CN102446693B - 一种带电粒子的加速方法及其应用 - Google Patents

Abstract

一种带电粒子的加速方法及其应用。本发明涉及一种带电粒子加速方法的多种应用，可形成多种质量分析器，属于仪器仪表技术领域。真空中带电粒子在加速电场中被加速，控制加速电场存在的时间，带电粒子飞出加速电场前撤销加速电场，使各种带电粒子被加速的时间相同，具有相同的动量，此运动特征可以发明出多种新类型的质量分析器。本发明提出了三种应用方法：扇形电场方向聚焦质量分析器、静电场偏转质量分析器、脉冲电场偏转质量分析器。

Description

一种带电粒子的加速方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种带电粒子加速方法的多种应用，可形成多种质量分析器，属于仪器仪表技术领域。

背景技术

质谱技术在同位素分析、化学分析、生命科学分析中有广泛的应用，其基本原理是：在真空中，将样品离子化变成带电粒子，通过质量分析器进行分离，检测出各种质量数离子的数量，从而得到样品的定性、定量信息。

在质谱技术中，质量分析器是最核心的部件，按其种类可将质谱分为以下五种：

(1)磁质谱。带电粒子被加速后进入磁场，不同质荷比的粒子偏转情况不同，使各种质荷比的粒子分离。

(2)四极杆质谱。带电粒子被引入四极杆滤质器，只有与四极杆上所加射频电场发生共振的特定质荷比的粒子可以通过，使各种质荷比的粒子分离。

(3)飞行时间质谱。带电粒子被加速后，不同质荷比的粒子速度不同，经过一段无场飞行，到达检测器的时间不同，使各种质荷比的粒子分离。

(4)离子阱质谱。带电粒子被引入离子阱，只有与阱上所加射频电场发生共振的特定质荷比的粒子可以在阱中稳定振荡飞行，使各种质荷比的粒子分离。

(5)傅立叶变换-回旋振荡质谱。带电粒子被引入电场和磁场共同作用区，在射频电场作用下回旋振荡，产生的象电流信号用傅立叶变换处理，得到各种质荷比的粒子信号。

以上五种质谱，带电粒子要进入质量分析器，都需要用电场加速。但是四极杆质谱、离子阱质谱、傅立叶变换-回旋振荡质谱中，带电粒子进入质量分析器的初速度对质量分析影响很小，可以忽略不计；而磁质谱、飞行时间质谱中，带电粒子进入质量分析器的初速度对质量分析起决定作用，带电粒子加速装置是质量分析器的一部分。

在磁质谱、飞行时间质谱中，带电粒子加速装置如图1。两个平行电极上加一定电压，在两电极之间形成加速电场，带电粒子在电场作用下被加速，从电极上的小孔或狭缝射出。转换加速电压的正负极性，可以选择射出带电粒子的正负极性。假设加速电压为U，带电粒子质量为m，电量为q，初速度为0，则带电粒子从加速电极射出时，电场对带电粒子所做的功等于带电粒子的动能：

$\mathrm{Uq}=\frac{1}{2}m{v}^2$

带电粒子从加速电极射出时速度为：

$v=\sqrt{\frac{2\mathrm{Uq}}{m}}---\left(1\right)$

磁质谱原理结构如图7，带电粒子被加速后射入磁场，受磁场力作用作圆周运动。设圆周运动半径为R，磁场强度为B，则离心力等于带电粒子所受磁场力：

$\frac{m{v}^2}{R}=\mathrm{qvB}---\left(2\right)$

合并(1)式和(2)式，可得磁质谱中带电粒子偏转半径：

$R=B\sqrt{\frac{2\mathrm{Um}}{q}}---\left(3\right)$

飞行时间质谱原理结构如图3，带电粒子被加速后进入无场区飞行。设飞行长度为L，则飞行时间将(1)式代入，可得飞行时间质谱中带电粒子飞行时间：

$t=L\sqrt{\frac{m}{2\mathrm{Uq}}}---\left(4\right)$

发明内容

本发明是一种带电粒子的加速方法的多种应用，目的在于使带电粒子具有相同的动量，以特定的方式与电场或磁场组合后，可以产生多种新型质量分析器。

本发明所用到的带电粒子加速部分是恒动量加速，物理结构可以使用目前已有的形式，真空中两电极或多个电极组合加一定电压形成电场，带电粒子在电场作用下被加速，进入质量分析器。

恒动量加速方法是：带电粒子在电场中加速一定时间，在带电粒子飞出电场之前撤消加速电场，或者部分带电粒子飞出电场，还有部分没有飞出电场时撤消加速电场。撤消加速电场即加速电压降为0V或接近0V。

恒动量加速方法结果是：加速后没有飞出原加速电场区域的所有带电粒子被加速的时间相同，速度为

v＝v₀+at₀

其中v₀是带电粒子的初速度，为方便计算假设v₀＝0，v₀≠0时下面(5)式会多一个常数项，不影响带电粒子的主要运运规律，t₀是带电粒子被加速的时间，为常数。又因为加速度其中m是带电粒子的质量，f是带电粒子在加速电场中所受的电场力，得

$v=\frac{f{t}_0}{m}$

电场力f＝Eq，其中E是加速电场强度，q是带电粒子所带电量，得

$v=\frac{\mathrm{qE}{t}_0}{m}$

加速场强其中U是加速电压，d是两加速电极间的距离，得

$v=\frac{U{t}_{0}q}{\mathrm{dm}}---\left(5\right)$

比较(1)式和(5)式，恒动量加速方法结果是带电粒子的速度与质荷比成反比，而恒能量加速方法结果是带电粒子的速度与质荷比的平方根成反比，运动规律不同。

恒动量加速的第一种典型实例为：带电粒子处于加速电场内，从静止开始被加速，运动方向与加速电场方向平行，加速后其速度符合(5)式。

恒动量加速的第二种典型实例为：带电粒子以一定初速度飞入加速电场，初速度方向与加速电场方向垂直，加速后其初速度方向速度分量不变，与加速电场平行方向速度分量符合(5)式。

目前已经存在的恒动量加速应用方法：高分辨飞行时间质量分析器。

将恒动量加速的带电粒子加速方法应用于飞行时间质量分析器，飞行长度为L，飞行时间为将(5)式代入可得

$t=\frac{\mathrm{Ldm}}{U{t}_{0}q}---\left(6\right)$

比较(6)式和(4)式，应用恒动量加速的飞行时间质量分析器，飞行时间与带电粒子质荷比成正比，而恒能量加速的飞行时间质量分析器，飞行时间与带电粒子质荷比的平方根成正比。

从飞行时间与带电粒子质荷比的数学关系上可以看出，恒能量加速的飞行时间质量分析器分辨率较低，质量数高端与低端分辨率基本一致；应用恒动量加速的飞行时间质量分析器分辨率较高，质量排列是均匀的，质量数越大分辨率越高。这一特点使应用恒动量加速的飞行时间质量分析器更适合分析大分子物质，比如肽、氨基酸、蛋白质等。

本发明的应用方法一：扇形电场方向聚焦质量分析器。

将恒动量加速的带电粒子与扇形电场相接，可形成一种新的质量分析器，此处将其称为扇形电场方向聚焦质量分析器。

扇形电场内任意点的电场方向指向扇形的圆心，或者与此方向相反，带电粒子被加速后飞入扇形电场，受电场力作用作圆周运动。设圆周运动半径为R，扇形电场强度为E，则离心力等于带电粒子所受电场力：

$\frac{m{v}^2}{R}=\mathrm{Eq}---\left(7\right)$

合并(7)式和(5)式，可得扇形电场方向聚焦质量分析器中带电粒子偏转半径：

$R=\frac{U^2{t}_0^{2}q}{E{d}^{2}m}---\left(8\right)$

从上式扇形电场中带电粒子的偏转半径与质荷比的数学关系看，它们是反比关系，只有符合上式的带电粒子可以通过扇形电场到达检测器，而(3)式传统磁场质量分析器中偏转半径与质荷比的平方根成正比。扇形电场方向聚焦质量分析器有较好的分辨率。

本发明的物理结构与目前已有的双聚焦质谱中能量聚焦部分相同，但能量聚焦的原理是(7)式和(1)式合并，带电粒子的偏转半径为：

$R=\frac{2U}{E}$

上式表明，能量聚焦中带电粒子偏转半径与质荷比无关，恒能量加速方法不能使扇形电场进行方向聚焦。采用恒动量加速可以使扇形电场进行方向聚焦。

本发明的应用方法二：静电场偏转质量分析器。

将恒动量加速的带电粒子运动方向规定为x方向，使带电粒子垂直飞入y方向的静电场，可形成一种新的质量分析器。

带电粒子飞出静电场时，y方向的速度分量v_y＝a_yt，带电粒子在长度为l的静电场中y方向加速时，x方向为匀速运动，通过静电场的时间是又因y方向加速度则

$v_y=\frac{E_y\mathrm{lq}}{v_{x}m}$

由(5)式可得x方向的速度为可得

$v_y=\frac{E_y\mathrm{ld}}{U{t}_0}$

设带电粒子飞出静电场时，其速度方向与x方向的夹角为θ，则夹角正切为将上式代入得

$\mathrm{th\θ}=\frac{E_{y}l{d}^{2}m}{U^2{t}_0^{2}q}---\left(9\right)$

由上式可以看出，带电粒子的运动方向与质荷比正相关，质荷比越大的粒子偏转角度越大，不同质荷比的带电粒子成发散趋势，在真空中飞行一段距离后，各种带电粒子按质荷比大小排列，基于此原理发明出一种新的质量分析器，在此暂时称为“静电场偏转质量分析器”。

本发明的应用方法三：脉冲电场偏转质量分析器

带电粒子使用恒能量加速方法，运动规律符合(1)式，速度方向设为x方向，飞入与x方向垂直的y方向加速电场中，y方向加速方法使用恒动量加速的第二种典型实例，可形成一种新的质量分析器。

带电粒子在y方向加速电场中加速完成时，各种粒子y方向被加速的时间相同，t_y为常数，

$v_y=a_y{t}_y=\frac{f_y{t}_y}{m}=\frac{E_y{t}_{y}q}{m}$

设带电粒子射出y方向加速电场时，其速度方向与x方向的夹角为θ，则将上式和(1)式代入得

$\mathrm{tg\θ}=E_y{t}_y\sqrt{\frac{q}{2\mathrm{Um}}}---\left(10\right)$

由上式可以看出，带电粒子的运动方向与质荷比的平方根负相关，质荷比越大的粒子偏转角度越小，不同质荷比的带电粒子成发散趋势，在真空中飞行一段距离后，各种带电粒子按质荷比大小排列，基于此原理发明出一种新的质量分析器，在此暂时称为“脉冲电场偏转质量分析器”

附图说明

图1是恒动量加速的第一种典型实例，带电粒子从静止或一定的初始速度开始加速，加速方向与电场方向平行。1和2是一对加速电极，加上加速电压即可产生加速电场，2上开小孔或狭缝用于引出被加速的带电粒子。

图2是恒动量加速的第二种典型实例，带电粒子以一定初速度飞入电极1和2形成的电场，初速度方向与电场方向垂直，带电粒子被脉冲加速后，x方向速度分量不变，y方向速度分量增加。

图3是目前已有的恒动量加速应用方法，高分辨飞行时间质量分析器。图中1和2是加速电极，3是检测器，虚线表示带电粒子的运动轨迹。

图4是目前已有的恒动量加速应用方法，反射式高分辨飞行时间质量分析器。图中1和2是加速电极，3是一组反射电极，4是一组后加速电极，5是检测器，虚线表示带电粒子的运动轨迹。

图5是本发明的应用方法一，扇形电场方向聚焦质量分析器。图中1和2是加速电极，3和4是圆弧形电极，它们之间形成扇形电场，5是具有小孔或狭缝的挡板，6是检测器，虚线表示带电粒子的运动轨迹。

图6是本发明的应用方法二：静电场偏转质量分析器。图中1和2是x方向加速电极，3和4是y方向加速电极，5是检测器，虚线表示带电粒子的运动轨迹。

图6也是本发明的应用方法三：脉冲电场偏转质量分析器。图中1和2是x方向加速电极，3和4是y方向加速电极，5是检测器，虚线表示带电粒子的运动轨迹。

图7是扇形磁场质量分析器。图中1和2是加速电极，5是垂直纸面向外的磁场，3是具有小孔或狭缝的挡板，4是检测器，虚线表示带电粒子的运动轨迹。

具体实施方式

恒动量加速的第一种典型实例如图1，带电粒子在两个平行电极1和2之间，1和2上所加的加速脉冲电压时间很短，带电粒子被加速，在到达加速极2之前就撤销加速电压，带电粒子依靠惯性从2上的小孔或狭缝飞出，其运动速度符合(5)式。

恒动量加速的第二种典型实例如图2，带电粒子以一定的速度从x方向飞入两平行加速电极1和2之间，加速电场为y方向，加速脉冲电压时间很短，带电粒子飞出加速电场之前撤销加速电压，则带电粒子加速后，x方向速度分量不变，y方向被加速，y方向速度分量符合(5)式。

目前已有的恒动量加速应用方法：高分辨飞行时间质量分析器

如图3和图4所示，图3是经典的直线飞行的质量分析器，带电粒子被加速电极1和2形成的电场加速，飞行一段距离后到达检测器3，各种质荷比的带电粒子飞行时间不同，到达检测器的时间就不同，由此进行质量分析；为了减小带电粒子初始状态偏差的影响，可以采用图4所示反射式质量分析器，可以进一步提高分辨率，图4中1和2是加速电极，被加速的带电粒子被一组反射电极3反射，再被一组加速电极4加速，到达检测器5。

本发明的应用方法一：扇形电场方向聚焦质量分析器

如图5所示，1和2是加速电极，被加速的带电粒子在3和4两个电极形成的扇形电场中做圆周运动，只有符合(8)式的才能通过带有小孔或狭缝的挡板5，到达检测器6。从(8)式可以看出，改变1和2上的加速电压U、加速时间t₀、3和4形成的电场E，就可以进行质量扫描。

本发明的应用方法二：静电场偏转质量分析器

如图6所示，带电粒子被电极1和2加速，使用恒动量加速的带电粒子加速方法，运动规律符合(5)式，以x方向飞入加速电极3和4形成的y方向静电场中，被偏转后飞出静电场时，各种质荷比的带电粒子速度方向不同，偏转角度符合(9)式，飞行一段距离后按质荷比大小排列，到达检测器5，检测器可以用阵列式的同时检测多种带电粒子，也可以用带小孔或狭缝的挡板选择一种带电粒子检测。从(9)式可以看出，改变1和2上的加速电压U、加速时间t₀、3和4形成的电场E_y，就可以进行质量扫描。

本发明的应用方法三：脉冲电场偏转质量分析器

如图6所示，带电粒子被电极1和2加速，使用恒能量加速，运动规律符合(1)式，脉冲式提供带电粒子，以x方向飞入加速电极3和4形成的y方向加速电场中，y方向加速方法使用恒动量加速的第二种典型实例，加速之后各种质荷比的带电粒子速度方向不同，偏转角度符合(10)式，飞行一段距离后按质荷比大小排列，到达检测器5，检测器可以用阵列式的同时检测多种带电粒子，也可以用带小孔或狭缝的挡板选择一种带电粒子检测。从(10)式可以看出，改变1和2上的加速电压U、3和4形成的电场E_y、加速时间t_y，就可以进行质量扫描。

Claims (4)

1.一种扇形电场质量分析器，其特征在于：由一组加速电极和一组弧形偏转电极组成，在加速电极上施加短脉冲电压，使各种带电粒子被加速的时间相同，增加相同的动量；在弧形电极上施加电压，形成扇形电场，使带电粒子偏转，带电粒子被加速增加相同的动量，之后飞入扇形电场，各种质荷比的带电粒子运动半径不同，只有特定质荷比的带电粒子可以到达检测器，检测器在同一时间只能检测一种质荷比的带电粒子，通过控制加速电压或脉冲时间，或者控制扇形电场的电压，使各种质荷比的带电粒子依次到达检测器，实现质量扫描。

2.一种静电场偏转质量分析器，其特征在于：由一组加速电极和一组偏转电极组成，在加速电极上施加短脉冲电压，使各种带电粒子被加速的时间相同，增加相同的动量；在偏转电极上施加电压，使各种带电粒子穿过偏转静电场，它们的速度方向将会不同，飞行一段距离后发生分散，只有特定质荷比的带电粒子可以到达检测器，通过控制加速电极的电压或脉冲时间，或者控制偏转电极的电压，使各种质荷比的带电粒子依次到达检测器，实现质量扫描。

3.一种脉冲电场偏转质量分析器，其特征在于：由一组加速电极和一组偏转电极组成，在加速电极上施加电压，使各种带电粒子被加速的距离相同，增加相同的能量；在偏转电极上施加短脉冲电压，使各种带电粒子被加速的时间相同，增加相同的动量，各种质荷比的带电粒子先增加相同的能量，在另一方向再增加相同的动量，它们的速度方向将会不同，飞行一段距离后发生分散，只有特定质荷比的带电粒子可以到达检测器，通过控制加速电极的电压，或者控制偏转电极的电压或脉冲时间，使各种质荷比的带电粒子依次到达检测器，实现质量扫描。

4.串联质量分析器，其特征在于：应用了权利要求1、2、3所述的质量分析器。