Времяпролетный масс-спектрометр и его составные части

Настоящее изобретение относится к светосильным, высокоразрешающим TOF MS (TOF MS - времяпролетный масс-спектрометр).

Изобретение может быть использовано, например, в медицине, в биологии, в газовой и нефтяной промышленности, в металлургии, энергетике, геохимии, гидрологии, экологии, пищевой промышленности, для контроля допинговых и наркотических средств.

В данной заявке в основном придерживается систематизированных терминов и сокращений принятых в US 8,598,516 В2, WO2014126449 А1. В материалах данной заявки на изобретения также введены новые понятия и термины, связанные в основном с новыми объектами, предложенные впервые, которые в основном пояснены по ходу изложения формулы, в пояснении приложенных фигур и описания заявки изобретения. Некоторые из них, для однозначенного их истолкования требуют дополнительных пояснений, которые даны здесь. Для однозначности выбора координатной системы при различных симметриях полей с заданными граничными условиями введем понятия X-, продольно- вертикальной Й-, поперечно-вертикальной Й-плоскостей. Будем полагать, что прямоугольная декартовая система координат XYZ введена так, что ее координатная ΥΖ-плоскость совмещена с плоскостью общей симметрией рассматриваемой одноплоскостной COS (COS - корпускулярно-оптическая система), направив координатную Ζ-ось вдоль общего направления движения ионного потока. Это будет означать что: в COS с локальными СОЕ (СОЕ - корпускулярно-оптический элемент) основное направление движение ионного потока совершается вдоль Ζ-координатной оси, Υ-координатная ось связна с шириной ионного потока; в одноплоскостных mR (mR -многоотражательная) COS с удлиненными СОЕ ΥΖ-плоскость совмещена с плоскостью многоотражения (развертки) ионного потока; в 3D mR COS (3D 2V£ mR IOS и 3D mVr mR IOS) с удлиненными СОЕ ее ΥΖ-плоскость параллельна плоскостям многоотражения (развертки) ионного потока ее сосотавляющими одноплоскостных mR COS (tl mR IOS и rl mR IOS). При таком ведении прямоугольной декартовой системаы координат, ΥΖ-, XY- ΧΖ-плоскостей, соответственно будем называть λ-, продольно-вертикальной Й-, поперечно- вертикальной й-плоскостями. Отметим, что в случае круговой симметрии в плоскости развертки ионного потока (в ΥΖ -плоскости) освие координаты Υ и Ζ равноправны.

Концепция «ступенчатой фокусировки» - заключается в предварительной низкого порядка, чем у СО зеркала (СО - корпускулярно-оптический), времяпролетной фокусировки по энергетическому разбросу ионов в ионном пакете с помощью одного или более отклоняющих-корректирующих элементов и последующей высокого порядка фокусировки с помощью СО зеркала.

Отклоняющие-корректирующими элементами называются, отклоняющие элементы, например, цилиндрические конденсаторы (в частности сегменты коаксиальных цилиндров).

A-TIF - усредненная траектория ионного потока. COSS -корпускулярно- оптическая подсистема.

Декатрово-двумерный вид или СОЕ - выполнен с обеспечением возможности двумерности в декартовой системе координат.

R TOF MS (R -отражательный, TOF MS - времяпролетный масс-спектрометр) известны. R TOF MS, содержит: (i) один или более СО-блоки, содержащий, по меньшей мере, одно СО (СО - корпускулярно-оптическое) зеркало; (И) ионно- источниковую систему и детекторную систему, включающие, соответственно один или более источники и один или более детекторы; (ш) контроллерно-компьютерную систему,

В работе «Времяпролетный масс-спектрометр на основе электростатических полей двухмерных зеркал и цилиндрического конденсатора»

/https://elibrary.ru/itera.asp?id=21247181/ предложен и рассчитан времяпролетный масс-спектрометр, в котором многократные отражения осуществляются двумерными электростатическими зеркалами. Между зеркалами расположен цилиндрический конденсатор, поворачивающий ионный пучок на зеркало. Основными недостатками этой работы являются: рассмотрен частный случай из многих возможных сочетании цилиндрического конденсатора и ионных двухмерных зеркал в схеме масс- спектрометра; многих возможных сочетании цилиндрического конденсатора и ионных двухмерных зеркал в схеме масс-спектрометра; не рассмотрены возможностей использования других, кроме цилиндрического конденсатора, отклоняющих элементов для поворачивания ионного потока на зеркало; не рассмотрены возможностей использования других, кроме ионных двухмерных зеркал, для высокого порядка времяпролетной фокусировки ионного пакета.

В US 8,598,516 В2, WO2014126449 А1 и WO 2017003274 A3 были предложены:

(а) новые виды R TOF MS, в том числе включающие некоторые COS, выполненные с обеспечением возможности двухпетлевого многоотражения;

(b) концепция многотрактности масс-спектрометров известных видов и предложенных новых видов R TOF MS;

(c) новые виды СОЕ для реализации новых видов высокоразрешающих R TOF MS и многотрактных MS.

Этих работы имеют недостатки - все технические решений предложенные в них относится к некоторым частным случаям R TOF MS и их составляющих, и они не рассмотрены в системном виде.

Необходимость создания высокоразрешающих R TOF MS для управления различными технологическими процессами требуют системного подхода к разработке всех возможных вариантов светосильных высокоразрешающих R TOF MS.

Основной задачей настоящего изобретения являются увеличения разрешающей способности R TOF MS. При этом варианты устройства охватывают все уровни блочности и уровни габаритов MS.

Известен одноканальный или многоканальный TOF MS (TOF MS - времяпролетный масс-спектрометр), включающий:

(i) содержащий, по меньшей мере, ИИ-блок (блок ионного источника) и анализаторный блок, и их соответствующие каналы, которые содержать свои соответствующие COSS (COSS - корпускулярно-оптическую подсистемой) в каждом канале блока; (ii) детекторную систему, включающую один или более детекторы;

( ) контроллерно-компьютерную систему.

Основные отличия предлагаемого R TOF MS от известных R TOF MS заключается в том что, по меньшей мере, один из MS-каналов выполнен с обеспечением возможности функционирования в узкопоточным и/или широкопоточным (возможность работы узким и/или широким ионными потоками), и однотрактном и/или многотрактном (nD jP, где D - dimensCOnal, Р- path, n=2,3, j=l,2,3,...) режимах, при этом имеет, по меньшей мере, одну из особенностей:

(a) COSS его анализаторного канала включает один или более, выбранные из видов двухотражательных составляющих COSS узлов, включая видов V5R

(петлевого отражения) и Z91 (Ζ-образного отражения), каждый из которых содержит пару СО (СО-копускулярно-оптический) зеркал, выбранные из ряда однозоных и двухзанных зеркал, и выполнен с обеспечением возможности выбора величин острых углов γ и γ ₂ , между направлениями ионного потока выхода из одного СО зеркала и входа в другое СО зеркала, ограничены в пределах: - тт/4< ^ <0 и 0< χ _ι <ιτ/4; 0<γ ₂ <τ/4 и - тт/4</ ₂ <0;

(b) COSS его анализаторного канала включает один или более отклоняющие- корректирующие СОЕ (СОЕ - корпускулярно-оптические элементы), выполненные с обеспечением возможности, по меньшей мере, одной из особенностей, выбранной из ряда: низкого порядка TOF-F IP (TOF-F IP -времяпролетная фокусировка ионного пакета по энергетическому разбросу ионов в пакете), для обеспечения S/TOF-F IP (S/TOF-F IP - «ступенчатая времяпролетная фокусировка» ионного пакета по энергетическому разбросу ионов в пакете) совместно с однозонным или двузонным СО-зеркалом; направления ионного потока из одного в другое зеркало; компенсация вертикальной пространственной дисперсии («расплывании») ионного потока;

(с) ИИ-блок, который включает, по меньшей мере, одно-источниковый (однотрактный или многотрактный) или многоисточниковый (многотрактный) энергофильтрующий SFFI (SFFI - источник-формирователь потока ионов), включая их вид с «компенсированной разницей длины хода ионных траекторий», выполненный с обеспечением возможности пропускания в анализаторный канал потока ионов с заданной или регулируемой областью (выбора энергетической шириной и положения этой ширины) энергетического распределения ионов в потоке.

Другие отличия предлагаемого R TOF MS от известных R TOF MS заключается в том что:

- его, по меньшей мере, один из анализаторных каналов включает один из видов R COSS (R - отражательный), выбранную из ряда:

(a) 2V OLR COSS (2V - двухпетлевая, OLR - однослойно-отражательная), включающая четыре локальные СО-зеркала;

(b) tl R COSS (11 - линейно-одноплоскостная), включающая два системно- удлиненные СО-зеркала выбранные из ряда: полнорядное системно-удлиненное и секторное системно-удлиненное;

(c) rl R COSS (rl - концентрированные одноплоскостные), выполненные в криволинейно-граничном виде второго порядка, или п -граннего/секторном виде.

(d) 3D 2V mR COSS (3D - 3-х мерная, mR -многоотражательная), выполненые в однопроекционно-двухпетлявидно� � виде (сокращенно - 3D 2VI mR COS) или многопроекцио-двухпетлявидном виде (сокращенно - 3D m2Vr mR COS); - его COSS выполнена выбранной из ряда: осесимметричная, трансаксиальная, декартово-двумерная, включая их конические виды, при этом все COSS выполнены с обеспечением возможности выбора эффективной поверхности отражения в виде декартово-двумерной поверхности или сечения поверхностей в плоскости траектории ионов (падения и отражения) второго порядка, в частности секторов окружности, гиперболы, параболы;

- отклоняющий-корректирующий элемент в его COSS S/TOF-F IP выполнен в виде цилиндрического конденсатора;

- его COSS S TOF-F IP выполнена с обеспечением отражения ионного потока на одном или более зеркалах на всех слоях развертки, и с обеспечением одной из особенностей:

(а) однослойная, OLR (OLR - с локальными СОЕ, в частности расположенные на одной плоскости), при одном и более зеркалах и при 1/2-ом или более повороте на зеркало;

(Ь) одна или более периодическая развертка по λ-плоскости, при одном зеркале и при 1-ом повороте на зеркало;

(с) одна или более периодическая развертка по λ-плоскости, при 2-х зеркалах и при

1-ом повороте на зеркало, с разведенными или неразведенными прямой и обратной ветвями траектории;

(d) одна или более периодическая развертка по λ-плоскости, при 2-зеркалах и при 2-х поворотах на зеркало, с разведенными или неразведенными прямой и обратной ветвями траектории;

- его COSS S/TOF-F IP выполнена с обеспечением развертки в слоях с локальными СО-зеркалами и чередующихся с ними слоях без зеркал, и также с обеспечением одной или более периодической развертки по λ-плоскости, с разведенными или неразведенными прямой и обратной ветвями траектории;

- его энергофильтрующий SFFI, включая их вид с «компенсированной разницей длины хода ионных траекторий» и/или возвратноточным ходом ионных траекторий (возвратноточным ИИ-блоком), выполнена с обеспечением возможности пропускания в анализаторный канал (подачи в анализатор) ионов в потоке с заданной или регулируемой областью (выбора энергетической шириной и положения этой ширины) энергетического распределения ионов в потоке, на основе постоянного или переменного значения потенциалов на электродах и/или размера пропускного окна в SFFI.

- SFFI включает один или более безмагнитные СОЕ выбранные из ряда: электрическая призма, включая ее электростатическое двумерный вид; цилиндрический энергофильтр; аксиально-симметричный энергофильтр;

- в ней, по меньшей мере, одна SFFI выполнена с отводным карманом для отвода часть ионного потока от его основной анализируемой части;

- его вакуумный кожух выполнен в системном виде, и он создает системную вакуумную камеру, которая содержит: отделение для анализаторного блока и одно или более отделений присоединенной откачной системы, в каждом из которых расположена присоединенная откачная подсистема, содержащая периодичнозамкнуто-многослоенн� �го Р _с -вида магнит, в частности четырех групп магнитов, расположенных антисимметрично.

- в нем, по меньшей мере, одно из отделений присоединенной откачной системы расположено в области смежной с его источником ионов и/или с отражающей областью COS в MS. Настоящее изобретение может быть осуществлено во многих вариантах, и только некоторые привилегированные варианты конструкции будут описаны посредством примеров, представляемых в схематическом виде в сопровождающих чертежах.

На фиг. 1-25 показаны символические токи ионных потоков (траектории трактов ионного потока показаны сплошными линиями со стрелкой) и ЭПО (ЭПО - эффективные поверхности отражения) ионного потока (ионных пакетов) в R (R- отражательный) COS (COS -корпускулярно-оптическая система). При этом на фиг. 1- 25 и последующих фигурах введены некоторые общее обозначений: толстыми прерывистыми (пунктирными) линиям обозначены ЭПО ионного потока; тонкими непрерывными линиями и стрелками на них, соответственно символический обозначены токи ионных потоков и направление движения ионного потока; единичные векторы к с нижними индексами, например κ . и к - ₂ , определяют направлений, входной в COS и выходной из COS у -ой усрединенной траектории ионного потока; нижние индексы X или % при обозначениях объектов, что эти объекты показаны, соответственно в проекции на λ-плоскость или на Й-плоскость.

На фиг. 1а-9 показаны отдельные RS2 ^82-двухотражатель) с локальными ЭПО, которые включает одну пару сопряженных локальных R СО (СО - корпускулярно- оптический) элементов, в которых ионные потоки могут быть широкими (широкопоточными) или узкими (узкопоточными), выполненные с заданными локальными (секторными) эффективными поверхностями отражения, расположенные в областях вершин отражения.

На фиг. 1а-4 показаны в проекции на λ-плоскость (средную плоскость), совмещенной с координатной ΥΖ-плоскостью На фиг. 1а и lb показаны виды RS2 с линейными ЭПО (ЭПО-эффективные поверхности отражения) и 5^ , а также ζ ^' _ιχ - ионный поток в ней, в случаях когда проекции на λ-плоскость косого угла падении ионного потока, соответственно: отличны от нуля θ^ Ф 0 и θ^ ₂ ф 0; равны нулью θ^ = 0 и θ^ ₂ = 0. На фиг. 2а и 2Ь показаны виды RS2 с локальными параболическими ЭПО Ξ _2ι и , а также Ι ₂ - ионный поток в ней, в случаях когда проекции на λ-плоскость косого угла падении ионного потока, соответственно: отличны от нуля θ ₂₁ Ф 0 и θ ₂₂ ^ φ 0; равны нулью θ ₂₁ = 0 и θ ₂₂ = 0. На фиг. 3 и 4 показаны виды RS2 соответственно с локальными секторными эллиптической и сферической ЭПО с разнесенными фокусами, а также ионные потоки в них.

На фиг. 5 и 6 показаны виды RS2 в проекциях на вертикально-продольную h- плоскость, соответственно при V91 и Z5R, отражениях. Любой из RS2, показанные на фигурах 1а-4, может быть выполнен в одном из видов VSR и Z5R. При этом локальный боковой корректирующий СОЕ D* _]h , представленный в проекции на продольно-вертикальную ^-плоскость, охватывающий усредненной межэлементной сопрягающей ветви траектории выполнен с обеспечением возможности, по меньшей мере, корректирующий вертикальное направление и сопряженность ионного потока.

На фиг. 7-9, представленных в проекции на λ-плоскость (фиг.7) и вертикальную- продольную ^-плоскость (фиг. 8а, 8Ь, 8с, 9), как видно, ионы, исходящие с малыми высотами областей 2S', 2S" и 2S'" (отдельных участков), расположенные в окрестностях оси симметрии (оси Z на фиг. 7 и 9, или оси Ζ' на фиг. 8а, 8Ь, 8с), могут быть детектированы на детекторах 2D', 2D" и 2D'", расположенных в окрестностях оси Ζ или Ζ\ Исходящие из областей 2S', 2S" и 2S'"S ионы могут быть мало смещены от оси Z' или Z, так, что входящий в первый отражатель и в дальнейшем весь ионный поток по координатной оси Z или Z' можно рассматривать как приосевой. На этом основании можно допустит, что: любой из фиг. 8а, 8Ь, 8с, совместно с фиг. 7, отображает случай когда одна из отражателей выполнена с прямой осью: 0<χ _ιη <τ;/4;

Y _h =0; фиг. 7 и 9, совместно, отображает случай с прямолинейной общей осью (отражатели выполнены с прямой осью), т.е. когда y _lh = y _2h =0. При этом на фиг. 8а, 8Ь и 8с, в проекции на λ-плоскость, показаны два вида формирования ионного потока, с промежуточной фокусировкой (на фиг. 8а) и без промежуточной фокусировкой (на фиг. 8Ь, 8с). На фиг. 8а ионы исходящие из двух крайних элементов (участков) 2S' и 2S"' с малой высотой области проходят через фокус F^ . Отметим, что при определенных условиях, например когда вертикально-продольная й-плоскость совпадает со средней плоскостью COSS, по этой плоскости ионный поток может быть широким.

Представленные на фиг. 7-9 RS2 могут также служит примером на многотрактность, когда два или более тракты ионного потока имеют начали и концы вне средней плоскости COSS.

На фиг. 10-19 представлены OLR R COSS, включающие два или более RS2, расположенные в окрестности одной плоскости.

На фиг. 10 и 11 представлены включающая четыре локальные СО-зеркала 2V OLR COSS (2V - двухпетлевая, OLR - однослойно-отражательная), соответственно вертикально-продольно Й-плоскостно-двухпетлевая и λ-плоскостно-двухпетлевая четырехотражательные R COSS.

На фиг. 12а-14 представлены {1 R COSS (tl - линейно-одноплоскостная), включающие два системно-удлиненные СО-зеркала выбранные из ряда: полнорядное системно-удлиненное и секторное системно-удлиненное. СОЕ в tl R COSS могут быть выполнены рядно-удлиненными или едино-удлиненными, которые включают секторно- или полнорядно-удлиненной составляющие без общей средней поверхностью/плоскостью (в частности многослойные) или с общей средней поверхностью/плоскостью.

На фиг. 12а-12с в проекции на λ-плоскость, представлены многотрактные многоотражательные tl R COSS (они могут быть выполнены однотрактными), включающие два или более RS2, расположенные линейно в плоскости YZ, ЭПО которых выбраны из ряда: плоские; секторы цилиндрических парабол; секторы цилиндрических кругов.

На фиг. 12а представлена многотрактная tl mR COSS (mR - многоотражательная), едино-удлиненные ЭПО которых, в проекции на Х-плоскость, выполнены в виде прямых линии. В таких tl mR COSS, как правила, A-TIF расположена в одной плоскости.

На фиг. 12Ь и 12с представленные mR COSS также относятся к tl mR COS, но А- TIF может быт расположен в одной плоскости (с общей средней плоскостью) или выти за пределы одной плоскости (без общей средней поверхностью). Это связаны тем, что не все смежные отражение ионного потока осуществляется одним отражателем (рядно удлиненный), в частности каждое смежное отражение может осуществляться отдельным отражателем. При этом СОЕ на фиг. 12Ь выполнены полнорядно-удлиненной, а на фиг. 12с выполнены секторно-удлиненной.

На фиг. 13 и 14 представлены многотрактные двухотражательные tl R COSS, включающая два удлиненные СОЕ-отражатели, с двумя отражениями каждого ионного тракта. При этом рядно удлиненные СОЕ на фиг. 13 выполнены с общей средней плоскостью, а на фиг. 14 выполнены многослойной средней плоскостью

На фиг. 15-19 представлены rl R COSS (rl - концентрированные одноплоскостные), выполненные в криволинейно-граничном виде второго порядка, или п -граннего/секторном, включающие два или более RS2, которые расположенны вокруг одного центра. При этом на фиг. 15-19, в проекции на λ-плоскость (на фиг. 15-

17) и в проекции на ^-плоскость (на фиг. 18 и 19) показаны два вида формирования rl

R COSS, ЭПО которых выбраны из ряда: плоские; секторы цилиндрических парабол; секторы цилиндрических кругов. Эти два вида формирования COSS связаны тем, что A-TIF (A-TIF - усредненная траектория ионного потока) по отношению его лицевого вектора любого вида отражательного элемента проходят под определенным углом, отличный от нуля (петлявая rl R COSS) или проходят под углом равный нулю (прямоотражательные rl R COSS).

На фиг. 15 и 16 представлены широкопоточные rl R COSS, ЭПО которых в проекции на λ-плоскость выполнены в виде секторов, соответственно прямых линии и парабол. При этом на фиг. 15 показана петлявая rl mR COSS, на фиг. 16 показана прямо-двухотражательная многотрактная rl R COSS (сокращенно - прямо- отражательная rl 2R COSS). Петлявая rl mR COS, показанная а фиг. 15, в принципе может быть выполнен однотрактной или многотрактной - например, первый поток в окрестности области 12, после четырех отражении, может выти из COSS (показаны пунктирными линиями) для детектирования, и в окрестности области 12 или другом месте может быть расположен источник. На фиг. 17 показана петлявая rl 2R COSS с круглой ЭПО. На фиг. 18 и 19 в продольно-вертикальной ^-плоскости представлены rl R COSS показанные, соответственно на фиг. 16 и 17. Толстыми пунктирными линиями показаны ЭПО. Символами Н и м, соответственно отмечены источники и детекторы.

На фиг. 20-25 представлены 3D 2V mR COSS (3D - 3-х мерная, mR - многоотражательная), выполнение в однопроекционно-двухпетлявидно� � виде (сокращенно - 3D 2V£ mR COS) или многопроекцио-двухпетлявидном виде (сокращенно - 3D m2Vr mR COS), включающие две сопряженные rl mR COSS (или две И mR COSS), λ-плоскости которых расположены параллельно. На фиг. 20 и 21, соответственно, в проекции на продольно-вертикальную Й-плоскость и на λ- плоскость представлены однопроекционно-двухпетлявидна� � 3D mR COS (сокращенно - 3D 2Vt mR COS, выполненная с четырьмя удлиненными отражателями R ^il с соответствующими заданными направлениями лицевых векторов Л^ , где j=l,2,3,4.

При этом удлиненные боковые корректирующие СОЕ, представленные в проекции на продольно-вертикальную Й-плоскость _m , (фиг. 20) и на λ-плоскость D _£2 ^

(фиг. 21), охватывающие усредненные межэлементные части траекторий, выполнены с обеспечением возможности, по меньшей мере, одного из особенности, выбранный из ряда: корректирующий горизонтальное направление и сопряженность ионного потока; корректирующий продольно-вертикальное хроматическое расширение ионного потока; корректирующий продольно-вертикальное направление ионного потока. Отметим, что 3D 2V mR COS может иметь одну (с одной ее боковой стороны) или две (с двух ее боковой стороны) боковые корректирующие СОЕ. На фиг. 21 также показны и ί ₍₂ - две наложенные, противоположенных направлений двух трактов A-TIF при гармонической развертке их в проекции на X -плоскость.

На фиг. 22-25 в проекциях на λ-плоскость (фиг. 22 и 23) и на продольно- вертикальную ^-плоскость (фиг. 24 и 25) представлены много-проекционная петлевая 3D mR COS (сокращенно - 3D mVr mR COS), выполненная в виде двух сопряженных rl mR COSS.

При этом на фиг. 22 и 24, соответственно в проекции на -плоскость и в проекции на Й-плоскость показана вид выполнения 3D mVr mR COSS диагональной развертки. На фиг. 23 и 25, соответственно в проекции на λ-плоскость и в проекции на %- плоскость показана вид выполнения 3D mVr mR COSS 4-х сторонней развертки. На фиг. 22-25 точки, обозначенные lk и 2к, где к=1, 2, 3, указывают очередности точек отражения, соответственно на одной и на другой rl mR COSS. Отметим, что: 3D mVr mR COSS диагональной развертки выполнена с обеспечением возможности только диагональной развертки ионного потока - каждое отражение ионного потока на одной переведет его на другой rl mR COSS; 3D mVr mR COS 4-х сторонней развертки выполнена с обеспечением возможности - с одной на другой rl mR COSS ионный поток переводят после двух отражения на каждой rl mR COSS.

На фиг. 26-45 представлены некоторые возможности осуществления предлагаемой новой концепции S/TOF-F IP (S/TOF-F IP - «ступенчатая времяпролетная фокусировка» ионного пакета по энергетическому разбросу ионов в пакете). Отметим, что траектории трактов ионного потока показаны сплошными линиями со стрелкой. «Ступенчатая времяпролетная фокусировка» осуществляется с помощью одного или более отклоняющих-корректирующих элементов, например, в виде цилиндрических конденсаторов D _cdj , создающие секторные отклоняющие поля, где j=l, 2,.... порядковый номер цилиндрических конденсаторов, с последующей высокого порядка фокусировкой с помощью СО зеркала где j=l, 2,.... порядковый номер СО зеркал. На фиг. 26-28 в проекции на продольно-вертикальной ^-плоскости представлены однослойные, OLR (с локальными СОЕ, в частности расположенные на одной плоскости) в R COSS S/TOF-F IP: на фиг. 26 - при одном зеркале, и при 1-ом повороте A-TIF на зеркало; на фиг. 27 - при 2-х зеркалах, и при 0,5-ом повороте A-TIF на зеркало; на фиг. 28 - при одном зеркале, и при одном повороте A-TIF на зеркало;

На группах фиг. 29-39 и 40-45 представлены mR COSS S/TOF-F IP выполненные с обеспечением одной или более периодической развертки A-TIF по λ-плоскости, соответственно: с отражением ионного потока на одной более зеркалах на всех слоях развертки (на фиг. 29-39); с отражения ионного потока на локальных зеркалах, на слоях, чередующихся со слоями без зеркал (на фиг. 40-45).

Как видны из фиг. 29-33 Й-плоскости представлены mR COSS S/TOF-F IP с одной или более периодической разверткой A-TIF по λ-плоскости: при одном зеркале, и при

1-ом повороте A-TIF на зеркало (на фиг. 29); при 2-зеркалах в mR COSS S/TOF-F и при 1-ом повороте A-TIF на зеркало, с неразведенными (на фиг. 30) или разведенными (на фиг. 31) прямой и обратной ветвями траектории; при 2-зеркалах и при 2-х поворотах на зеркало, с неразведенными (на фиг. 32) или разведенными (на фиг. 33) прямой и обратной ветвями траектории;

На фиг. 34-36 в проекции на λ-плоскость показаны, приведенные выше на фиг. 29-

33 mR COSS S/TOF-F IP с одной (с целью нагромождения чертежа) периодической развертки A-TIF в ней: на фиг. 34 представлена mR COSS, показанная и фиг. 29; на фиг. 35 представлена mR COSS, показанные на фиг. 30 (при прямом и обратном прохождении) и фиг. 31; на фиг. 36 представлены mR COSS, показанные на фиг. 32 (при прямом и обратном прохождении) и фиг. 33.

На фиг. 37-39 в проекции на Й-плоскость приведены, соответственно 1-й, 2-й и 3-й слои однопериодической развертки A-TIF в mR COSS S/TOF-F IP, показанной выше на фиг. 30. Слои при одной развертке A-TIF, в проекции на Й-плоскость, в mR COSS

S/TOF-F IP, показанной выше на фиг. 31, в принципе такие же как на фиг. 37-39, только вместо фиг. 38 будет его вертикально перевернутый аналог. Количество поворотов на зеркало можно увеличить на основе обеспечения добавления, между слоями расположения СО-зеркала, одного или более слоев развертки A-TIF без зеркал. На фиг. 40-43, приведены, соответственно 1-й, 2-й, 3-й, 4-й слои однопериодической развертки A-TIF в mR COSS S/TOF-F IP, выполненной с обеспечением развертки A-TIF в слоях, чередующихся с 2-мя локальными СО- зеркалами и без зеркал. При этом периодическая развертка A-TIF в mR COSS S/TOF- F IP на фиг. 40-43 получены на основе обеспечения добавления одного слоя развертки A-TIF без зеркал, расположив его между слоями расположения СО-зеркал в mR COSS S/TOF-F IP, показанной на фиг. 30.

На фиг. 44 в проекции на λ-плоскость показан, вид однопериодической развертки A-TIF в mR COSS S/TOF-F IP, приведенных выше на фиг. 40-43.

На фиг. 45 в проекции на λ-плоскость показан, вид однопериодической развертки

A-TIF в mR COSS S/TOF-F IP, приведенной выше на фиг. 32, при обеспечении добавления, между слоями содержащие СО-зеркала, одного слоя развертки A-TIF без зеркал. mR COSS S/TOF-F IP могут быть выполнены широкопоточными, однотрактными или многотрактными.

mR COS со ступенчатой фокусировкой имеют высокие показатели компактности, разрешающей способности и скорости сканирования.

На фиг. 46-50 в проекции на вертикальную плоскость, совмещенную с XY - плоскостью прямоугольной декартовой системы координат XYZ, показаны некоторые примеры формирования систем пропускных окон ионно-источникового блока (сокращенно ИИ-блок) с энергофильтрующим SFFI:

- на фиг. 46, 47 и 48 показаны системы пропускных окон при двоякосимметричном поле, среднее плоскости симметрии которого совмещены с координатной XZ и YZ плоскостями, соответственно при их видах: однооконный, двухоконный, шестиоконный;

на фиг. 49 и 50 показаны системы пропускных окон при аксиальносимметричное поле (вращательной симметрией, ось симметрии которого совмещена с координатной осью Z), которые соответственно включают одно кольцевое окно и кольце-секторного вида четыре окна.

Накопительно-выталкивающая камера ИИ-блока с энергофильтрующим SFFI может быть формирован на основе присоединения к каждой из них любой из систем пропускных окон показанных на фиг. 46-50.

В принципе любой ИИ-блок, в том числе с энергофильтрующим SFFI, может быть выполнен с «компенсированной разницей длины хода ионных траекторий». Отметим, что во всех фигурах A-TIF трактов ионного потока показаны сплошными линиями со стрелкой. На фиг. 51 показан общий принцип выполнения ступенчатого ИИ-блока с «компенсированной разницей длины хода ионных траекторий». При этом каждая накопительно-выталкивающая камера ИИ-блока включает группы электродов - на фиг. 51 ИИ-блок состоит из трех групп электродов, каждая из которых включает четырех локальных электродов и состыкована с одной из трех накопительно-выталкивающих камер isSl, is52 is53. Как показаны на фиг. 51 три тракта ионного потока не имеют разницу длины хода между собой при падении на плоскость АА ¹ - выполнен с «компенсированной разницей длины хода ионных траекторий».

На фиг. 52, для примера, также показана структура одной из накопительно выталкивающей камеры «21 , которая включает: выходное окно WL21 ; составляющих стенок: две боковые стенки из электроизоляционного материала spl sp2 выталкивающий электрод еЕ и накапливающего ионов объема iV , который образован упомянутыми составляющими стенок выталкивающей камеры «21.

Конечно, виды формирования ИИ-блока с энергофильтрующим SFFI весьма разнообразны, также как и виды формирования систем пропускных окон. На фиг. 53-57 в проекции на Й-плоскость (фиг. 53 и 54) и в проекции на λ-плоскость (фиг.

55а и 55Ь) показаны примеры формирования линейных ИИ-блоков с энергофильтрующим SFFI.

На фиг. 54 дополнительно показаны ловушки pi и р2 для блокирования часть ионного потока при обеспечении возможности пропускания в анализаторный канал потока ионов с заданной или регулируемой областью (выбора энергетической шириной и положения этой ширины) энергетического распределения ионов в потоке. При этом IlL0g - мелкоячеистая сетка для пропускания ионов в ловушки, wl и w2 - стенки ловушки.

На фиг. 56 и 57 в проекции на Й-плоскость показаны примеры формирования возвратноточных ИИ-блоков с энергофильтрующим SFFI. На фиг. 51-57 показаны разноисточниковые многотрактные ИИ-блоки с энергофильтру ющим SFFI - с отдельными накопительно-выталкивающими камерами для каждого ионного тракта. В случае, когда все тракты ионного потока сформированы из одного источника, ИИ-блок с энергофильтрующим SFFI является одноистчниковым. При этом, два или более одноисточниковые монооконные накопительно-выталкивающие камеры могут быть выполнены, в принципе, в виде одной мультиконной накопительно-выталкивающей камеры.

На фиг. 46-57 показаны ИИ-блоки с энергофильтрующим SFFI и его составляющие при двоякосимметричном и аксиальносимметричном полях.

Перейдем к рассмотрению ИИ-блоки с энергофильтрующим SFFI, включающие конденсаторного вида COSS. Некоторые, из таких COSS представлены на фиг. 58-63. Напомним, что во всех фигурах в данной заявки A-TIF, показаны сплошными линиями со стрелкой.

На фиг. 58 в проекции на ху -плоскость показана COSS 2cl, состоящая из двух плоских конденсаторов cll и с12, симметрично расположенные относительно yz- плоскости декартовой системы координат xyz . На фиг. 59 в проекции на xz - плоскость показан фильтрующий конденсаторного вида COSS 2clF, выполненный на основе конденсаторной системы 2d, где каждый плоский конденсатор состыкованы передним ΠΘ1 и задним ΠΘ2 электрод-диафрагмами.

На фиг. 60 в проекции на ху -плоскость показан с торцовой части цилиндрический конденсатор сЗ, состоящий из двух концентричных цилиндров с31 и с32, ось симметрии которых совмещена с Z- осью декартовой системы координат xyz . При этом показана возможность усечение сектора цилиндрического конденсатора сЗ с центральным углом γ3. На фиг. 61 в проекции на xz -плоскость показан с торцовым вход-выходом фильтрующий конденсаторного вида COSS c31F, выполненный на основе цилиндрического конденсатора сЗ , где цилиндрический конденсатор состыкован передним ΠΖ 1 и задним YID2 дисковыми электрод-диафрагмами.

На фиг. 62 в проекции на xz -плоскость показан с боковой части сектор цилиндрического конденсатора с32. На фиг. 63 в проекции на ху -плоскость показан с боковым вход-выходом фильтрующий конденсаторного вида COSS c32F, выполненный на основе сектора цилиндрического конденсатора с32 , где цилиндрический конденсатор состыкованы передним ΠΘ1 и задним ΠΘ2 электрод-диафрагмами.

Размеры рассмотренных фильтрующих конденсаторного вида COSS c31F и c32F в одном из направлении координатных осей физический не ограничены. COSS, выполненный на основе цилиндрического конденсатора может работать с кольцевой формы ионным потоком. Эти их особенности при соответствующих стыковках их с соответствующими пропускными окнами и выборе симметрии входных окон позволяют использовать их для многотрактного потока заряженных частиц. Фильтрующая конденсаторного вида COSS можно непосредственно стыковать с коротко импульсного вида источниками ионов, каковыми, например, являются источники с применением коротко импульсного лазерного излучения.

MS может включать нескольких каналов и/или трактов. Многоканальный MS может быть выполнен с обеспечением возможности, одновременного или поочередного направления (переводно-разноканальный) ионного потока, по меньшей мере, по одному укороченному и по одному высокоразрешающему MS-каналам. Переводно- разноканальный MS включает два или более разнообразные виды каналов и с помощью дополнительного COSS или дополнительных электродов, поочередно переводят один или более ионных потоков в разные каналы.

На фиг. 64 -67 приведены примеры использования энергофильтрующих SFFI в MS, когда ИИ-блок включает однообразные тракторные ионные потоки, т.е. все ионные потоки по форме одинаковые. Перпендикулярными пунктирными линиями показаны плоскости Ptf времяпролетной фокусировки.

На фиг. 64 и 65 в проекции на X показаны MS с SFFI, созданные на основе систем, показанных на фиг. 55а и 55Ь.

На фиг. 66 в проекции на Й-плоскость показано ИИ-блоки с энергофильтрующим SFFI, выполненный с обеспечением возможности времяпролетной фокусировкой ионных пакетов, на основе двух отражении. Отметим, что данный ИИ-блок может быть использован как TOF MS. Важной частью его является двухотражательный СО-узел выделенный отдельно на фиг. 67. Анологичные двухотражательные СО-узлы могут быть выполнены при любой симметрией поля. Двухотражательный СО-узел, в частности может быть выполнен двумерным или вращательной симметрией относительно оси Z и может быть присоединен к ИИ-блоку с двумерным конденсатором или с COSS осесимметричным полем (цилиндрический конденсатор или любой другой осесимметричный энергофильтр).

На фиг. 68 представлено двузонное Ю зеркало K160R с усредненным лицевым вектором п , содержащий: плоскую заглушку K161Rn, составляющие первого К161 электрода; вторые электроды К162.1 и К162.2 двух зон; третье электроды К163.1 и К163.2 двух зон; четвертые электроды К164.1 одной зоны и горизонтальное составляющее К164.2 и боковые составляющие K164sl, K164s2 четвертого электрода другой зоны. При этом межэлектродные щелей выполнены прямолинейно и вертикально к продольно-вертикальной плоскостью 10 зеркала. Конечно, электрод К164.2 может быть выполнен без боковых составляющих. Подобные двузонное IO зеркало для падающего и отраженных ионных потоков может иметь разные фокусные расстояний. Такое свойство двузонного Ю зеркала можно использовать для расширения функциональных возможностей COSS, особенно для COSS S/TOF-F IP.

На фиг. 69а и 69Ь в объемном виде показаны два примера формирования электродных групп совместно с системой пропускных окон:

- на фиг. 69а показан с вращательной симметрией четырехэлектродный удлиненнный EADc , который в принципе является энергофильтрующим SFFI с вращательной симметрией относительно координатной оси Z;

- на фиг. 69Ь показан двокосимметричный четырехэлектродный ЕС\2\, который в принципе является энергофильтрующим SFFI с двокосимметричным распределением поля, и включает: четыре локальные электроды 261 , 262 , 263 , 264 ; пограничную поверхность (система пропускных окон) ПС1 в форме сектора цилиндра; два удлиненные входные окна WC2\ и WC22 ; электрод-диафрагму ΠΧΘ с выходным окном Θ/ .

Энергофильтрующие SFFI показанные на фиг. 69а и 69Ь, а также другие их типы могут дополнительно содержать, после электрода-диафрагмы, по меньшей мере, один электрод. Пример такого случая показан на фиг. 70, в виде ЕС125 , которой после диафрагмы ΠΧΘ содержит дополнительно два электрода 265 и 266. Присутствие таких электродов в предыдущих фигурах не показано, чтобы не загромождать чертежи, но будем всюду предполагать возможность присутствие таких электродов.

На фиг. 71-77 представлены COS анализатора некоторых видов TOF MS. На фиг. 71 и 72 представлены электродные системы COS TOF MS с прямолинейной общей осью, т. е. когда величины острых углов γ _χ и γ ₂ , между направлениями входными в поле и выходными из поля ионными потоками, соответственно, одного СО зеркала и другого СО зеркала (возвратноточного ИИ- блока), ограничены в пределах: γ = γ ₂ =0. На фиг. 71 показано объемные изображений электродов осесимметричной COS TOF MS; на фиг. 72 представлена в разрезе такого COS TOF MS, в проекции на продольно-вертикальной Й-плоскости, и характерные A-TIF в ней; ПМ1 и ПМ2, соответственно, электроды-заглушки начала и конца электродных систем; 6к, где к = 1, 2, 3, ... - порядковый номер цилиндрических электродов; S1 и SS2 - выходные окна источников; SV1 и SV2 - пространства скопления ионов в источниках; VE1 и VE2 - выталкивающие электроды ионов в источниках; D1 и D2 - детекторы; ill и il2 - соответственно, прямая и обратная ветви A-TIF; i21 и i22 - соответственно, прямая и обратная ветви A-TIF другого тракта ионов.

Конечно, могут быть другие подобные варианты выбора электродов, например могут отсутствовать заглушки (вертикально-ограничительный электрода) и т. д. Аналогичным образом могут быть созданы другие виды COS TOF MS, например с трансаксиальным распределением поля.

На фиг. 73-77 в проекции на продольно-вертикальную Й-плоскость показаны некоторые примеры выполнения систем 3D mVr mR COS 4-х сторонней развертки и 3D 2Vt mR COS, а также характерные A-TIF в них. При этом они представлены: вогнутой боковой A-TIF (/ _iCh θ) - на фиг. 73; прямолинейной боковой A-TIF (y _iCA =

0) - на фиг. 74; выпуклой боковой A-TIF ( _iCh θ) - на фиг. 75-77. Для упрощения фигур на фиг. 73-76 показаны только одна половина 3D mVr mR COS и 3D 2Vt mR COS, что является возможной, так как координатная ΥΖ-плоскость является плоскостю симметрии, (симметрия нарушается, когда боковые корректоры не одинаковые или есть только один боковой корректор). На фиг. 73-75 показаны 3D mVr mR COS (многопроекционно-двухпетлевые) с цельно-круговыми отражателями. На фиг. 76 и 77 показанны однопроекционно-двухпетлевые 3D 2VC mR COS (однопроекционно-двухпетлевые).

На фиг. 78 в проекции на yz -плоскость представлен внешний вид TOF MS с 3D

2VI mR COS с четырьмя отделениями ₂₁ , Р ₂₂ , ₂₃ ^и ^24 присоединенной откачной системы.

На фиг. 79 в проекции на yz -плоскость представлен внешний вид TOF MS с 3D 2Vr mR COS с четырьмя отделениями Р _п , Р ₁₂ , Р ₁₃ и Р ₁₄ присоединенной откачной системы.

Далее на фиг. показаны некоторые виды магнитов и возможности их применения их в CES (CES - присоединенная откачная система).

На фиг. 80, 81, и 82 показаны два типа периодичнозамкнуто-многослоенн� �го P _G - вида магнита, при частном случае, когда магнит имеет всего три слоя и они прямые. Конечно они могут содержать два слоя или более трех слойев, также могут быть криволинейными. В любом случае в периодичнозамкнуто-многослоенн� �х магнитах: ширина зазора между слоями мала /иу/ -» 0 , толщина слоя меньше чем его длина Μ.μ 1μ .

На фиг. 80, 81 показаны два типа периодичнозамкнуто-многослоено� �о Р _с -вида магнита, соответственно замкнутый по краям P _Ga zx тип и замкнутый через перемычек P _Gb zx тип. На фиг. 81 показаны, когда: слои замкнуты через четыре перемычки cs\ , csl , cs3 и cs4 ; двоякосимметричный относительно двух плоскостей - координатной zy-плоскости и геометрической средней плоскости, параллельной координатной ху-плоскости. В общем случае эти условий не обязательны - количество перемычек и пространственные конфигурации могут быть произвольными. На фиг. 82 показан i^ -вида магнит в разрезе по поперечно- вертикальной плоскости.

На фиг. 83 и 84 показаны примеры выполнения CES (CES - присоединенных откачных систем) в виде ионных насосов и возможности расположения магнитов в них.

На фиг. 83 показан пример формирования двух боковых магнитных групп 0X3 - размещения, 0X4 -размещения и поперечно-средней группы магнитов 0X7 - размещения совместно с системой плоских пластинчатых анодных электродов A3 и катодных электродов СЗ , расположенных параллельно между собой и периодично чередующимися.

На фиг. 84 показан пример антисимметричного, относительно плоскости ху , формирования четырех групп магнитов. На фиг. 84 в сечении, по ху плоскости, показан один из видов формирования CES: СП и С12 - соответственно правый и левый пластинчатые катодные электроды; А2 - группа цилиндрических анодных электродов. Конечно, можно формировать другие формы электродов.

На фиг. 83 и 84 также показаны sP3.1 и sP3.2 - два каналы CES (канал-окна между CES и IB-каналом) с системой перегородок рР1, рР2 и рРЗ, предназначенной для обеспечения предохранения областей отражения IB-канала от металлического мусора исходящего из CES.