CN104715987B - 一种紧凑型偏转会聚离子束的静电透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及质谱中实现离子束偏转会聚功能的离子光学系统，具体的说是利用静电场对离子束实现偏转角度调节及离子束径向会聚功能的一种离子光学透镜。该透镜体积小巧，结构紧凑，包括主透镜电极组件和三维定位绝缘组件，依次施加有不同电压；离子束开始沿透镜轴线方向运动，经过主透镜电极后，离子束的运动方向发生偏转，且在径向方向产生会聚。偏转的角度可以通过主透镜电极电压差来调节，而会聚的焦点通过主透镜的电位来调节。本发明所涉及的紧凑型偏转会聚离子束的静电透镜系统，采用尽量少的电源模块，实现离子束偏转角度和会聚焦面的控制，且减少离子传输损失。

Description

一种紧凑型偏转会聚离子束的静电透镜
技术领域
本发明涉及质谱仪离子光学系统，具体的说是一种紧凑型偏转会聚离子束的静电透镜。本发明适用于在真空条件下，通过电场控制离子束偏转至合适角度，并且可在径向会聚离子束，减少离子传输损失。整个系统结构紧凑，体积小的特点。
背景技术
通过电场(电位)来调节离子束偏转和会聚是一种应用广泛的方法。在质谱中，常见的是经常采用这种方法来实现不同入射能量的离子束以合理的偏转角度进入反射镜或者检测器中。为了提高较大发散离子束的接收立体角，在质谱中还经常加入会聚透镜系统，将离子束聚焦于特定焦面。实现以上功能的经典方法是分别采用偏转板，控制离子束偏转至合适角度。如果要进一步会聚离子束于特定的焦面，则需要在偏转板之前或者之后加入透镜系统来实现。然而，这样采用的是一种分立部件的方法，增大了离子传输系统的体积，且给安装定位带来困难，限制质谱的灵敏度和分辨性能。另外也增加了高压电源模块的数量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紧凑型偏转会聚离子束的静电透镜。该透镜体积小巧，结构紧凑，包括主透镜电极组件和三维定位绝缘组件，依次施加有不同电压；离子束开始沿透镜轴线方向运动，经过主透镜电极后，离子束的运动方向发生偏转，且在径向方向产生会聚。偏转的角度可以通过主透镜电极电压差来调节，而会聚的焦点通过主透镜的电位来调节。本发明所涉及的紧凑型偏转会聚离子束的静电透镜系统，采用尽量少的电源模块，实现离子束偏转角度和会聚焦面的控制，且减少离子传输损失。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种紧凑型偏转会聚离子束的静电透镜，其特征在于：包括入射离子束、光阑、三维定位绝缘组件、下偏转电极、上偏转电极，屏蔽电极以及出射离子束,各部分之间沿z同轴依次固定连接。
下偏转电极和上偏转电极为精密加工得到的相同环形结构电极，分别与三维定位绝缘组件中心处上下对称分布的圆弧槽型结构配合连接，确定了两个偏转电极之间的间隔距离，沿z轴转动的角度以及两个偏转电极之间的同轴度，两个偏转电极在x-z对称分布，且与z方向同轴，电极材料为不锈钢，采用精磨制成，保证光洁度和平面度。
下偏转电极和上偏转电极分别施加电压-(V0-Vd/2)和-(V0+Vd/2)的电位；其中V0为透镜实现会聚功能的电位，Vd为透镜两个偏转电极电位差，用于控制离子偏转。
三维定位绝缘组件由两个相同结构绝缘件构成，三维定位绝缘组件的结构包括：中心开有通孔，用于透过离子束；上下对称分布的圆弧槽型结构，分别用于定位下偏转电极和上偏转电极，保证与z方向同轴性及控制沿z轴转动的角度大小；用于三位定位绝缘组件的绝缘件的另一侧带有圆弧槽结构，用于与光阑和屏蔽电极的定位同轴配合连接，三维定位绝缘组件与z方向同轴。
为保证三维定位绝缘组件的平面度和平行度误差足够的小，采用陶瓷或者聚醚醚酮(PEEK)材料精密加工而成。
光阑为中心开有通孔的不锈钢电极制成；通过调节孔径大小来限制进入离子束的发散角度；光阑与z方向同轴，光阑与三维定位绝缘组件连接的一侧中心为圆弧型凸口，圆弧型凸口与三维定位绝缘组件的圆弧槽结构配合连接。
屏蔽电极为中心开有通孔的不锈钢电极制成，接地屏蔽电场；屏蔽电极与z方向同轴，屏蔽电极与三维定位绝缘组件连接的一侧中心为圆弧型凸口，圆弧型凸口与三维定位绝缘组件的圆弧槽结构配合连接。
该透镜系统工作于真空下；离子束沿z轴方向入射。该透镜系统工作于真空优于10-2Pa的环境下。
本发明适用于在真空条件下，通过电场控制离子束偏转至合适角度，并且可在径向会聚离子束，减少离子传输损失。整个系统结构紧凑，体积小的特点。
附图说明
图1为本发明的紧凑型偏转会聚离子束的静电透镜结构示意图。
图2是采用SIMION软件模拟静电透镜在正常工作条件下的电位图。偏转电压Vd为150V，会聚电位V0为-2650V，氙气(Xe)的同位素离子束偏转角度1.9°后，出射透镜时会聚为直径小于1mm的束。
图3是具体实施方式中氙气(Xe)的质谱图。上图：偏转电压Vd为90V，会聚电位V0为0V，氙气(Xe)的同位素离子束偏转角度1.9°后，无会聚，被探测器接收。下图：偏转电压Vd为150V，会聚电位V0为-2650V，氙气(Xe)的同位素离子束偏转角度1.9°后，出射透镜时会聚为直径小于1mm的束，被探测器接收。
具体实施方式
请参阅图1，为本发明的结构示意图。本发明包括入射离子束1、光阑2、三维定位绝缘组件3、下偏转电极4、上偏转电极5，屏蔽电极6以及出射离子束7,各部分之间沿z同轴依次固定连接。
下偏转电极4和上偏转电极5为精密加工得到的相同环形结构电极，内通孔直径为15mm，分别与三维定位绝缘组件3中心处上下对称分布的圆弧槽型结构配合连接，确定了两个偏转电极之间2mm的间隔距离，沿z轴转动的角度以及两个偏转电极之间的同轴度，两个偏转电极在x-z对称分布，且与z方向同轴，电极材料为不锈钢，采用精磨制成，保证光洁度和平面度优于0.01mm。
下偏转电极4和上偏转电极5分别施加电压-(V0-Vd/2)和-(V0+Vd/2)的电位；其中V0为透镜实现会聚功能的电位，大小为-2650V；Vd为透镜两个偏转电极电位差，大小为150V，用于控制离子偏转1.9°。
三维定位绝缘组件3由两个相同结构绝缘件构成，三维定位绝缘组件3的结构包括：中心开有直径为15mm的通孔，用于透过离子束；上下对称分布的圆弧槽型结构，分别用于定位下偏转电极4和上偏转电极5，保证与z方向同轴性及控制沿z轴转动的角度大小；两个三维定位绝缘组件3的另一侧带有圆弧槽结构，用于与光阑2和屏蔽电极6的定位同轴配合连接，三维定位绝缘组件3与z方向同轴。
为保证三维定位绝缘组件3的平面度和平行度误差足够的小，采用陶瓷或者聚醚醚酮(PEEK)材料精密加工而成。
光阑2为中心开有通孔的不锈钢电极制成；通过调节孔径大小来限制进入离子束的发散角度；光阑2与z方向同轴，光阑2与三维定位绝缘组件3连接的一侧中心为圆弧型凸口，圆弧型凸口与三维定位绝缘组件3的圆弧槽结构配合连接。
屏蔽电极6为中心开有通孔的不锈钢电极制成，接地屏蔽电场；屏蔽电极6与z方向同轴，屏蔽电极6与三维定位绝缘组件3连接的一侧中心为圆弧型凸口，圆弧型凸口与三维定位绝缘组件3的圆弧槽结构配合连接。
该透镜系统工作于真空下；离子束沿z轴方向入射。该透镜系统工作于真空优于10-2Pa的环境下。
实施例
一束能量为3KeV的Xe离子束，穿过孔径为5mm的光阑2，进入3的通孔为15mm的上、下偏转电极组，发生偏转的同时产生会聚作用，最后于孔径为15mm的屏蔽电极出射。偏转的电压为150V，会聚电位为-2650V。离子束偏转角度1.9°，会聚焦面位于3.2m外的探测器上。最终选择控制离子束的光斑大小约为1mm。光阑，主透镜电极组以及屏蔽电极的长度选择都在20mm，间隔2mm。其中主透镜电极的上下偏转电极被三维定位绝缘组件隔开2mm。整个系统需要的电源模块为2个。

Claims (6)

1.一种紧凑型偏转会聚离子束的静电透镜，其特征在于：包括入射离子束(1)、光阑(2)、三维定位绝缘组件(3)、下偏转电极(4)、上偏转电极(5)，屏蔽电极(6)以及出射离子束(7),各部分之间沿z同轴依次固定连接；
下偏转电极(4)和上偏转电极(5)为精密加工得到的相同环形结构电极，分别与三维定位绝缘组件(3)中心处上下对称分布的圆弧槽型结构配合连接，确定了两个偏转电极之间的间隔距离，沿z轴转动的角度以及两个偏转电极之间的同轴度，两个偏转电极在x-z对称分布，且与z方向同轴，电极材料为不锈钢，采用精磨制成，保证光洁度和平面度；
下偏转电极(4)和上偏转电极(5)分别施加电压-(V0-Vd/2)和-(V0+Vd/2)的电位；其中V0为透镜实现会聚功能的电位，Vd为透镜两个偏转电极电位差，用于控制离子偏转。
2.根据权利要求1所述静电透镜，其特征在于：
三维定位绝缘组件(3)由两个相同结构绝缘件构成，三维定位绝缘组件(3)的结构包括：中心开有通孔，用于透过离子束；上下对称分布的圆弧槽型结构，分别用于定位下偏转电极(4)和上偏转电极(5)，保证与z方向同轴性及控制沿z轴转动的角度大小；用于三维定位绝缘组件(3)的绝缘件另一侧带有圆弧槽结构，用于与光阑(2)和屏蔽电极(6)的定位同轴配合连接，三维定位绝缘组件(3)与z方向同轴，
为保证三维定位绝缘组件(3)的平面度和平行度误差足够的小，采用陶瓷或者聚醚醚酮(PEEK)材料精密加工而成。
3.根据权利要求1所述静电透镜，其特征在于：
光阑(2)为中心开有通孔的不锈钢电极制成；通过调节孔径大小来限制进入离子束的发散角度；光阑(2)与z方向同轴，光阑(2)与三维定位绝缘组件(3)连接的一侧中心为圆弧型凸口，圆弧型凸口与三维定位绝缘组件(3)的圆弧槽结构配合连接。
4.根据权利要求1所述静电透镜，其特征在于：
屏蔽电极(6)为中心开有通孔的不锈钢电极制成，接地屏蔽电场；屏蔽电极(6)与z方向同轴，屏蔽电极(6)与三维定位绝缘组件(3)连接的一侧中心为圆弧型凸口，圆弧型凸口与三维定位绝缘组件(3)的圆弧槽结构配合连接。
5.根据权利要求1所述静电透镜，其特征在于：
该透镜系统工作于真空下；离子束沿z轴方向入射。
6.根据权利要求5所述静电透镜，其特征在于：该透镜系统工作于真空优于10-2Pa的环境下。
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