CN104392888B - 一种紧凑型离子反射器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种紧凑型离子反射器，它包括前电极、金属丝电极环和末电极；前电极为一环形栅网电极片，用于屏蔽反射器所施加的电压对于离子在无场飞行区域内的电场干扰；金属丝电极环由一系列3至100环相互独立的缠绕在绝缘圆筒外侧的金属丝构成，用于产生使离子进行反向运动的均匀电场；末电极为一圆形金属片电极，前电极和末电极均安装在绝缘圆筒上。通过调节施加在金属丝电极环和末电极上不同的电压，金属丝电极环的间距以及绝缘筒的内径从而在反射器内建立不同的电场特性，并以此提供适用于不同条件下的离子反射器。
Description
技术领域：
本发明涉及飞行时间质谱分析仪器领域，更具体地，本发明涉及一种可用于飞行时间质谱仪的紧凑型离子反射器。
背景技术：
飞行时间质谱技术作为质谱技术领域的一个重要分支，在现代物理、化学及生物相关领域发挥着愈发重要的作用。其工作原理较为简单，首先将待分析之样品进行离子化，其中离子化的方式可以是电子轰击，化学电离，激光电离等手段。然后，被离子化的样品经过电场加速进入质量分析器，在这里实现对不同待分析样品的分离。最终，由离子检测器根据不同离子到达检测器的时间来确定待分析样品的具体成分，从而实现对样品的高精度分析。较之于其它的质谱分析方法，飞行时间质谱具有结构简单、分析分子范围广泛、灵敏度高、分析速度快等优点，使其成为该领域最有发展前景的质谱手段。
在飞行时间质谱发展过程中，如何提高其分辨率一直是飞行时间质谱的一个重要研究方向。其中，离子反射器的引入可谓是该技术上的一个重大突破。典型的离子反射器结构是采用平行堆叠的金属电极环组，并且在这些电极环之间采用陶瓷等绝缘材料进行隔离。上述电极环组的第一片环心覆盖有金属栅网，最后一片是实心电极片或者覆盖有金属栅网。金属电极环之间保持的相等的电势差，并且沿着离子从离子源进行的方向上递增。电极在离子反射器的轴线方向形成均匀场，该均匀场将自由飞行的离子减速，并且反向加速，从而使初始能量大的离子由于初始速度快，进入离子反射器的距离长，返回时的路程也就相应变长，而初始能量小的离子进入离子反射器的距离短，而返回的路程也就相应的变短，如此就可以在一定程度上克服离子初始动能分布所造成的分辨率的下降。
但是，离子反射器对加工的要求精度非常之高，如果电极环的加工以及安装精度稍有偏差便会使离子反射器内部的电场发生弯曲，如此便会导致离子轨迹的偏差进而导致其质量分辨率的下降。另外，为了避免电场的边缘效应，金属电极环的厚度也必须非常的薄。正是由于上述的种种原因，使得离子反射器的加工难度较大，同时成本也相应提高，并且其灵活性也受到限制。
上述传统质谱反射器在现今的飞行时间质谱领域仍然是一种主流的反射器设计方式，并且从大型的反射器效果上来看其体现出了非常优良的性能。而如何改进离子反射器的加工难度和灵活性是目前高精度小型质谱仪所要面临的一个重要课题。
因此，如何在前期对上述问题的认识和理解上，开发出新型的离子反射器，使其在保证可以获得高精度均匀电场的前提下兼顾其灵活性和实用性仍然是当今该领域的一个急需解决 的问题。
发明内容:
本发明克服了现有技术中的不足，其目的是提供一种紧凑型离子反射器。
为了解决上述存在的技术问题实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种紧凑型离子反射器，包括前电极、金属丝电极环和末电极；
所述的前电极为一环形栅网电极片，该电极片内径尺寸不小于金属丝电极环的外径，内部栅网的离子透过率为50％至98％；所述的前电极为接地电极；
所述的金属丝电极环由一系列3至100环相互独立的缠绕在绝缘圆筒外侧的金属丝构成，所述绝缘圆筒外表面沿周向加工有间距相等的平行环形凹槽用于固定金属丝；所述绝缘圆筒的内径为0.9厘米至19.5厘米；所述金属丝的外径为0.1毫米至5毫米；
所述的末电极可以有两种方案：
方案一：所述的末电极为一圆形金属片电极该金属片电极厚度为0.2毫米至5毫米，其外径不小于所述绝缘圆筒外径且不大于所述绝缘筒外径5毫米；
方案二：所述的末电极为一中间具有栅网的金属环形电极，该金属环形电极厚度范围为0.2毫米至5毫米，其内径为0.5厘米至19厘米，其外径不小于所述绝缘圆筒外径且不大于所述绝缘筒外径5毫米；
所述的前电极和所述的末电极均安装在所述绝缘圆筒上，并且所述金属丝电极环最后一环金属丝与所述末电极的间距等于所述绝缘圆筒外表面的环形凹槽的间距。
在本发明中，所述的绝缘圆筒可采用聚醚醚酮加工而成。页可采用陶瓷加工而成。
在本发明中，所述绝缘圆筒外表面沿周向的平行环形凹槽为一矩形槽，其宽度为0.1毫米至5毫米，深度为0.1毫米至5毫米。
在本发明中，前电极用于屏蔽离子反射器工作过程中电场对离子在无场飞行区域内的影响；金属丝电极环和末电极用于产生均匀的电场从而使离子实现反向飞行；在使用时前电极面向离子源飞行入射的方向；金属丝电极环和末电极被同时施加直流高压或者脉冲高压，且使金属丝电极环之间以及最后一环金属丝电极和末电极之间的电势差相等。
由于采用上述技术方案，本发明提供的一种紧凑型离子反射器，与现有技术相比具有这样的有益效果：主要在于在反射器内部对均匀电场的精确度的控制方面，可以非常灵活并且可以轻易得到。这主要取决于所选择的做安装电极的金属丝的和绝缘圆筒的精度，而这些利用现有技术均是非常容易达到。同时，该反射器一旦组装完成，其质量轻便，且坚固耐用，并且可以非常容易的实现标准化进行产业式生产。另外针对不同的具体条件，本发明可以进行简单的改进便可以使用，因此其也具有在其所使用的领域内很高的普适性。
附图说明：
图1.本发明实施例的原理示意图；
图2.本发明实施例的电场模拟示意图；
图3.本发明实施例的离子飞行轨迹模拟图。
其中，在图1所示的原理示意图中，1-前电极；2-金属丝电极环；3-末电极。
附图1中的视图为示意性的且未按照比例绘制。
具体实施方式：
下面将通过具体的实施例来说明本发明所具有的一些特性和优点。
本发明是按照如下方式设计的一种紧凑型离子反射器。
如图1所示，一种紧凑型离子反射器，包括前电极、金属丝电极环和末电极；
所述的前电极为一环形栅网电极片，该电极片内径尺寸不小于金属丝电极环的外径，内部栅网的离子透过率为50％至98％；所述的前电极为接地电极；
所述的金属丝电极环由一系列3至100环相互独立的缠绕在绝缘圆筒外侧的金属丝构成，所述绝缘圆筒外表面沿周向加工有间距相等的平行环形矩形槽用于固定金属丝，其宽度为0.1毫米至5毫米，深度为0.1毫米至5毫米；所述绝缘圆筒的内径为0.9厘米至19.5厘米；所述金属丝的外径为0.1毫米至5毫米；
所述绝缘圆筒用于固定所述的前电极、金属丝电极环以及末电极。所述绝缘圆筒可由聚醚醚酮或陶瓷等绝缘材料加工而成。
所述的末电极可以有两种方案：
方案一：所述的末电极为一圆形金属片电极该金属片电极厚度为0.2毫米至5毫米，其外径不小于所述绝缘圆筒外径且不大于所述绝缘筒外径5毫米；
方案二：所述的末电极也可采用一中间具有栅网的金属环形电极，该金属环形电极厚度范围为0.2毫米至5毫米，其内径为0.5厘米至19厘米，其外径不小于所述绝缘圆筒外径且不大于所述绝缘筒外径5毫米；
所述的前电极和所述的末电极均安装在所述绝缘圆筒上，并且所述金属丝电极环最后一环金属丝与所述末电极的间距等于所述绝缘圆筒外表面的环形凹槽的间距。
实施例1
电场模拟示意图
本实施例旨在说明通过本发明所提供的实施例可以产生均匀的电场，并且其加工精度主要体现在对绝缘圆筒的加工之上。而对金属圆筒的加工的难易程度要远远小于对系列薄电极环片的加工。同时，将金属丝缠绕于其上则更易于安装并且方便固定。本发明采用前电极厚 2毫米，内经50毫米，外径75毫米。金属电极丝环18环，金属丝直径1毫米，缠绕在由聚醚醚酮加工的绝缘圆筒表面，该绝缘圆筒表面刻槽以固定金属电极丝环，其外径50毫米，内经45毫米。末电极厚2毫米，外径50毫米。从图2中可以非常清晰的看到该发明所提供的紧凑型离子反射器可以产生非常均匀的电场。同时也可以看到，在金属丝环的端点出会存在一定的电场扭曲，这和发明中所采用的金属丝的线径有关，当金属丝的线径进一步减小时，该电场扭曲会进一步的缩小。但是，目前这种情况不会影响到其工作区域的电场分布。本发明可以有效的减少之前传统离子反射器由于安装无场、电极片加工误差以及绝缘隔离电极片的垫子的加工误差所造成的电场分布的不均匀性。同时，前电极、金属丝电极环、末电极均安装在绝缘圆筒上，整体紧凑小巧并且可以最大程度上保证安装的精度，且加工方便。
实施例2
通过离子反射器的离子飞行轨迹模拟图
本实施例旨在展示离子通过本发明具体实施例的飞行轨迹模拟图如图3所示。本实施例所采用的实验加工条件与实施例1的条件相一致。前电极接地，从第一环金属丝电极到末电极所施加的电压由100伏特至1900伏特依次递增。离子采用碳12的阳离子，动能为1200电子伏特，在飞行路径方向有一定的分布。从图中可以非常清晰的看到离子可以被该离子反射器有效的进行速度方向的偏转。通过观测反向离子的位置，还发现经过该离子反射器后，其飞行轴向的分布差距被明显的缩小，这对于进一步改进质谱的分辨率具有重要的意义。
本领域技术人员将理解上面的实施例纯粹是以示例的方式给出的，并且一些改变是可能的。
Claims (6)
1.一种紧凑型离子反射器，其特征在于：它包括前电极、金属丝电极环和末电极；
所述的前电极为一环形栅网电极片，该电极片内径尺寸不小于金属丝电极环的外径，内部栅网的离子透过率为50％至98％；所述的前电极为接地电极；
所述的金属丝电极环由一系列3至100环相互独立的缠绕在绝缘圆筒外侧的金属丝构成，所述绝缘圆筒外表面沿周向加工有间距相等的平行环形凹槽用于固定金属丝；所述绝缘圆筒的内径为0.9厘米至19.5厘米；所述金属丝的外径为0.1毫米至5毫米；
所述的末电极为一圆形金属片电极，该金属片电极厚度为0.2毫米至5毫米，其外径不小于所述绝缘圆筒外径且不大于所述绝缘筒外径5毫米；
所述的前电极和所述的末电极均安装在所述绝缘圆筒上，并且所述金属丝电极环最后一环金属丝与所述末电极的间距等于所述绝缘圆筒外表面的环形凹槽的间距；
所述金属丝电极环和末电极用于产生均匀的电场从而使离子实现反向飞行。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型离子反射器，其特征在于：所述绝缘圆筒采用聚醚醚酮或陶瓷加工而成。
3.根据权利要求1所述的一种紧凑型离子反射器，其特征在于：所述绝缘圆筒外表面沿周向的平行环形凹槽为一矩形槽，其宽度为0.1毫米至5毫米，深度为0.1毫米至5毫米。
4.一种紧凑型离子反射器，其特征在于：它包括前电极、金属丝电极环和末电极；
所述的前电极为一环形栅网电极片，该电极片内径尺寸不小于金属丝电极环的外径，内部栅网的离子透过率为50％至98％；所述的前电极为接地电极；
所述的金属丝电极环由一系列3至100环相互独立的缠绕在绝缘圆筒外侧的金属丝构成，所述绝缘圆筒外表面沿周向加工有间距相等的平行环形凹槽用于固定金属丝；所述绝缘圆筒的内径为0.9厘米至19.5厘米；所述金属丝的外径为0.1毫米至5毫米；
所述的末电极为一中间具有栅网的金属环形电极，该金属环形电极厚度范围为0.2毫米至5毫米，其内径为0.5厘米至19厘米，其外径不小于所述绝缘圆筒外径且不大于所述绝缘筒外径5毫米；
所述的前电极和所述的末电极均安装在所述绝缘圆筒上，并且所述金属丝电极环最后一环金属丝与所述末电极的间距等于所述绝缘圆筒外表面的环形凹槽的间距；
所述金属丝电极环和末电极用于产生均匀的电场从而使离子实现反向飞行。
5.根据权利要求4所述的一种紧凑型离子反射器，其特征在于：所述绝缘圆筒采用聚醚醚酮或陶瓷加工而成。
6.根据权利要求4所述的一种紧凑型离子反射器，其特征在于：所述绝缘圆筒外表面沿周向的平行环形凹槽为一矩形槽，其宽度为0.1毫米至5毫米，深度为0.1毫米至5毫米。
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| WO2013188555A1 (en) * | 2012-06-12 | 2013-12-19 | C&E Research, Inc. | Miniature time-of-flight mass spectrometer |
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