CN105304457A - 一种直线式飞行时间质谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直线式飞行时间质谱仪。在一个高真空腔室内，设置了气体进样装置、电子轰击离子源、纳秒脉冲离子开关、法拉第杯等设备。气体进样装置把环境气体引入离子源放电区，电子与气体分子相互作用产生电离，生成气体离子。在引出电压的作用下，离子束被引出。纳秒脉冲离子开关开通，离子通过时间为30ns，不同质荷比<i>m</i>/<i>q</i>的离子进入距离为<i>L</i>无场漂移区飞行一段时间后，到达法拉第杯检测器。不同质荷比<i>m</i>/<i>q</i>的离子到达法拉第杯检测器的飞行时间<i>t_f？</i>不同，因此，在示波器上显示出不同离子的飞行时间谱峰，？横坐标上时间代表离子质荷比<i>m</i>/<i>q</i>，谱峰的峰值则代表离子数。因此可以得到现场环境中气体离子种类和离子成分。

Description

一种直线式飞行时间质谱仪

技术领域

本发明属于质谱仪技术领域，具体涉及一种直线式飞行时间质谱仪，尤其是一种可采用电子轰击离子源、具有纳秒脉冲离子开关的直线式飞行时间质谱仪。

背景技术

飞行时间质谱仪在化学分析、材料检测、食品药品安全检测、环境保护领域中有着广泛和重要的应用。从离子引出方式可分反射式飞行时间质谱仪和直线式飞行时间质谱仪。

反射式飞行时间质谱仪从离子出口垂直方向引出离子，并经过反射器后使离子达到检测器。其优点是通过加速、减速和反射器的设计，使仪器分辨率较高，又由于反射器的设计，使离子飞行距离延长，因此缩短了谱仪的体积。

1998年，郁昆云等人在“质谱学报”第19卷第一期发表了题为“高分辨飞行时间质谱仪的原理及设计”，提出了反射式飞行时间质谱仪的设计原理，总结了其优点。2008年7月，高伟等人在“质谱学报”第29卷第四期发表题为“电子轰击源垂直加速飞行时间质谱仪的研制”，从采用电子轰击源的角度，叙述了反射式飞行时间质谱仪的原理及设计特点。

反射式飞行时间质谱的缺点是：一方面，由于体积所限，能量可调范围很小，对引出电压大于5kV的离子，无法进行检测；另一方面，为了提高质量分辨率，需要引出的离子数很少，在离子检测系统中必须采用微通道板，微通道板对不同质量的离子响应差别很大，所以测量精度不能保证。

直线式飞行时间质谱仪从离子出口水平方向引出离子，离子以直线方式飞行到达检测器。直线式飞行时间质谱仪优点是结构简单、离子引出能量不受限制。但是随着离子能量的增加，飞行距离增加，因此，谱仪的体积就增加，这是其主要缺点。另外，谱仪对离子质量分辨率R与取样质谱峰半宽度有以下关系：

（1）

式中，R为谱仪质量分辨率；m为离子质量；Δm为相邻离子质量之差；t为离子质量飞行时间；Δt为相邻离子飞行时间之差，与质谱峰半宽度密切相关。

根据公式（1），谱仪质量分辨率R与Δt成反比，即与离子进入无场飞行区前的开门时间成反比。如果直线式飞行时间质谱仪取样时间宽度较宽，则其质量分辨率降低。

为此，美国LBNL的科学家发展了离子门方法，以便提高谱仪的质量分辨率：在离子进入无场飞行区前设置一个开关脉冲，有脉冲时，离子通过，无脉冲时，离子不通过。2005年，美国的A.Anders在“JOURNALOFPHYSICSD:APPLIEDPHYSICS”杂志第38卷第7期发表了题为“Ionchargestatefluctuationsinvacuumarcs”的文章，系统介绍了一种直线式飞行时间质谱仪，采用真空弧离子源。在谱仪中设计了离子门，离子门半宽度在100ns左右。离子门方法，提高了直线式飞行时间质谱仪的质量分辨率，同时也使离子源在放电过程中，不同时间离子的分布差异的检测成为现实。2006年，俄罗斯V.I.Gushenets等人在“REVIEWOFSCIENTIFICINSTRUMENTS”杂志的第77卷,第6期发表了题为“Simpleandinexpensivetime-of-flightcharge-to-massanalyzerforionbeamsourcecharacterization”文章中，介绍了一种直线式飞行时间质谱仪，采用真空弧离子源，其离子门为一组圆形栅板，栅板的内电极接地，外电极加半宽度为100ns、脉冲幅度达5kV的脉冲，加脉冲时离子通过,经无场飞行1m距离达到离子检测器，无脉冲时离子不能通过。俄罗斯V.I.Gushenets等人研制圆形栅板直径大于28cm,所以谱仪的体积很大。A.Anders等人和V.I.Gushenets等人的设计共同缺点是，加到离子门的脉冲幅度只有5kV，离子引出电压限制在30kV以内；加到离子门半宽度为100ns，其质量分辨率低于15。

发明内容

本发明提供了一种直线式飞行时间质谱仪，它采用电子轰击离子源，采用纳秒脉冲离子开关，离子开关所加脉冲幅度达到20kV,脉冲半宽度为30ns,离子引出电压可以达到80kV以上，谱仪的分辨率为1000。克服了其它飞行时间谱仪的局限性。

本发明一种直线式飞行时间质谱仪，其特点是，所述的该直线式飞行时间质谱仪包括离子源电源组，气样口，电子轰击离子源，前法兰，不锈钢真空腔室，引出电源，聚焦电源，离子出口狭缝，三膜片单透镜，第一栅网，纳秒脉冲离子开关，第二栅网，高真空规管，法拉第杯抑制电极，法拉第杯内筒，法拉第杯外筒，后法兰，抑制电源，第一分子泵，干泵，高压纳秒脉冲电源，第一真空阀，低真空规管，第二真空阀，闸板阀，第二分子泵。一种直线式飞行时间质谱仪的连接关系为：离子源电源组与电子轰击离子源连接；气样进入装置通过前法兰与不锈钢真空腔室连接；离子出口狭缝与不锈钢真空腔室连接；引出电源与电子轰击离子源的引出电极连接；聚焦电源与电子轰击离子源的聚焦电极连接；三膜片单透镜通过螺钉与不锈钢真空腔室连接；不锈钢真空腔室外壳与地连接；第一栅网、第二栅网设置在不锈钢真空腔室内，通过螺钉与不锈钢真空腔室连接并导通；第一栅网和第二栅网设置不锈钢真空腔室内，两者都与地连接；高真空规管与不锈钢真空腔室连接；纳秒脉冲离子开关设置在不锈钢真空腔室内，纳秒脉冲离子开关由两组互相绝缘的钼板组成，一组钼板与地连接，另一组钼板与高压纳秒脉冲电源连接；法拉第杯离子检测器由法拉第杯抑制电极、法拉第杯内筒、法拉第杯外筒和抑制电源组成；法拉第杯抑制电极制成网状，固定在不锈钢真空腔室内，与抑制电源连接；法拉第杯外筒通过螺钉固定在不锈钢真空腔内，与地连接；法拉第杯内筒由绝缘材料固定在法拉第杯外筒内壁，法拉第杯内筒接收离子束，并通过测量电极与示波器等测量设备连接。第一分子泵和第二分子泵分别通过一个真空角阀与不锈钢真空腔连接；后法兰与不锈钢真空腔连接；干泵通过不锈钢管道、第一真空阀与第一分子泵和第二分子泵连接；干泵通过不锈钢管道、第二真空阀与不锈钢真空腔室连接；干泵通过不锈钢管道与低真空规管连接；闸板阀通过连接法兰与不锈钢真空腔连接。

本发明的直线式飞行时间质谱仪，具体涉及一种采用电子轰击离子源、具有纳秒脉冲离子开关的直线式飞行时间质谱仪。其技术方案是：直线式飞行时间质谱仪设置了气体进样装置、电子轰击离子源、纳秒脉冲离子开关、法拉第杯等设备。气体进样装置把环境气体引入离子源放电区，电子与气体分子相互作用产生电离，生成气体离子。在引出电压的作用下，离子束被引出。纳秒脉冲离子开关开通，离子通过时间为30ns，不同质荷比m/q的离子进入距离为L无场漂移区飞行一段时间后，到达法拉第杯检测器。

不同离子的飞行时间与其质荷比之间的关系由公式（2）表示：

（2）

式中，t为飞行时间，U为离子的引出电压。

根据公式（1），不同质荷比m/q的离子到达法拉第杯检测器的飞行时间t _f 不同，因此，在示波器上显示出不同离子的飞行时间谱峰，横坐标上时间代表离子质荷比m/q，谱峰的峰值则代表离子数。因此可以得到现场环境中离子种类和离子成分。

纳秒脉冲离子开关设置在不锈钢真空腔室内，纳秒脉冲离子开关由两组互相绝缘的钼板组成，一组钼板与地连接，另一组钼板与高压纳秒脉冲电源连接；纳秒脉冲电源输出脉冲半宽度为30ns，脉冲高压幅度大于20kV以上。

本发明的优点是：

本发明设计并应用纳秒脉冲离子开关，开关速度达到30ns，可使飞行时间谱仪质量分辨率达到1000。

本发明设计并采用由法拉第杯抑制电极、法拉第杯内筒和法拉第杯外筒组成的法拉第杯离子检测器，全部收集通过纳秒脉冲离子开关的各种离子，与微通道板离子检测器相比，大大提高了离子检测精度。

本发明采用离子出口狭缝限束、三膜片单透镜聚焦、第一栅网和第二栅网均匀场强、全部收集通过纳秒脉冲离子开关的各种离子，不经过离子倍增就能够由示波器测量，提高了信噪比。

本发明使用电子轰击离子源；既可检测气体材料电极放电后的离子种类和离子成份，也可检测固体材料电极放电后的离子种类和离子成份；既可应用于脉冲离子束检测，又可应用于连续离子束检测，因此具有普遍性；

本发明使用的设备材料简便，容易制备和购置。

附图说明

图1为发明的直线式飞行时间谱仪结构示意图；

图中，1.直线式飞行时间谱仪包括离子源电源组2.气样口3.电子轰击离子源4.前法兰5.不锈钢真空腔室6.引出电源7.聚焦电源8.离子出口狭缝9.三膜片单透镜10.第一栅网11.纳秒脉冲离子开关12.第二栅网13.高真空规管14.法拉第杯抑制电极15.法拉第杯内筒16.法拉第杯外筒17.后法兰18.抑制电源19.第一分子泵20.干泵21.高压纳秒脉冲电源22.第一真空阀23.低真空规管24.第二真空阀25.闸板阀26.第二分子泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

离子源电源组1与电子轰击离子源3连接；气样口2通过前法兰4与不锈钢真空腔室5连接；引出电源6与电子轰击离子源3的引出电极连接；聚焦电源7与电子轰击离子源3的聚焦电极连接；离子出口狭缝8与不锈钢真空腔室5连接；三膜片单透镜9通过螺钉与不锈钢真空腔室5连接；不锈钢真空腔室5外壳与地连接；第一栅网10、第二栅网12设置在不锈钢真空腔室5内，通过螺钉与不锈钢真空腔室5连接并导通；第一栅网10和第二栅网12设置不锈钢真空腔室5内，两者都与地连接；高真空规管13与不锈钢真空腔室5连接；纳秒脉冲离子开关11设置在不锈钢真空腔室5内，纳秒脉冲离子开关11由两组互相绝缘的钼板组成，一组钼板与地连接，另一组钼板与高压纳秒脉冲电源23连接；法拉第杯离子检测器由法拉第杯抑制电极14、法拉第杯内筒15、法拉第杯外筒16和抑制电源18组成；法拉第杯抑制电极14制成网状，固定在不锈钢真空腔室5内，与抑制电源18连接；法拉第杯外筒16通过螺钉固定在不锈钢真空腔5内，与地连接；法拉第杯内筒15由绝缘材料固定在法拉第杯外筒16内壁，法拉第杯内筒15接收离子束，并通过测量电极与示波器等测量设备连接。第一分子泵19和第二分子泵26分别通过一个真空角阀与不锈钢真空腔5连接；后法兰17与不锈钢真空腔5连接；干泵20通过不锈钢管道、第一真空阀22与第一分子泵19和第二分子泵26连接；干泵20通过不锈钢管道、第二真空阀24与不锈钢真空腔5室连接；干泵20通过不锈钢管道与低真空规管23连接；闸板阀25通过连接法兰与不锈钢真空腔5连接。

开通闸板阀25；开通第一真空阀22和第二真空阀24；关闭两个角阀；启动干泵20；对整个直线式飞行时间质谱仪进行低真空抽气；

当不锈钢真空腔室5中的真空度低于0Pa时，开通两个角阀；启动第一分子泵19和第二分子泵26；当不锈钢真空腔室5中的真空度达到5×10⁶Pa时，启动离子源电源组1，气体通过气样口2进入离子源，气体分子与电子相互作用，产生电离，生成气体分子离子。调节引出电源6的引出脉冲幅度为5kV,脉冲半宽度为5μs，脉冲周期为100μs，调节聚焦电源7，离子束通过出口狭缝8，经三膜片单透镜9聚焦，离子到达纳秒脉冲离子开关11，当高压纳秒脉冲电源23有正脉冲输出时，离子束通过无场飞行区到达法拉第杯检测器，在法拉第杯内筒15上测得飞行时间谱图。此时谱仪可检测的质量上限为400u。

实施例2

本实施例与实施例1的结构相同，实施过程与实施例1也相同。不同之处是：调节引出电源6的引出脉冲幅度为5kV,脉冲半宽度为2μs，脉冲周期为50μs。此时谱仪可检测的质量上限为800u。

Claims (1)

1.一种直线式飞行时间质谱仪，其特征在于，所述直线式飞行时间质谱仪包括离子源电源组（1），气样进入装置（2），电子轰击离子源（3），前法兰（4），不锈钢真空腔室（5），引出电源（6），聚焦电源（7），离子出口狭缝（8），三膜片单透镜（9），第一栅网（10），纳秒脉冲离子开关（11），第二栅网（12），高真空规管（13），法拉第杯抑制电极（14），法拉第杯内筒（15），法拉第杯外筒（16），后法兰（17），抑制电源（18），第一分子泵（19），干泵（20），高压纳秒脉冲电源（21），第一真空阀（22），低真空规管（23），第二真空阀（24），闸板阀（25），第二分子泵（26）；

其连接关系是：离子源电源组（1）与电子轰击离子源（3）连接；气样进入装置（2）通过前法兰（4）与不锈钢真空腔室（5）连接；引出电源（6）与电子轰击离子源（3）的引出电极连接；聚焦电源（7）与电子轰击离子源（3）的聚焦电极连接；离子出口狭缝（8）与不锈钢真空腔室（5）连接；三膜片单透镜（9）通过螺钉与不锈钢真空腔室（5）连接；不锈钢真空腔室（5）外壳与地连接；第一栅网（10）、第二栅网（12）设置在不锈钢真空腔室（5）内，通过螺钉与不锈钢真空腔室（5）连接并导通；第一栅网（10）和第二栅网（12）设置不锈钢真空腔室（5）内，两者都与地连接；高真空规管（13）与不锈钢真空腔室（5）连接；纳秒脉冲离子开关（11）设置在不锈钢真空腔室（5）内，纳秒脉冲离子开关（11）由两组互相绝缘的钼板组成，一组钼板与地连接，另一组钼板与高压纳秒脉冲电源（23）连接；法拉第杯离子检测器由法拉第杯抑制电极（14）、法拉第杯内筒（15）、法拉第杯外筒（16）和抑制电源（18）组成；法拉第杯抑制电极（16）制成网状，固定在不锈钢真空腔室（5）内，与抑制电源（18）连接；法拉第杯外筒（16）通过螺钉固定在不锈钢真空腔（5）内，与地连接；法拉第杯内筒（15）由绝缘材料固定在法拉第杯外筒（16）内壁，法拉第杯内筒（15）接收离子束，并通过测量电极与示波器等测量设备连接；

第一分子泵（19）和第二分子泵（26）分别通过一个真空角阀与不锈钢真空腔（5）连接；后法兰（17）与不锈钢真空腔（5）连接；干泵（20）通过不锈钢管道、第一真空阀（22）与第一分子泵（19）和第二分子泵（26）连接；干泵（20）通过不锈钢管道、第二真空阀（24）与不锈钢真空腔（5）室连接；干泵（20）通过不锈钢管道与低真空规管（23）连接；闸板阀（25）通过连接法兰与不锈钢真空腔（5）连接。