CN105304448A - 用于质谱电子轰击离子源的灯丝 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于电子电离(EI)源的阴极系统，该系统包括灯丝和电流源柱，各电流源柱将灯丝分成几个区段，每个电流源柱为灯丝的至少两个区段提供或返回电流。可以通过例如点焊将每个灯丝区段连接至提供加热电流的电流源柱。灯丝区段可以连续布置或实质上彼此平行地进行布置。连续布置的灯丝区段可以形成闭环(例如，圆环)。其他实施例涵盖了螺旋线圈形状的灯丝。

Description

用于质谱电子轰击离子源的灯丝
技术领域
本发明涉及在用于质谱(MS)仪的电子轰击离子源中用作电子发射阴极的灯丝。
背景技术
电子轰击电离(或者更确切地说，电子电离(EI))是气相色谱-质谱分析法(GC-MS)中常见的电离类型。EI源利用商用资料库提供有利于化合物鉴定的可预测的裂解，这些资料库(例如，美国国家标准与技术研究院(NIST)的资料库)中含有数十万的参考光谱。此外，由于电离效率几乎与化合物无关，因此EI源对大多数化合物的响应一致。
传统的EI离子源是交叉束离子源，其中线型辉光阴极产生的电子束通过狭缝加速到大约70电子伏特，由弱磁场引导其通过电离区，然后该电子束从另一个狭缝离开并轰击电子检测器，该电子检测器通过控制流过阴极的电流来调节电子流。图1示意性地示出了这种公知的交叉束EI离子源。将GC的发射物吹过电离电子帘，并吸引产生的离子通过带狭缝的电极离开电离区。此类离子源非常适合利用狭缝进行操作的质谱仪，例如扇形磁质谱仪。
然而，今天大多数质谱仪被设计为接受圆柱对称的离子束，这是由于它们通常配备有包住圆柱形的内部体积的细长的四极离子导向器或四极过滤器。产生非圆柱状离子束的带狭缝的离子源已无法以最佳方式满足现代要求。这种不匹配可导致离子源或离子提取光学装置中的离子束损失，或导致离子能量分布出现不期望的拓宽，或导致离子束的对称性发生畸变，进一步恶化MS。
为了更好地匹配进入质谱仪的其余离子路径，已对圆柱对称的EI离子源，特别是圆柱对称的EI灯丝装置进行开发(参见：例如M.DeKieviet等人的“Designandperformanceofahighlyefficientmassspectrometerformolecularbeams”，Rev.Scient.Instr.71(5)：2015-2018，2000，或A.V.Kalinin等人的“IonSourcewithLongitudinalIonizationofaMolecularBeambyanElectronBeaminaMagneticField”，Instr.andExp.Techn.49(5)：709-713，2006)。
在引用文章中，已在电磁线圈的杂散场中安装圆环形状的灯丝，从而沿着场线对电子进行加速使其进入线圈中央，由此形成狭窄的管状电子束。在图2中示意性地示出了这一原理。将GC的发射物作为分子束吹过环形灯丝进入磁体的线圈中。发射物的分子在飞行中被管状电子束高效电离。
图3示出了传统的圆环形状的灯丝装置。然而，圆形或圆柱对称的灯丝组件(例如圆环形状的灯丝)在进行重复加热和冷却的循环后有变形的风险。例如，如图4所示，提供额外的用于减少变形自由度的支柱使得热量通过支柱散失，并导致温度不均匀的区域上电子发射特性不同。
鉴于上述观点，需要这样的在质谱仪中的EI源灯丝装置，即，它们不发生变形并在整个灯丝装置上呈现出尽可能一致的电子发射。
发明内容
本发明提供了一种用于EI离子源的阴极系统，包括灯丝和多个电流源柱，所述多个电流源柱将所述灯丝(在电学上)分成多个区段，每个电流源柱为灯丝的至少两个区段提供或返回电流。可通过例如点焊将灯丝连接至提供或返回加热电流的电流源柱。灯丝的各个区段可以连续布置，或者实质上彼此平行地进行布置。连续布置的灯丝区段可以形成闭环(例如，圆环)。其他实施例涵盖螺旋线圈形状。
灯丝优选由钨、镀钍钨、铼、具有钇涂层的铼或特别是钇/铼合金制成。可以将电流源柱制成有利的形状，以使它们在与灯丝接触点附近被电流加热到与灯丝温度一致的温度。为了使不同的灯丝区段的温度相同，可以通过例如激光烧蚀方法对部分灯丝区段的材料进行烧蚀，以使所有区段具有相同(或大致相同)的电子发射特性。可以通过测量各个区段的电子发射对烧蚀进行控制。
附图说明
通过参照以下附图，可以更好地理解本发明。附图中的元件无需按比例绘制，而是会重点强调示出了本发明的原理的部分(通常为示意性)。在附图中，相同的附图标记在不同视图中通常始终表示相同的部分。
图1示出了传统的交叉束电子轰击离子源。GC毛细管(10)末端的发射物(11)跨过电子束(13)。阴极(12)产生电子束，缝隙(19)将电子束加速到大约70电子伏特，由永磁体(15)与永磁体(16)之间的弱磁场引导电子束穿过电离区，然后由法拉第(Faraday)杯对其进行检测。通过在缝隙(17)处施加提取电压来提取离子，并利用提取出的离子形成离子束(18)。通过围绕离子源的磁轭(未示出)连接各永磁体。
图2示意性地描绘了一种更现代的高效EI离子源，其中由圆环形状的阴极(20)产生电子束(22)，其由弯曲电极(21)进行加速，并被集中到电磁体(23)的杂散场内的窄管中。通过各缝隙(24)提取离子，并利用提取出的离子形成圆柱状离子束(25)。
图3示出了由两个柱(30)和(31)提供电流的传统的圆环电极(32)。该环形电极在重复加热和冷却的周期中很容易变形，从而影响其性能。
图4描绘了能够用额外的(在电学上断连的)支柱(33)和(34)机械支撑图3中的圆环电极的方法，所述支柱可由绝缘材料或在电学上断连的金属制成。在这两种情况下，由于热量通过柱散失，因此支柱周围的灯丝的温度容易下降。
图5示意性地示出了根据本发明的原理的灯丝系统。由四个柱(40)至(43)将环形灯丝(在电学上)分成四个区段(44)至(47)。柱(40)和柱(42)提供电流，如同用正号指示的那样，柱(41)和柱(43)返回电流，如同用负号指示的那样。在本示例中，电流的方向沿着圆环改变四次，如同用箭头指示的那样。
图6示出了一种具有六个载流柱的更加稳定的环形灯丝系统，在其中电流的方向改变六次。
图7描绘了具有四个柱(50)至(53)的灯丝系统，柱的接触端的直径更小。这样选择直径是为了使柱的末端被电流加热到与环形区段(54)至(57)的温度大致相同的温度。采用这种方法，没有任何热量(或者至少少得多的热量)通过柱散失。
图8示出了一个栅格，其包括五根平行的线型灯丝区段(62)至(66)以及仅有的两个柱(60)和(61)，这两个柱分别提供电流和返回电流。在本示例中，柱的直径从一个接触点到另一个接触点逐渐减小。
图9示出了基于单个直流电压发生器(70)的用于提供加热电流的简单供电电路。
图10示出了提供加热电流的特定的电路单元的示例。发生器(70)和发生器(71)是产生加热电压的主电压发生器；发生器(72)是具有较低的内阻的校准电压发生器，其用于平衡区段(54)和区段(56)的电子发射。因此整个电路补偿了四个区段的电子发射的不平衡。
图11示出了安装在绝缘环(100)上的完整的阴极装置。四个电流源柱(102)固定住环形灯丝(101)，而四个更细的柱(104)不与加热电流电路相连，而是支撑灯丝区段下方的四个推斥电极(103)。当推斥电极被安装在离子源中时，它们被提供有负电位；这些推斥电极有助于驱动由灯丝(101)发射的电子进入电离区。当在特定的烧蚀站中安装推斥电极时，推斥电极可以起到法拉第杯的作用，从而允许对所述四个灯丝区段各自的电子发射进行单独测量。
图12示出了螺旋灯丝(82)，其各个区段(半圈绕组)焊接至两个电流源柱(80)和(81)上。如之前在图8中示出的那样，电流源柱(80)和电流源柱(81)的直径在每个绕组接触点的位置也可以变得更小。
图13描绘了具有焊接至四个电流源柱(91)上的四个小凸起的实质上为圆环形状的灯丝(90)。这些凸起广泛吸收灯丝的任何热延长，因此，不论热应力大小，圆环都会大体上保持在原来的位置，从而使柱不受机械应力的影响，并在广泛的温度范围内提供更加稳定的电子发射的几何形状。
图14示出了通过预拉紧柱(101)和预拉紧弓(102)支撑和提供电流的灯丝(100)的一个部分。可采用弹性材料将灯丝柱和弓制造成带状或叶片状。
具体实施方式
本发明提供一种用于EI离子源的阴极系统，该系统包括被电流源柱(在电学上)分为多个区段的灯丝，每个电流源柱为灯丝的至少两个区段提供电流或返回电流。每个区段的两端连接至提供或返回电流以加热灯丝的电流源柱。通常，可以通过点焊或通过激光点焊来执行上述连接。如果在点焊前将灯丝部分地嵌入电流源柱顶部的凹槽中，则可实现良好的电接触。各区段可以连续布置或彼此平行地进行布置。连续布置的区段可以形成闭环(例如，圆环)。图5示出了由四个电流源柱分成四个区段的圆环形状的灯丝的实施例；在图6中描述了将圆环形状的灯丝(在电学上)分成六个区段的示例。图8示出了仅连接至两个电流输送柱的栅格状灯丝束，这些灯丝实质上为线型并且彼此平行地进行布置，而图12示出了分区段(半圈绕组)固定至两个电流源柱的螺旋灯丝。
可以由单个直流电压发生器(70)对所有灯丝区段共同进行加热，例如，如图9所示。
灯丝优选地由钨或镀钍钨制成，因为钍可减少电子逸出功，从而更容易发射电子。其他有利的材料是铼、具有钇涂层的铼或者特别是钇/铼合金。为了防止灯丝的热量通过柱散失，电流源柱可以在灯丝接触点附近具有减小的直径，从而使电流源柱被电流加热到与灯丝系统的温度本质上一致的温度。图7示出了在接触端具有减小的直径的柱；以如下方式选择各个柱的圆锥形状：使圆锥顶部的温度等于灯丝的温度，其中必须考虑各个柱携带的电流是流过各个灯丝区段的电流的两倍这一事实。要制造良好的触点，必须特别小心。灯丝可由多种不同的材料制成，例如，用于较粗的轴部的不锈钢，以及用于直径减小的部分的不镀钍的钨。电流源柱的逸出功最好高于灯丝的逸出功；它们不应当发射较高的电子流。
除了坚硬的电流源柱，还可以使用弹性柱来吸收灯丝热膨胀期间的机械力。具体地，可以用钢或高弹性金属制成的弹性带来制造弹性柱。在图14中示出了一个使用弹簧拉紧柱(101)来固定灯丝(部分100)的解决方案。这些柱(或至少这些柱的部分)可由在更高温度保持其弹性性能的材料(例如钼)制成。在接触端，这些柱可具有弓形或拱形(102)以提供弹簧效应，并且这些柱优选地还具有更薄、更窄(热)的靠近灯丝接触点的末端，以使灯丝的热量损失最小化。
在图11中以示例方式示出了安装在绝缘环(100)上的完整的阴极装置，其中未示出电气连接。四个尖锥形电流源柱(102)支撑环形灯丝(101)，而四个柱(104)支撑灯丝各区段下方的四个推斥电极(103)。可以将在此处示为扁平拱形电极的推斥电极(103)弯曲成平行于一侧的灯丝区段并与之相对的半管状。当推斥电极被安装到离子源中时，它们被提供有负电位；这些推斥电极有助于驱动由灯丝发射的电子进入电离区(在图11中向上的方向)。
使用多于两个的电流源柱时，很难以灯丝的各个区段具有完全相同的电阻的方式连接柱和灯丝。因此，各区段会表现出略有不同的温度，从而导致不同的电子发射特性。为了使灯丝的各个区段的电子发射相同，可以使用特定的电流源电路。图10示出了包括三个直流电压发生器的电源单元，以在一定程度上平衡不同的电子发射并实现更加均一的性能。
为了使所有区段的电子发射相同，当如同图9中示出的那样仅对灯丝使用单个电压发生器时，可以通过例如烧蚀对灯丝的各个区段进行处理，以使其具有相同的电阻。可以通过例如向发热的灯丝吹一些卤素蒸汽的方法主动烧蚀部分灯丝区段的材料，以使所有区段具有相同的电阻。例如，如果用小喷嘴向具有更高的温度的区段吹碘蒸气，则钨与碘发生反应且碘化钨汽化。该区段的电阻将增加，而电流和电子发射将减少。可以在特定的能够测量各区段各自的电子发射的烧蚀站执行烧蚀。另一方面，可在类似的烧蚀站中通过激光烧蚀的方式主动执行烧蚀。在图11中示出了一个由四个柱(102)安装到绝缘环(100)上的完整的灯丝装置(101)。此外，存在由分开的柱(104)安装的四个推斥电极(103)。当在特定的烧蚀站中安装推斥电极时，可使用推斥电极来测量四个区段各自的电子发射并控制烧蚀过程。
本发明的基本原理提供了一种用于在电子轰击离子源中提供电子的阴极系统，其包括灯丝和连接至灯丝的电流源柱，各电流源柱将灯丝(在电学上)分成各个区段，每个电流源柱为灯丝的至少两个区段提供或返回电流。灯丝可以具有闭合的圆环形状或者螺旋线圈形状；可以将电流源柱点焊至灯丝。
为了避免灯丝的热量通过电流源柱散失，柱可以在与灯丝接触的位置附近具有减小的直径和/或增大的电阻，从而使这些柱被电流加热到与灯丝温度大致相等的温度。可以对灯丝区段进行烧蚀以使其呈现出相同的电子发射特性；另一方面，可使用特定的电路以使所有区段具有相同的电子发射特性。灯丝可由钨(特别是镀钍钨)制成。其他有利的材料是铼、具有钇涂层的铼或者特别是钇/铼合金。电流源柱可至少部分地由钨或铼制成。
已经参照多个实施例描述了本发明。然而，应当理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，可以改变本发明的许多不同的方面或细节，或者任意组合不同实施例的许多不同的方面或细节，只要这些改变或组合是可行的。此外，以上描述仅以说明为目的，而非为了限制本发明，本发明的范围仅由所附权利要求书进行定义。

Claims (17)

1.一种电子电离源，其包括提供电子的阴极系统，进一步包括灯丝和连接至所述灯丝的多个电流源柱，所述多个电流源柱将所述灯丝分成多个区段，每个电流源柱为所述灯丝的至少两个区段提供或返回电流。
2.根据权利要求1所述的电子电离源，其中所述灯丝的各个区段连续布置。
3.根据权利要求2所述的电子电离源，其中所述灯丝的各个区段被布置为圆环形状或螺旋线圈形状。
4.根据权利要求1所述的电子电离源，其中所述灯丝的各个区段实质上平行地布置在两个电流源柱之间。
5.根据权利要求1所述的电子电离源，其中所述电流源柱点焊至所述灯丝。
6.根据权利要求1所述的电子电离源，其中所述电流源柱在接触所述灯丝的位置附近具有减小的直径和增加的电阻中的至少一个。
7.根据权利要求6所述的电子电离源，其中所述电流源柱的具有减小的直径的部分由钨或铼制成。
8.根据权利要求1所述的电子电离源，其中所述电流源柱或所述柱的部分由诸如钼的弹性材料制成。
9.根据权利要求1所述的电子电离源，其中对部分区段的材料进行烧蚀，以使所有区段的电子发射相同。
10.根据权利要求1所述的电子电离源，还包括用于提供加热电流的可调电压发生器。
11.根据权利要求1所述的电子电离源，还包括用于提供加热电流的多个可调电压发生器，以使所有区段的电子发射大致相同。
12.根据权利要求1所述的电子电离源，其中所述灯丝由钨制成。
13.根据权利要求12所述的电子电离源，其中所述灯丝由镀钍钨制成。
14.根据权利要求1所述的电子电离源，其中所述灯丝由铼、具有钇涂层的铼或钇/铼合金制成。
15.根据权利要求1所述的电子电离源，其中所述灯丝本质上具有多个固定至电流源柱的凸起。
16.一种电子电离源，其包括用于提供电子的阴极系统，进一步包括多根实质上平行地串行连接至多个电流源柱的灯丝，其中每个电流源柱为多根灯丝中的至少一根提供或返回电流。
17.根据权利要求16所述的电子电离源，其中电流源柱在接触灯丝的每个接触点处的直径变小。
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