CN105225918A - 用于飞行时间质谱中离子束整形的静电透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及质谱分析仪器，具体的说是一种用于飞行时间质谱中离子束整形的静电透镜装置，包括依次平行设置的离子入射电极、聚焦环电极、单透镜入口电极、离子偏转电极和单透镜出口电极；离子入射电极、聚焦环电极、单透镜入口电极、离子偏转电极和单透镜出口电极沿各个电极上通孔轴线依次同轴、平行设置，相邻电极间相互绝缘。单透镜入口电极通孔、离子偏转电极通孔和单透镜出口电极通孔形状和大小相同，且在垂直于通孔轴线的平面上投影相互重合。本装置利用具有扁形离子通孔的单透镜以及前置的聚焦环电极构成组合离子透镜，实现将小孔电极入射的发散离子束整形成为扁平状的平行离子束，可有效提高垂直加速飞行时间质谱的性能。

Description

用于飞行时间质谱中离子束整形的静电透镜

技术领域

本发明涉及质谱分析仪器，具体的说是一种用于飞行时间质谱中离子束整形的静电透镜。

背景技术

飞行时间质谱是利用电场加速使不同质荷比的离子获得相同的动能，经过相同长度的飞行距离后，根据达到检测器的飞行时间不同而完成相互分离的。离子在飞行时间质量分析器中的初始能量发散和空间发散，会使相同质荷比的离子到达检测器的时间产生一定的差异，进而影响质谱的分辨率以及检测灵敏度。在飞行时间质谱中，采用离子垂直引入的方式，构成垂直加速飞行时间质谱，可有效减小离子在飞行时间质量分析器中的初始能量发散和空间发散。在垂直加速飞行时间质谱中，离子沿垂直于质量分析器电场加速的方向，经由一个狭缝进入质量分析器。垂直引入能够在最大程度上减小离子在电场加速方向上的速度分量，从而降低离子的能量发散；而狭缝约束了离子束在电场加速方向的宽度，进而减小离子的空间发散。

在离子进入飞行时间质量分析器之前，如何将其整形成为平行离子束，且沿垂直于离子加速方向高效的引入质量分析器，是提高垂直加速飞行时间质谱分析性能所需解决的重要问题。传统的旋转对称单透镜离子光学系统，能够将从质谱差分真空接口小孔处出射的发散离子束进行准直，使其成为横截面为圆形的平行离子束。但是圆形横截面的离子束在通过狭缝时会损失部分离子，影响检测灵敏度；而且旋转对称单透镜的离子束出射方向无法进行精确控制，易受到机械加工精度和装配误差的影响，难以保证离子束进入质量分析器时入射方向的垂直度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于飞行时间质谱中离子束整形的静电透镜装置，用于将从小孔电极入射的发散离子束整形成为扁平状横截面的平行离子束，同时实现对离子束出射方向的精确控制。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于飞行时间质谱中离子束整形的静电透镜，包括依次平行设置的离子入射电极、聚焦环电极、单透镜入口电极、离子偏转电极和单透镜出口电极，它们均为平板状金属电极；

于离子入射电极、聚焦环电极、单透镜入口电极、离子偏转电极和单透镜出口电极的中部分别设置有用于离子通过的通孔，依次为离子入射电极小孔、聚焦环电极通孔、单透镜入口电极通孔、离子偏转电极通孔和单透镜出口电极通孔；

离子入射电极、聚焦环电极、单透镜入口电极、离子偏转电极和单透镜出口电极沿各个电极上通孔轴线(通孔轴线作为z轴)依次同轴、平行设置，相邻电极间相互绝缘。

单透镜入口电极通孔、离子偏转电极通孔和单透镜出口电极通孔形状和大小相同，且在垂直于通孔轴线的平面(x-y平面)上投影相互重合。

单透镜入口电极通孔沿z轴所在的y-z平面呈面对称；

离子偏转电极由两块沿z轴所在的y-z平面呈面对称的平板状金属电极构成，两块平板状金属电极处于同一平面内，两块平板状金属电极间相互绝缘。

单透镜入口电极通孔、离子偏转电极通孔和单透镜出口电极通孔在垂直于通孔轴线的平面上投影形状为下述形状中的一种：椭圆形，矩形，及中间为矩形、相对的左右两边(垂直于y轴方向的两边)是以矩形的边为直径向远离矩形区域扩张的半圆形。

离子入射电极小孔和聚焦环电极通孔均为圆形，其中离子入射电极小孔的直径大小为0.01～5mm，聚焦环电极通孔的直径大小为1～100mm。

于离子入射电极、聚焦环电极、单透镜入口电极和单透镜出口电极上施加直流电压；其中单透镜入口电极和单透镜出口电极上电压的幅值和极性相同。

于离子偏转电极的两块电极上分别施加电压(V₀+V_d/2)和(V₀-V_d/2)；其中V₀为两块电极的平均电压，平均电压V₀与单透镜入口电极上电压的幅值或极性不同，实现离子束的准直，V_d为两块电极的电位差，用于控制离子束沿x轴方向的偏转。

单透镜入口电极通孔、离子偏转电极通孔和单透镜出口电极通孔在x轴方向的高度为1～100mm，在y轴方向的宽度为2～200mm；离子束沿z轴方向通过离子入射电极小孔入射，经所述的静电透镜整形为扁平状横截面的平行离子束。

该透镜系统工作在气压低于10^-1Pa的高真空环境中；

所述的静电透镜用于垂直加速飞行时间质谱中，在离子进入飞行时间质量分析器前的离子束整形。

相邻电极间通过留有空隙相互绝缘，或在相邻电极间设有绝缘材料使它们互相间隔相互绝缘；

两块平板状金属电极间通过留有空隙相互绝缘，或在两块平板状金属电极间设有绝缘材料使它们互相间隔相互绝缘。

本发明提供的静电透镜装置，利用具有扁形离子通孔的单透镜以及前置的聚焦环电极构成组合离子透镜，在高真空条件下，通过静电场对离子束进行整形。前置的聚焦环电极首先使从离子入射电极上小孔进入的离子束聚焦，而后利用扁形离子通孔的单透镜对聚焦成点状的离子束进行准直。扁形离子通孔的使用，使点状的发散离子束最终成为扁平状横截面的平行离子束。单透镜的中间加入离子偏转电极，通过施加适当的偏转电压，可实现对扁平状平行离子束出射方向的精确控制。

附图说明

图1为本发明用于飞行时间质谱中离子束整形的静电透镜结构示意图。

图2为本发明实施例1中离子飞行轨迹的SIMION软件模拟图。

图3为本发明实施例2中一种具有椭圆形离子通孔单透镜的静电透镜结构示意图。

图4为本发明实施例3中一种具有矩形离子通孔单透镜的静电透镜结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，为本发明的结构示意图。

以电极通孔的轴线方向为z轴，y轴为与z轴处于同一水平面上的垂直于z轴的直线方向，x轴垂直于y轴和z轴所在水平面的直线方向。

本发明的静电透镜装置，包括依次平行设置的离子入射电极1、聚焦环电极3、单透镜入口电极5、离子偏转电极7和单透镜出口电极9，它们均为平板状金属电极；

于离子入射电极1、聚焦环电极3、单透镜入口电极5、离子偏转电极7和单透镜出口电极9的中部分别设置有用于离子通过的通孔，依次为离子入射电极小孔2、聚焦环电极通孔4、单透镜入口电极通孔6、离子偏转电极通孔8和单透镜出口电极通孔10；

离子入射电极1、聚焦环电极3、单透镜入口电极5、离子偏转电极7和单透镜出口电极9沿各个电极上通孔轴线(z轴)依次同轴、平行设置，相邻电极间相互绝缘。

单透镜入口电极通孔6、离子偏转电极通孔8和单透镜出口电极通孔10形状和大小相同，且在垂直于通孔轴线的平面(x-y平面)上投影相互重合。

单透镜入口电极通孔6沿z轴所在的y-z平面呈面对称；

离子偏转电极7由两块沿z轴所在的y-z平面呈面对称的平板状金属电极构成，两块平板状金属电极处于同一平面内，两块平板状金属电极间相互绝缘。

单透镜入口电极通孔6、离子偏转电极通孔8和单透镜出口电极通孔10在垂直于通孔轴线的平面上投影形状为下述形状中的一种：椭圆形，矩形，及中间为矩形、相对的左右两边(垂直于y轴方向的两边)是以矩形的边为直径向远离矩形区域扩张的半圆形。

离子入射电极小孔2和聚焦环电极通孔4均为圆形，其中离子入射电极小孔2的直径大小为0.01～5mm，聚焦环电极通孔4的直径大小为1～100mm。

单透镜入口电极通孔6、离子偏转电极通孔8和单透镜出口电极通孔10在x轴方向的高度为1～100mm，在y轴方向的宽度为2～200mm；离子束11沿z轴方向通过离子入射电极小孔2入射，经所述的静电透镜整形为扁平状横截面的平行离子束。

该透镜系统工作在气压低于10^-1Pa的高真空环境中。

相邻电极间通过留有空隙相互绝缘，或在相邻电极间设有绝缘材料使它们互相间隔相互绝缘；

两块平板状金属电极间通过留有空隙相互绝缘，或在两块平板状金属电极间设有绝缘材料使它们互相间隔相互绝缘。

应用时，于离子入射电极1、聚焦环电极3、单透镜入口电极5和单透镜出口电极9上施加直流电压；其中单透镜入口电极5和单透镜出口电极9上电压的幅值和极性相同。于离子偏转电极7的两块电极上分别施加电压(V₀+V_d/2)和(V₀-V_d/2)；其中V₀为两块电极的平均电压，平均电压V₀与单透镜入口电极5上电压的幅值或极性不同，实现离子束11的准直，V_d为两块电极的电位差，用于控制离子束11沿x轴方向的偏转。离子束11沿z轴方向通过离子入射电极小孔2入射，在聚焦环电极3产生的电场作用下，首先产生聚焦，成为点状的发散离子束，随后进入由单透镜入口电极5、离子偏转电极7和单透镜出口电极9组成扁形离子通孔的单透镜。扁形离子通孔内的电场，使离子束在横截面的一个方向(短边)上受到较强电场力的调制，而在与其垂直方向(长边)上的电场力约束较小，因此，点状的发散离子束在这两个方向上分别实现准直和有限空间的发散，进而得到扁平状的平行离子束。通过控制离子偏转电极7的两块电极上所施加的偏转电压V_d，即可调节扁平状平行离子束在x轴方向的偏转角度，实现对扁平状平行离子束出射方向的精确控制，从而避免了机械加工精度和装配误差的影响。

实施例1

针对本发明所述的静电透镜对离子束整形性能的考查，使用SIMION软件对离子在静电透镜中的飞行轨迹进行了模拟。选取单透镜入口电极通孔、离子偏转电极通孔和单透镜出口电极通孔的横截面形状为：中间为矩形、相对的左右两边(垂直于y轴方向的两边)是以矩形的边为直径向远离矩形区域扩张的半圆形。其中，设置单透镜出口电极通孔在x轴方向的高度为16mm、在y轴方向的宽度为30mm，聚焦环电极通孔的直径大小为20mm。模拟时，定义了2000个离子从直径为1mm的离子入射电极小孔进入透镜系统，得到的离子飞行轨迹如图4所示。可见，从小孔电极入射的发散离子束，最终被整形成横截面大小为2mm×10mm的扁平状的平行离子束。

实施例2

在本发明所述的静电透镜中，单透镜入口电极通孔、离子偏转电极通孔和单透镜出口电极通孔的横截面形状可以为椭圆形。实施例2中单透镜出口电极通孔在x轴方向的高度为20mm、在y轴方向的宽度为40mm，聚焦环电极通孔的直径大小为30mm，如图3所示。

实施例3

在本发明所述的静电透镜中，单透镜入口电极通孔、离子偏转电极通孔和单透镜出口电极通孔的横截面形状可以为矩形。实施例3中单透镜出口电极通孔在x轴方向的高度为15mm、在y轴方向的宽度为50mm，聚焦环电极通孔的直径大小为30mm，如图4所示。

Claims (10)

1.用于飞行时间质谱中离子束整形的静电透镜，其特征在于：

包括依次平行设置的离子入射电极(1)、聚焦环电极(3)、单透镜入口电极(5)、离子偏转电极(7)和单透镜出口电极(9)，它们均为平板状金属电极；

于离子入射电极(1)、聚焦环电极(3)、单透镜入口电极(5)、离子偏转电极(7)和单透镜出口电极(9)的中部分别设置有用于离子通过的通孔，依次为离子入射电极小孔(2)、聚焦环电极通孔(4)、单透镜入口电极通孔(6)、离子偏转电极通孔(8)和单透镜出口电极通孔(10)；

离子入射电极(1)、聚焦环电极(3)、单透镜入口电极(5)、离子偏转电极(7)和单透镜出口电极(9)沿各个电极上通孔轴线(通孔轴线作为z轴)依次同轴、平行设置，相邻电极间相互绝缘。

2.根据权利要求1所述的静电透镜，其特征在于：

单透镜入口电极通孔(6)、离子偏转电极通孔(8)和单透镜出口电极通孔(10)形状和大小相同，且在垂直于通孔轴线的平面(x-y平面)上投影相互重合。

3.根据权利要求2所述的静电透镜，其特征在于：

单透镜入口电极通孔(6)沿z轴所在的y-z平面呈面对称；

离子偏转电极(7)由两块沿z轴所在的y-z平面呈面对称的平板状金属电极构成，两块平板状金属电极处于同一平面内，两块平板状金属电极间相互绝缘。

4.根据权利要求2或3所述的静电透镜，其特征在于：

单透镜入口电极通孔(6)、离子偏转电极通孔(8)和单透镜出口电极通孔(10)在垂直于通孔轴线的平面上投影形状为下述形状中的一种：椭圆形，矩形，及中间为矩形、相对的左右两边(垂直于y轴方向的两边)是以矩形的边为直径向远离矩形区域扩张的半圆形。

5.根据权利要求1所述的静电透镜，其特征在于：

离子入射电极小孔(2)和聚焦环电极通孔(4)均为圆形，其中离子入射电极小孔(2)的直径大小为0.01～5mm，聚焦环电极通孔(4)的直径大小为1～100mm。

6.根据权利要求1所述的静电透镜，其特征在于：

于离子入射电极(1)、聚焦环电极(3)、单透镜入口电极(5)和单透镜出口电极(9)上施加直流电压；其中单透镜入口电极(5)和单透镜出口电极(9)上电压的幅值和极性相同。

7.根据权利要求1、3或4所述的静电透镜，其特征在于：

于离子偏转电极(7)的两块电极上分别施加电压(V₀+V_d/2)和(V₀-V_d/2)；其中V₀为两块电极的平均电压，平均电压V₀与单透镜入口电极(5)上电压的幅值或极性不同，实现离子束(11)的准直，V_d为两块电极的电位差，用于控制离子束(11)沿x轴方向的偏转。

8.根据权利要求4所述的静电透镜，其特征在于：

单透镜入口电极通孔(6)、离子偏转电极通孔(8)和单透镜出口电极通孔(10)在x轴方向的高度为1～100mm，在y轴方向的宽度为2～200mm；离子束(11)沿z轴方向通过离子入射电极小孔(2)入射，经所述的静电透镜整形为扁平状横截面的平行离子束。

9.根据权利要求1所述的静电透镜，其特征在于：

该透镜系统工作在气压低于10^-1Pa的高真空环境中；

所述的静电透镜用于垂直加速飞行时间质谱中，在离子进入飞行时间质量分析器前的离子束整形。

10.根据权利要求1或3所述的静电透镜，其特征在于：

相邻电极间通过留有空隙相互绝缘，或在相邻电极间设有绝缘材料使它们互相间隔相互绝缘；

两块平板状金属电极间通过留有空隙相互绝缘，或在两块平板状金属电极间设有绝缘材料使它们互相间隔相互绝缘。