spectrometry 216 (2002) 269-284.

63. Appelhans A.D., Dahl D.A. SIMION ion optic simulations at atmospheric pressure. //Int. J. of Mass Spectrometry 244 (2005) 1-14.

64. Sysoev A., Adamov A., etal. Development of an ion mobility spectrometer for use in an atmospheric pressure.// Rapid Communications in Mass Spectrometry, 18(2004) рЗ 131 -3139.

65. Мак-Даниель И. Процессы столкновений в ионизированных газах. Москва, Мир, 1967г.

66. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. Москва, Наука, 1987г.

67. Шеретов Э.П., Зенкин В.А., Болигатов О.И. Трехмерный . квадрупольный масс-спектрометр с накоплением. //ПТЭ, №1, 166, 1971, стр. 166-168.

68. Р. Н. Dowson. and N. R. Whetten. // J. Vacuum Sci. Technol., 6, 100 (1969).

69. Dawson P.H. The Acceptance of the quadrupole Mass Filter, Int. J. Mass Spectrom. and Ion Phys., 17 (1975), p 423-445.

70. Dawson P.H., Whetten N.R. Three- Dimensional Mass Spectrometer and Gauge. US Patent №3527939, 03.09.1970.

71. Dawson, P.H., Lambert, C. High pressure characteristics of the quadrupole ion trap. J. Vac. Sci. Technol., 1975, 12: 941.

72. A. Cornu & R. Massot. Compilation of Mass Spectral Data. : Heyden & Son, England, 1975.