[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2542722C2 - Time-of-flight mass-analysis method and apparatus therefor - Google Patents

Time-of-flight mass-analysis method and apparatus therefor Download PDF

Info

Publication number
RU2542722C2
RU2542722C2 RU2012148852/07A RU2012148852A RU2542722C2 RU 2542722 C2 RU2542722 C2 RU 2542722C2 RU 2012148852/07 A RU2012148852/07 A RU 2012148852/07A RU 2012148852 A RU2012148852 A RU 2012148852A RU 2542722 C2 RU2542722 C2 RU 2542722C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
time
pseudo
ion
flight mass
output
Prior art date
Application number
RU2012148852/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012148852A (en
Inventor
Евгений Васильевич Мамонтов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Priority to RU2012148852/07A priority Critical patent/RU2542722C2/en
Publication of RU2012148852A publication Critical patent/RU2012148852A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2542722C2 publication Critical patent/RU2542722C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to mass spectrometry and can be used to broaden analytical capabilities of time-of-flight mass analysers. Bunches of ions at each input cycle are time-distributed according to a pseudo-random law, which is selected such that a periodic autocorrelation sequence function has zero side lobes and the value of the principal maximum is equal to the number of units in the sequence. Upon detection, signals corresponding to pulses of output ion current of the time-of-flight mass analyser are processed in a matched filter which operates according to the principle of summation of input and shifted sequences with plus and minus signs according to distribution of symbols "1" and "0" in the pseudo-random sequence. A time-of-flight mass analysis apparatus comprises a pseudo-random sequence generator and a matched filter, which are respectively connected to ion sources and detectors.
EFFECT: high sensitivity and wider dynamic range of time-of-flight mass spectrometers by increasing average values of currents of analysed ions.
2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано для расширения аналитических возможностей масс-анализаторов времяпролетного типа. The invention relates to the field of mass spectrometry and can be used to expand the analytical capabilities of mass analyzers of the time-of-flight type.

Известные способы масс-разделения ионов по времени пролета предполагают периодический с периодом Т в течение К циклов ввод в пространство дрейфа времяпролетный масс-спектрометров [ВПМС] одиночных, длительностью τ, пакетов ионов [1-4]. Так как минимальная длительность периодов повторения ионных пакетов Tmin ограничена наибольшей массой анализируемого диапазона mmax ( T min m max

Figure 00000001
для времяпролетных масс-анализаторов [ВПА] со статическими полями, Tmin~mmax для ВПА с радиочастотными полями), а максимальное число ионов в пакетах pmax ограничено действием пространственного заряда во время дрейфа заряженных частиц, среднее значение вводимых во времяпролетные масс-анализаторы ионных токов Icp=Pmax е/Т, где е - заряд иона, по сравнению с масс-анализаторами с непрерывным вводом ионов оказываются существенно меньшим. Поэтому ВПМС по чувствительности и динамическому диапазону значительно уступают масс-спектрометрам со статическими анализаторами и квадрупольными анализаторами типа фильтра масс. За прототип приняты ВПМС со статическими [1-3] и радиочастотными [4] полями с периодическим вводом одиночных пакетов ионов.Known methods of mass separation of ions by time of flight suggest a time-of-flight mass transit spectrometer [IMS] of a single, with a duration of τ, ion packets [1-4] periodically with a period of T during K cycles. Since the minimum duration of the repetition periods of ion packets T min is limited by the largest mass of the analyzed range m max ( T min m max
Figure 00000001
for time-of-flight mass analyzers [VPA] with static fields, Tmin ~ m max for VPA with radio-frequency fields), and the maximum number of ions in packets p max is limited by the action of the space charge during the drift of charged particles, the average value introduced into the time-of-flight ion mass analyzers currents I cp = P max e / T, where e is the ion charge, in comparison with mass analyzers with continuous input of ions, are much smaller. Therefore, the VPMS in sensitivity and dynamic range are significantly inferior to mass spectrometers with static analyzers and quadrupole analyzers such as a mass filter. VPMS with static [1-3] and radio-frequency [4] fields with periodic input of single ion packets were taken as a prototype.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в повышении чувствительности и расширении динамического диапазона ВПМС путем увеличения средних значений токов 1,р анализируемых ионов. Достигается это путем периодического с периодом Т в течение К циклов ввода во времяпролетные масс-анализаторы серий из 2≤n≤T/2τ+1 ионных пакетов, каждый из которых длительностью τ<<Т состоит из р ионов. Ионные пакеты на интервалах (i-1)T<t<iT, где i=1, 2, 3… К распределены во времени в соответствии с положениями n символов «1» в псевдослучайных последовательностях [ПСП] длиною N=2n-l [5]. Псевдослучайные последовательности могут быть:The technical task of the invention is to increase the sensitivity and expand the dynamic range of the IMSC by increasing the average currents 1, p of the analyzed ions. This is achieved by periodically introducing cycles of 2 ≤n≤T / 2τ + 1 ion packets, each of which of duration τ << T, consists of p ions, periodically with a period T during K cycles of input during mass transit analyzers. Ion packets at intervals (i-1) T <t <iT, where i = 1, 2, 3 ... K are distributed in time in accordance with the positions of n characters “1” in pseudo-random sequences [PSP] of length N = 2n-l [ 5]. Pseudorandom sequences can be:

- максимальной длины (М - последовательности) при N=2k-1, или Лежандра при N=4k+3, где k - целое, N - простое числа;- the maximum length (M - sequence) at N = 2 k -1, or Legendre at N = 4 k +3, where k is an integer, N is a prime;

- Холла при N=4k2+27, где k - целое число;- Hall at N = 4k 2 +27, where k is an integer;

- Якоби при N=k(k+2), где k, (k+2) - простые числа.- Jacobi for N = k (k + 2), where k, (k + 2) are primes.

При детектировании осуществляется согласованная обработка периодической последовательности импульсов выходного ионного тока ВПА, заключающаяся в вычислении в соответствии с псевдослучайным законом ее периодической автокорреляционной функции (АКФ).During detection, a coordinated processing of the periodic sequence of pulses of the VPA output ion current is carried out, which consists in calculating, in accordance with the pseudo-random law, its periodic autocorrelation function (ACF).

Из свойств ПСП следует, что величина главного максимума ее периодической с периодом N=2n-1 автокорреляционной функции равна n, а боковые лепестки отсутствуют. From the properties of the PSP, it follows that the magnitude of the main maximum of its periodic autocorrelation function with a period of N = 2n-1 is n, and there are no side lobes.

На фиг.1 показана периодическая М -последовательность с N=7, n=4 и ее периодическая АКФ. Автокорреляционные функции ПСП вычисляются с помощью согласованных фильтров (СФ), работающих по принципу суммирования с весовыми коэффициентами -1 или +1 входной и N-1 сдвинутых на интервалы τ, 2τ, 3τ… (N-1)τ последовательностей. Весовые коэффициенты -1 или +1 выбираются в соответствии со значениями 0 или 1 символов в псевдослучайных последовательностях [5].Figure 1 shows a periodic M-sequence with N = 7, n = 4 and its periodic ACF. The autocorrelation functions of the SRP are calculated using matched filters (SF), working on the principle of summation with weighting factors -1 or +1 of the input and N-1 sequences shifted by the intervals τ, 2τ, 3τ ... (N-1) τ. Weighting factors -1 or +1 are selected in accordance with the values of 0 or 1 characters in pseudo-random sequences [5].

Структурная схема времяпролетного масс-анализатора с периодическим вводом серии из n ионных пакетов, распределенных во времени по псевдослучайному закону, приведена на фиг.2, а поясняющие временные диаграммы на фиг.3. The structural diagram of a time-of-flight mass analyzer with periodic input of a series of n ion packets distributed in time according to a pseudo-random law is shown in Fig. 2, and explanatory timing diagrams in Fig. 3.

Частота следования символов в ПСП f=1/τ задается генератором тактовых импульсов. Под действием тактовых импульсов в генераторе псевдослучайных последовательностей вырабатываются периодические с периодом Т≥Nτ ПСП сигналов, управляющих работой источника ионов. Источник ионов в соответствии с управляющими сигналами формирует периодические серии ионных пакетов по n пакетов в каждой серии. Пакеты ионов длительностью τ, по р ионов в каждом пакете, вводятся в пространство дрейфа ВПА. При амплитуде импульсов тока в ионных пакетах Im=ре/τ средний ионный ток, вводимый в ВПА, составляет Icp=пре/Т. Это в n раз больше, чем в случае ввода периодических одиночных ионных пакетов.The symbol repetition rate in the SRP f = 1 / τ is set by the clock generator. Under the action of clock pulses in the generator of pseudorandom sequences, periodic signals with the period T≥Nτ are generated that control the operation of the ion source. The ion source in accordance with the control signals forms a periodic series of ion packets of n packets in each series. Packets of ions of duration τ, p ions in each packet, are introduced into the drift space of the VPA. When the amplitude of the current pulses in the ion packets I m = pe / τ, the average ion current introduced into the VPA is I cp = pre / T. This is n times larger than in the case of introducing periodic single ion packets.

В ВПА ионы всех пакетов разделяются во времени в соответствии с их массами. Так как пакеты в сериях распределены во времени по псевдослучайному закону, выходной ионных ток ВПА будет представлять собой суперпозицию n сдвинутых относительно друг друга импульсных последовательностей, каждая из которых является результатом прохождения через пространство дрейфа анализатора отдельных пакетов ионов. При этом на выходе ВПА образуется сложная периодическая последовательность импульсов тока, в которой ионы различных масс не разделены во времени и могут налагаться друг на друга (Фиг.3, д). Преобразованные и усиленные в ВЭУ и ШПУ периодические серии импульсных сигналов поступают в согласованный фильтр, который в соответствии с алгоритмом вычисления периодических АКФ преобразует их в сигналы, с точностью до масштабных множителей совпадающие с последовательностями импульсов выходного ионного тока ВПА при прохождении через него периодических одиночных пакетов ионов. При этом сигнал на выходе детектора оказывается в n раз больше, чем в случае масс-анализа периодических одиночных пакетов ионов.In VPA, the ions of all packets are separated in time in accordance with their masses. Since the packets in the series are distributed in time according to the pseudo-random law, the output of the VPA ion current will be a superposition of n pulse sequences shifted relative to each other, each of which is the result of the passage of individual ion packets through the analyzer drift space. In this case, at the output of the VPA, a complex periodic sequence of current pulses is formed in which ions of different masses are not separated in time and can overlap each other (Figure 3, d). The periodic series of pulsed signals converted and amplified in wind turbines and silos enter a matched filter, which, in accordance with the algorithm for calculating periodic ACFs, converts them into signals that, up to scale factors, coincide with sequences of pulses of the output ion current of the VPA when periodic single packets of ions pass through it . In this case, the signal at the detector output is n times larger than in the case of mass analysis of periodic single ion packets.

Преимущество предлагаемого способа времяпролетного масс-анализа периодических серий из n пакетов ионов и устройства для его осуществления состоит в увеличении в n раз среднего количества анализируемых ионов по сравнению с известными прототипами. Это позволяет в n раз повысить чувствительность и расширить динамический диапазон времяпролетных масс-спектрометров.The advantage of the proposed method of time-of-flight mass analysis of periodic series of n ion packets and a device for its implementation is to increase n times the average number of analyzed ions in comparison with the known prototypes. This allows n times to increase the sensitivity and expand the dynamic range of time-of-flight mass spectrometers.

Фиг.1 а) - периодическая с периодом N=7, числом единичных символов n=4 М - последовательность; б) - периодическая автокорреляционная функция периодической М - последовательности.Figure 1 a) - periodic with a period of N = 7, the number of unit characters n = 4 M - sequence; b) - periodic autocorrelation function of the periodic M - sequence.

Фиг.2 Структурная схема времяпролетного масс-анализатора с периодическим вводом серий ионных пакетов. ГТИ - генератор тактовых импульсов, ГПСП - генератор псевдослучайной последовательности, ИИ - источник ионов, ВПА - времяпролетный анализатор, ВЭУ - вторичный электронный умножитель, ШПУ - широкополосный усилитель, СФ согласованный фильтр, СН - суммирующий накопитель масс-спектров.Figure 2 Structural diagram of a time-of-flight mass analyzer with periodic input of a series of ion packets. GTI is a clock pulse generator, GPSP is a pseudo-random sequence generator, AI is an ion source, VPA is a time-of-flight analyzer, a wind turbine is a secondary electron multiplier, a silo is a broadband amplifier, an SF matched filter, and SN is a summing mass spectral storage device.

Фиг.3 Временные диаграммы ВПА с вводом периодических серий пакетов ионов, а) - тактовые импульсы, б) и в) - ионные токи на входе и выходе масс-анализатора, г) и д) - ионные токи на входе и выходе масс-анализатора, е) - сигнал на выходе согласованного фильтра. Figure 3 Timing diagrams VPA with the introduction of periodic series of ion packets, a) - clock pulses, b) and c) - ion currents at the input and output of the mass analyzer, d) and e) - ion currents at the input and output of the mass analyzer , e) - signal at the output of the matched filter.

ЛитератураLiterature

1. А.Е. Cameron, D.F. Eggers. An Ion "Velocitron" // Review Scientific Instruments - 1948 - v.19, p.605.1. A.E. Cameron, D.F. Eggers An Ion "Velocitron" // Review Scientific Instruments - 1948 - v.19, p.605.

2. Н.И. Ионов, Б.А. Мамырин. TITLE // ЖТФ - 1953 - v.23, c.2101.2. N.I. Ionov, B.A. Mamyrin. TITLE // ZhTF - 1953 - v.23, p.2101.

3. Б.А. Мамырин. Авторское свидетельство №1980346 1966; Бюллетень изобретений №13, 1967, стр.148.3. B.A. Mamyrin. Copyright certificate No. 1980346 1966; Bulletin of inventions No. 13, 1967, p. 148.

4. Е.В. Мамонтов, B.C. Гуров, И.В. Филиппов, Р.Н. Дятлов. Патент РФ №2293396 выдан 10.02.2007.4. E.V. Mammoth, B.C. Gurov, I.V. Filippov, R.N. Woodpeckers. RF patent No. 2293396 issued February 10, 2007.

5. Л.Е. Варакин. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985, с.49-68.5. L.E. Varakin. Communication systems with noise-like signals. M .: Radio and communications, 1985, p. 49-68.

Claims (2)

1. Способ времяпролетного масс-анализа, заключающийся в разделении по времени пролета в соответствии с массами m ионов, периодически с периодом Т в течение N циклов, вводимых в пространство дрейфа масс-анализатора импульсными, длительностью τ, пакетами с амплитудой тока в ионных пакетах Im, отличающийся тем, что на каждом цикле масс-анализа T в пространство дрейфа анализатора вводят серию из n импульсных пакетов ионов, где 2≤n≤Т/2τ+1, распределенных на интервалах (i-1)T<t<iT, где i=1, 2, 3…N, по псевдослучайному закону, причем псевдослучайный закон выбирают так, чтобы при нулевых боковых лепестках периодической автокорреляционной функции периодических серий ионных пакетов ее главный максимум был равен nIm, а при детектировании периодически с периодом Т выполняется согласованная с псевдослучайным законом обработка выходных серий импульсов ионного тока времяпролетного масс-анализатора.1. The method of time-of-flight mass analysis, which consists in dividing by time of flight in accordance with the masses of m ions, periodically with a period T for N cycles introduced into the drift space of the mass analyzer by pulsed packets of duration τ, with a current amplitude in ion packets I m , characterized in that on each mass analysis cycle T, a series of n pulse ion packets is introduced into the analyzer drift space, where 2≤n≤T / 2τ + 1 distributed over the intervals (i-1) T <t <iT, where i = 1, 2, 3 ... N, according to the pseudo-random law, and the pseudo-random law is knocked out so that for zero side lobes of the periodic autocorrelation function of periodic series of ion packets, its main maximum is nI m , and when detecting periodically with period T, the output series of ion current pulses of the time-of-flight mass analyzer are processed in accordance with the pseudo-random law. 2. Устройство для времяпролетного масс-анализа, содержащее генератор управляющих сигналов, импульсный источник ионов, анализатор с пространством дрейфа для масс-разделения ионов по времени пролета и детектор ионов, отличающееся тем, что в генератор управляющих сигналов включают генератор псевдослучайных последовательностей, вход которого соединяют с выходом генератора тактовых импульсов, а выход - с входом импульсного источника ионов, а в детектор ионов включают согласованный с псевдослучайными последовательностями фильтр, вход которого соединяют с выходом широкополосного усилителя, а выход - с входом суммирующего накопителя масс-спектров. 2. A device for time-of-flight mass analysis, comprising a control signal generator, a pulsed ion source, an analyzer with a drift space for mass separation of ions by flight time and an ion detector, characterized in that the pseudo-random sequence generator is connected to the control signal generator, the input of which is connected with the output of the clock generator, and the output with the input of the pulsed ion source, and the filter is matched to the pseudorandom sequences in the ion detector, whose input th output is connected to a broadband amplifier, and an output - to an input of the summing accumulator mass spectra.
RU2012148852/07A 2012-11-16 2012-11-16 Time-of-flight mass-analysis method and apparatus therefor RU2542722C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012148852/07A RU2542722C2 (en) 2012-11-16 2012-11-16 Time-of-flight mass-analysis method and apparatus therefor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012148852/07A RU2542722C2 (en) 2012-11-16 2012-11-16 Time-of-flight mass-analysis method and apparatus therefor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012148852A RU2012148852A (en) 2014-05-27
RU2542722C2 true RU2542722C2 (en) 2015-02-27

Family

ID=50774964

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012148852/07A RU2542722C2 (en) 2012-11-16 2012-11-16 Time-of-flight mass-analysis method and apparatus therefor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2542722C2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1220506A1 (en) * 1984-07-26 1996-07-27 Институт Аналитического Приборостроения Научно-Технического Объединения Ан Ссср Method for energy-mass-spectral analysis and device which implements said method
WO2002078046A2 (en) * 2001-03-23 2002-10-03 Thermo Finnigan Llc Mass spectrometry method and apparatus
RU2293396C1 (en) * 2005-08-03 2007-02-10 Рязанская государственная радиотехническая академия Method and device for separating charged particles by their specific charge
WO2012152949A1 (en) * 2011-05-12 2012-11-15 Thermo Fisher Scientific (Bremen) Gmbh Ion detection

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1220506A1 (en) * 1984-07-26 1996-07-27 Институт Аналитического Приборостроения Научно-Технического Объединения Ан Ссср Method for energy-mass-spectral analysis and device which implements said method
WO2002078046A2 (en) * 2001-03-23 2002-10-03 Thermo Finnigan Llc Mass spectrometry method and apparatus
RU2293396C1 (en) * 2005-08-03 2007-02-10 Рязанская государственная радиотехническая академия Method and device for separating charged particles by their specific charge
WO2012152949A1 (en) * 2011-05-12 2012-11-15 Thermo Fisher Scientific (Bremen) Gmbh Ion detection

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012148852A (en) 2014-05-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3803939B1 (en) Two-dimensional fourier transform mass analysis in an electrostatic linear ion trap
US9576778B2 (en) Data processing for multiplexed spectrometry
US3937955A (en) Fourier transform ion cyclotron resonance spectroscopy method and apparatus
US6198096B1 (en) High duty cycle pseudo-noise modulated time-of-flight mass spectrometry
CN104781659B (en) Quality analysis apparatus and mass calibration method
US9239349B2 (en) Time domain electromagnetic interference monitoring method and system
CN109342543B (en) Signal migration time measuring method and device based on pulse compression
JP2007280655A (en) Mass spectrometer
EP3031069B1 (en) Intensity correction for tof data acquisition
CN106053961B (en) A kind of the pulse signal synchronous integration measuring device and method of anti-random noise
CN105359251A (en) Mass spectrometric device and mass spectrometric device control method
CN106153709B (en) Time interval measurement
US9196467B2 (en) Mass spectrum noise cancellation by alternating inverted synchronous RF
JP2006032207A (en) Time-of-flight analyzer
Nag et al. Complete data acquisition and analysis system for low-energy electron–molecule collision studies
RU2542722C2 (en) Time-of-flight mass-analysis method and apparatus therefor
US20170263426A1 (en) Dynamic Baseline Adjuster
CN104794313A (en) Method and device for obtaining frequency response function of system to be identified
Wu et al. First results of the new endcap TOF commissioning at BESIII
Dey et al. Real time pulse processors for physics experiments-simulation and implementation
US10312066B1 (en) Generation of digital waveforms with high resolution duty cycle
US20240027397A1 (en) Systems and Methods for Capturing Full Resolution Ion Mobility Data and Performing Multi-Analyte Targeted Data Acquisition
Moore et al. Randomized multi-pulse time-of-flight mass spectrometry
Madurga et al. Digital electronics for the Versatile Array of Neutron Detectors at Low energies
CN108475614B (en) Quality analysis apparatus and its ion detection method

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20150319