Ничто не вечно под луной, в том числе и вторично‑электронные умножители
(ВЭУ), используемые в качестве детекторов заряженных частиц во времяпролетных масс‑
спектрометрах. Со временем детектор «состаривается», что происходит из‑за
снижения коэффициента вторично‑электронной эмиссии (причины этого явления мы
оставим в стороне), а диагностируемым симптомом старения детектора является
необходимость увеличения напряжения питания детектора для поддержания прежнего
коэффициента усиления и, соответственно, соотношения сигнал/шум. И вот, однажды наступает момент, когда мы достигаем предельно допустимого напряжения питания, и, остается только наблюдать, как сигнал медленно тонет в океане шума. Выходом из этой ситуации может быть только замена детектора. В статье описана
замена детектора на МАЛДИ масспек Sciex 5800 TOF/TOF.

• Зачем нам вообще масс‑спектрометр? — Прибор позволяет измерять молекулярную массу химических соединений с высокой точностью, а так же фрагментировать исходное соединение и измерять массы образовавшихся фрагментов, что позволяет однозначно идентифицировать вещество. Приложений огромное множество.

• Что особенного в этом ВЭУ? — Длительность сигнала который должен зарегистрировать детектор измеряется единицами наносекунд.

• Зачем я пишу эту статью? — Сложность закупок оригинальных комплектующих помноженная на их космическую стоимость заставляет думать. Возможно мой опыт будет кому‑то полезен.

Детектор

Оригинальный детектор, установленный на прибор это динодный ВЭУ MagneTOF DM291 фирмы ETP. Согласно информации от производителя, питание детектора от 2500 до 4000 В, полуширина импульса 1 нс. Реально, на детектор подавали порядка 2000 В. Высоковольтный блок питания детектора, на базе преобразователя EMCO E50, способен выдавать до 3000 В (ограничение от Sciex) при токе до 0.6 мА. Стоимость оригинального детектора, согласно коммерческому предложению дилера на октябрь 2023г, более 50 000 (пятьдесят тысяч) долларов США. Именно по этой причине и была предпринята попытка по замене оригинального детектора, на детектор отечественного производства. Выбор пал, а выбирать особо‑то и не из чего, на передовую разработку компании «БАСПИК» ВЭУ-7БК-1 на основе шевронной сборки двух микроканальных пластин и конусного анода. Характеристики: полуширина импульса не более 0,85 нс, питание до 2500 В.

Замена детектора

Сотрудники компании «БАСПИК» охотно идут на контакт, и согласились немного модифицировать крепление детектора под мои нужды. Был увеличен диаметр фланца до 70 мм, изменен диаметр и увеличено межцентровое расстояние крепёжных отверстий (см. чертеж). Итоговая стоимость составила 125 000 рублей. Дешевле. В традцать шесть раз. Конечно, уверенности что всё это приживется и заработает не было, только надежда и холодный расчет.

Для установки на оригинальное крепление от MagneTOF, в кронштейне были просверлены
три отверстия соответственно отверстиям во фланце. Для установки плоскости первой
МКП в плоскость первого динода MagneTOF использовали 15 мм полиамидные стойки и полиамидные винты М3 для печатных плат. Стойки надо измерить штангенциркулем 0.05 и отобрать одинаковой длины. Важно чтобы не было перекоса плоскости МКП. Делитель напряжения собран прямо на детекторе навесным монтажом. Для подавления динатронного эффекта, на входе установлена сетка из 50 мкм нержавеющей проволоки с шагом 1 мм. Ионы, не попавшие в микроканалы, ударяются о плоскость МКП и выбивают вторичные электроны, которые затем затягивает в микроканалы, что приводит к уширению пика и образованию «хвоста». Сетка, находясь под меньшим потенциалом, притягивает к себе эти паразитные вторичные электроны улучшая форму пика. С сеткой пришлось немного повозиться: взяли часть от аналогичного сгоревшего детектора, нанесли риски с помощью фрезерного станка и наварили проволоку любительской точечной сваркой.

Результат

При подаче на детектор 2000 В ток превышает расчетное значение: должно
быть 0,37 мА, а по ридбэку 0,6 мА. Вероятно, где‑то происходит утечка. С этим я не стал разбираться: работает — не трогай. Тем не менее детектор сразу заработал, спектры стали менее зашумленными. При сравнении «состарившегося» MagneTOF с новым детектором видно, что ширина пика на полувыстоте у ВЭУ-7БК немного меньше, около 2 нс. Хорошо заметен звон у ВЭУ-7БК в отличие от MagneTOF, где звона нет. Звон хорошо виден на спектрах с низкой статистикой накопления и поднятой базовой линией. В идеале характеристики детектора надо оценивать по сигналу от одного иона, но ввиду особенностей ПО можно установить только количество выстрелов лазера. Пик видно начиная с трех выстрелов. Спектры с низкой статистикой накопления (3 выстрела лазера) показывают полуширину около 1 нс, что соответствует характеристикам заявленным для родного детектора. Разрешающая способность достигнутая для m/z 904 ∼ 12000, m/z 1570 ∼ 20000, m/z 2465 ∼ 19 000 при накоплении 250 выстрелов.

Вместо заключения

Чудом является то, что Баспику удалось сохранить высокотехнологичное производство детекторов на базе микроканальных пластин. Не секрет, что в свое время это произошло благодаря регулярным оборонным заказам. Похожие МКП устанавливаются в приборах ночного видения. Что же касается нашего успешного эксперимента, то можно сказать, что учитывая возраст масс‑спектрометра, а он на момент написания статьи составляет без малого 14 лет, и то, что стареет не только детектор, а так же учитывая финансовую сторону установки нового оригинального детектора, результаты, полученные с отечественным детектором ВЭУ-7БК весьма и весьма неплохие. Машина уже показала себя в работе и можно уверенно рекомендовать ВЭУ-7БК к установке во времяпролетники других производителей.