CN102412110A - 直流离子阱 - Google Patents

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直流离子阱，涉及气态离子存储装置。设有前电极、外筒、后电极和中心电极；前电极、后电极和中心电极之间使用绝缘件连接；由前电极、外筒和后电极构成离子阱存储腔体的外壁，在前电极、外筒和后电极上分别施加正电压，在中心电极上施加负电压，使离子阱内形成凹形的电势场。无需使用射频电源，整体结构简单；离子存储量将由各电极的电位差和阱的尺寸大小来共同决定；通过加入合适的背景气体就能实现碰撞冷却或是动态反应装置，功能被大大加强；理论上适用于所有质量范围的离子的存储；具备了能量过滤功能；通过电极电位的控制能引导离子引出的流向。

Description

直流离子阱
技术领域
本发明涉及气态离子存储装置，特别涉及一种直流离子阱。
背景技术
常规的三维四极离子阱由一个双曲面的圆环电极和两端的两个盖帽组成，它是通过射频电压的施加来将离子束缚在阱内，既能作为离子存储装置，又是质量分析器，但它的离子存储范围和质量扫描范围都有一定的限度，而其光滑的双曲面和精密的射频电源也难于加工制作。此外，目前还有四极杆离子阱、矩形离子阱等，均需使用射频电场来控制。
实际上，在由不同电极构成的适当空间中，利用直流电压来形成一个凹形的电势场也能实现离子的存储功能。使离子在直流电压形成的的凹形电势场的空间范围内振荡，这就是直流离子阱的基本工作原理。与传统的射频驱动离子阱相比，直流型离子阱在仪器结构和电源系统上都明显简化，是一种廉价、实用的离子存储装置。
中国专利CN101038852公开一种可用于多种分析目的的大容量线性离子阱和一种易于实现高准确度高精密度加工与装配的一体化电极加工方法。该线性离子阱包括离子捕获室、RF射频信号和DC直流信号，其中，RF电极可包括多个部分，由此可将离子捕获室分成多个子区域，可实现多种质谱分析程序。该离子阱的RF电极可以采用先加工非金属基体，然后表面覆上金属膜，最后根据子电极的需要去除绝缘区域的金属膜这样的一体化加工方法。多用途大容量线性离子阱为离子阱质量分析器和质谱仪器的发展提供了一种适用性强、功能多样、易于加工装配、成本相对低廉的实施方案。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的离子阱存在的缺点，提供一种直流离子阱。
本发明设有前电极、外筒、后电极和中心电极；前电极、后电极和中心电极之间使用绝缘件连接；由前电极、外筒和后电极构成离子阱存储腔体的外壁，在前电极、外筒和后电极上分别施加正电压，在中心电极上施加负电压，使离子阱内形成凹形的电势场。
所述前电极可以是带中心小孔的金属，带中心小孔的半导体平板，带中心小孔的弯曲板，导体栅网，或半导体栅网等，所述中心小孔的直径可为0.1～10mm。
所述后电极可以是带中心小孔的金属，带中心小孔的半导体平板，带中心小孔的弯曲板，导体栅网，或半导体栅网等，所述中心小孔的直径可为0.1～10mm。
所述外筒可选自圆形套筒、椭圆形套筒、螺线形套筒或方形套筒等，所述外筒可选自金属板外筒，半导体板外筒，导体栅网外筒，或半导体栅网外筒等；所述外筒可选自纵向带孔或带缝的外筒。在特殊情况下，可以不使用外筒，由前极片、后极片和中心电极形成凹形电势场。
所述中心电极可采用金属丝电极或半导体丝电极等，所述丝的直径可为0.1～1000μm；可通过绝缘包裹实现部分电极的暴露。
所述中心电极可采用各种形状，包括线状、点状、圆形或螺母形等；所述中心电极可以是一个电极或多个电极，在正离子存储模式时，中心电极的电位小于周围电极的电位。
所述中心电极可设在离子阱存储腔体内的任意位置。所述离子阱存储腔体内的压力可为0.1～10-7torr；
所述离子阱存储腔体可以采用氦气、氩气或氮气等惰性气体作为辅气，形成碰撞冷却池装置；也可以采用氢气、氨气或甲烷等反应性气体作为辅气，形成动态反应池装置。
本发明的作用原理在于：
在一个由电极构成的腔体中放入一个中心电极。当存储正离子时，通过在周边电极施加相对正电压，在中心电极施加相对负电位，就能在腔体内形成一个凹形的电势场(如附图2所示)。离子进入离子阱后，将在腔体内前后左右振荡，由此就被贮存其中。离子有可能撞上中心电极而被吸收，但在理论模拟中证实：当具有一定的动能范围和入射角度时，离子将在相当长的时间内在凹形的电势场凹形电势场中震荡运动，而不被中心电极吸收。从库仑定理可以推测，离子的存储量与中心电极与外壁电极的电势落差成正比。当需要把阱内的离子引出时，只要改变单个或多个电极的电位，即施加引出脉冲，就能以将离子释放出来。在这一过程中，通过在不同电极上施加电位的大小还能引导离子引出的流向，以适应不同类型的仪器对离子检测的目的。除此之外，通过电位的控制还有选择存储离子的能量范围，使直流离子阱具有能量过滤功能。
本发明相对现有技术具有如下优点和效果：1)无需使用射频电源，整体结构简单；2)离子存储量将由各电极的电位差和阱的尺寸大小来共同决定；3)通过加入合适的背景气体就能实现碰撞冷却或是动态反应装置，功能被大大加强；4)理论上适用于所有质量范围的离子的存储；5)具备了能量过滤功能；6)通过电极电位的控制能引导离子引出的流向。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。在图1中，各标记为：前电极1、外筒2、后电极3、中心电极4。
图2为本发明的原理(直流离子阱形成的凹形电势场)示意图。
图3为本发明的原理(离子在直流离子阱中存储期的运动轨迹)示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明实施例设有前电极1、外筒2、后电极3和中心电极4；前电极1、后电极3和中心电极4之间使用绝缘件连接；由前电极1、外筒2和后电极3构成离子阱存储腔体的外壁，在前电极1、外筒2和后电极3上分别施加正电压，在中心电极4上施加负电压，使离子阱内形成凹形的电势场。
所述前电极1可以是带中心小孔的金属，带中心小孔的半导体平板，带中心小孔的弯曲板，导体栅网，或半导体栅网等，所述中心小孔的直径可为0.1～10mm。
所述后电极3可以是带中心小孔的金属，带中心小孔的半导体平板，带中心小孔的弯曲板，导体栅网，或半导体栅网等，所述中心小孔的直径可为0.1～10mm。
所述外筒2可选自圆形套筒、椭圆形套筒、螺线形套筒或方形套筒等，所述外筒可选自金属板外筒，半导体板外筒，导体栅网外筒，或半导体栅网外筒等；所述外筒可选自纵向带孔或带缝的外筒。在特殊情况下，可以不使用外筒，由前极片、后极片和中心电极形成凹形电势场。
所述中心电极4可采用金属丝电极或半导体丝电极等，所述丝的直径可为0.1～1000μm；可通过绝缘包裹实现部分电极的暴露。
所述中心电极4可采用各种形状，包括线状、点状、圆形或螺母形等；所述中心电极可以是一个电极或多个电极，在正离子存储模式时，中心电极的电位小于周围电极的电位。
所述中心电极4可设在离子阱存储腔体内的任意位置。所述离子阱存储腔体内的压力可为0.1～10-7torr。
所述离子阱存储腔体可以采用氦气、氩气或氮气等惰性气体作为辅气，形成碰撞冷却池装置；也可以采用氢气、氨气或甲烷等反应性气体作为辅气，形成动态反应池装置。
整个离子阱存储腔体均处于1～2×10-6torr的高真空环境，中心电极4由3个细丝组成的圆环组成，引出栅网则由50μm的钼丝构成。前电极1、外筒2和后电极3上都加+10V的电压，在中心电极4上加-500V的电压。离子由前电极1的中心小孔进入离子阱存储腔体，在各个电极的共同作用下将在阱内做来回振荡运动，此时离子阱就成为一个离子存储装置。阱内离子的存储量与中心电极与外壁电极的电势落差成正比。而在离子引出期，中心电极的电源关断，使其形成浮电位，同时在引出栅网上加上一个负脉冲，离子被引向并通过栅网，完成离子的引出。
在存储正离子时，在这些电极上分别施加适当的相对正电压，而在中心电极上施加一个相对负电压，使阱内形成凹形的电势场。离子以一定的初始速度从前电极(或非全封闭的外筒)的开口处进入阱内部后，将在中心电极的吸引和外壁电极的拒斥的共同作用下，在阱内不断地振荡或旋转，理论上这能适用于所有质量范围离子的存储。当需要提取阱内贮存的离子时，只需改变各个电极的电压，即通过施加引出脉冲，就能实现对离子的瞬间引出。引出脉冲可单独施加于一个电极上，也可同时施加于不同电极上。在离子存储期，可以往阱内通入低压背景气体，实现离子的碰撞冷却或是动态反应功能。整套装置的机械加工和配套电子线路都比较简单，可存储极宽质量范围的离子。
图2给出本发明的原理(直流离子阱形成的凹形电势场)示意图。
图3给出本发明的原理(离子在直流离子阱中存储期的运动轨迹)示意图。
上述实施例为本发明的实施方式之一，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.直流离子阱，其特征在于设有前电极、外筒、后电极和中心电极；前电极、后电极和中心电极之间使用绝缘件连接；由前电极、外筒和后电极构成离子阱存储腔体的外壁，在前电极、外筒和后电极上分别施加正电压，在中心电极上施加负电压，使离子阱内形成凹形的电势场。
2.如权利要求1所述的直流离子阱，其特征在于所述前电极为带中心小孔的金属，带中心小孔的半导体平板，带中心小孔的弯曲板，导体栅网，或半导体栅网；所述后电极为带中心小孔的金属，带中心小孔的半导体平板，带中心小孔的弯曲板，导体栅网，或半导体栅网。
3.如权利要求2所述的直流离子阱，其特征在于所述中心小孔的直径为0.1～10mm。
4.如权利要求1所述的直流离子阱，其特征在于所述外筒选自圆形套筒、椭圆形套筒、螺线形套筒或方形套筒，所述外筒选自金属板外筒，半导体板外筒，导体栅网外筒，或半导体栅网外筒。
5.如权利要求1所述的直流离子阱，其特征在于所述外筒选自纵向带孔或带缝的外筒。
6.如权利要求1所述的直流离子阱，其特征在于所述中心电极采用金属丝电极或半导体丝电极，所述丝的直径为0.1～1000μm。
7.如权利要求1或6所述的直流离子阱，其特征在于所述中心电极采用各种形状，最好为线状、点状、圆形或螺母形。
8.如权利要求1或6所述的直流离子阱，其特征在于所述中心电极是一个电极或多个电极，在正离子存储模式时，中心电极的电位小于周围电极的电位。
9.如权利要求1所述的直流离子阱，其特征在于所述中心电极设在离子阱存储腔体内的任意位置；所述离子阱存储腔体内的压力为0.1～10-7torr。
10.如权利要求1所述的直流离子阱，其特征在于所述离子阱存储腔体采用惰性气体作为辅气，形成碰撞冷却池装置；或采用氢气、氨气或甲烷反应性气体作为辅气，形成动态反应池装置。
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