CN105632873A - 一种用于质谱的离子光路静电汇聚偏折装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及质谱分析仪器，具体的说是一种用于质谱中离子束汇聚整形并能控制其路径的静电汇聚偏折装置。本装置包括两组偏转汇聚透镜组和一组扇形圆柱偏转透镜组。偏转汇聚透镜组由两个中空的圆筒状端电极和一个偏转汇聚电极组成；扇形圆柱偏转透镜组由外扇形偏转电极和内扇形偏转电极组成；两组偏转汇聚透镜组置于扇形圆柱偏转透镜组两侧，并成一定角度。装置可单独使用，亦可组合使用。本装置整个系统通过两小(偏转汇聚透镜组控制小角度偏转)一大(扇形圆柱偏转透镜组控制大角度偏转)的合理搭配，可以灵活控制离子束的任意维度和角度的传输路径。适用于各类质谱的离子引入与引出，特别在多次反射质谱中，具有很重要的应用。

Description

一种用于质谱的离子光路静电汇聚偏折装置

技术领域

本发明涉及质谱分析仪器，具体的说是一种用于质谱中离子束汇聚整形并能控制其路径的静电汇聚偏折装置。

背景技术

质谱是一种常用的分析仪器，一般要求质量分析器工作在高真空下，而质谱的电离源一般工作气压高于质量分析器，所以一般电离源置于质量分析器之外，从而也产生了多种多样的离子引入方式。传统的旋转对称单透镜离子光学系统，能够将发散的离子束进行准直、汇聚引入质谱，但是由于其离子传输路径过于单一，不能满足一些需要偏折离子路径的特殊需求。

多次反射质谱是一种通过增加飞行时间提高分辨的高分辨质谱。在多次反射质谱中，离子的飞行距离一般都在几十米到几百米。在如此长的飞行距离下，电极微小的边缘电场效应最终都会累加成巨大的像差，是影响多次反射质谱分辨率的关键因素之一。如何将离子束通过合适的引入和引出方式避开电极的边缘场效应区域，对多次反射质谱的高分辨性能具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于质谱的离子光路静电汇聚偏折装置，可以精确控制离子束进行任意角度的偏折引入和引出，并且具有很好的汇聚效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于质谱的离子光路静电汇聚偏折装置，包括两组偏转汇聚透镜组和位于它们之间的一组扇形圆柱偏转透镜组；

偏转汇聚透镜组由两个中空的圆筒状端电极和偏转汇聚电极组成；两个端电极和偏转汇聚电极同轴设置，偏转汇聚电极处于两个端电极之间，偏转汇聚电极是由一个中空的圆筒被一平板沿轴线切割成两个径向截面为弧形的对称体；

扇形圆柱偏转透镜组是由一个横截面为扇形的柱体，即扇形的柱体是由扇形平面沿垂直于扇形平面的纵向方向拉伸而成，扇形的柱体被一个中空的圆筒沿纵向切割成两部分(沿纵向方向观察，保证切割圆筒的中心与扇形圆弧的圆心重合)，一部分横截面为弧形的称之为外扇形偏转电极，另一部分横截面为扇形的称之为内扇形偏转电极；

沿纵向方向观察，以半径为R₀且与内扇形偏转电极和外扇形偏转电极同心的圆弧称之为中心弧线，中心弧线位于内扇形偏转电极和外扇形偏转电极之间，R₀为外扇形偏转电极靠近圆心的内圆弧半径和内扇形偏转电极半径之和的一半；

两个偏转汇聚透镜组的轴线分别与扇形圆柱偏转透镜组的中心弧线相切。

两个端电极和偏转汇聚电极之间间隔相等并且相互之间绝缘。

汇聚偏转透镜组中偏转汇聚电极为两片全等的扇形圆环电极组成；两片扇形圆环电极轴对称并相对放置，组成内径与端电极内径相同的带有两个对称缺口的圆环；两片扇形圆环电极之间相互绝缘设置。

汇聚偏转透镜组中两个端电极轴向长度为5～100mm，内孔直径为1～50mm；偏转汇聚电极轴向长度为5～100mm，内孔直径为1～50mm，两片扇形圆环电极之间的间距为0.1mm～5mm；两个端电极和偏转汇聚电极之间的间距为0.1mm～10mm。

扇形圆柱偏转透镜组中外扇形偏转电极和内扇形偏转电极具有相同的弧度角并同心放置同时确保两者所形成的弧度角重合；外扇形偏转电极靠近圆心的内圆半径为1～200mm，内扇形偏转电极半径为1～200mm且小于外扇形偏转电极靠近圆心的内半圆半径；扇形圆柱偏转透镜组具有matsuda板结构。

汇聚偏转透镜组中偏转汇聚电极的两片扇形圆环电极分别施加电压(V₀+V_p/2)和(V₀-V_p/2)，V₀为两片扇形圆环电极的平均电压，其中平均电压V₀与端电极上所施加电压的幅值或极性不同，实现离子束的准直、汇聚，V_p为两片扇形圆环电极的电位差，用于控制离子束的偏转。

离子束可以平行于端电极轴线准直入射进入一个汇聚偏转透镜组，汇聚或偏转汇聚出射；或与端电极轴线呈锐角入射(角度范围由端电极尺寸规格决定)进入一个汇聚偏转透镜组，汇聚或偏转汇聚出射。

通过以汇聚偏转透镜组的轴线为旋转中心线旋转偏转汇聚电极，不但可以实现同一二维平面内离子束的偏折，同时还可以实现三维度空间的离子束的偏折。

其离子束路线为依次经过一个汇聚偏转透镜组、扇形圆柱偏转透镜组和另一个汇聚偏转透镜组；

该静电偏转装置工作在气压低于10^-1Pa的高真空环境中；

两个以上相同尺寸规格或者不同尺寸规格任一所述偏转装置可以依次串联组合使用。

任一所述偏转装置或者两个以上串联组合的偏转装置适用于多次反射质谱、飞行时间质谱、四极杆质谱或离子阱质谱的离子引入、传输和整形；还适用于多级质谱联用前级离子引出或引入。

本发明提供的离子光路静电汇聚偏折装置，利用两组具有偏折汇聚功能的单透镜组和扇形圆柱偏转透镜组构成组合离子传输系统，在高真空条件下，通过静电场对离子的形态及偏折路径进行精确控制。其中一个偏转汇聚单透镜组负责可接受角度范围内的离子束引入，并在该透镜组进行精确偏转、汇聚、准直后入射到圆柱偏转透镜组，圆柱偏转透镜组负责实现任意大角度偏转，并出射进入另外一个偏转汇聚单透镜组进行二次整形，并且可以进行最终出射角度的精确控制。

附图说明

图1为本发明的一种用于质谱的离子光路静电汇聚偏折装置结构示意图。

图2为本发明的其中一种具有90°汇聚偏折装置的SIMION软件模拟图。

图3为本发明的其中一种组合式90°汇聚偏折装置的SIMION软件模拟图。

图4为本发明的其中一种90°汇聚偏折装置应用于多次反射质谱的SIMION软件模拟图。

图5为本发明的其中一种不同维度的组合式90°汇聚偏折装置应用于多次反射质谱的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，为本发明的结构示意图。

本发明的离子光路静电汇聚偏折装置，包括两组偏转汇聚透镜组1和位于它们之间的一组扇形圆柱偏转透镜组2；

偏转汇聚透镜组1由两个中空的圆筒状端电极6和偏转汇聚电极7组成；两个端电极6和偏转汇聚电极7同轴设置，偏转汇聚电极7处于两个端电极6之间，偏转汇聚电极7是由一个中空的圆筒被一平板沿轴线切割成两个径向截面为弧形的对称体；

扇形圆柱偏转透镜组2是由一个横截面为扇形的柱体，即扇形的柱体是由扇形平面沿垂直于扇形平面的纵向方向拉伸而成，扇形的柱体被一个中空的圆筒沿纵向切割成两部分(沿纵向方向观察，保证切割圆筒的中心与扇形圆弧的圆心重合)，一部分横截面为弧形的称之为外扇形偏转电极9，另一部分横截面为扇形的称之为内扇形偏转电极10；

沿纵向方向观察，以半径为R₀且与内扇形偏转电极10和外扇形偏转电极9同心的圆弧称之为中心弧线3，中心弧线3位于内扇形偏转电极(10)和外扇形偏转电极9之间，R₀为外扇形偏转电极9靠近圆心的内圆弧半径和内扇形偏转电极10半径之和的一半；

两个偏转汇聚透镜组1的轴线分别与扇形圆柱偏转透镜组2的中心弧线3相切。

两个端电极6和偏转汇聚电极7之间间隔相等并且相互之间绝缘。

汇聚偏转透镜组1中偏转汇聚电极7为两片全等的扇形圆环电极8组成；两片扇形圆环电极8轴对称并相对放置，组成内径与端电极6内径相同的带有两个对称缺口的圆环；两片扇形圆环电极8之间相互绝缘设置。

汇聚偏转透镜组1中两个端电极6轴向长度为5～100mm，内孔直径为1～50mm；偏转汇聚电极7轴向长度为5～100mm，内孔直径为1～50mm，两片扇形圆环电极8之间的间距为0.1mm～5mm；两个端电极6和偏转汇聚电极7之间的间距为0.1mm～10mm。

扇形圆柱偏转透镜组2中外扇形偏转电极9和内扇形偏转电极10具有相同的弧度角并同心放置同时确保两者所形成的弧度角重合；外扇形偏转电极9靠近圆心的内圆半径为1～200mm，内扇形偏转电极10半径为1～200mm且小于外扇形偏转电极9靠近圆心的内半圆半径；扇形圆柱偏转透镜组2具有matsuda板结构。

汇聚偏转透镜组1中偏转汇聚电极7的两片扇形圆环电极8分别施加电压(V₀+V_p/2)和(V₀-V_p/2)，V₀为两片扇形圆环电极8的平均电压，其中平均电压V₀与端电极6上所施加电压的幅值或极性不同，实现离子束的准直、汇聚，V_p为两片扇形圆环电极8的电位差，用于控制离子束的偏转。

离子束可以平行于端电极6轴线准直入射进入一个汇聚偏转透镜组1，汇聚或偏转汇聚出射；或与端电极6轴线呈锐角入射(角度范围由端电极6尺寸规格决定)进入一个汇聚偏转透镜组1，汇聚或偏转汇聚出射。

通过以汇聚偏转透镜组1的轴线为旋转中心线旋转偏转汇聚电极(7)，不但可以实现同一二维平面内离子束的偏折，同时还可以实现三维度空间的离子束的偏折。

其离子束路线为依次经过一个汇聚偏转透镜组1、扇形圆柱偏转透镜组2和另一个汇聚偏转透镜组3；

该静电偏转装置工作在气压低于10^-1Pa的高真空环境中；

两个以上相同尺寸规格或者不同尺寸规格的任一所述偏转装置可以依次串联组合使用。

任一所述偏转装置或者两个以上串联组合的偏转装置适用于多次反射质谱、飞行时间质谱、四极杆质谱或离子阱质谱的离子引入、传输和整形；还适用于多级质谱联用前级离子引出或引入。

参照图1，应用时，离子束由方向4入射，入射方向4可以是准直入射，也可以是偏角入射。偏角入射的条件下，在偏转汇聚电极7的两片扇形圆环电极15分别施加电压(V₀+V_p/2)和(V₀-V_p/2)，V₀为两块电极的平均电压，其中平均电压V₀与单透镜端电极6、8上所施加电压的幅值或极性不同，实现离子束的汇聚，V_p为两块电极的电位差，可以将偏角入射的离子束准直；准直入射的条件下，偏转汇聚电极7的两片扇形圆环电极可以实现微调，补偿装配造成的偏差；离子束准直、汇聚后沿路径14进入扇形圆柱偏转透镜组2，在外扇形偏转电极9和内扇形偏转电极10上施加幅值或极性不同的电压，实现离子束的大角度偏转；经过偏转后的离子束继续沿路径14进入偏转汇聚透镜组2，与偏转汇聚透镜组1类似，在在偏转汇聚电极12的两片扇形圆环电极15分别施加电压(U₀+U_p/2)和(U₀-U_p/2)，U₀实现离子束的汇聚，U_p实现离子束一定角度范围内的出射。整个系统通过两小(偏转汇聚透镜组1、3控制小角度偏转)一大(扇形圆柱偏转透镜组2控制大角度偏转)的合理搭配，可以灵活控制离子束的任意维度和角度的传输路径。

实施例均以90°扇形圆柱偏转透镜为例。

实施例1

参照图2，使用SIMION软件对离子在静电汇聚偏折装置中的飞行轨迹进行模拟。以飞行时间质谱加速区为离子源，初始离子定义为360°能量发散的点源，初始电极施加2200v电压，使离子获得2000ev左右的能量。从模拟结果可见，在优化好的电压参数下，原本发散的离子进入第一个偏转汇聚透镜区得到很好的汇聚并进入90°扇形圆柱偏转透镜区，实现90°偏转；最终经过第二个偏转汇聚透镜区被整形成平行束。从xy平面和xz平面图可以看出离子束具有很好的平行性，并且从不同时间的离子形态可以看出，经过这一系列偏转，整个系统不会产生额外的像差。

实施例2

参照图3，以组合式静电汇聚偏折装置为例，使用SIMION软件对离子在组合式静电汇聚偏折装置中的飞行轨迹进行模拟。初始离子定义为2000ev具有一定角度发散的点源。从模拟结果可见，在优化好的电压参数下，发散的离子束在组合式静电汇聚偏折装置中，经过汇聚、偏折、二次汇聚、二次偏转、三次汇聚后被整形成很好的平行束。证明了组合式静电汇聚偏折装置的可行性。

实施例3

参照图4，以多次反射质谱的实际应用为例，使用SIMION软件对90°静电汇聚偏折装置用于多次反射质谱中的飞行轨迹进行模拟。采用这种方案的优势是，能够很好的避开图4矩形框中的边缘场效应有效区域，去除边缘场效应带来的像差，提高多次反射质谱的分辨率。与实施例1一样，采用360°发散的点源，并被加速至2000ev左右；与实施例1一样，发散的离子束经过汇聚、偏转、二次汇聚引出。与实施例1不同的是，第二组偏转汇聚透镜组中的两片扇形圆环电极上施加一定压差的电压，使得离子束以一定角度出射，通过调节压差匹配多次反射质谱所需的入射调节。以上为离子的引入。外置的检测器不会影响多次反射质谱中的电场，因此在离子引出时，静电汇聚偏折装置的第一组偏转汇聚透镜组中两片扇形圆环电极上施加一定压差的电压。此时，偏折的离子束会在静电装置中经过反向偏折、汇聚、90°偏转、二次汇聚后引出，可以实现检测器置于外部时不损失离子的接受效率。

实施例4

参照图5，以多次反射质谱的实际应用为例，与实施例2采用的组合式静电装置一样。发散的离子束会经过汇聚、偏折、二次汇聚、二次偏转、三次汇聚后被整形成平行束。与实施例3一样，其用作多次反射引入方案也会避开边缘场效应有效区域。与实施例2不同的是，出射离子束在xy平面上实现偏转而并非在xz平面式实现偏转。而实现不同维度偏转，只需改变偏转汇聚电极沿轴线的旋转角度即可。

Claims (10)

1.一种用于质谱的离子光路静电汇聚偏折装置，其特征在于：

包括两组偏转汇聚透镜组(1)和位于它们之间的一组扇形圆柱偏转透镜组(2)；

偏转汇聚透镜组(1)由两个中空的圆筒状端电极(6)和偏转汇聚电极(7)组成；两个端电极(6)和偏转汇聚电极(7)同轴设置，偏转汇聚电极(7)处于两个端电极(6)之间，偏转汇聚电极(7)是由一个中空的圆筒被一平板沿轴线切割成两个径向截面为弧形的对称体；

扇形圆柱偏转透镜组(2)是由一个横截面为扇形的柱体，即扇形的柱体是由扇形平面沿垂直于扇形平面的纵向方向拉伸而成，扇形的柱体被一个中空的圆筒沿纵向切割成两部分(沿纵向方向观察，保证切割圆筒的中心与扇形圆弧的圆心重合)，一部分横截面为弧形的称之为外扇形偏转电极(9)，另一部分横截面为扇形的称之为内扇形偏转电极(10)；

沿纵向方向观察，以半径为R₀且与内扇形偏转电极(10)和外扇形偏转电极(9)同心的圆弧称之为中心弧线(3)，中心弧线(3)位于内扇形偏转电极(10)和外扇形偏转电极(9)之间，R₀为外扇形偏转电极(9)靠近圆心的内圆弧半径和内扇形偏转电极(10)半径之和的一半；

两个偏转汇聚透镜组(1)的轴线分别与扇形圆柱偏转透镜组(2)的中心弧线(3)相切。

2.根据权利要求1所述的偏转装置，其特征在于：

两个端电极(6)和偏转汇聚电极(7)之间间隔相等并且相互之间绝缘。

3.根据权利要求2所述的偏转装置，其特征在于：

汇聚偏转透镜组(1)中偏转汇聚电极(7)为两片全等的扇形圆环电极(8)组成；两片扇形圆环电极(8)轴对称并相对放置，组成内径与端电极(6)内径相同的带有两个对称缺口的圆环；两片扇形圆环电极(8)之间相互绝缘设置。

4.根据权利要求2或3所述的偏转装置，其特征在于：

汇聚偏转透镜组(1)中两个端电极(6)轴向长度为5～100mm，内孔直径为1～50mm；偏转汇聚电极(7)轴向长度为5～100mm，内孔直径为1～50mm，两片扇形圆环电极(8)之间的间距为0.1mm～5mm；两个端电极(6)和偏转汇聚电极(7)之间的间距为0.1mm～10mm。

5.根据权利要求1所述的偏转装置，其特征在于：

扇形圆柱偏转透镜组(2)中外扇形偏转电极(9)和内扇形偏转电极(10)具有相同的弧度角并同心放置同时确保两者所形成的弧度角重合；外扇形偏转电极(9)靠近圆心的内圆半径为1～200mm，内扇形偏转电极(10)半径为1～200mm且小于外扇形偏转电极(9)靠近圆心的内半圆半径；扇形圆柱偏转透镜组(2)具有matsuda板结构。

6.根据权利要求1所述的偏转装置，其特征在于：

汇聚偏转透镜组(1)中偏转汇聚电极(7)的两片扇形圆环电极(8)分别施加电压(V₀+V_p/2)和(V₀-V_p/2)，V₀为两片扇形圆环电极(8)的平均电压，其中平均电压V₀与端电极(6)上所施加电压的幅值或极性不同，实现离子束的准直、汇聚，V_p为两片扇形圆环电极(8)的电位差，用于控制离子束的偏转。

7.根据权利要求1所述的偏转装置，其特征在于：

离子束可以平行于端电极(6)轴线准直入射进入一个汇聚偏转透镜组(1)，汇聚或偏转汇聚出射；或与端电极(6)轴线呈锐角入射(角度范围由端电极(6)尺寸规格决定)进入一个汇聚偏转透镜组(1)，汇聚或偏转汇聚出射。

8.根据权利要求1所述的偏转装置，其特征在于：

通过以汇聚偏转透镜组(1)的轴线为旋转中心线旋转偏转汇聚电极(7)，不但可以实现同一二维平面内离子束的偏折，同时还可以实现三维度空间的离子束的偏折。

9.根据权利要求1所述的偏转装置，其特征在于：

其离子束路线为依次经过一个汇聚偏转透镜组(1)、扇形圆柱偏转透镜组(2)和另一个汇聚偏转透镜组(3)；

该静电偏转装置工作在气压低于10^-1Pa的高真空环境中；

两个以上相同尺寸规格或者不同尺寸规格的权利要求1-9任一所述偏转装置可以依次串联组合使用。

10.根据权利要求9所述的偏转装置，其特征在于：

权利要求1-9任一所述偏转装置或者两个以上串联组合的偏转装置适用于多次反射质谱、飞行时间质谱、四极杆质谱或离子阱质谱的离子引入、传输和整形；还适用于多级质谱联用前级离子引出或引入。