CN103858201A - 静电透镜及包括该静电透镜的系统 - Google Patents

Abstract

一种系统包括放置在带电粒子源和检测器之间的静电透镜。该透镜包括：第一电极，具有放置在路径中并与第一轴线对齐的第一孔径；第二电极，在第一电极和带电粒子检测器之间的路径中，第二电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第二孔径，第二轴线平行于第一轴线，并沿第一方向从第一轴线移位；第三电极，在第一电极和第二电极之间；以及耦合到第一、第二和第三电极的电位生成器。在工作期间，电位生成器将第一、第二和第三电位分别施加到第一、第二和第三电极，以使得静电透镜将沿第一轴线传播的来自带电粒子源的带电粒子束引导到沿第二轴线传播。

Description

静电透镜及包括该静电透镜的系统

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2011年5月4日的临时申请第61/449,193号的权益，其整体内容通过引用包括在本说明书中。

技术领域

本发明涉及静电透镜以及包括静电透镜的系统。

背景技术

各种应用都涉及从一个位置向另一个位置传送带电粒子。例如，在四极质量过滤器和其他类型的质谱仪的离子传送中，从多极离子导向器离子阱中脉冲释放捕获的离子到飞行时间（TOF）质谱仪的脉冲区域中，都是这种情形。此外，存在能进行改进的、更精细的、通用的带电粒子束对焦的需要。然而，传送所选的离子往往伴随着同时传送不想要的粒子，其中可能包括具有明显较高和/或较低动能的带电粒子，以及不带电粒子，如中性粒子和光子。

这些不想要的粒子可能会干扰想要的粒子的传送或最佳利用。例如，高能带电和不带电的粒子，如气溶胶，经常伴随着将来自大气压离子源的分析物离子引入到真空中，并且这种“背景”粒子可能具有较高的能量，使得它们很难被控制或除去。不想要的“背景”粒子的其他示例包括例如在电感耦合等离子体（ICP）离子源和电子引起的电离（EI）离子源中产生的光子，以及中性亚稳粒子，如在这些离子源中产生的中性亚稳粒子，它们可能传递能量给次级粒子以产生不想要的二次离子。所有这样的粒子都可能会导致不希望的后果，如质谱仪检测器中的背景噪声。

在其他情况下，如二次离子质谱分析（SIMS）技术，精细聚焦的高能离子束会冲撞固体样品很小的表面积，从而释放出所谓样品表面物质的二次离子。随后对这些二次离子的质量分析揭示了该小面积样品表面的化学成分。然而，伴随着聚焦离子的高能中性粒子不能聚焦，它们的冲撞从分析区域以外创建样品表面二次离子，这会降低分析的空间特异性。

另外，动能过滤器和分析仪被配置为以较高的透射将具有相对狭窄范围的能量通过，同时尽可能多地阻止具有在此狭窄范围之外的动能的粒子传递给检测器。

发明内容

已经发现静电透镜可以根据本发明被配置为从离子束中减少或除去不想要的背景粒子，同时保持良好的光学特性，可得到较高的离子透射效率和良好的对焦特性。在质谱仪的应用中，这种透镜通过阻止这些不想要的粒子产生背景噪声来改善信噪比是有效的，无论是由于直接的检测器影响，还是通过从表面产生二次粒子再影响检测器。在聚焦离子束的应用中，这种透镜同样对除去离子束中的中性物质也是有用的，可得到改善的分析性能。这种减少或除去背景粒子也可以减轻撞击和寄生背景粒子沉积所导致的表面上的电绝缘层污染物的积累，这种积累会导致有害的充电效果。在一些实施例中，静电透镜被放置在质谱仪的低真空区域中，以确保离子的透射效率不会因为背景气体分子使得离子散射脱离粒子路径而明显恶化。与此形成对比地，RF离子导向器通常用来运输离子通过相对较高和较低真空压力的区域，因为离子导向器内的RF场通常会防止这样的碰撞损失。然而，离子透射损耗和/或离子束光学特性的恶化仍然可能在离子离开RF离子导向器的末端时发生，其中离子可能会由于RF边缘场发生散射和/或与背景气体分子碰撞。此外，虽然静电透镜可以使用静电场聚焦或以其他方式重新引导离子轨迹，但除了引导离子沿离子导向器轴线行进，这不可能使用RF离子导向器实现，尽管由于离子导向器中心部分内的离子和背景气体之间碰撞的冷却效果。因此，静电透镜提供电位，用于通过静电场以比RF离子导向器更高的总体透射效率和更好的对焦透射和对焦离子束同时防止透射不想要的粒子。

本发明的各个方面概述如下。

一般地，在一个方面，本发明描述了一种系统，包括放置在带电粒子源和带电粒子检测器之间的路径中的静电透镜。该静电透镜包括：第一电极，具有放置在路径中并与第一轴线对齐的第一孔径；第二电极，放置在第一电极和带电粒子检测器之间的路径中，第二电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第二孔径，第二轴线平行于第一轴线，并沿第一方向从第一轴线移位；第三电极，放置在第一电极和第二电极之间的路径中；以及耦合到第一、第二和第三电极的电位生成器。在工作期间，电位生成器将第一电位施加到第一电极，将第二电位施加到第二电极，并将第三电位施加到第三电极，以使得静电透镜将沿第一轴线传播的来自带电粒子源的带电粒子束引导到沿第二轴线传播。

该系统的实施例可包括下列特征中的一个或多个。例如，在工作过程中，静电透镜可以引导具有第一范围内的动能的粒子束中的带电粒子通过第二孔径，而通过第一孔径进入静电透镜的具有第一范围以外的动能的带电粒子被阻止通过第二孔径。

在第一电极处的路径可以与在第二电极处的路径平行。

第一电极可以是平板电极。第二电极可以是平板电极。在一些实施例中，第一和第二电极都是平板电极。平板电极可以是并行的。平板电极可以与第一和第二轴线正交。

第三电极可以包括路径延伸通过的孔。孔可以有第三轴线。该孔可以有在整个第三电极上相同的孔横截面。该孔可以具有在至少一个轴向位置处不同于在其他轴向位置处的孔横截面的横截面。第三电极的孔可以具有圆柱形的横截面，其中第三轴线是圆柱形横截面的轴线。第三电极的孔可以具有椭圆形的横截面，该椭圆形的横截面具有长直径和不同于长直径的短直径，其中长直径或短直径都平行于第一方向。第三电极的孔可以具有卵形的横截面，其中卵形包括中心在第一孔的轴线上的矩形，其中矩形的第一和第二边与第一方向平行，矩形的第三和第四边垂直于第一方向，其中卵形还包括第一和第二圆柱，第一圆柱的中心在矩形的第三边的中点，第二圆柱的中心在矩形的第四边的中点，其中第一和第二圆柱的直径与第三和第四边的长度相同。该孔可以具有包括第三轴线并垂直于第一方向的对称平面。该孔可以具有包括第三轴线并还包括第一轴线和第二轴线的对称平面。该孔可以有两个对称平面，这两者都包括第三轴线，其中一个对称平面垂直于第一方向，并且其中第二对称平面还包括第一轴线和第二轴线。第三电极可以包括彼此电绝缘的两半电极部分，每一半部分都是另一半部分的镜像，其中半个部分之间的对称平面包括第三轴线以及第一和第二轴线，其中电位发生器还提供两个半个部分之间的差分电压。第一和第三轴线平行于第一和第二轴线，并相对于第一轴线和第二轴线在第一方向上移位。第一和第二轴线可以从第三轴线移位相同的量。

第一和第二电位可以是相同电位。

静电透镜可以进一步包括：第四电极，放置在第二电极和带电粒子检测器之间的路径中，第四电极具有放置在路径中并与第四轴线对齐的第三孔径，第四轴线平行于第二轴线并沿第一方向从第二轴线移位；以及第五电极，放置在第二电极和第四电极之间的路径中。第四轴线可以与第一轴线同轴。在工作过程中，电位发生器可以将第四电位施加到第四电极，将第五电位施加到第五电极，使静电透镜将沿第一轴线传播的带电粒子束引导到沿第四轴线传播。第四电位可以与第一电位或第二电位相同。第五电位可以与第三电位相同。

该系统可以包括真空室，其中静电透镜被放置在真空室中。

该系统可以包括由以下组成的组中的一个或多个：带电粒子导向器、静电透镜、磁透镜、静电偏转器和磁偏转器，放置在带电粒子源和静电透镜之间的路径中。带电粒子导向器可以包括多极带电粒子导向器。多极带电粒子导向器可以是六极带电粒子导向器。

带电粒子源可以是离子源。离子源可以基本工作在大气压力下。替代性地，离子源可以工作在真空压力下。

带电粒子源可以是电子源。

该系统可以包括质量分析仪。

任何一个电极都可以包括将电极划分成沿包括第一方向和第一轴线的平面的两个半部分，由此可将转向电压施加到任何半部分以引导离子正交于平面。

一般情况下，在另外的方面中，本发明提供一种系统，包括放置在带电粒子源和带电粒子检测器之间的路径中的静电透镜。该静电透镜包括：第一电极，具有放置在路径中并与第一轴线对齐的第一孔径；第二电极，放置在第一电极和带电粒子检测器之间的路径中，第二电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第二孔径，第二轴线平行于第一轴线，并沿第一方向从第一轴线移位；第三电极，放置在第一电极和第二电极之间的路径中；以及耦合到第一、第二和第三电极的电位生成器。在工作期间，电位生成器将第一电位施加到第一电极，将第二电位施加到第二电极，并将第三电位施加到第三电极，以使得静电透镜引导通过第一孔径进入静电透镜的在第一动能范围内的带电粒子束通过第二孔径同时阻止通过第一孔径进入静电透镜的具有第一范围之外的动能的带电粒子通过第二孔径。该系统的实施例可以包括其他方面的一个或多个特征。

一般情况下，在另外的方面，本发明提供一种系统，包括放置在带电粒子源和带电粒子检测器之间的路径中的静电透镜。该静电透镜包括：第一电极，具有放置在路径中并与第一轴线对齐的第一孔径；第二电极，放置在第一电极和带电粒子检测器之间的路径中，第二电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第二孔径，第二轴线平行于第一轴线，并沿第一方向从第一轴线移位；第三电极，放置在第一电极和第二电极之间的路径中；第四电极，放置在第二孔径和带电粒子检测器之间的路径中，第四电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第四孔径；以及耦合到第一、第二、第三和第四电极的电位生成器。在工作期间，电位生成器将第一电位施加到第一电极，将第二电位施加到第二电极，并将第三电位施加到第三和第四电极，以使得静电透镜引导通过第一孔径进入静电透镜的具有第一动能范围的带电粒子束通过第二和第四孔径同时阻止通过第一孔径进入静电透镜的具有第一范围之外的动能的带电粒子通过第二和第四孔径。该系统的实施例可以包括其他方面的一个或多个特征。

一般情况下，在另外的方面，本发明提供一种系统，包括放置在带电粒子源和带电粒子检测器之间的路径中的静电透镜。该静电透镜包括：第一电极，具有放置在路径中并与第一轴线对齐的第一孔径；第二电极，放置在第一电极和带电粒子检测器之间的路径中，第二电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第二孔径，第二轴线平行于第一轴线；以及第三电极，放置在第一电极和第二电极之间的路径中，第三电极是是具有平行于第一和第二轴线的圆柱轴线的圆柱形电极，圆柱轴线在第一方向上偏离第一和第二轴线相等的量；以及耦合到第一、第二和第三电极的电位生成器。在工作期间，电位生成器将第一电位施加到第一电极，将第二电位施加到第二电极，并将第三电位施加到第三电极，以聚焦来自带电粒子源的带电粒子束沿路径从第一轴线上的第一交叉点传播到第二轴线上的第二交叉点。该系统的实施例可以包括其他方面的一个或多个特征。

一般情况下，在另外的方面，本发明提供一种方法，该方法包括引导具有在第一能量范围内的某一范围的动能的带电粒子束沿路径通过静电透镜的入口孔径，静电透镜包括包含入口孔径的第一电极、包括放置在路径中的第二孔径的第二电极和放置在第一和第二电极之间的路径中的第三电极，其中第一和第二孔径分别与彼此在第一方向上移位的第一和第二平行的轴线对齐；以及施加电压到第一、第二和第三电极，以使得透射粒子束通过第二孔径同时通过入口孔径进入静电透镜的具有动能范围之外的动能的带电粒子被静电透镜阻止。该方法的实施可以包括其他方面的一个或多个特征。

实施例可以包括具有各种优点。例如，使用本文所公开的静电透镜，使用带电粒子束的各种分析技术的可实现性能都可以得到改善。在一些实施例中，该静电透镜可以通过减少使用该透镜的系统中检测器的背景噪声来提高分析的灵敏度。通过从带电粒子束中除去未被选择用于分析的背景粒子和其他物质，透镜可以减少测量过程中的背景噪声。一般情况下，使用包含相对于入射带电粒子束路径偏轴的孔径的静电透镜系统来除去背景粒子。

在其他的实施例中，提供了根据本发明的类似的静电透镜，作为产生聚焦粒子束的光学结构中的组成部分，例如，离子束聚焦到小横截面以对表面小区域进行离子溅射蚀刻。这种离子束形成离子光学结构通常被设计为以较高的透射效率运输并聚焦来自离子源的离子束到固体样品表面上的焦点，同时最大限度地降低光学像差。这种像差会导致样品上最终聚焦点的离子电流密度的降低。另一方面，在离子源中或通过离子和背景气体分子之间的碰撞或沿离子束路径表面产生的中性物质无法聚焦，因此可以导致聚焦离子点区域以外的表面被溅射蚀刻，从而降低蚀刻质量，和/或生产不能代表聚焦点内的样品材料的溅射物质。本发明提供了静电透镜的实施例，其减少或除去离子路径中的这些中性物质，而不在离子束中引入明显的光学像差。特别地，一些实施例最大限度地减少离子束聚焦中的像散。

在更多的其他的实施例中，类似的静电透镜被配置为透射并聚焦具有窄范围的动能的带电粒子束，同时防止具有该窄范围之外的动能的其他带电粒子通过。

本说明书中的公开的静电透镜和系统在机械设计和/或制造方面可以比较简单。例如，静电透镜，可以从相对较小数量的电极组成部分形成，它们很容易组装形成透镜，常常在相对紧凑的空间内，并具有简单的几何轮廓，如平面、圆柱形和椭圆形的表面轮廓。因此，制造透镜的成本和/或复杂度可以相对较低。

在附图和下面的描述中描述一个或多个实施例的细节。从说明书和附图，以及从权利要求，本发明的其他特征和优点将是显而易见的。

附图说明

图1是示出质谱仪系统的实施例的示意图。

图2（a）示出了包括静电透镜的质谱仪系统的实施例的组成部分的剖视图，其示出了某些离子轨迹。

图2（b）是图2（a）所示的组成部分的透视图。

图3是图2（a）所示组成部分的剖视图。，出了不同于图2（a）所示的条件下，特别是当在静电透镜内没有电场产生时的离子轨迹。

图4是图2（a）所示的组成部分的顶视图。

图5是图2（a）所示的组成部分的剖视图，示出了另一种离子轨迹，特别对于图2（a）中的离子具有更大动能的离子。

图6示出了质谱仪系统的另一个实施例的组成部分的剖视图。

图7是图6所示的组成部分的顶视图。

图8（a）是图2（a）所示的组成部分的剖视图，示出了不同于图2（a）所示的条件下图5中离子的轨迹。

图8（b）是图2（a）所示的组成部分的剖视图，示出了不同于图8（a）所示的条件下图8（a）中离子的轨迹。

图8（c）是图2（a）所示的组成部分的剖视图，示出了图8（b）的条件下具有小于图8（b）所示的动能的动能的离子的轨迹。

图8（d）是图2（a）所示的组成部分的剖视图，示出了图8（b）的条件下具有大于图8（b）所示的动能的动能的离子的轨迹。

图9（a）是图2（a）所示的透镜的剖视图，示出了透射轨迹的轴线平行于入射轨迹的轴线的情况下的若干轨迹。

图9（b）是图9（a）中所示的组成部分和轨迹的顶视图。

图10（a）是图2（a）中所示的耦合到四极质量过滤器的组成部分的剖视图。

图10（b）是图10（a）中所示的组成部分的侧视图，示出了某些离子轨迹。

图10（c）是作为质量过滤器设置的函数的通过图10（a）的组成部分的离子透射概率的曲线图，其对应于计算得到的质谱图中的质量/电荷峰值。

图11（a）是图2（a）所示的耦合到图8（a）的四极质量过滤器的六极和出射透镜的横截面，其中所有的组成部分都是共轴的。

图11（b）是图11（a）中所示的组成部分的侧视图，示出了某些离子轨迹。

图11（c）是作为质量过滤器设置的函数的通过图11（a）的组成部分的离子透射概率的曲线图，其对应于计算得到的质量/电荷峰值，还示出了图10（c）中绘制的结果以进行比较。

图12是作为中心电极长度的函数的计算得到的图9（a）的透镜的透镜参数的曲线图，圆筒状中心电极的内径为8mm。

图13是作为中心电极内径的函数的计算得到的图9（a）的透镜的透镜参数的曲线图，圆筒状中心电极的长度为14mm。

图14是作为中心电极内径的函数的计算得到的图9（a）的透镜的透镜参数的曲线图，圆筒状中心电极的长度为18mm。

图15是作为中心电极内径的函数的计算得到的图9（a）的透镜的透镜参数的曲线图，圆筒状中心电极的长度为30mm。

图16（a）是计算得到的图9（a）的透镜的透镜参数作为y轴方向上的椭圆长轴直径的函数的曲线图，其中该透镜参数为椭圆中心电极长度为14mm，在x轴方向上的椭圆短轴直径为10mm。

图16（b）是计算得到的图9（a）的透镜的透镜参数作为y轴方向上的椭圆长轴直径的函数的曲线图，其中该透镜参数为椭圆中心电极长度为14mm，在x轴方向上的椭圆短轴直径为12mm。

图16（c）是计算得到的图9（a）的透镜的透镜参数作为y轴方向上的椭圆长轴直径函数的曲线图，其中该透镜参数为椭圆中心电极长度为14mm，在x轴方向上的椭圆短轴直径为14mm。

图16（d）是计算得到的图9（a）的透镜的透镜参数作为y轴方向上的椭圆长轴直径函数的曲线图，其中该透镜参数为椭圆中心电极长度为14mm，在x轴方向上的椭圆短轴直径为15mm。

图17（a）是耦合到附加的聚焦透镜的图9（a）所示的组成部分的剖视图，其中椭圆中心电极的长度为20mm，x轴方向上的椭圆短轴直径为20mm，y轴方向上的椭圆长轴直径为22mm。

图17（b）是图17（a）中所示的组成部分和轨迹的顶视图。

图18（a）是耦合到附加的用于动能过滤的孔径电极的图9（a）所示的组成部分的剖视图，其中椭圆中心电极的长度为20mm，x轴方向上的椭圆短轴直径为7.5mm，y轴方向上的椭圆长轴直径为8.1mm。

图18（b）是图18（a）的透镜出射区域的放大的剖视图。

图18（c）是图18（a）中所示的组成部分和轨迹的顶视图。

图19（a）是计算得到的图9（a）的透镜的透镜参数作为y轴方向上的椭圆长轴直径的函数的曲线图，其中该透镜参数为椭圆中心电极长度为20mm，在x轴方向上的椭圆短轴直径为7mm。

图19（b）是计算得到的图9（a）的透镜的透镜参数作为y轴方向上的椭圆长轴直径的函数的曲线图，其中该透镜参数为椭圆中心电极长度为20mm，在x轴方向上的椭圆短轴直径为10mm。

图19（c）是计算得到的图9（a）的透镜的透镜参数作为y轴方向上的椭圆长轴直径的函数的曲线图，其中该透镜参数为椭圆中心电极长度为20mm，在x轴方向上的椭圆短轴直径为20mm。

图20是计算得到的图9（a）的透镜的透镜参数作为y轴方向上的椭圆长轴直径的函数的曲线图，其中该透镜参数为椭圆中心电极长度为30mm，在x轴方向上的椭圆短轴直径为10mm。

在各图中类似的附图标记表示类似的元件。

具体实施方式

参照图1，质谱分析系统100包括离子源110，在分析中制造来自样品的离子；离子运输组件120（如在本技术领域中公知的，可以包括例如一个或多个RF多极离子导向器，和/或静电聚焦透镜和/或孔径，和/或偏转器和/或毛细管）；静电透镜组件130；分析仪组件140；以及电子控制器150。离子运输组件120、静电透镜组件130和分析仪组件140安置在一个或多个真空室155中。分析仪组件140包括检测器145。在系统100的运行过程中，离子源110生成离子，离子运输组件120将其运输到静电透镜组件130。透镜组件130将这些离子引导到离子分析仪组件140，在该离子分析仪组件140中，通过在分析仪组件140中应用适当的电和/或磁场将离子作为其质荷比（M/Z）的函数来进行分析。结果是，特定M/Z的离子在任何特定的时间点撞击检测器145，生成正比于其丰度的信号。例如，可以通过在所选的M/Z比范围内记录样品中存在的离子丰度来获得质谱图。

一般情况下，各种离子源都可用于离子源110。离子源大致可分为在大气压力下提供离子的源（称作大气压离子（API）源）和在非大气压（例如，减压）下提供离子的源。API源的示例包括电喷雾电离（ESI）、大气压化学电离（APCI）、电感耦合等离子体（ICP）、辉光放电（GD）和大气压基质辅助激光解吸电离（MALDI）源。非大气压离子源通常工作在真空或部分真空中。非大气压离子源的示例可以是化学电离（CI）、电子电离（EI）、快原子轰击（FAB）、流FAB、激光解吸（LD）、MALDI、热喷雾（TS）和粒子束（PB）源。

一般情况下，离子运输组件120可以包括被布置为在质谱分析系统100内的不同位置之间运输离子的一个或多个离子导向器。在一些实施例中，离子导向器也用来捕获离子。离子导向器的示例可以包括RF多极离子导向器，它通常包含沿一轴线对称布置的多个平行电极（例如，四极、六极和八极离子导向器，分别设有四个、六个和八个电极或磁极）。如在本技术领域公知的，也可以使用其他类型的RF离子导向器，如叠环离子导向器或螺旋形离子导向器。

组件120的离子导向器可以安置在质谱仪100的单个压力区域中，或者它可以连续延伸通过具有不同的背景压力的多个区域。在一些实施例中，单个离子导向器可以在两个或更多的压力区域之间连续延伸。在这样的结构中，离子导向器上游部分中的背景气体压力可以足够高到引起离子的碰撞冷却，而离子导向器下游部分中的背景气体压力可以足够低到使得离子和背景气体分子之间的碰撞可以忽略不计。有些离子导向器设有多于一个分段。每个分段都可以有专门的电子控制器，使得能够独立地调整提供给多极离子导向器的每个分段或组件的AC（例如，射频（RF））和/或DC电场。通过施加适当的电场，离子导向器可以对穿过导向器的离子进行m/z选择。例如，可以通过不想要的离子的谐振频率拒绝、在捕获或不捕获离子的情况下使用AC和DC电位的离子m/z选择或通过扫描施加到多极离子导向器的电场的RF幅度或频率来去除不想要的离子m/z值，从而执行m/z选择。

替代性地，或附加地，离子导向器可以被用来进行离子碎裂。例如，施加在不同的离子导向器或不同的离子导向器分段之间的DC电压可以首先在一个离子导向器或分段内加速离子，并使得离子从一个离子导向器或分段加速进入另一离子导向器或分段，导致加速离子和已经存在于该离子导向器或分段中的离子之间的碰撞。这些碰撞产生离子碎片。

静电透镜组件130包括引导所选的离子离开离子运输组件120向着分析仪组件140的静电透镜。透镜也可以用来通过过滤掉导致背景噪声的不想要的粒子来增加质谱分析系统100的灵敏度。

一般情况下，静电透镜设有耦合到电位生成器的一个或多个电极，该电位生成器为每个电极施加静电电位。电极之间的电位差异产生影响穿过透镜的离子的轨迹的电场。静电透镜减少被透射到分析仪组件140的不想要的、在透镜上游生成的粒子的数量。尽管下面描述了静电透镜的具体实施例，但一般情况下，静电透镜具有至少一个有孔径电极，该孔径相对于进入透镜的离子路径是偏离轴线的。施加合适的电位到透镜电极产生静电场，该静电场引导并聚焦离子束内所选的离子通过偏轴孔径到分析仪组件140。其他的离子和/或中性粒子和/或光子按照不同的轨迹，并且不被引导通过偏轴孔径。因此，至少一些未被选择的离子和/或粒子和/或光子被静电透镜阻挡，而不进入分析仪组件140。

各种不同的分析仪都可用于分析仪组件140。示例包括四极质量过滤器、两维和三维离子阱、维恩滤波器、飞行时间（TOF）和混合四极TOF质量分析仪。

类似地，可以使用各种不同的检测器。例如，检测器145可以是电子倍增器、光电倍增器或法拉第杯检测器，其产生正比于撞击检测器表面的粒子数量的信号。

使用数据采集系统记录来自检测器的信号，该数据采集系统通常作为电子控制系统150的子系统被包括在其中。控制系统150还与离子源110、离子导向器组件120和静电透镜组件130通信，与系统100的各个组成部分运行协调数据采集和分析。因此，控制系统150除了方便系统运行的电子处理器和输入（例如，键盘或小键盘）和输出设备（例如，一个或多个显示器），还可以包括用于施加电场（例如，AC和/或DC）到离子运输组件120和静电透镜组件130的电源和电气连接。

在下面的说明中，假设离子源110产生的带电粒子是正离子，但应该理解的是，本说明书中公开的系统对于负离子或电子工作得一样好，在负离子或电子的情形中，施加到静电透镜电极上的电压的极性与下面描述的相反。

现在转到静电透镜的具体的示例，图2（a）和图2（b）分别示出了作为图1的离子运输系统130的组成部分被包括在本实施例中、位置与静电透镜200相邻的离子导向器220的一部分的横截面和透视图（例如，RF多极离子导向器，如六极离子导向器），离子导向器220包括入口电极板231、圆柱形中心电极232和出口电极板233。入口电极板231和出口电极板233是具有彼此平行的面（平行于参考笛卡尔坐标系的x-y平面）的平板。电极板231具有放置在公共轴线210上与离子导向器220对准的孔径202。电极板233具有放置在y方向上从轴线210移位距离204的轴线211上的孔径203。中心电极232包括圆柱形的孔/钻孔（或“孔”）235，圆柱轴线212在y方向上从公共轴线210移位到电极板233的轴线211距离的一半的距离201，使得距离201基本等于距离205。一般情况下，本发明的替代性实施例可以配置为距离205与距离201不相等，或者，孔235不是圆柱形的，而是可以具有椭圆形的横截面，例如，如在下面更详细地描述的，以减少离开透镜的束中的像散。轴线210、211和212都平行于z轴，中央圆孔/钻孔235在z方向上连续延伸长度L。此外，还会发现在一些实施例中，当调整透镜电位以引导离开透镜的离子束沿相对于孔径203的轴线211成一角度的束轴线时，将得到离子束更好的光学特性。

在一些实施例中，还可以包括在平板电极233的下游的附加电极234，例如来提供进一步的对焦。电极234包括与轴线211同轴的圆柱状通道255。电极234可以是另一台设备的组成部分，如在直接位于静电透镜200下游的、在示出电极234的位置处的质量过滤器（例如，四极质量过滤器）。

在操作过程中，平板电极231设置在第一电压V1，电极232设置在第二电压V2，平板电极233设置在第三电极V3。对电压V1、V2和V3进行选择，使得具有在某些预选范围内的电荷和动能的、从离子导向器220沿轴线210传播进入透镜200的离子发生偏转，以在沿轴线211传播的同时通过孔径203离开透镜200。一般情况下，V1不同于V2。V1可以与V3相同或不同。

在一些实施例中，在离子导向器220中沿轴线210传播的离子具有非常低的动能和相对狭窄的动能分布。这种动能分布可能是由于例如离子先前在较高的背景气压下进行过所谓的碰撞冷却。在此情形中，施加到离子导向器220的DC偏置电压（RF电压参考此电压）也代表进入透镜200的离子的近似初始DC电位，下游电位（例如，透镜电极的电位）参考此电位。换句话说，在离开离子导向器220之后，离子在任何下游位置的近似动能是离子上的电荷乘以离子导向器的DC电压偏置和特定的下游位置处的局部电位之间的电位差。

图2（a）包括离子轨迹240，该轨迹使用市售的Simion8.0电位和轨迹计算程序的计算机电-光模型仿真计算得到。为了进行仿真，离子导向器220是RF六极离子导向器，具有为4mm的内切圆直径，并施加0V的偏置电压。静电透镜电极电压为：

V1	V2	V3
			-100V	2.7V	-100V

如离子轨迹240所示，具有初始较低动能的离子（在此示例中为0.2eV）在离子导向器220中加速并聚焦到yz平面内轴线210上的第一交叉点（crossover）250，同时它们接近并通过孔径202穿过电极231。本说明书中所用的离子束的交叉点是离子束在与离子束轴线（如，图2（a）的yz平面中的y方向）正交的某个方向上具有相对于类似测得的相邻的轴线位置处的离子束直径的测得的最小直径的位置。换句话说，在此示例中测得的y方向上的离子束大小在更高和更低的轴线位置上相对于交叉点的位置都会增加。一般情况下，交叉点在一个平面（如，yz平面）内的轴线位置与该交叉点在另一个正交平面（如，x-z平面）内的可能不重合，也就是说，在离子束轴线上的相同位置，在此情形中，该离子束被称为是“像散的”。当正交平面内的交叉点确实基本重合在相同的轴线位置，该离子束被称为“无像散的（stigmatic）”。

随着离子通过孔径202，电极231和232之间的电位梯度会使得离子开始减速，从而改变离子束原有的轨迹，使离子束转向轴线212。然而，随着离子接近轴线212，电极232和233之间的电位梯度越来越多地影响离子，并在更轴线的方向上对它们再次加速，使得离子束再次改变路线，这次朝沿轴线211的出口电极孔径203，离子都聚焦到第二交叉点251，现在yz平面内的轴线211上。如将在下面更详细地描述的，对于给定的入射离子束动能。交叉点251的轴线位置取决于透镜的几何尺寸。

随着离子通过出口电极孔径203，它们的动能和轨迹投影到yz平面上，与它们在通过入口电极孔径202时具有的动能和轨迹相似。这通过图3中示出的离子轨迹340进行示例，图3对应于V2=-100V的情形计算，而不是图2（a）中示出的离子轨迹240对应的2.7V。由于V1=V2=V3，因为在电极231、232和233之间不存在电势差，因此在孔/钻孔235中入口电极孔径202的下游存在无场区域。因此，进入孔/钻孔235的离子作为发散的离子束的一部分沿轴线210继续其轨迹，并被电极233阻挡。对比图3的无场区域中孔径231的下游的轨迹340和图2（a）的孔径233的下游的轨迹240，表明电极231、232和233在yz平面内的效果是使得初始离子束的离子束轴线（与轴线210同轴）在y方向上偏移，以及沿z轴再次定位离子束交叉点，同时保持离子束特性（如，在y方向上的离子束角度分布）基本不变。

应该理解的是，施加到六极偏置的电压V1、V2和V3都可以增加或减少相同的量，由于会产生相同的电位梯度，即，电场，因此可以得到与图2（a）中所描绘的相同的离子轨迹。

此外，根据本发明的静电透镜可以为具有其他的仅受限于电击穿考虑的标称动能的离子提供与使用传统的电透镜类似的对焦特性，同时阻挡具有明显不同于初始标称能量的动能的离子。被特定尺寸的透镜阻挡同时让具有特定的标称动能的离子通过的动能范围取决于施加到透镜电极V1、V2和V3的电压。因此，对于包含具有一定动能分布的离子的离子束，根据本发明的透镜可以帮助过滤掉具有明显不同于被透射的离子束的动能的动能的离子。

参照图5，作为说明性的示例，在yz平面中示出了透镜200的离子束轨迹540。轨迹540与离子导向器120中具有初始动能35eV的离子的路径对应。与图2（a）和图3中所描绘的具有0eV附近动能（例如，接近热动能）的离子的轨迹相比，在孔/钻孔235中，具有相对较高动能的离子比较低能量的离子偏离轴线210更小的量。因此，具有较高动能的离子没有足够偏离其沿原始离子束轴线210的初始轨迹来通过出口孔径203，并因此从离开透镜200的离子束中除去。类似地，具有任何更高的超过35eV的初始动能的离子甚至会对透镜内的电位梯度做出更少的响应，并同样从出口电极233处的离子束中除去。显然，最初沿离子束轴线210行进的任何中性粒子或光子都不会受透镜200中的电位梯度的任何影响，并也会在电极233处被阻挡。

另外，应该注意的是，如果六极内离子的初始动能基本上不同于在上面的示例中使用的0.2eV，那么可以对电压V1、V2和/或V3进行相应的调整，以便最好地聚焦这些离子。例如，如果行进通过六极的离子的初始（轴向）动能为10eV，那么V2的电压可以调整到12.7V，而不是2.7V，而V1=V3=-100V，并得到与图（2a）中描绘的非常相似的轨迹。这在图8（a）中示出。替代性地，可能想调整Ll和/或L3，这可能需要稍后再次调整L2，以便最好地聚焦这些通过透镜的10eV的离子。这在图8（b）中示出，离子的初始动能为10eV，其中L1=L3=-10V，而不是-100V。在此情形中，L2需要调整到10.6V，以便最好地聚焦来自六极的10eV的离子。

动能小于某一较低能量截止或大于某一较高能量截止的离子将不会通过具有被调整为最好地聚焦10eV离子的透镜电压的透镜。例如，图8（c）示出了六极中动能为8.5eV的离子轨迹，而透镜电压设置为图8（b）的电压以通过10eV的离子。具有任何初始动能小于约8.5eV的离子在这些工作条件下都不能穿过透镜。类似地，具有初始动能大于约20eV的离子，如图8（d）所示，在这些工作电压的情况下也都不能穿过透镜。并且，虽然动能更接近10eV（即，在8.5eV和20eV之间）的至少一些离子在这些工作条件下可以成功地通过孔径203，但下游的孔径在需要时可以用来阻止它们持续向下游行进（由于其更大的角度发散），从而减小离子动能的“带通”。（例如，参照下面的图18和相关描述）。减少孔径203的直径和/或形状（例如，从圆形孔变为狭缝）可以实现类似的效果。

此外，在某些实施例中和/或在一定的工作电压的情况下，已经意外地发现，静电透镜200除了提供在y方向上的对焦，还提供在x方向上的对焦。明确地说，透镜200右侧的离子束的轴线与轴线211重合，被指定为z’轴，y和x方向上对应的正交轴线分别称为y’轴和x’轴。换句话说，离子束可以聚焦到x’-z’平面以及y’-z’平面内的交叉点。在某些实施例中，透镜200的尺寸和电压布置使得x’-z’平面内的交叉点可以与图2（a）中所示y’-z’平面内聚焦的交叉点位于z’轴上差不多相同的位置。此条件可以减少离子束的像散，即导致对焦更加无像散。图4描绘了正交x-z平面内的离子束对焦，其中示出了具有与图2（a）中所示相同的电压和相同的离子轨迹240的透镜200，但现在在图4中按照x’-z’平面上的投影观察。对焦在x’-z’平面以及y’-z’平面可以提高离子通过孔径202和203以及相应地通过透镜200的透射效率。这样的对焦也可以允许下游设备（如，质量分析仪、透镜、偏转器等）更好的性能，这在本技术领域是众所周知的。然而，通过不同轴的入口和出口孔径穿过静电透镜的离子束的这种近似集中的对焦在之前似乎并未实现过或描述过。

图10和图11使用计算机仿真模型示出了包括偏置透镜以将离子透射到质量分析器同时除去不想要的背景粒子的示例。图10（a）示出了包括与四极质量过滤器1000结合的图2（a）中的六极离子导向器220和偏置透镜200的实施例，四极质量过滤器1000包括单一RF（RF-only）预过滤器1001和主四极杆1002。预过滤器1001为25mm长，主杆1002为200mm长，预过滤器1001与主杆10021mm分开1mm。预过滤器1001与主杆1002都具有理想的双曲线表面的横截面轮廓，这在本领域中是众所周知的，其中从轴线到任何杆的最近距离为4.1mm。

假设施加到预过滤器杆1001上的RF电压幅度为施加到主杆1002上的RF电压幅度的100％。施加到预过滤器杆1001上的RF电压被引为可调节的预过滤器偏置电压，而施加到主杆上的RF和DC电压被引为可调节的主杆偏置电压。

四极质量过滤器1000内的电位分布使用Simion8.0离子光学建模软件包确定。然而，根据在共同未决的美国申请第12/234,954号中描述的方法，在进行这样的计算之前，根据标准Simion程序设定的电位对模型中使用的电极表面网格点的电位进行修改。此方法允许对与已知的分析函数对应的电极形状（如，双曲四极质量过滤器1000的电极形状）进行更准确的电位计算。改进的精度使得模型能够准确地模拟工作在相对较高分辨能力下四极质量过滤器的性能，这对使用标准Simion程序中的使用的传统方法来说是不可能的。

图10（b）示出了通过图10（a）的配置计算得到的轨迹的示例。质量/电荷322的离子从沿六极离子导向器220轴线的初始轴向位置，距离电极231的上游19mm处以0.1eV的初始动能在完全轴向的方向上发射，该电极231同时充当六极离子导向器220的出口透镜和透镜200的入口电极。在该仿真中，六极离子导向器的偏置电压为20V；分别施加到电极231和233的电压V1和V3均为-80V；施加到透镜200的中心电极232的电压为22.7V；施加到四极预过滤器1001偏置的电压为11.75V；以及施加到四极主杆的偏置电压为19.0V。应该明确的是，六极离子导向器220和透镜200中的电压梯度（即，电场分布）与前面描述的与图2（a）中所示的轨迹计算相关的电位梯度是完全相同的，因此对焦特性应该是基本相同的。

对于每一个离子轨迹计算，离子的初始径向位置被定义是在以六极轴线210为中心，六极离子束直径0.82mm内的随机位置。施加到六极的峰值RF电压的幅度为400V（0到峰值），频率为4.0兆赫，而四极质量过滤器的RF电压的频率为1.0兆赫。对六极RF电压的10个初始RF相位中的每一个相位，以及对四极质量过滤器RF电压的10个初始相位中的每一相位，都发射一组100个这样的离子，其中对四极质量过滤器1000的RF和DC电压进行调谐以让特定的质量/电荷值的离子通过。因此，对于四极质量过滤器1000的每一个特定的调谐质量/电荷值，总共计算10,000个质量/电荷322的离子的轨迹。通过对将质量/电荷值从321.8调谐到322.1的四极质量过滤器1000的每一个调谐设定（调谐质量/电荷值以0.01递增）进行这样的轨道计算来评估四极质量过滤器1000的透射和分辨能力。对于这些计算，对施加到四极质量过滤器1000的RF和DC电压进行调整，以提供理想四极质量过滤器的约5400的分辨能力，这与大约为321.95的理论低质量/电荷稳定极限和为322.01的高质量/电荷稳定极限对应。成功的“透射”任何离子需要离子成功地穿过四极质量过滤器1000，到达距离主杆部分1002的起点开始测量的大约200mm处。

图10（c）示出了这种透射计算的结果。最大透射确定为大约43％，峰宽密切对应理想四极质量过滤器的预期的稳定极限。正如预期的那样，某些离子被成功透射到这些稳定极限之外，生成峰值形状的“尾巴”，主要是因为，由于假设四极质量过滤器1002的有限长度为200mm，这些离子未经历足够数量的RF电压周期，而被过滤掉。此外，稳定区域内的峰值透射小于100％，主要是因为四极质量过滤器1002的有限孔径半径为4.1mm，限制了离子在四极质量过滤器1002的结构内振动的最大幅度，即使对于在其他情况下“稳定的”离子也是这样。

为了评估偏置透镜200是否影响四极质量过滤器1000的性能，使用图11（a）中所示的几何结构进行一组类似的计算。图11（a）示出的几何结构包括相同的六极离子导向器220和相同的四极质量过滤器1000，如图10（a）所示的结构一样。然而，六极离子导向器轴线和四极质量过滤器轴线现在与图11（a）中的轴线1210重合，图10（a）的透镜200用具有2mm孔径1202的接口电极1231替换。图11（a）中的电极1231放置在使得孔径1202的轴线与轴线1210重合的位置；从离子导向器220的端部到电极1231之间的间隔与图10（a）中从离子导向器220的端部到电极231之间的间隔相同；以及电极1231与四极预过滤器1001入口端之间的间隔与图10（a）中电极233与四极预过滤器1001入口端之间的间隔相同。此外，施加到电极1231的电位是-80v，与施加到图10（a）中电极231和233上的电位相同。

图11（b）示出了通过图11（a）的结构计算得到的示例性轨迹。图11（c）示出了用与10（c）相同的方式计算得到的质量/电荷峰值曲线以及图10（c）中示出的峰形曲线。很明显地，图11（a）中不包括偏置透镜的结构的透射特性在本质上与图10（a）中包括偏置透镜的结构的透射特性相同。因此，表明静电偏置透镜200的对焦特性和透射特性提供了一种借助透镜的偏置入口和出口轴线阻挡不想要的背景粒子（如，高能量的气溶粒子（aerosolparticle））同时不显著降低想要的离子束的光学质量的手段。

一般情况下，离子束轴线从入口孔径202处的轴线210到出口孔径203处的轴线211的位移取决于：离子在其进入入口孔径202时的标称动能；电极231和232之间的电位差；电极232和233之间的电势差；孔/钻孔235的长度L；孔径202、203和孔/钻孔235的横截面形状和尺寸；中心电极232和任一端电极231、233之间的间距；相对偏移量201、205和204。一般来说，很多尺寸和电压组合都被证明是可接受的，部分取决于入射离子束的动能、想要的最终的对焦特性以及可用于容纳透镜结构的空间。

在一些实施例中，有利地，透镜下游的离子束轴线与透镜上游的透镜轴线平行，并且将透镜配置为所谓的电对称“Einzel”透镜，其中透镜的入口电极和出口电极上的电位处于相同的电位；这些通常在工作过程中保持不变，而中心电极的电位是单一（“Einzel”）可调的电位，对其进行调整，从而获得想要的对焦特性。在本说明书描述的实施例中，可以施加到中心电极（如，图2（a）中的电极232）的电位不是可以自由调节的参数，因为只有一个电位提供平行的入口和出口离子束轴线，即，提供具有特定的入射动能的束和提供施加到所有其他电极的电位的固定组合。这意味着，对于给定的束能量，这种透镜的对焦性能由该透镜的几何形状完全确定。

透镜几何形状的尺寸在下述方面更加重要，包括：长度以及中心电极232的孔/钻孔/孔直径/截面形状。传统上，为了对包括静电透镜的离子光学装置进行配置，通常知道该透镜的光学特性如何随这些尺寸变化是有用的。具体地，如在光的光学领域，在静电光学领域中众所周知的是，知道透镜在所谓的“近轴”近似，即，在轨迹的距离和角度偏离离子束轴线的偏差较小的情况下如何工作是最有用的。在此近似中，透镜的光学对焦特性的特征在于所谓的透镜的“方位基点”。特别要说明的是，这里是“投影方位基点”，具体地说是“投影主点”和“投影焦点”。“焦点”是透镜形成的束的图像的位置，其中所有的入射轨迹都平行于离子束轴线。在本说明书描述的许多实施例中，离子轨迹通常会与透镜内的轴线交叉，因此可以证明的是，考虑“投影焦点”是最有用的，“投影焦点”是出射离子束轴线上出射轨迹的投影形成入射平行束的图像的轴向点。

“主点”是离子束轴线上“主平面”与离子束轴线相交的位置，其中“主平面”是与离子束轴线垂直的、其中入射轨迹和出射轨迹相交的平面。类似地，讨论将限制在“投影”主点和平面，它们描述了入射和出射轨迹的投影相交的平面和相应的点。

由于本说明书中描述的实施例不具有圆柱对称性，因此，一般情况下，如在图2（a）中定义的，对透镜在y-z平面内进行描述的方位基点不同于在正交x-z平面内对透镜进行描述的方位基点，因此单独的几组方位基点必须指定用于这两个正交平面。此外，如上所述，这些方位基点的传统定义假定入射和出射轨迹的离子束轴线分别是重合的。对于本说明书中描述的透镜来说，不是这样的情形。然而，对于入射和出射离子束轴线平行但偏移一定距离（如，图2（a）中的距离204）的实施例来说，仍可以简单地通过在构建轨迹投影之前对偏移距离进行说明来指定用于这些实施例的投影方位基点。然后，入射离子束的轴线和出射离子束的轴线可被视为是同一轴线上的不同部分。

例如，图2（a）中透镜的投影方位基点的实施例按照如下确定：如图9（a）所示，将与图2（a）中透镜200完全相同的透镜900配置在计算机模型中，没有任何其他组件。入口电极931和出口电极933上的电位被固定为0V，透镜900外的区域950和951基本上是电位为0的无场区域。计算具有入射动能100eV的初始平行离子束940的轨迹。该动能接近图2（a）的离子240的动能，因为离子通过透镜入口孔径202（在六极离子导向器偏置电压20V和入口电极231电位-80V之间加速）。跟图2（a）中的透镜200一样，出口孔径903从入口孔径902偏离3mm的距离904。图9（a）中显示的离子轨迹940在y-z平面内距离离子束轴线910-0.2mm到0.2mm的范围内开始。

为了出射离子束轴线与入射离子束轴线平行，确定需要施加到中心聚焦电极932的电位是101.136V。该电位通过调整电极932的电势直到入射轨迹与通过出口电极933的出口孔径903通过透镜并沿平行于入射轨迹的一条轨迹的下游（基本上沿出口孔径903的轴线912）行进的入口电极931轴线910重合来确定。检查计算得到的图9（a）中的入射轨迹940，显而易见的是，对该特定的透镜，以及对于具有平行于轴线912的离子轨迹940的入射离子束，离子束聚焦960发生在透镜900内，离开透镜900时产生温和发散束941。

该透镜的投影主平面通过在减去入射和出射部分之间在y方向上的偏移距离之后寻找轨迹入射部分的投影与轨迹出射部分的投影相交的轴向位置来确定。图9（a）中在仿真中最接近轴线开始的轨迹具有在y方向上距离此轴线+/-0.05mm的开始位置。在区域951中，这些轨迹分别具有相对于出口轴线912-0.0036和0.0030的斜率。对于理想的轴对称（即柱对称）透镜，这些斜率会相等但符号相反。其大小的差异可能反映下述事实，即沿透镜内离子束路径的光轴是弯曲的，从而得到并非与透镜外离子束轴线910和912严格正交，甚至也不是严格平面的有效的主平面。然而，这种失真随着开始位置更靠近轴线910会逐渐变小。在任何情况下，投影主平面（或更确切地说，投影主点）的位置可以通过求由这两个轨迹得到的投影主点的位置的平均来进行估计。对于此示例，轴向位置被称为透镜的几何中点，并因此取为z轴和z’轴的“0”。为了得到两个轨迹中任意一个的投影主点的位置，还要求知道沿出射轨迹的一个点的y和z坐标。对于此示例，选择出射轨迹上z’=50mm处的点，在该点可以发现，对于距离离子束轴线-0.05mm开始的轨迹来说，距离离子束轴线的y距离为0.18mm，对于距离离子束轴线0.05mm开始的轨迹来说，这个距离为0.20mm。从简单的几何结构考虑，这些出射轨迹的投影被发现相对于透镜的中点分别与各自的入射轨迹在z=-26.5mm和-20.3mm处相交（即，在减去偏移距离904之后），因此，这些位置是投影主点在透镜900的y-z平面内的相应位置。为了进行比较，这两个值的平均值，即z=-23.4被取为透镜900的投影主点在此平面内的近似位置。

该y-z平面内投影焦点的位置可以类似地通过确定出射轨迹941的反投影与离子束轴线912相交的z轴位置来确定。对于开始的y位置为-0.05mm的轨迹，发现投影焦点在z=-9.65mm处，而对于开始的y位置为0.05mm的轨迹，发现投影焦点在z=-6.44mm处。再次，这两个值的平均值z=-8.04mm将作为用于比较目的的在y-z平面内透镜900的投影焦点的近似位置。由于这些焦点都相对于透镜轴线的中点测量，因此它们通常被称为“中焦”距。

图9（b）按照其将被投影到x-z平面内示出计算得到的开始位置在透镜900的正交x-z平面内的离子轨迹。使用与图9（a）的计算相同的施加到透镜900的电极931、932和933的电位计算具有动能100eV的离子942的初始平行离子束的轨迹。离子轨迹开始时在x-z平面内从x=-0.2mm到x=0.2mm的范围内平行于入射离子束轴线910。如上所讨论的，从在x-z平面内距离离子束轴线910+/-0.05mm开始的多条轨迹可以确定对于这些轨迹中的每一条轨迹，该平面内的主点都位于距离透镜900的中点的z轴位置z=-4.0mm处。类似地，可以确定在x-z平面内投影主点位于距离透镜中点的z=1.78mm处。

由于透镜900具有位于明显不同的轴向位置处的投影的中焦点，即，在y-z平面内的z=-8.04mm处相对投影到x-z平面（或等价地，x’-z’平面内）上的z=1.78mm处，因此，这意味着透镜900的实施例至少对于具有动能为100eV的入射离子束创建了像散图像。这种像散显然与上面使用图2（a）中的等效透镜200所表明的一样，对四极质量过滤器性能的影响非常小。然而，当静电透镜布置在用于产生精细聚焦离子束的光学组件中时，或在如在能量过滤器或分析仪中一样对焦通过小孔径的离子束同时最大限度地改善透射时，这样的像散会变得更成问题。

通过其他类似的仿真和分析，可以发现，减少在y-z平面（“y-z中焦距”）内投影中焦距和投影到x-z平面上之间的间隔（“x-z中焦距”），从而减少像散的一种方式是加长透镜，即，加长中心电极932。图12是对图9的透镜进行如上所述的类似计算的结果的曲线图，其中中心电极932的直径保持不变为8mm，而其长度从9mm增加到40mm（其他透镜尺寸与图9的相同），对每个长度按照如上所述对光学特性进行评估。从图12明显看出，对于该8mm的中心电极直径，大约14mm的中心电极长度可得到y-z和x-z中焦距之间的最小间隔，该间隔大约为3.9mm。该间隔是对图9中透镜大约9.8mm间隔的明显改善。

通过类似的计算还发现还可以通过调节中心电极的直径来进一步减小y-z和x-z中焦距之间的间隔。图13是如图9所示的透镜的结果的曲线图，但中心电极的长度为14mm，并且其中中心电极的内径从5mm增加到14mm，而保持其他的透镜尺寸固定。发现在中心电极长度为14mm的情形中，内径约为10mm时，可以实现y-z和x-z中焦距之间的最小间隔，对此可发现y-z和x-z中焦距之间的间隔为3.4mm。

图14和图15分别示出了对中心电极长度为18mm和30mm进行类似计算的结果。在18mm长度的情形中，发现中心电极直径为12mm时，y-z和x-z中焦距之间的最小间隔大约为2.6mm，而对于30mm长度，发现中心电极直径为20mm时，该最小间隔大约为1.6mm。

从图13、图14和图15的结果可以看出，y-z和x-z中焦距之间的最小间隔的随着中心电极长度的增加而减小，而所有其他的透镜尺寸保持不变。还可以看出当中心电极的长度是其直径1.5倍左右时产生y-z和x-z中焦距之间最小间隔。然而，y-z和x-z中焦距之间的最小间隔对于这里考察的中心电极的长度范围来说似乎仍然保持大于零，意味着当使用采用这些尺寸的圆形中心电极的孔/钻孔时，至少在一定程度上存在像散。并且，在不降低性能的情况下可容许的像散量取决于给定应用的要求。

然而，我们发现，通过允许中心电极的孔/钻孔的横截面形状偏离圆柱，即，通过允许孔/钻孔在透镜y方向上的尺寸不同于在透镜x方向上的尺寸，y-z和x-z中焦距之间的间隔可以基本减少到0，从而基本消除像散。例如，图13的透镜具有14mm的中心电极长度，并被配置具有椭圆形状的中心电极孔/钻孔，其中对长轴和短轴的长度进行调整。这些计算的结果示于图16（a）、图16（b）、图16（c）和图16（d）。图16（a）示出了其中椭圆形孔/钻孔短轴取向沿透镜x轴方向并保持10mm不变，以及椭圆形孔/钻孔长轴取向沿透镜y轴方向并从10mm变化到11.2mm，同时保持孔/钻孔的中间平面在y方向上固定在入射离子束和透镜入射孔径轴线以及出射离子束和透镜出射孔径轴线之间的一半位置处的结果。很明显可以看出，y-z和x-z中焦距之间的间隔对于约10.9mm的中心孔/钻孔的椭圆长轴尺寸是重合的，这意味着对于这些透镜尺寸和电位以及100eV的入射平行离子束来说，离子束像散是可以忽略不计的。

图16（b）、图16（c）和图16（d）示出了当短轴尺寸取向沿透镜x轴方向分别为12mm、14mm和15mm情形的类似的结果。在这些情形中，我们发现y-z和x-z中焦距是重合的，对于长轴尺寸分别约13.4mm、16.4mm和18.0mm以及100eV的入射平行离子束来说，这意味着像散是可以忽略不计的。

图19（a）、图19（b）和图19（c）示出了与图16（a-d）的透镜类似的透镜的更多类似的结果，但其中中心电极的长度是20mm。图19（a）示出了其中椭圆形孔/钻孔短轴取向沿透镜x轴方向并保持7mm不变，以及椭圆形孔/钻孔长轴取向沿透镜y轴方向并从7.2mm变化到8.2mm，同时保持孔/钻孔的中间平面在y方向上固定在入射离子束和透镜入射孔径轴线以及出射离子束和透镜出射孔径轴线之间的一半位置处的结果。很明显可以看出，y-z和x-z中焦距之间的间隔对于约7.7mm的中心孔/钻孔的椭圆长轴尺寸是重合的，这意味着对于这些透镜尺寸和电位以及100eV的入射平行离子束来说，离子束像散是可以忽略不计的。

图19（b）和19（c）示出了短轴尺寸取向沿透镜x轴方向分别为10mm和20mm情形的类似的结果。在这些情形中，发现y-z和x-z中焦距是重合的，这意味着对于长轴尺寸分别约10.7mm和22mm以及100eV的入射平行离子束来说像散是可以忽略不计的。

最后，图20示出了相同的透镜但中心电极长度为30mm并具有椭圆形的、短轴取向沿透镜x轴方向尺寸为10mm的孔/钻孔的类似的结果。很明显可以看出，该中心电极的椭圆形孔径形状具有y方向上约10.6mm的长轴孔尺寸，可以使得y-z和x-z中焦距重合，这意味着像散是可以忽略不计的。

虽然已经证明这种几何形状能够得到可以忽略不计的像散，但应该指出的是，这些透镜中的每个透镜在y-z平面和x-z平面内对应的主点都是不重合的，从而导致出射离子轨迹角度分布的非对称。换句话说，入射的圆形离子束在输出部分的横截面近似椭圆，即使像散是可以忽略不计的。我们还发现，还可以使用孔/钻孔的y轴的直径不同于x轴的直径的其他的孔/钻孔形状来消除像散。示例包括具有半圆形端部的孔/钻孔的横截面形状，其中半圆形端部的中心轴线离孔/钻孔中心轴线偏移相等但相反的量，半圆的端点通过孔/钻孔的直边连接，得到“卵形”或“跑道形”孔/钻孔形状。在所有这些情形中，孔/钻孔的形状都呈现为垂直于孔/钻孔y轴的对称平面，对称平面始终在入射离子束和入口孔径轴线以及出射离子束和出口孔径轴线之间的中间位置。

图17（a）和图17（b）示出了结合具有可忽略不计的像散的透镜和后续的“Einzel”透镜的示例，该“Einzel”透镜包括提供在沿z轴的下游可变位置处的离子束聚焦的聚焦电极。在此配置中的偏置透镜1700具有长度为20mm、具有在x-方向上的短轴直径20mm和在y方向上的长轴直径22mm的椭圆形横截面的孔/钻孔的中心电极。透镜1700所有的其他尺寸都与图2（a）中透镜200完全相同。从图19（c）所示的结果来看，这种透镜几何结构提供了具有可以忽略不计的像散的出射离子束。电极1736和1737都配置有透镜1700，这样电极1733、1736和1737形成所谓的“Einzel”透镜，其中施加到电极1733和1737上的电位相同，并对施加到电极1736上的电位进行调整以在沿轴线1711的下游形成离子束聚焦。动能100eV的入射平行离子束1740沿轴线1710进入透镜1700。当外部电极1731和1733都工作在0V电势时，施加到中心电极1732上要求聚焦并引导该离子束沿偏移轴线1711行进的电位是128.0V。Einzel透镜的中心电极1736包括电极1733、1736和1737，被包括在直径为9mm、与轴线1711同心且轴向长度为4.4mm的圆形中心孔/钻孔中。对于图17（a）及（b）中所示的聚焦条件，120V的电位被施加到中心电极1736，电极1737的电势为0V。图17（a）和17（b）表明聚焦1742发生在沿轴线1711基本相同的轴向点处，这意味着由于偏置透镜1700在不引入严重像散的情况下将离子束从入射轴线1710再次引导至出射轴线1711，出射离子束基本上是无像散的。

图18（a）示出了用作能量过滤器或能量分析仪的透镜的另一个实施例的横截面。透镜1800除了中心电极的孔/钻孔的横截面是具有在y方向上8.1mm的长轴直径和在x方向上7.5mm的短轴直径的椭圆形之外，具有与图17的透镜1700相同的尺寸。对于前面所有的示例，中心电极1832的孔/钻孔的中心轴线1812在透镜入口轴线1810和透镜出口轴线1811之间的一半位置处。使用这些透镜尺寸，当外部电极1831和1833都工作在0V电位下，中心电极电位为69.85V时，具有101eV动能的平行于入口轴线1810的入射离子束1840被聚焦并被再次引导为平行于出口轴线1811。离子束聚焦到接近出口电极1833的交叉点处。

图18（a）所示的实施例还包括位于刚好超出出口电极1833，大约在离子束交叉聚焦位置处，并且也工作在0V下的小孔径平板1837。平板1837包含具有在y方向上的0.1mm和在x方向上的大约1mm的尺寸的狭缝孔径1842，该狭缝孔径的中心在离子束轴线1811上。此狭缝孔径是能量限定孔径，即只有具有正确的窄范围的动能的离子才能通过该孔径，因为动能较大和较小的离子将分别在y方向上聚焦得较高和较低，并影响孔径平板1837。在这里通过除了能量为101eV的离子之外还包括平行入射离子束1840中动能为99eV和103eV的离子来展示能量过滤能力。该展示假设入射平行离子束的直径为0.7mm。使用如上所述设置的透镜电位，让101eV动能的离子通过，图18（a）示出了99eV和103eV动能的离子被孔径平板1837阻止。这可以更清楚地在描绘在图18（b）中的区域1870的放大图中看出，其中动能为103eV的离子1862聚焦在狭缝孔径下方，而动能为99eV的离子1860聚焦在狭缝孔径1842上方。图18（c）示出了图18（a）和图18（b）的透镜和轨迹在x-z平面内的投影。

这种透镜可以用来过滤掉入射带电粒子束中所有但是窄范围动能的带电粒子束。替代性地，扫描施加到中心电极1832上的电位同时测量传送的电流（这提供对入射离子束中的动能分布的测量）通常是有用的。

虽然电极孔径和孔/钻孔的尺寸和形状可能会有所不同，但在某些实施例中，例如，相对于图2（a）中透镜200的示例性实施例，孔径202和203可以有小于1mm（即，在x-y平面内的尺寸）或更大（例如，2mm或以上、3mm或以上、4mm或以上，如大约5mm）的直径。孔/钻孔235的直径一般大于孔径202和203的直径。在一些实施例中，孔/钻孔235具有5mm或以上（例如，7mm或以上、10mm或以上、12mm或以上、15mm或以上、20mm或以上）的直径。孔/钻孔235的长度L也可以根据需要变化。在一些实施例中，L是5mm或以上（例如，8mm以上、10mm或以上、12mm或以上、15mm或以上、20mm或以上）。此外，虽然将会证明对这些偏移尺寸和孔径的直径进行组合以使得从入口孔径202通过出口孔径203的视线最小化是最有效的，但孔径202和203轴线分开的距离可能会变化。

一般情况下，可以由各种导电材料形成电极231、232和233。例如，电极可以由金属或合金（如，不锈钢）形成。

一般来说，希望将静电透镜200放置在高真空区域内，因为正如本领域中公知的，由于离子从其原始轨迹不受控制的散射，离子和背景气体分子之间的任何碰撞都将降低离子通过透镜的透射效率，并恶化透镜的聚焦特性。

虽然到目前为止所描述的所有实施例的透镜（如，透镜200）都包括三个组成部分电极，但其他配置也是可能的。例如，静电透镜可以包括更多的电极以进一步影响透射通过孔径203的离子的轨迹。参照图6和图7，例如，静电透镜600除了电极231、232和233，还包括电极610、620和630。电极610包括沿z轴延伸长度为L’的圆柱形孔/钻孔615。如图6中描绘的，L’与L相同，尽管一般情况下，L和L’可以是相同的或不同的。孔/钻孔615与电极232的孔/钻孔235同轴。电极620和630分别包括其中心都在轴线210上的孔径622和632以及入口孔径202。孔径622和632具有彼此相同的直径，以及与孔径202相同的直径，尽管一般情况下，这些孔径的直径可以相对于彼此不同。

在一些实施例中，电极231、233和620上的电压被统一设置为相同的值，而电极232和610被设置为彼此相同的电压，但不同于电极231、233和620。例如，图6和7中所示的离子束轨迹640为以下电压设置确定：

电极	231	232	233	610	620
						电压（V）	-100	11	-100	11	-100

对于此示例，离子导向器120的电压设置为0V。对于此配置，离子束沿轴线210传播通过离子导向器，并通过孔径202进入静电透镜600，分别聚焦到y-z平面和x-z平面的交叉点。在孔/钻孔235中，离子束在y方向上移位量204并穿过孔径203进入孔/钻孔615。在孔径203处，离子束再次聚焦到交叉点。在孔/钻孔615处，透镜610再次使得离子束移位量204，但是这次是在-y方向上。离子束从透镜600离开通过孔径622和632，再次分别聚焦到y-z和x-z平面的交叉点。透镜600透射的离子束沿轴线210传播，该轴线210是与离子导向器220共用的轴线。

因此，相对于上面描述的透镜200，透镜600使得输出离子束与初始/入射离子束轴线210再次对齐。这种配置可以允许组件630下游的组成部分被配置为与组件上游的组成部分同轴，这在例如某些应用中简化质谱分析系统的整体机械设计或制造，或机械设计和制造两者可能是有利的。

一般情况下，静电透镜（如上面描述的那些静电透镜）可用来将来自第一轴向位置处的聚焦或交叉点（例如，透镜200中的孔径202）的离子束聚焦到第一交叉点位置下游的第二轴向位置（例如，孔径203）。对焦可以在不使离子束的相位空间特性（例如，横截面大小和/或角度分布和/或动能散布）明显恶化的情况下实现，同时除去离子束中原有的高能带电和不带电粒子。上面使用仿真模型展示的基本的无像散聚焦特性可以使用透镜结构的径向和轴向尺寸组合、中心电极的孔/钻孔的形状和施加到透镜电极上的电压组合来实现。

虽然已经描述了某些实施例，但也应该理解的是，可以有许多变化。例如，在一些实施例中，可以在几何结构设计和/或施加到透镜组件中组成部分上的电压方面进行变化。例如，除了上文详述的设有孔径平板电极的实施例之外，透镜还可以包括具有非平面形状的电极，如由球面片段所形成的电极。同样地，中心透镜电极232和610的孔/钻孔可以采用不同的轮廓形状，如弯曲的或锥形的或锥形片段，而不是上述实施例中公开的圆柱形的孔/钻孔。此外，电极电压变化的组合可应用于实现类似上面所展示的效果。另外，本说明书中描述的任何透镜都可以被构造成使得任何电极都由彼此电绝缘的相等的两部分组成，其中将电极划分为相等的两部分关于包括透镜入口和出口轴线的平面进行。除了在y方向上聚焦和再次引导离子束所需的正常的电极电位之外，还通过在相等的两部分之间施加电位差，引导穿过透镜的离子束，以补偿透镜电极之间的任何未对准或x方向上的离子束方向。

除了在质谱分析系统中使用静电透镜，本说明书所公开的静电透镜和系统也适用于设有不同的离子源或其他带电粒子源的其他系统或应用。例如，电子显微镜可以受益于使用该静电透镜引导和指示信号的电子束。此外，在表面分析技术中，如二次离子质谱分析（SIMS）中，高能中性粒子在离子束轰击过程中撞击固体样品表面以及作为结果而产生的背景噪声所造成的影响也可以通过使用所公开的透镜和系统来减轻。

其他的实施例在权利要求中。

Claims (41)

1.一种系统，包括：

静电透镜，放置在带电粒子源和带电粒子检测器之间的路径中；

所述静电透镜包括：

第一电极，具有放置在路径中并与第一轴线对齐的第一孔径；

第二电极，放置在第一电极和带电粒子检测器之间的路径中，第二电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第二孔径，第二轴线平行于第一轴线，并沿第一方向从第一轴线移位；

第三电极，放置在第一电极和第二电极之间的路径中；以及

电位生成器，耦合到所述第一电极、第二电极和第三电极，

其中在工作期间，所述电位生成器将第一电位施加到第一电极，将第二电位施加到第二电极，并将第三电位施加到第三电极，以使得静电透镜将沿第一轴线传播的来自带电粒子源的带电粒子束引导到沿第二轴线传播。

2.如权利要求1所述的系统，其中，在工作过程中，静电透镜引导具有第一范围内的动能的粒子束中的带电粒子通过第二孔径，同时通过第一孔径进入静电透镜的具有第一范围以外的动能的带电粒子被阻止通过第二孔径。

3.如权利要求1所述的系统，其中，在第一电极的路径平行于在第二电极的路径。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一电极是平板电极。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述第二电极是平板电极。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一电极和第二电极都是平板电极。

7.如权利要求6所述的系统，其中，所述平板电极是平行的。

8.如权利要求7所述的系统，其中，所述平板电极正交于所述第一轴线和第二轴线。

9.如权利要求1所述的系统，其中，所述第三电极包括路径延伸通过的孔。

10.如权利要求9所述的系统，其中，所述孔具有第三轴线。

11.如权利要求9或10所述的系统，其中，所述孔具有在整个第三电极上相同的孔横截面。

12.如权利要求9或10所述的系统，其中，所述孔具有在至少一个轴向位置处不同于在其他轴向位置处的孔横截面的横截面。

13.如权利要求10、11或12所述的系统，其中，所述第三电极的孔具有圆柱形横截面，其中所述第三轴线是圆柱形横截面的轴线。

14.如权利要求10、11或12所述的系统，其中，所述第三电极的孔具有椭圆形横截面，所述椭圆形横截面具有长直径和不同于长直径的短直径，其中长直径或短直径都平行于第一方向。

15.如权利要求10、11或12所述的系统，其中，所述第三电极的孔具有卵形横截面，其中卵形包括中心在第一孔的轴线上的矩形，其中矩形的第一边和第二边与第一方向平行，矩形的第三边和第四边垂直于第一方向，其中卵形还包括第一和第二圆柱，第一圆柱的中心在矩形的第三边的中点，第二圆柱的中心在矩形的第四边的中点，其中第一圆柱和第二圆柱的直径与第三边和第四边的长度相同。

16.如权利要求10、11或12所述的系统，其中，所述孔具有包括第三轴线并垂直于第一方向的对称平面。

17.如权利要求10、11或12所述的系统，其中，所述孔具有包括第三轴线并还包括第一轴线和第二轴线的对称平面。

18.如权利要求10、11或12所述的系统，其中，所述孔具有两个对称平面，两者都包括第三轴线，其中一个对称平面垂直于第一方向，并且其中第二对称平面还包括第一轴线和第二轴线。

19.如权利要求10、11或12所述的系统，其中，所述第三电极包括彼此电绝缘的两个半电极部分，每一半部分都是另一半部分的镜像，其中半部分之间的对称平面包括第三轴线以及第一轴线和第二轴线，其中电位发生器进一步提供两个半个部分之间的差分电压。

20.如权利要求10、11、12、13、14、15、16、17、18或19所述的系统，其中，所述第三轴线平行于第一轴线和第二轴线，并相对于第一轴线和第二轴线在第一方向上移位。

21.如权利要求20所述的系统，其中，所述第一轴线和第二轴线从第三轴线移位相同的量。

22.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一电位和第二电位是相同电位。

23.如权利要求1所述的系统，其中所述静电透镜进一步包括：

第四电极，放置在第二电极和带电粒子检测器之间的路径中，所述第四电极具有放置在路径中并与第四轴线对齐的第三孔径，所述第四轴线平行于第二轴线并沿第一方向从第二轴线移位；以及

第五电极，放置在第二电极和第四电极之间的路径中。

24.如权利要求23所述的系统，其中，所述第四轴线与第一轴线是同轴的。

25.如权利要求23所述的系统，其中，在工作过程中，所述电位发生器将第四电位施加到第四电极，将第五电位施加到第五电极，以使得静电透镜将带电粒子束从沿第一轴线传播引导到沿第四轴线传播。

26.如权利要求25所述的系统，其中，所述第四电位与第一电位或第二电位相同。

27.如权利要求25所述的系统，其中，所述第五电位与第三电位相同。

28.如权利要求1所述的系统，进一步包括真空室，其中静电透镜被放置在所述真空室中。

29.如权利要求1所述的系统，进一步包括由以下组成的组中的一个或多个：带电粒子导向器、静电透镜、磁透镜、静电偏转器和磁偏转器，被放置在带电粒子源和静电透镜之间的路径中。

30.如权利要求29所述的系统，其中，所述带电粒子导向器包括多极带电粒子导向器。

31.如权利要求30所述的系统，其中，所述多极带电粒子导向器是六极带电粒子导向器。

32.如权利要求1所述的系统，其中，所述带电粒子源是离子源。

33.如权利要求32所述的系统，其中，所述离子源基本工作在大气压力下。

34.如权利要求32所述的系统，其中，所述离子源工作在真空压力下。

35.如权利要求1所述的系统，其中，所述带电粒子源是电子源。

36.如权利要求1所述的系统，进一步包括质量分析仪。

37.如前述权利要求中任何一项所述的系统，其中任何一个电极都包括将电极划分成沿包括第一方向和第一轴线的平面的两个半部分，由此可将转向电压施加到任何半部分以引导离子正交于平面。

38.一种系统，包括：

静电透镜，放置在带电粒子源和带电粒子检测器之间的路径中；所述静电透镜包括：

第一电极，具有放置在路径中并与第一轴线对齐的第一孔径；

第二电极，放置在第一电极和带电粒子检测器之间的路径中，第二电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第二孔径，第二轴线平行于第一轴线，并沿第一方向从第一轴线移位；

第三电极，放置在第一电极和第二电极之间的路径中；以及

电位生成器，耦合到所述第一电极、第二电极和第三电极，

其中在工作期间，电位生成器将第一电位施加到第一电极，将第二电位施加到第二电极，并将第三电位施加到第三电极，以使得静电透镜引导通过第一孔径进入静电透镜的在第一动能范围内的带电粒子束通过第二孔径同时阻止通过第一孔径进入静电透镜的具有第一范围之外的动能的带电粒子通过第二孔径。

39.一种系统，包括：

静电透镜，放置在带电粒子源和带电粒子检测器之间的路径中；所述静电透镜包括：

第一电极，具有放置在路径中并与第一轴线对齐的第一孔径；

第二电极，放置在第一电极和带电粒子检测器之间的路径中，第二电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第二孔径，第二轴线平行于第一轴线，并沿第一方向从第一轴线移位；

第三电极，放置在第一电极和第二电极之间的路径中；

第四电极，放置在第二孔径和带电粒子检测器之间的路径中，第四电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第四孔径；以及

电位生成器，耦合到第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，

其中在工作期间，电位生成器将第一电位施加到第一电极，将第二电位施加到第二电极，并将第三电位施加到第三电极和第四电极，以使得静电透镜引导通过第一孔径进入静电透镜的具有第一动能范围的带电粒子束通过第二和第四孔径同时阻止通过第一孔径进入静电透镜的具有第一范围之外的动能的带电粒子通过第二和第四孔径。

40.一种系统，包括：

静电透镜，放置在带电粒子源和带电粒子检测器之间的路径中；所述静电透镜包括：

第一电极，具有放置在路径中并与第一轴线对齐的第一孔径；

第二电极，放置在第一电极和带电粒子检测器之间的路径中，第二电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第二孔径，第二轴线平行于第一轴线；

第三电极，放置在第一电极和第二电极之间的路径中，第三电极是是具有平行于第一轴线和第二轴线的圆柱轴线的圆柱形电极，圆柱轴线在第一方向上从第一轴线和第二轴线移位相等的量；以及

电位生成器，耦合到第一、第二和第三电极，

其中在工作期间，电位生成器将第一电位施加到第一电极，将第二电位施加到第二电极，并将第三电位施加到第三电极，以聚焦沿路径传播的来自带电粒子源的带电粒子束从第一轴线上的第一交叉点到第二轴线上的第二交叉点。

41.一种方法，所述方法包括：

引导具有在第一能量范围内的某一范围的动能的带电粒子束沿路径通过静电透镜的入口孔径，静电透镜包括包含入口孔径的第一电极、包括放置在路径中的第二孔径的第二电极和放置在第一电极和第二电极之间的路径中的第三电极，其中第一孔径和第二孔径分别与在第一方向上从彼此移位的第一和第二平行轴线对齐；以及

施加电压到第一电极、第二电极和第三电极，以使得透射粒子束通过第二孔径同时通过入口孔径进入静电透镜的具有动能范围之外的动能的带电粒子被静电透镜阻止。

Images