CN103367091B - 一种惰性气体磁式质谱仪及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种惰性气体磁式质谱仪及设计方法，该质谱仪包括离子源、磁铁、真空系统、接收器、信号处理器和控制器，所述离子源对送入的样品气体进行电子轰击以产生离子束，所述离子束经过所述磁铁形成的磁场后由所述接收器接收，所述信号处理器接收所述接收器的输出信号并对其进行处理，所述磁铁采用非对称结构的磁铁，由于质谱仪中的磁铁采用了非对称结构，因此在保证相同分辨率的前提下，与采用对称结构相比较，非对称结构可以采用更小尺寸的磁铁，使得更小体积的惰性气体磁式质谱仪能够得以实现，进而能够降低质谱仪的本底干扰，获得更高的分析灵敏度。

Description

一种惰性气体磁式质谱仪及设计方法

技术领域

本发明涉及一种质谱仪，特别涉及一种惰性气体磁式质谱仪及其设计方法。

背景技术

惰性气体同位素组成及其含量的测定在地球及行星科学中应用极为广泛，是探索行星及地球演化的有力工具。其中，它所涉及的40Ar/39Ar同位素定年法是地质学中应用最广泛的年代学方法之一，已被广泛应用于测定各种矿物岩石的年龄、反演地质体的热历史与冷却过程，是探索古大陆的形成与演化、造山带演化、成矿机制、地球的去气机理、环境变迁、灾害预测等方面的重要手段，是探索地区、区域、全球乃至行星演化重要地学问题的前沿方法。

而惰性气体同位素的测定，依赖于惰性气体磁式质谱仪的技术开发。惰性气体磁式质谱仪技术发展是推动地质科学进步的主要动力。几十年来，尽管惰性气体磁式质谱技术的发展已使得我们可以触及数千年的、理想的（钾含量高）年轻体系，但其巨大的误差、不尽人意的稳定度、苛刻的条件表明现今的质谱技术仍难以满足此类年轻地质体系的研究要求。特别是更年轻的，如数百年的年轻地质体系，或更广泛存在的低钾的年轻体系，如玄武质或安山质的火山体系（氧化钾含量<1‰），由于缺少更灵敏的质谱仪，使得和这些领域相关的研究困难重重。

对于惰性气体磁式质谱仪来说，其检测对象是气体，因此当样品进入离子源后会扩散到质谱仪系统内部，若减小质谱仪系统体积将能够尽量降低离子的扩散，提升电离区域的离子密度，增加离子被电离的可能性，从而提高灵敏度。因此，惰性气体磁式质谱仪设计中如何减小质谱仪体积是极为重要的。

目前，国内尚无商用惰性气体磁式质谱仪。而国外商用惰性气体磁式质谱仪磁铁采用的是对称磁场结构，物方焦距（也即物距）与像方焦距（也即像距）相等，磁铁半径为0.23米，导致质谱仪系统体积较大。这种质谱仪在保证分辨率的前提下，由于质谱仪的体积较大，因此不利于分析灵敏度的提高。

因此需要一种体积较小、灵敏度较高的惰性气体磁式质谱仪。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种体积较小、灵敏度较高的惰性气体磁式质谱仪。

为了达到上述目的，本发明提出了一种惰性气体磁式质谱仪，其特征在于，包括离子源、磁铁、真空系统、接收器、信号处理器和控制器，所述离子源对送入的样品气体进行电子轰击以产生离子束，所述离子束经过所述磁铁形成的磁场后由所述接收器接收，所述信号处理器接收所述接收器的输出信号并对其进行处理，其中所述控制器用于对所述离子源、所述磁铁、所述真空系统和所述接收器进行控制，所述磁铁采用非对称结构的磁铁。

进一步地，所述采用非对称结构的磁铁设计为：入射处的偏转角

不等于出射处的偏转角

入射处的补偿角ε′不等于出射处的补偿角ε′′，物距l₁不等于像距l₂。

进一步地，两个偏转角

和

与两个补偿角ε′和ε′′满足下面公式1的关系：

           公式1

其中，公式1是实现共点聚焦的条件。

进一步地，基于公式1能够获得所述采用非对称结构的磁铁在所述像距l₂多倍于所述物距l₁时的两个补偿角ε′和ε′′：

     公式2

式中ε′和ε′′分别是入射处和出射处的补偿角，

和分别是入射处和出射处的偏转角，N是大于等于2的正整数，

是已知参数。

进一步地，基于公式1和公式2能够计算所述采用非对称结构的磁铁的几何参数，包括两个偏转角

和

以及两个补偿角ε′和ε′′；其中，公式2的第一个等式即为公式1；公式2的第二个等式推导如下：由于所述采用非对称结构的磁铁的像距l₂为物距l₁的N倍，即l₂=N×l₁，而物距l₁=-ρ₀/tanε′，像距l₂=-ρ₀/tanε′′，其中N为大于等于2的正整数，ρ₀为磁场半径，由此能够推导出公式2的第二个等式；公式2的第三个等式是指所述采用非对称结构的磁铁采用磁场偏转角度为

的扇形磁铁。

进一步地，所述质谱仪的理论分辨率R的计算公式为：

$R=\frac{2\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;(1-M_x)}{-M_x\&CenterDot;{2x}_{10}+S_2+{\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;(1-M_x)\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;}}_k}$     公式3

式中ρ₀为磁场半径，M_x为磁场的横向放大率，其计算公式为

S₂为所述接收器与所述磁铁之间出射狭缝的宽度，δ_k为能量分散，2x₁₀是所述离子源与所述磁铁之间入射狭缝的宽度。

进一步地，基于公式3能够计算获得所述采用非对称结构的磁铁的磁场半径ρ₀，以实现与采用对称结构的磁铁相同的分辨率，ρ₀计算公式为

其中出射狭缝的宽度S₂、能量分散δ_k、入射狭缝的宽度2x₁₀都是已知的参数。

进一步地，所述离子源上具有入射狭缝，所述离子束经该入射狭缝传入所述采用非对称结构的磁铁形成的磁场；所述接收器上具有出射狭缝并经该出射狭缝接收传入的离子束，所述真空系统用于使经过所述采用非对称结构的磁铁的离子束处于真空环境中。

进一步地，所述离子源的出口与所述采用非对称结构的磁铁入口之间具有一定的电势差U，以使离子束中的离子能以一定的初始动能进入所述采用非对称结构的磁铁形成的磁场；所述接收器为单接收器，所述采用非对称结构的磁铁的磁场强度B能随时间改变以通过所述单接收器检测离子束中不同偏转半径的离子。

本发明还提出了一种惰性气体磁式质谱仪的设计方法（这种设计方法也属于一种提高惰性气体磁式质谱仪的灵敏度的方法），其特征在于，该质谱仪包括离子源、磁铁、真空系统、接收器、信号处理器和控制器，所述磁铁采用非对称结构的磁铁，所述采用非对称结构的磁铁的像距l₂为物距l₁的N倍，即l₂=N×l₁，这里N是大于等于2的正整数；

该质谱仪中采用非对称结构的磁铁的设计流程包括以下步骤：

步骤1，根据物距与像距计算公式，以及采用非对称结构的磁铁中像距多倍于物距的关系式，得到： $\left.\begin{array}{c}{l}_1=-{\mathrm{\&rho;}}_0/\tan {\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}\\ l_2=-{\mathrm{\&rho;}}_0/\tan {\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;\&prime;}\\ l_2=N\&CenterDot;l_1\end{array}\right\}\&DoubleRightArrow;\tan {\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}=N\&CenterDot;\tan {\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;\&prime;},$ 其中ε′和ε′′是分别是入射处和出射处的补偿角，ρ₀为磁场半径；

步骤2，结合共点聚焦的条件公式

获得

其中

和

分别是入射处和出射处的偏转角；

步骤3，结合公式

能计算获得入射处的偏转角

和出射处的偏转角

的参数，其中

是已知参数；

步骤4，根据公式

由两个偏转角

和计算获得入射处的补偿角ε′和出射处的补偿角ε′′；

步骤5，根据公式

获取所述采用非对称结构的磁铁的磁场的横向放大率M_x；

步骤6，在设定出射狭缝的宽度S₂，能量分散δ_k，入射狭缝的宽度2x₁₀的已知参数数值后，先根据公式

计算采用对称结构的磁铁的分辨率R，其中ρ₀₀为所述采用对称结构的磁铁的磁场半径，M_x0为-1；然后在保证该分辨率R值不变的前提下，根据公式

计算所述采用非对称结构的磁铁的磁场半径ρ₀；

步骤7，根据入射处的偏转角

出射处的偏转角入射处的补偿角ε′、出射处的补偿角ε′′和所述磁场半径ρ₀来设计所述采用非对称结构的磁铁的结构。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：由于质谱仪中的磁铁采用了非对称结构，因此在保证相同分辨率的前提下，与采用对称结构相比较（此时如果采用对称结构的磁铁，则该对称结构磁铁的半径较大），非对称结构可以采用更小尺寸的磁场，使得更小体积的惰性气体磁式质谱仪能够得以实现，进而能够降低质谱仪的本底干扰，获得更高的分析灵敏度。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的惰性气体磁式质谱仪的结构示意图；

图2为本发明实施例1的非对称结构的磁铁的结构示意图；

图3为本发明实施例1的质谱仪的内部腔体的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出的惰性气体磁式质谱仪，其原理在于：由于惰性气体磁式质谱仪中磁铁半径越大，质谱仪的分辨率越好，但是对于惰性气体磁式质谱仪来说，它是一种静态真空，也就是说它在工作的时候（也即在样品电离分析时）真空系统（例如真空泵）是不能工作的，完全靠质谱仪腔体的密封性好来维持高真空，所以这种质谱仪要尽量的减小自身的体积，这样真空就越能够维持的好。另外，更为重要的是，惰性气体质谱仪体积小的话，腔内残存的空气就少，这样对检测信号的背景信号贡献就小，所以就能检测到更低的样品信号（这个样品信号在背景信号高的时候，会被背景信号淹没），从而提高检测的灵敏度。所以基于上述因素，需要尽量减小惰性气体磁式质谱仪的体积，也即尽量采用小半径磁铁，但是矛盾的是，如果磁铁半径小了，质谱仪的分辨率就会降低，因此减小体积和保持分辨率是一对相互矛盾的因素，如何能保证在分辨率符合要求的情况下尽量减小体积，是需要攻克的技术难题。

本发明提出的创新性的技术方案，其核心就是：采用非对称结构的磁铁（即通过改变磁铁的几何设计参数，使得磁场的物方焦距与像方焦距不一样），这样以来，我们在保证这种结构的磁铁能够获得相同分辨率（相对于采用对称结构的磁铁而言，该对称结构磁铁的半径较大）的同时，可以采用更小半径的磁铁。这样既能获得相同的分辨率，又能实现小体积的质谱仪，从而能够实现更低的背景信号，获得更低的检测限，实现灵敏度的提高。该惰性气体磁式质谱仪中磁场采用非对称结构，例如磁场像方焦距可以多倍（例如N倍，N为大于等于2的正整数）于磁场物方焦距，这样以来，可以在保证这种结构的磁铁能够获得相同分辨率的同时，采用更小半径的磁铁，从而减小质谱仪的体积。相对于采用对称结构磁铁而言，非对称结构的磁铁可以获得更高的质量分辨率。换言之，在保证相同分辨率的前提下，与采用对称结构相比较，非对称结构可以采用更小尺寸的磁场，使得更小体积的惰性气体磁式质谱仪能够得以实现，进而能够降低质谱仪的本底干扰，获得更高的分析灵敏度。

实施例1

如图1-2所示，本发明实施例1提供了一种惰性气体磁式质谱仪，其包括离子源10（例如电子轰击离子源）、磁铁20（例如电磁铁）、真空系统40、接收器30、信号处理器50（例如信号处理电路）和控制器（例如控制电路）60等，所述离子源10对送入的样品气体(例如样品气体通过进样系统进入质谱仪的离子源10)进行电子轰击以产生离子束（例如样品气体被离子源的灯丝发射电子轰击而电离成离子束，离子源出口处与磁铁入口处的存在着一定的电势差U，这样离子束才能以一定的初始动能进入磁铁20形成的磁场，不会分离开来），所述离子束经过所述磁铁20形成的磁场后由所述接收器30接收，所述信号处理器50接收所述接收器的输出信号（例如接收器收到离子束后会产生对应的电信号）并对其进行处理（例如对其进行放大、滤波、数据分析等），其中所述控制器60用于对所述离子源、所述磁铁、所述真空系统和所述接收器进行控制（例如提供相应的控制信号以控制各部件的供电和检测等），所述磁铁采用非对称结构的磁铁。

所述离子源10与所述磁铁20之间具有入射狭缝（例如离子源10上具有入射狭缝），所述离子束经该入射狭缝传入所述磁铁形成的磁场；所述接收器30与所述磁铁20之间具有出射狭缝（例如所述接收器30上具有出射狭缝）并经该出射狭缝接收传入的离子束，所述真空系统40用于使经过所述磁铁的离子束处于真空环境中（例如使离子源10与磁铁20之间的传输通道、离子束在磁体20中的传输通道、以及磁体20与接收器30之间的传输通道，保持真空状态，这些通道构成质谱仪的内部腔体，例如可以采用不锈钢密闭腔体抽真空而形成；这里在质谱仪开始做样品实验之前，会用例如分子泵等真空系统来使不锈钢腔体达到所需的真空，然后将分子泵停止工作，再开始进行样品的电离分析，也就是说在进行样品的电离分析时，分子泵是不工作的，而分析样品之前和之后，都需要分子泵工作，以保证不锈钢腔体达到所需的真空状态）。

这里，离子束在磁场中的运动规律介绍如下：离子束经过质谱仪中的磁铁20时会发生质量分离（即不同质量数的离子在磁铁20形成的磁场中具有不同的偏转轨迹），具体的原理是，离子在均匀磁场中所受到的磁场力提供其圆周运动的向心力，也即：

这里，R_m是离子的运动半径，v是离子的运动速度，q是离子的带电量，B是磁场强度，m是离子质量。将离子的运动速度v用离子源出口处与磁铁入口处存在的电势差U来表示，即根据 $\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2=U\&CenterDot;q\&DoubleRightArrow;v=\sqrt{\frac{2\mathrm{Uq}}{m}},$ 再加上上式

我们可以推导出:

该式表示的就是离子质量m与其在磁场中运动半径R_m的关系：离子质量越大，其偏转的半径越大，离子质量越小，其偏转的半径越小。如果我们采用多接收器（也即多个接收器）的方式来接收离子束中不同质量的离子，此时这种具有多接收器的质谱仪在进行检测的过程中不需要改变磁铁的磁场强度B。而如果采用单接收器（也即单个接收器）的方式来接收离子束中不同质量的离子，则由于其在任意时刻只能接收一种离子质量的离子，因此这种具有单接收器的质谱仪在进行检测的过程中需要改变磁铁的磁场强度B，以使不同质量的离子具有相同的运动半径，从而能够被同一接收器检测，也即根据公式

通过改变磁场B，对于不同的离子质量m，都能获得相同的运动半径R_m。本发明中的惰性气体质谱仪就是采用单接收器的方式进行检测，其中，所述离子源10的出口与磁铁20入口之间具有一定的电势差U，以使离子束中的离子能以一定的初始动能进入所述磁铁形成的磁场；所述接收器30为单接收器，所述磁场的磁场强度B能随时间改变（例如在大概几秒钟时间内使磁场强度B从0特斯拉增加到一定的特斯拉，从而获得一定质量数范围内的离子的相应信号）以通过所述单接收器检测离子束中不同偏转半径的离子。

本发明的核心就是要对磁铁20的结构设计进行改进，也即采用不同于传统对称结构的磁铁，而采用非对称结构的磁铁，来实现相同分辨率的前提下，由于采用了半径更小的磁铁，因此能够减小质谱仪的体积，从而获得更高的灵敏度的目的。而且在设计这种非对称结构的磁铁的过程中，通过本发明提出的设计方法（特别是相应的设计公式）来获得这种磁铁的各项参数，这是本发明的重要创新之处。

如图2所示，N为磁铁的剖面示意图，O是扇形磁铁外圆弧的圆心；A是物点（也即物方焦点）,B是像点（也即像方焦点），6和7为磁体的边界（可以视为磁场的边界），1和2为两个离子从物点A出发，会聚于像点B，3所示的虚线为离子束的光轴，将沿3运动的离子在磁场内运动的圆弧所对应的半径作为磁场半径ρ₀；离子束到达线OO’处时会变成平行束（也即离子束的速度方向变成平行束），离子束沿光轴从磁铁边界6入射到运动至线OO’处所扫过的角度称为偏转角（又称为入射处的偏转角，单位为度），离子束沿光轴从线OO’处运动至磁铁边界7出射时所扫过的角度称为偏转角（又称为出射处的偏转角，单位为度），4和5分别由光轴与磁场边界6和7的交点分别作垂直于光轴的垂线而获得，两垂线分别与磁场边界6和7的夹角就是补偿角ε′（又称为入射处的补偿角，单位为度）和ε′′（又称为出射处的补偿角，单位为度）；物距l₁为物点A沿光轴到磁场边界6的距离；像距l₂为像点B沿光轴到磁场边界7的距离。

对称结构的磁铁中两偏转角

等于

两个补偿角ε等于ε′，因此物距l₁=像距l₂。而非对称结构的磁铁中两偏转角

不等于

两个补偿角ε′不等于ε′′，因此l1不等于l2（如图2所示）。这里非对称结构的磁铁两偏转角

和

与两个补偿角ε′和ε′′满足公式（1）的关系，即可以实现共点聚焦；共点聚焦是质谱仪中磁铁的基本设计要求。

          公式（1）

基于公式（1）可推导获得像方焦距（简称像距）多倍（例如N倍）于物方焦距（简称物距）时（此时即是非对称结构的磁铁的一种情况）磁场的补偿角大小：

     公式（2）

式中ε′和ε′′分别是入射处和出射处的补偿角，

和

分别是入射处和出射处的偏转角，N是大于等于2的正整数，

是已知参数（也即已知角度参数，单位为度，其表示离子束中的离子沿光轴从进入磁场到离开磁场时总的偏转角度，也即磁场的偏转角

和

的总和，其角度范围为大于0度且小于等于180度，经常设定为60度、90度和180度，最好设定为90度）。

其中，公式（1）是实现共点聚焦的条件。“共点聚焦”就是在X-Y平面内（例如图2示意的磁铁的剖面构成的平面），X方向上，在A点出发的各个离子经过磁场作用后能够在B点聚焦，同时，在y方向上，A点出发的各个离子也能在B点聚焦。共点聚焦也就是能够同时实现X方向和Y方向上的离子聚焦。非对称结构的磁场要实现共点聚焦，那么它的两偏转角

两个补偿角ε′、ε′′就应该满足公式（1），也即公式（2）中的第一个等式。

公式（2）中的第二个等式的推导过程如下：由于物距l₁=-ρ₀/tanε′，像距l₂=-ρ₀/tanε′′，这里的ρ₀为磁场半径（这里例如扇形磁铁的磁场半径就是（外圆弧半径-内圆弧半径）/2+内圆弧半径，加工扇形磁铁的时候，实际上需要参考两个参数，也即扇形磁铁的外圆弧半径和内圆弧半径），而本发明中所说的非对称结构也就是指l₁不等于l₂，例如像距l₂为物距l₁的N倍，即l₂=N×l₁（N可以是大于等于2的正整数，例如2，3…等），因此可以推导出公式（2）的第二个等式。此外，由于通常在惰性气体质谱仪内磁铁的磁场偏转角度都是已知的设计参数（实际中，例如扇形磁铁的磁场偏转角度也就是扇形磁铁的角度，惰性气体质谱仪一般都采用90度的扇形磁铁，此时离子会在这个扇形磁铁中偏转90度），所以可以获得公式（2）的第三个等式。

这里，本发明利用公式（1）和（2）可以设计出符合要求的非对称结构的磁铁（也即计算非对称结构磁铁的几何参数，包括两偏转角

两个补偿角ε′、ε′′），从而应用于本发明所提出的惰性气体磁式质谱仪中，以实现相同分辨率的前提下，由于采用了半径更小的磁铁，因此能够减小质谱仪的体积，从而获得更高的灵敏度的目的。其具体的设计方法后面的实施例2中有相应的介绍。

为了保证采用非对称结构的磁铁的分辨率基本不变，我们需要计算惰性气体磁式质谱仪的理论分辨率R，计算公式为：

$R=\frac{2\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;(1-M_x)}{-M_x\&CenterDot;{2x}_{10}+S_2+{\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;(1-M_x)\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;}}_k}$         公式（3）

式中ρ₀为磁场半径(单位为m)，M_x为磁场的横向放大倍数（又称为“横向放大率”），计算公式为

S₂为所述接收器与所述磁铁之间出射狭缝的宽度（单位为mm），δ_k为能量分散(单位为ev，即电子伏特)，2x₁₀是所述离子源与所述磁铁之间入射狭缝的宽度（单位为mm）。利用公式（3）可以计算惰性气体磁式质谱仪的理论分辨率，其主要是为了在保证分辨率不变的情况下，用于计算非对称结构磁铁采用多小的半径。

这里的“能量分散”也即离子束中的离子之间的能量差异，例如在物点A处离子1和离子2的离子质量相同，但初始动能不同分别为E1和E2，即能量分散δ_k=E2-E1（单位为ev，电子伏特），由于离子的运动半径

因此即使质量相同的离子，如果能量不同，则这两个离子到达像点B时也不会重合在一点上，而是相距一定的距离，因此会出现一定的误差，所以在进行分辨率计算的时候要考虑离子能量分散所引起的位置偏差（这里由于位置偏差的因素会使得接收器在检测质量相同但初始动能不同的离子过程中会发生检测识别错误，因此会影响质谱仪在检测过程中对相关离子的分辨率）。“入射狭缝”指的是，离子在离子源出射的时候会有一个狭缝（例如在离子源的出口处设置狭缝），其具有一定的宽度，并让该宽度内的离子束通过，从而减小离子在空间位置上的分散，以便减小位置分散引起的偏差，提高分辨率。“出射狭缝”的作用与“入射狭缝”类似，其位于所述接收器与所述磁铁之间（例如位于检测器的入口处），也是为了提高分辨率。

所以，公式（1）和（2）在质谱仪的设计过程中是用来确定磁铁几何参数的，包括确定两偏转角

两个补偿角ε′、ε′′。公式（3）是用来计算获得非对称结构磁铁的磁场半径，以便实现与采用对称结构磁铁（半径大于非对称结构磁铁）相同的分辨率，ρ₀计算公式为

其中出射狭缝的宽度S₂、能量分散δ_k、入射狭缝的宽度2x₁₀都是已知的参数（例如出射狭缝的宽度、入射狭缝的宽度可以通过测量相应的部件获得，而能量分散可以对离子束中的离子进行测量而获得，而且对称结构磁铁和非对称结构磁铁可以在这三个参数的取值上完全相同）。

这里以非对称结构的磁铁中像方焦距3倍于物方焦距（也即N等于3），为90度为例；由公式（1）和（2）计算可以获得入射补偿角ε′为40.89°，出射补偿角ε′′为16.1°，此时计算获得的磁场横向放大倍数M_x为-1.73，而采用对称结构的磁铁时的磁场横向放大倍数为-1。对比这两种情况（也即非对称结构的磁铁与对称结构的磁铁两种情况），在其他参数（也即出射狭缝的宽度S₂、能量分散δ_k、入射狭缝的宽度2x₁₀）相同时，为了保证分辨率不变，像方焦距3倍于物方焦距结构所需要的磁场半径ρ₀是对称结构磁场半径的0.87倍（具体的分析过程在后面的实施例2中详细介绍）。由于质谱仪内部腔体的体积与半径的关系是平方关系（例如常见的体积公式V=π×R²×h，而质谱仪内部腔体的半径与磁铁的磁场半径例如呈线性、正相关的对应关系，其中V为体积，R为半径，h为高度），因此采用非对称结构磁铁的质谱仪的体积是采用对称结构磁铁的质谱仪的体积的0.76倍，减小了将近四分之一的体积。由此可见采用非对称结构的磁铁（以像方焦距3倍于物方焦距为例）时，在保证分辨率不变的情况下，其磁场半径可减少至对称结构磁场半径的0.87倍，从而减小了惰性气体磁式质谱仪的体积，为提高仪器分析灵敏度提供了可靠的技术途径。

实施例2

如图1所示，本发明实施例2提供了一种惰性气体磁式质谱仪的设计方法，该质谱仪包括离子源、磁铁、真空系统、接收器、信号处理器和控制器，所述磁铁采用非对称结构的磁铁，例如所述磁铁的像距l₂为物距l₁的N倍，即l₂=N×l₁，这里N是大于等于2的正整数；

该质谱仪中采用非对称结构的所述磁铁的设计流程包括以下步骤：

步骤1，根据物距与像距计算公式，以及所述磁铁中像距多倍于物距的关系式，得到： $\left.\begin{array}{c}{l}_1=-{\mathrm{\&rho;}}_0/\tan {\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}\\ l_2=-{\mathrm{\&rho;}}_0/\tan {\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;\&prime;}\\ l_2=N\&CenterDot;l_1\end{array}\right\}\&DoubleRightArrow;\tan {\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}=N\&CenterDot;\tan {\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;\&prime;},$ 其中，ε′和ε′′分别是入射处和出射处的补偿角，ρ₀为磁场半径；

步骤2，结合共点聚焦的条件公式

获得

其中，

和

分别是入射处的偏转角

和出射处的偏转角

步骤3，结合公式

能计算获得所述磁铁的入射处的偏转角

和出射处的偏转角

的参数，其中

是已知参数（例如90度）；

步骤4，根据公式

由两个偏转角

和

计算获得入射处的补偿角ε′和出射处的补偿角ε′′；

步骤5，根据公式获取采用非对称结构的所述磁铁的磁场的横向放大率M_x；

步骤6，在设定出射狭缝的宽度S₂，能量分散δ_k，入射狭缝的宽度2x₁₀的参数数值后，先根据公式计算采用对称结构的磁铁的分辨率R，其中ρ₀₀为所述采用对称结构的磁铁的磁场半径（ρ₀₀为已知参数，例如经常设置为0.23m），M_x0为-1；然后在保证该分辨率R值不变的前提下，根据公式

计算采用非对称结构的磁铁的磁场半径ρ₀；

步骤7，根据所述磁铁的入射处的偏转角

出射处的偏转角

入射处的补偿角ε′、出射处的补偿角ε′′和所述磁铁的磁场半径ρ₀来设计采用非对称结构的磁铁的结构。

这里，以像方焦距3倍于物方焦距（也即N等于3），

为90度为例，详细说明本发明的质谱仪的设计方法的具体流程：

首先，根据物距与像距公式，我们有： $\left.\begin{array}{c}{l}_1=-{\mathrm{\&rho;}}_0/\tan {\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}\\ l_2=-{\mathrm{\&rho;}}_0/\tan {\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;\&prime;}\\ l_2=3\&CenterDot;l_1\end{array}\right\}\&DoubleRightArrow;\tan {\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;}=3\&CenterDot;\tan {\mathrm{\&epsiv;}}^{\&prime;\&prime;};$

然后，结合共点聚焦的条件公式（1），得到

其后，结合公式（2）中第三个等式，

能计算获得两偏转角和

再后，根据公式（1），能由两偏转角

和

计算获得入射补偿角ε′为40.89°，出射补偿角为ε′′为16.1°；

随后，由于横向放大率的计算公式为

计算获得采用非对称结构的磁铁的横向放大倍数M_x＝-1.73，而采用对称结构的磁铁的横向放大倍数M_x＝-1；这里横向放大率的物理意义是，在物方处的物在x方向上的长度，经过磁场的放大以后在像方处的像的放大倍数，即若在物方的物在x方向上的长度为a，该物在像方处所成的像在x方向上的长度为b，那么Mx=b/a，该参数与两偏转角

相关。

又后，惰性气体磁式质谱仪的分辨率的计算过程，对比如下（这里对称结构的磁铁和非对称结构的磁铁具有相同的出射狭缝的宽度S₂，能量分散δ_k和入射狭缝的宽度2x₁₀，也即出射狭缝的宽度S₂都为0.6mm，能量分散δ_k都为0.0005ev（电子伏特），入射狭缝的宽度2x₁₀都为0.2mm）：

（1）对于对称结构的磁铁来说，磁场半径ρ₀₀为0.23m，横向放大倍数M_x0为-1，出射狭缝的宽度S₂为0.6mm，能量分散δ_k为0.0005ev（电子伏特），入射狭缝的宽度2x₁₀为0.2mm，根据公式（3），

$R=\frac{2\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_{00}\&CenterDot;(1-M_{x0})}{-M_{x0}\&CenterDot;{2x}_{10}+S_2+{\mathrm{\&rho;}}_{00}\&CenterDot;(1-M_{x0})\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;}}_k}$

可以计算获得分辨率为893。

（2）对于非对称结构的磁铁来说，横向放大倍数M_x为-1.73，出射狭缝的宽度S₂为0.6mm，能量分散δ_k为0.0005ev（电子伏特），入射狭缝的宽度2x₁₀为0.2mm，为了获得893的分辨率，根据公式（3）的变形，

$R=\frac{2\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;(1-M_x)}{-M_x\&CenterDot;{2x}_{10}+S_2+{\mathrm{\&rho;}}_0\&CenterDot;(1-M_x)\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;}}_k}\&DoubleRightArrow;{\mathrm{\&rho;}}_0=\frac{R\&CenterDot;(-M_x\&CenterDot;{2x}_{10}+S_2)}{2\&CenterDot;(1-M_x)-R\&CenterDot;(1-M_x)\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;}}_k}$

可以计算获得分辨率为893是所需的磁场半径为0.199m，为对称结构磁铁（磁场半径为0.23m）的0.87倍。由于质谱仪的内部腔体的体积与半径的关系是平方关系（例如常见的体积公式V=π×R²×h），因此采用非对称结构磁铁的质谱仪的体积是采用对称结构磁铁的质谱仪的体积的0.76倍，减小了将近四分之一的体积。

最后，根据入射处的偏转角出射处的偏转角入射处的补偿角ε′、出射处的补偿角ε′′和所述磁场半径ρ₀来设计采用非对称结构的磁铁的结构。

通过以上计算可以看出，当N等于3，

为90度时，也即所述磁铁的像距3倍于物距时，在分辨率相同的前提下（两者的分辨率R都是893），采用非对称结构的磁铁所需的磁场半径为0.199m，是采用对称结构的磁铁所需的磁场半径0.23m的0.87倍（此时出射狭缝的宽度S₂为0.6mm，能量分散δ_k为0.0005ev（电子伏特），入射狭缝的宽度2x₁₀为0.2mm）。

如图3所示，由于质谱仪内部腔体70的体积与半径的关系是平方关系（例如常见的体积公式V=π×R²×h，而质谱仪内部腔体的半径与磁铁的磁场半径例如呈线性、正相关的对应关系，其中V为体积，R为半径，h为高度），因此采用非对称结构磁铁的质谱仪的体积是采用对称结构磁铁的质谱仪的体积的0.76倍。这里，质谱仪内部腔体70也即离子源10与磁铁20之间的传输通道71、离子束在磁体20中的传输通道72、以及磁体20与接收器30之间的传输通道73，这些传输通道构成质谱仪的内部腔体70，其保持真空状态，例如可以采用不锈钢密闭腔体抽真空而形成，如图3所示的质谱仪的内部腔体整体呈横截面为方形的扇形，可以由不锈钢密闭钢管制成，由于磁铁的磁场半径减小时，质谱仪的该内部腔体也会相应减小，因此可以使得质谱仪的整体体积相应减小。

由此可知，在上述步骤7之后，还可以包括步骤8：也即根据非对称结构的磁铁的结构，设计质谱仪内部腔体的结构，该内部腔体包括：离子源与磁铁之间的传输通道、离子束在磁体中的传输通道、以及磁体与接收器之间的传输通道。例如可以设计离子源与磁铁之间的传输通道、离子束在磁体中的传输通道、以及磁体与接收器之间的传输通道在整体上呈横截面为方形的扇形管状结构，该扇形管状结构的半径由非对称结构的磁铁的磁场半径直接决定（例如呈线性、正相关的对应关系）。

因此，综上所述，根据公式（1）和（2）我们能够得到非对称结构磁场的4个关键参数（两偏转角

两个补偿角ε′、ε′′）。同时根据公式（3），我们可以计算出非对称结构磁场的半径ρ₀仅需要为对称结构磁场半径的0.87倍，就能够获得相同的分辨率，从而能将仪器的体积减小将近四分之一，此时能够降低质谱仪的本底干扰，获得更高的分析灵敏度（这里的“本底干扰”指的是内部腔体70中及时抽真空也会残留一定量的空气，以本发明的惰性气体磁式质谱仪检测Ar为例，残留的空气中的Ar会对样品Ar造成干扰，因此尽可能减少内部腔体70中空气本底的干扰非常必要，在质谱仪体积减小的同时，残留的空气本底也会相应的较少，因此可以降低质谱仪的本底干扰）。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明还可以通过其他结构来实现，本发明的特征并不局限于上述较佳的实施例。任何熟悉该项技术的人员在本发明的技术领域内，可轻易想到的变化或修饰，都应涵盖在本发明的专利保护范围之内。

Claims (4)

1.一种惰性气体磁式质谱仪的设计方法，其特征在于，该质谱仪包括离子源、磁铁、真空系统、接收器、信号处理器和控制器，所述磁铁采用非对称结构的磁铁，所述采用非对称结构的磁铁的像距l₂为物距l₁的N倍，即l₂=N×l₁，这里N是大于等于2的正整数；

该质谱仪中采用非对称结构的磁铁的设计流程包括以下步骤：

步骤1，根据物距与像距计算公式，以及采用非对称结构的磁铁中像距多倍于物距的关系式，得到：

其中ε′和ε″是分别是入射处和出射处的补偿角，ρ₀为磁场半径；

步骤2，结合共点聚焦的条件公式

获得

；其中

和

分别是入射处和出射处的偏转角；

步骤3，结合公式，能计算获得入射处的偏转角

和出射处的偏转角

的参数，其中

是已知参数；

步骤4，根据公式

由两个偏转角

和

计算获得入射处的补偿角ε′和出射处的补偿角ε″；

步骤5，根据公式

，获取所述采用非对称结构的磁铁的磁场的横向放大率M_x；

步骤6，在设定出射狭缝的宽度S₂，能量分散δ_k，入射狭缝的宽度2x₁₀的已知参数数值后，先根据公式

计算采用对称结构的磁铁的分辨率R，其中ρ₀₀为所述采用对称结构的磁铁的磁场半径，M_x0为-1；然后在保证该分辨率R值不变的前提下，根据公式

计算所述采用非对称结构的磁铁的磁场半径ρ₀；

步骤7，根据入射处的偏转角、出射处的偏转角

、入射处的补偿角ε′、出射处的补偿角ε″和所述磁场半径ρ₀来设计所述采用非对称结构的磁铁的结构。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子源对送入的样品气体进行电子轰击以产生离子束，所述离子束经过所述磁铁形成的磁场后由所述接收器接收，所述信号处理器接收所述接收器的输出信号并对其进行处理，其中所述控制器用于对所述离子源、所述磁铁、所述真空系统和所述接收器进行控制；所述采用非对称结构的磁铁采用磁场偏转角度为

的扇形磁铁，其中

取值为90度。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述离子源上具有入射狭缝，所述离子束经该入射狭缝传入所述采用非对称结构的磁铁形成的磁场；所述接收器上具有出射狭缝并经该出射狭缝接收传入的离子束，所述真空系统用于使经过所述采用非对称结构的磁铁的离子束处于真空环境中。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述离子源的出口与所述采用非对称结构的磁铁入口之间具有一定的电势差U，以使离子束中的离子能以一定的初始动能进入所述采用非对称结构的磁铁形成的磁场；所述接收器为单接收器，所述采用非对称结构的磁铁的磁场强度B能随时间改变以通过所述单接收器检测离子束中不同偏转半径的离子。

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