CN104658850A - 一种新型电子轰击离子源的试验装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子轰击领域，具体涉及一种新型电子轰击离子源的试验装置及其设计方法，所述设计方法以提出在离子源的电离室内构建四极场，四极场对发散离子具有非常优秀的会聚能力，离子在电离室产生后即可受到四极场的约束，因此离子会聚效果，出射状态都得到很大提升。并通过环形灯丝的设计进一步提高离子产率，电离室的机械机构设计不仅可以提高样品气体的密度同时还可以降低仪器的记忆效应。该离子源可用于惰性气体质谱，气体同位素质谱等磁式质谱，也可以用于四级杆质谱和飞行时间质谱。

Description

一种新型电子轰击离子源的试验装置及其设计方法

技术领域

本发明属于电子轰击领域，具体涉及一种新型电子轰击离子源的试验装置及其设计方法。

背景技术

离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。在质谱仪中，离子源的作用是使被分析的物质电离为正离子或者负离子，同时把离子会聚成具有一定几何形状并给予一定能量以进入质量分析进行分离。电子轰击式离子源是利用灯丝发射的具有一定动能的电子去轰击进入离子源的样品气体，中性分子或原子在电子轰击作用下，失去一个电子，变为正离子。电子轰击式离子源发明较早，技术成熟，结构简单，电离效率高、最重要离子束能量分散小(±0.5eV)

EI源主要由以下几个部分：电离室，灯丝，磁铁，电子接收极，推斥极，聚焦透镜等，如图1所示。

传统离子源电离室设计中主要采用双极场引出离子，电离室与拉出极之间由几十伏到几百伏的电压，电子在加速场的作用被引出。同时由于边缘场的作用，离子被快速会聚至电离室出口位置。离子束被引出后需要一组或多组透镜进行进一步的准直与会聚。

传统离子源有以下几点缺陷需要提及：

1.由于离子束在短距离内就被会聚，所以会聚状态不佳——会聚点较大，离子出射的角度较大。

2.离子被引出电离室后需要多组透镜进行调整，多组透镜电压调整过程较为繁琐，也增加了机械加工与装配上的难度。

3.电离室内只有近轴区域离子被引出，离中心轴较远的离子因为会聚状态不佳而被挡住。

发明内容：

本发明为了克服现有技术中的不足，首次提出一种新型电子轰击离子源的设计方法，用于提高离子源的离子引出效率，同时改善离子的引出状态，包括离子位置分散和角度分散。

本发明采用的技术方案是：

所述设计方法以提出在离子源的电离室内构建四极场，四极场对发散离子具有非常优秀的会聚能力，离子在电离室产生后即可受到四极场的约束，因此离子会聚效果，出射状态都得到很大提升。并通过环形灯丝的设计进一步提高离子产率，电离室的机械机构设计不仅可以提高样品气体的密度同时还可以降低仪器的记忆效应。该离子源可用于惰性气体质谱，气体同位素质谱等磁式质谱，也可以用于四级杆质谱和飞行时间质谱。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种新型电子轰击离子源的设计方法，其特征在于，所述设计方法利用离子在四极场中运动具有良好的会聚特性来对离子源的结构进行改进，具体包括：

1)在电离室空间内引入四极场，进而改善电离室的空间分布，提高离子源的引出效率，改善离子束出射状态；

2)降低样品气体流失，提高电离室气体的密度，并降低仪器的记忆效应；

3)改进电子发射单元，提高其发射效率及稳定性。

优先地，所述改善电离室的空间分布包括：电离室采用两个端盖电极、一个中间电极，三者之间用来绝缘环来进行绝缘。

优先地，所述中间电极为电离室的腔体，中间电极左右两端分别为端盖电极作为电离室的左右两端的端面，中间电极与左右两端的端盖电极通过绝缘环连接。

优先地，所述降低样品气体流失采用将进气管路直接贯穿所述电离室的一个端面电极，使得近期管路与所述电离室相连；所述降低仪器的记性效应采用所述与进气管路贯穿的端面电极受控于马达，排气时，马达带动所述端面电极，保证气体很快消散。

优先地，所述改进电子发射单元，电子发射单元包括灯丝、电子收集极及磁铁，灯丝采用环形灯丝。

一种新型电子轰击离子源的试验装置，所述实验装置包括电子发射单元、电离室、拉出电极、二次会聚系统和出口狭缝，电子发射单元发射出离子，经过电离室两次聚焦穿出电离室，经过拉出电极，再次经过聚焦透镜组，最终通过出口狭缝，其特征在于，所述电离室引入四极场，所述离子在电离室内实现两次聚焦，从而可以获取更好的离子会聚和更小的离子发散角；所述电离室对其进行改进，提升气体密度，提升接收信号的稳定性，降低仪器的记忆效应；所述电子发射单元采用环形灯丝，从而提高其发射效率及稳定性。

优先地，所述中间电极为电离室的腔体，中间电极左右两端分别为端盖电极作为电离室的左右两端的端面，中间电极与左右两端的端盖电极通过绝缘环连接；所述左右两端的端盖电极，右侧的端盖电极设有圆孔用于离子射出电离室，左侧的端盖电极中心出进气管路直接穿过，提升气体密度，提升接收信号的稳定性，及该左侧端盖电极受控与马达，排气时，马达带动该端盖电极远离电离室。

优先地，所述电离室左右两端的端盖电极为圆柱体或长方体等形状；中间电极为筒状电极，内壁为圆柱面，外壁为圆柱体或其他形状；绝缘环为空心圆柱体；

所述端盖电极与中间电极为无磁不锈钢材料，绝缘材料为致密陶瓷。

优先地，所述端盖电极的高度x与中间电极的筒长y，满足x/y＝2/4；所述中间电极的中心位置设有中心对称的两个圆孔作为中心灯丝入口，直径为S₂＝0.2-3mm；所述设有圆孔的端盖电极的圆孔直径为S₁＝2-10mm。

附图说明

图1为现有技术中常规电子轰击式离子源结构示意图，其中：1.推斥极2.电子收集极3.灯丝4.拉出电极5.一级透镜6.二级透镜7.出口狭缝8.电离室9.磁铁新型离子源结构示意图；

图2为四极场中离子运动轨迹的示意图；

图3为本发明中离子源电离室的构建；

图4为本发明离子源电离室内的电势分布及离子轨迹；

图5为本发明离子源进气系统及端盖电极A的开启与关闭模式；

图6为本发明电子发射系统结构示意图；

图7为本发明的软件模拟结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明所述新型离子源设计实现的具体实施步骤：

1)四极场下离子运动规律的计算

为解决上述问题，本发明设计了新型离子源，重点改进了电离室的结构。本发明利用离子在四极场中运动具有良好的会聚特性。

离子在的静四极场运动特点可通过以下数学方式表述：

$V=V_0\left(\frac{x^2-y^2}{{r_0}^2}\right)$

或者是

$V=V_0(\frac{x^2}{{r_1}^2}-\frac{y^2}{{r_2}^2})---\left(1\right)$

其中x,y为电势分布的空间坐标，V₀为电势分布的边界电势，V为电势空间内任一点的电势。r₀,r₁,r₂为常数。

由空间的电势场分布方程可推导出离子在电场中的运动方程：

$\begin{array}{c}y=C_1^y\sin \left(w\right)+C_2^y\cos \left(w\right)\\ w=\ln \left(C_1^x(x+\sqrt{x^2-4C_1^x{C}_2^x})\right)\end{array}---\left(2\right)$

其中w为发散角速度，为四个常数参数。

如图2所示，可以利用边界条件来确定里上述方程(2)中的四个常量参数。假设离子平行束入射，t＝0时x＝0,y＝y₀(y₀是离子在径向上的初始位移)；离子在横向与径向的初速度x’＝0,y’＝0，以上条件代入方程(2)可化简为：

y＝y₀cos(w-w₀)   (3)

$w_0=\ln C_1^x+\frac{1}{2}\ln (-4C_1^x{C}_2^x)---\left(4\right)$

所以平行离子均在

w-w₀＝π/2+Kπ(K＝0,1,2...)   (5)

会聚于一点y＝0，即当x满足一定条件，换言之在轴向位置上存在一系列的位置，离子束发生会聚，理论上离子束会聚状态与离子在径向的分布无关。

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dw}}{|}_{w=w_0+\mathrm{K\π}+\mathrm{\π}/2}=\±y_0---\left(6\right)$

$\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dw}}=\frac{x+\sqrt{x^2-4C_1{C}_2}}{1+\frac{2x}{\sqrt{x^2-4C_1{C}_2}}}---\left(7\right)$

所以y方向速度与离子径向分布(y₀)成正比；而x方向速度随K值增加而增加。由此可以得出，随着K值增加，聚焦点处离子的发散角会逐渐降低。为获取较小的分散角度，在聚焦点选择上(即K值选择上)可以选取较大K，来降低分散角度。这里我们以K＝1为例展开下面的设计。

2)基本结构设计

根据图2所示，本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，根据以上的理论基础，提供一种基于静电四极场的新型离子源结构，有效简化传统离子源的结构，并且提高离子源的引出效率，改善离子束出射状态。

为实现此目的，根据图3所述，本发明的试验装置中包含两个端盖电极(A，C),中间电极B以及三者之间用来绝缘环D实现电离室的构建。

其中，所述端盖电极(A,C)为圆柱体或长方体等形状，端盖电极C中心有一个圆孔；中间电极B为筒状电极，内壁为圆柱面，外壁为圆柱体或其他形状；绝缘材料D为空心圆柱体。

其中，所述端盖电极(A,C)与中间电极B为无磁不锈钢材料，绝缘材料D为致密陶瓷。

其中，所述B上施加高压，C为地电位，A为推斥电极。

其中电势分布为与离子轨迹(如图4所示)。

其中，所述离子在电离室内实现两次聚焦，从而可以获取更好的离子会聚和更小的离子发散角。

根据图4所示，所述端盖电极的高度x与中间电极的筒长y，满足x/y＝2/4；所述中间电极的中心位置设有中心对称的两个圆孔作为中心灯丝入口，直径为S₂＝0.2-3mm；所述设有圆孔的端盖电极的圆孔直径为S₁＝2-10mm。

3)电离室进气系统

电离室中气体密度决定了仪器的信噪比。当进气量一定时,减少空间体积与降低样品气体流失成为提高电离室密度的关键因素。

参考图5，本发明中在端盖电极A中心设有小孔作为进气管路，保证进气管路直接与离子源电离室相连。这样保证气体大部分被充入电离室的小空间，这样提升气体的密度，进而提高仪器的灵敏度。另一方面离子源内部与外部的连接只有一些小孔，小孔为端盖电极C中间设置的，同样还有中间电极B中心对称设有的小孔用于作为中心灯丝入口，所以分析过程中离子源内气体密度降低比较慢，提升了接收信号的稳定性。

为了降低仪器的记忆效应，保证本次分析中样品气体完全排除，端盖电极A是受控于马达，马达带着端盖电极A远离中间电极。从而降低气阻，保证其中惰性气体能够很快消散与真空中。

(4)灯丝发射系统

电子轰击式离子源的原理是具有一定能量的电子轰击气体分子，使其失去一个电子而被电离。所以电子发射系统是离子源中的重要部分。电子发射单元的效率决定了仪器的灵敏度，电子发射单元的稳定性决定了仪器的稳定性及测试的精度。

电子发射系统一般包括灯丝，电子收集极及磁铁。其中磁铁主要作用准直发散的电子，同时电子的螺旋运动增加了路径，进而提高了电离几率。传统离子源灯丝架的结构如图1所示，一般灯丝的长度为2-5mm，呈直线或螺旋线结构。发射电子仅局限在很小的矩形内，电子无法电离室内其他大部分空间，因此样品气体的利用率不高。

为了克服传统离子源的这一缺陷，本发明中采用环形灯丝发射与接收系统，提高电子发射的数量与电离室中可接收电子的面积。其基本结构如图6所示。为证实此种结构的合理性，利用Simion软件模拟电子飞行轨迹；模拟结构显示，电子在此种结构中，可以到达电离室截面上的每个位置。

综上所述，本发明所提出的新型电子轰击式离子源设计创新性提出在电离室空间内引入四极场，进而改善电离室的空间分布，从而提高离子源的离子引出效率。同时设计还在离子源的结构上进行改进既保证样品气体的密度，同时还保证仪器记忆效应。灯丝发射系统提高离子产率。在这三个方面的改进能够提高质谱仪器的灵敏度，该离子源可用于惰性气体质谱，气体同位素质谱等磁式质谱，也可以用于四级杆质谱和飞行时间质谱。

Claims (9)

1.一种新型电子轰击离子源的设计方法，其特征在于，所述设计方法利用离子在四极场中运动具有良好的会聚特性来对离子源的结构进行改进，具体包括：

1)在电离室空间内引入四极场，进而改善电离室的空间分布，提高离子源的引出效率，改善离子束出射状态；

2)降低样品气体流失，提高电离室气体的密度，并降低仪器的记忆效应；

3)改进电子发射单元，提高其发射效率及稳定性。

2.根据权利要求1的设计方法，其特征在于，所述改善电离室的空间分布包括：电离室采用两个端盖电极、一个中间电极，三者之间用来绝缘环来进行绝缘。

3.根据权利要求2的设计方法，其特征在于，所述中间电极为电离室的腔体，中间电极左右两端分别为端盖电极作为电离室的左右两端的端面，中间电极与左右两端的端盖电极通过绝缘环连接。

4.根据权利要求1的设计方法，其特征在于，所述降低样品气体流失采用将进气管路直接贯穿所述电离室的一个端面电极，使得近期管路与所述电离室相连；所述降低仪器的记性效应采用所述与进气管路贯穿的端面电极受控于马达，排气时，马达带动所述端面电极，保证气体很快消散。

5.根据权利要求1的设计方法，其特征在于，所述改进电子发射单元，电子发射单元包括灯丝、电子收集极及磁铁，灯丝采用环形灯丝。

6.一种新型电子轰击离子源的试验装置，所述实验装置包括电子发射单元、电离室、拉出电极、二次会聚系统和出口狭缝，电子发射单元发射出离子，经过电离室两次聚焦穿出电离室，经过拉出电极，再次经过聚焦透镜组(二次会聚系统)，最终通过出口狭缝，其特征在于，所述电离室引入四极场，所述离子在电离室内实现两次聚焦，从而可以获取更好的离子会聚和更小的离子发散角；所述电离室对其进行改进，提升气体密度，提升接收信号的稳定性，降低仪器的记忆效应；所述电子发射单元采用环形灯丝，从而提高其发射效率及稳定性。

7.根据权利要求6的试验装置，其特征在于，所述中间电极为电离室的腔体，中间电极左右两端分别为端盖电极作为电离室的左右两端的端面，中间电极与左右两端的端盖电极通过绝缘环连接；所述左右两端的端盖电极，右侧的端盖电极设有圆孔用于离子射出电离室，左侧的端盖电极中心出进气管路直接穿过，提升气体密度，提升接收信号的稳定性，及该左侧端盖电极受控与马达，排气时，马达带动该端盖电极远离电离室。

8.根据权利要求6的试验装置，其特征在于，所述电离室左右两端的端盖电极为圆柱体或长方体等形状；中间电极为筒状电极，内壁为圆柱面，外壁为圆柱体或其他形状；绝缘环为空心圆柱体；

所述端盖电极与中间电极为无磁不锈钢材料，绝缘材料为致密陶瓷。

9.根据权利要求6的试验装置，其特征在于，所述端盖电极的高度x与中间电极的筒长y，满足x/y＝2/4；所述中间电极的中心位置设有中心对称的两个圆孔作为中心灯丝入口，直径为S₂＝0.2-3mm；所述设有圆孔的端盖电极的圆孔直径为S₁＝2-10mm。