CN101599407B - 一种阵列式微法拉第筒 - Google Patents

Abstract

一种阵列式微法拉第筒，涉及对化学气体中的低能量离子流进行收集检测的装置。所述的阵列式微法拉第筒包括气路和接收电极。接收电极由多个接收单元采用阵列式排布而成，并设置在气路中；所述的气路由上、下、左、右四个管壁组成，上、下壁为绝缘材料，左、右壁为导电材料。接收电极可以设置前屏蔽电极，后屏蔽电极，上屏蔽电极，下屏蔽电极，来实现良好的屏蔽效果。本发明提供了一种屏蔽性能好，结构简单，易于微型化的一种阵列式微法拉第筒，可用于高场非对称波形离子迁移谱仪、离子迁移谱仪等化学分析仪器中。

Description

一种阵列式微法拉第筒

技术领域

本发明涉及对化学气体中的低能量离子流进行收集检测的法拉第筒，具体为一种具有良好屏蔽的，阵列式微法拉第筒。该装置可以用于FAIMS(高场非对称波形离子迁移谱仪)，IMS(离子迁移谱仪)等化学分析仪器中。

背景技术

传统的法拉第筒由一个筒状的接收电极，一个抑制栅极和一个屏蔽电极组成。法拉第筒最初用于高能带电粒子束流强度的检测，现在已经成为质子流，电子流等带电粒子流束流强度的主要检测手段。传统的法拉第筒检测装置有三个特点：1)检测的带电粒子束流强度大(甚至达到1A以上)一对屏蔽电极的屏蔽性能要求不高；2)检测的带电粒子能量高(达1MeV甚至1GeV)-高能带电粒子轰击接收电极时，会产生二次电子。要实现高能量带电粒子束流强度的准确检测，需要抑制二次电子的发射以及收集发射的二次电子。这就要求法拉第筒必须做成筒状，而且抑制电极也要进行合理的结构设计，并加特定的高压；3)驱动力为电场-接收电极收集带电粒子，是用电场为驱动力，使带电粒子与接收电极发生碰撞，而完成电荷的收集。但当带电粒子能量较低(＜1eV)时，带电粒子轰击接收电极时，不会产生二次电子，所以接收电极没有必要做成筒状，而且抑制栅极也不需要。因此在检测低能量(＜leV)，弱束流强度(pA量级)的带电粒子束流强度时，传统的法拉第筒在屏蔽设计，以及结构设计上不能够满足要求。

随着FAIMS(高场非对称波形离子迁移谱仪)、微型质谱仪等微型分析仪器的出现，法拉第筒开始向结构微型化的方向发展。受微细加工工艺的限制，现今的微法拉第筒在屏蔽设计中也存在明显的缺陷。而且由于都采用了电场驱动的方案，需要增加驱动电极，来完成离子向接收电极的运动，这增加了法拉第筒的复杂性。

发明内容

本发明的目的是提供一种屏蔽性能好，结构简单，易于微型化的一种法拉第筒。

本发明的技术方案如下：

一种阵列式微法拉第筒，其特征在于：所述的微法拉第包括气路和接收电极2，所述的接收电极设置在气路中，且由多个接收单元采用阵列式排布而成；所述的气路贯穿在整个器件中，该气路由气路上壁、气路下壁、气路左壁和气路右壁四个壁组成。

本发明的一种优选技术方案还包括前屏蔽电极3和后屏蔽电极4，所述的前屏蔽电极和后屏蔽电极沿气路方向分别设置在接收电极的前端和后端。

本发明的另一种优选技术方案还包括上屏蔽电极8和下屏蔽电极9，所述的上屏蔽电极设置在气路上壁的外侧，下屏蔽电极设置在气路下壁的外侧。

本发明的又一优选技术方案是：所述的气路上壁6和气路下壁7为绝缘材料，气路左壁1和气路右壁5为导电材料。

在本发明的上述技术方案中，所述的接收单元的截面为圆形或多边形形状。

该发明相对于以前的法拉第筒具有以下的优点及效果：①接收电极采用的阵列式设计：a)扩大了气体与接收电极的接触面积；b)在接收电极中，形成了许多分散的微气流通道，有利于气体进入接收阵列后稳定流场的破坏，使气体中的离子更容易与接收电极发生碰撞；c)由于微气流通道的存在，使得气流能够携带离子从接收电极间流过，可以省去电场驱动电极，用气流驱动离子的方法来实现信号的收集。②由于采用了前屏蔽电极、后屏蔽电极、上屏蔽电极和下屏蔽电极的设计，能够对接收电极进行良好的屏蔽，提高法拉第筒的检出限。③离子在到达接收电极之前，会由电磁感应现象在接收电极上形成感生电流。前屏蔽电极的存在能够大大减小电磁感应现象，减小接收电极上的感生电流。

附图说明

图1是阵列式微法拉第筒结构示意图。

图2是图1中A-A的剖视图。

图3是本发明在FAIMS系统中的应用示意图。

图中：1-气路左壁；2-接收电极；2a-接收单元；3-前屏蔽电极；4-后屏蔽电极；5-气路右壁；6-气路上壁；7-气路下壁；8-上屏蔽电极；9-下屏蔽电极；10-气体及离子；11-气体及样品；12-离子源；13-迁移区；14-阵列式微法拉第筒。

具体实施方式

下面结合图例对本发明提供的阵列式微法拉第筒的具体结构和工作原理做进一步的说明。

阵列式微法拉第筒14由气路和接收电极2组成。所述的接收电极2由多个接收单元2a采用阵列式排布而成，并设置在气路中；所述的气路由气路左壁1、气路右壁5、气路上壁6和气路下壁7组成。

本发明所述阵列式微法拉第筒还包括前屏蔽电极3、后屏蔽电极4、上屏蔽电极8和下屏蔽电极9，所述的前屏蔽电极和后屏蔽电极沿气路方向分别设置在接收电极的前端和后端。所述的上屏蔽电极设置在气路上壁的外侧，下屏蔽电极设置在气路下壁的外侧。

前屏蔽电极3和后屏蔽电极4，以及上屏蔽电极8和下屏蔽电极9与气路左壁1、气路右壁5一起构成接收电极2的立体式屏蔽结构，能够有效屏蔽电磁场的噪声，提高法拉第筒的检出限。离子在到达接收电极之前，会由于电磁感应现象在接收电极2上形成感生电流。前屏蔽电极3的存在虽然会造成离子的部分损失，但能够大大减小电磁感应现象，减小接收电极上的感生电流。

本发明的气路上壁6和气路下壁7可为绝缘材料，避免与接收电极2电连通。气路左壁1和气路右壁5可为导电材料。

接收电极2由接收单元2a采用阵列排布而成。接收单元2a的截面为圆形或多边形形状。接收单元2a的截面一维尺寸，需要与接收单元2a之前的间距相当。如果间距过小，甚至比接收电极2到气路左壁1，气路右壁5的距离还小的话，会造成气路从接收电极2两侧流过，这样检测不到信号。如果间距过大，为了接收到所有的离子，必须增加接收单元2a的数目，造成结构的复杂。比较优化的一种方法是接收单元2a采用圆形截面，间距为圆形的直径，交错排列，排数为2-4排。

气体及离子10进入接收电极2，经碰撞后，电荷被接收电极2吸收。吸收后的电荷通过与接收电极2相联的电流表检测。

实施例1

本发明可以应用于FAIMS(高场非对称波形离子迁移谱仪)(如图3)。工作时，气体及样品11进入离子源12后，部分样品被离子化。在一定条件下，离子化后的样品经过迁移区13可以到达该法拉第筒14。离子在接收电极2中，与接收单元2a碰撞后，通过与接收电极2联接的电流表，可以读出离子的束流强度。本发明应用于FAIMS系统时，可以完全实现FAIMS系统的单芯片集成设计，并且保证了FAIMS接收单元的小尺寸与高检出限。

Claims (5)

1.一种阵列式微法拉第筒，其特征在于：所述的微法拉第筒包括气路和接收电极(2)，所述的接收电极(2)设置在气路中，且由多个接收单元(2a)采用阵列式排布而成；所述的气路贯穿在整个器件中，该气路由气路上壁(6)、气路下壁(7)、气路左壁(1)和气路右壁(5)四个壁组成。

2.按照权利要求1所述的阵列式微法拉第筒，其特征在于：所述阵列式微法拉第筒还包括前屏蔽电极(3)和后屏蔽电极(4)，所述的前屏蔽电极和后屏蔽电极沿气路方向分别设置在接收电极的前端和后端。

3.按照权利要求2所述的阵列式微法拉第筒，其特征在于：所述阵列式微法拉第筒还包括上屏蔽电极(8)和下屏蔽电极(9)，所述的上屏蔽电极(8)设置在气路上壁的外侧，下屏蔽电极(9)设置在气路下壁的外侧。

4.按照权利要求1、2或3所述的阵列式微法拉第筒，其特征在于：所述的气路上壁(6)和气路下壁(7)为绝缘材料，气路左壁(1)和气路右壁(5)为导电材料。

5.按照权利要求4所述的阵列式微法拉第筒，其特征在于：所述的接收单元的截面为圆形或多边形形状。

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