CN105869982B

CN105869982B - 用于质谱分析的方法、装置及系统

Info

Publication number: CN105869982B
Application number: CN201610481866.8A
Authority: CN
Inventors: 伊恩·W·亨特; 布莱恩·D·埃蒙; 哈罗德·F·埃蒙
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2018-06-01
Anticipated expiration: 2032-02-14
Also published as: WO2012112537A3; US20140326866A1; WO2012112537A2; US10658169B2; JP6141772B2; EP2676286A4; EP2676286B1; US9735000B2; US8754371B2; US11120983B2; US10236172B2; EP2676286A2; US20170316928A1; US20160172180A1; US20190214243A1; SG192703A1; CN103608894A; JP2014506718A; US20200388479A1; US20120205534A1

Abstract

本发明公开一种用于质谱分析的方法、装置及系统。一种小型的低成本质谱仪，能够单元分辨10至50AMU的质量范围。该质谱仪包含相比于类似仪器增强设计性能的几项特征。高效的离子源实现相对较低的功耗而不牺牲测量分辨率。可变几何形状机械过滤器允许可变的分辨率。板载离子泵消除对外部泵浦源的需要。磁体和磁轭产生具有不同通量密度的磁场区域，以运行离子泵和扇形磁性质量分析器。真空室内的板载数字控制器和功率转换电路对质谱仪操作允许较大程度灵活性，消除对高压电馈通的需要。该小型的质谱仪感应进入气体的一百分比中的一小部分并向计算机返回质谱数据。

Description

用于质谱分析的方法、装置及系统

本申请是于2012年2月14日提交的申请号为201280018473.3(PCT/US2012/025032)的标题为“用于质谱分析的方法、装置及系统”的专利申请的分案申请。

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2011年2月14日提交的标题为“质谱仪(Mass Spectrometer)”的美国临时专利申请No.61/442,385的权益，该申请通过引用特此并入本文。

本申请还要求2011年12月1日提交的标题为“一种包含自对准离子光学器件的结构坚固的小型质谱仪(A Structurally Robust,Miniature Mass Spectrometerincorporating Self-Aligning Ion Optics)”的美国临时专利申请NO.61/565,763的权益，该申请通过引用特此并入本文。

背景技术

质谱分析是领先的化学分析工具之一。通常与别的仪器(例如，气相色谱分析)结合作为检测器使用的质谱仪也许能够通过按原子质量分离化学物种，确定在气态样品中存在的化学物种的相对丰度(relative abundance)。

质谱分析广泛用于众多学科。质谱仪已被送往无人航天器；两个海盗号着陆器(Viking landers)都携带气相色谱质谱联用仪(GCMS)包，并且掉入土卫六大气层的卡西尼惠更斯号(Cassini-Huygens)探测器也携带GCMS。质谱仪大量用于生物科学；它们是确定蛋白质结构和序列的常用方法之一。

在药代动力学的医疗领域，质谱仪已用于跟踪通过人体的极少量药物。

质谱仪已经被设计用于化学和生物防御；第二组化学生物质谱仪(CBMS)被设计为便携式车载仪器，其能够检测该领域中的化学和生物威胁(例如，神经毒剂、细菌)。最近，已将质谱仪装载在无人潜水器上，以辅助跟踪2010年4月20日在墨西哥湾由马康多(Macondo)油井故障所释放的碳氢化合物。

许多其它领域也已使用质谱仪。早在1976年，就将质谱仪用于不断地分析在重症监护下戴呼吸机的患者所呼吸的气体，以防潜在危险的并发症。

发明内容

申请人已认识到，传统的质谱仪是一种极多用途的仪器，但是其不是没有一些缺陷。传统的质谱仪通常是大、复杂且昂贵的仪器，其可能消耗相当大量的电功率。

鉴于上文，本文公开的本发明实施例部分涉及改进的质谱仪，在各方面中，该改进的质谱仪可以足够小至被手持，能够在远程使用中以最小功率运行有用的一段时间，并且建造和组装起来足够廉价，使得其能够广泛地部署。说明性的仪器可以大量地被部署来覆盖用于空气质量监测或水质量监测的广大区域，被安装在工业排气烟囱中来用于燃烧过程反馈控制，或附接至医院的呼吸机，或被用作急诊室中的首要响应工具。

本发明的实施例包括质谱仪以及对应的质谱分析方法。一个说明的质谱仪包括真空外壳，所述真空外壳限定支持约10^-5mm Hg或更小的真空的真空室以及布置在所述真空室中的电极和转换电路。具有约36V或36V以下的介电强度的馈通提供所述转换电路和所述真空室的外部的功率源之间的电连接。在一些示例中，所述馈通可以提供所述真空室的内部和所述真空室的外部之间的唯一电连接。所述转换电路经由所述馈通接收来自所述功率源的输入电压(例如，处于大约1V至大约36V的第一值)，并且将所述输入电压转换为电极电位(例如，处于大约100V至大约5kV的第二值)，并且将所述电极充电至所述电极电位。一旦所述电极被充电至所述电极电位，所述电极就控制穿过所述真空室传播的带电微粒的加速。

在一个示例中，所述带电微粒是电子。在这种示例中，所述质谱仪可以进一步包括：电子源，所述电子源布置在所述真空室中，以提供所述电子；阴极，用于排斥所述电子；以及阳极，布置在所述控制电极的与所述电子源相对的一侧，以朝向要分析的微粒加速所述电子。所述转换电路可以被配置为提供：用于所述阳极的大约100V至大约5kV的阳极电位；用于所述阴极的在所述阳极电位以下大约70V的阴极电位；以及所述阳极电位以下大约0V至大约140V的所述电极电位。

这样的质谱仪还可以包括电子器件(例如，微处理器、模拟数字转换器或数字模拟转换器)，所述电子器件布置在所述真空室中来控制或改变所述电极电位(例如，控制所述电子的加速)。所述电子器件还可以耦接至检测器，所述检测器根据所述带电微粒的所述加速确定所述带电微粒的质量。

另一说明性的质谱仪以及对应的质谱分析方法包括磁轭中的磁体，该磁轭中的磁体用于生成在第一区域中具有第一强度(例如，大约0.1T)以及在第二区域中具有第二强度(例如，大约0.7T)的磁场。其还包括真空外壳、离子泵和质量分析器(例如，扇形磁性分析器)，所述真空外壳限定真空室，所述离子泵被布置在所述第一区域中来维持所述真空室的真空压力，并且所述质量分析器布置在所述第二区域中来确定穿过所述真空室传播的微粒的质量。布置在所述真空室中的控制电极控制使所述微粒电离的电子的加速，并且布置在所述真空室中的转换电路向所述离子泵、所述电极和/或所述质量分析器提供一个或多个电压。

该说明性质谱仪的另一示例可以包括控制电子器件，该控制电子器件布置在所述真空室中且与所述控制电极处于电通信中，以改变所述控制电极的电位。其还可以包括信号处理电子器件，布置在所述真空室中并由所述转换电路供电，以处理由所述质量分析器提供的信号。

这样的质谱仪还可以包括：电子源，该电子源布置在所述真空室中，以提供所述电子；阴极，将所述电子源与所述真空室屏蔽开；以及阳极，布置在所述控制电极的与所述电子源相对的一侧，以朝向要分析的微粒加速所述电子。所述转换电路可以配置为提供用于所述阳极的大约100V至大约5kV的阳极电位，用于所述阴极的在所述阳极电位以下大约70V的阴极电位，以及所述电极电位，所述电极电位可以在所述阳极电位以下大约0V和大约140V。此外，所述转换电路可以配置为用大约1V至大约36V的第一值提升所述输入电压至处于大约100V至大约5kV的第二值的所述电极电位。

应理解，上述概念和下面更详细地讨论的更多概念(所提供的这些概念不相互矛盾)的全部结合被认为是本文公开的本发明主题的一部分。特别地，在此公开结尾出现的所要求保护的主题的全部结合被认为是本文公开的本发明主题的一部分。还应理解，还可以在通过引用包含的任何公开中出现的本文明确使用的术语应该符合与本文公开的特定概念几乎全部一致的意义。

附图说明

技术人员将理解，附图主要用于说明性目的，而不打算限制本文描述的本发明主题的范围。附图不一定是按比例的；一些情况下，本文公开的本发明主题的各方面在附图中可以放大或扩大显示，以帮助理解不同特征。在附图中，相同的附图标记通常指相同的特征(例如，功能类似的和/或结构类似的要素)。

图1A是根据本发明实施例的示例性质谱仪的计算机辅助设计(CAD)模型。

图1B是根据本发明实施例的适合对图1A的质谱仪使用的低介电强度馈通的图。

图1C示出根据本发明实施例的图1A的磁轭的CAD模型。

图1D示出根据本发明另一实施例的与一对永磁体、离子泵及质量分析器结合的磁轭的计算机辅助设计(CAD)模型。

图2是根据本发明实施例的用于质谱仪的离子源电势与离子质量关系的图表。

图3是根据本发明实施例的适合在离子源中使用的光学器件的图。

图4是根据本发明实施例的具有离散倍增电极电子倍增器和静电计检测器的质谱仪的示意图。

图5是根据本发明实施例的直通大气的膜入口的剖视图。

图6A是根据本发明实施例的离子分析器的模拟。

图6B是根据本发明实施例的穿过小型质谱仪的二氧化碳分子的SIMION模拟。

图6C是根据本发明实施例的离子源和第一离子透镜的视图。

图7是根据本发明实施例的质谱仪离子源和分析器中势能分布的等距视图。绿色势能表面的曲率表示静电透镜的影响。垂直维度是势能，而两个水平维度是质谱仪的平面形状。

图8是根据本发明实施例的圆柱形皮尔斯二极管离子源的SIMION模拟的侧剖视图。电子从呈一条线的灯丝表面发射。阴极电位电极包围灯丝以将其与真空室屏蔽开。在该模拟的右边缘示出栅电极和阳电极。

图9是根据本发明实施例的具有为抑制电子发射而被偏置的控制电极的图8圆柱形皮尔斯二极管离子源的侧剖视图。

图10是根据本发明实施例的位于质谱仪下面的印刷电路板基板的CAD布局。

图11是根据本发明实施例的说明性质谱仪的CAD布局。

图12是根据本发明实施例的具有在褶曲部上安装的狭缝的示例性质量分析器电极的CAD模型。

图13是根据本发明实施例的可调的褶曲部的示意图。

图14包括根据本发明实施例的通过线EDM从不锈钢板上切出的电极的照片(左)以及在硝酸中被腐蚀来去除氧化物层的电极的照片(左)。

图15是根据本发明实施例的小型离子泵的阳极的CAD模型。

图16是根据本发明实施例的移除顶盖和磁轭的说明性质谱仪的照片。

图17是根据本发明实施例的说明将入口狭缝调整至图16的说明性质量分析器的照片。

图18A是根据本发明实施例的附接至用于测试的康弗拉特(ConFlat)法兰的经组装的质谱仪的照片。

图18B是根据本发明实施例的在质谱仪的发展中使用的真空室的照片。离子规在左边，涡轮泵在底部。

图19是根据本发明实施例的用于质谱仪的数字控制器的框图。

图20是根据本发明实施例的具有除气加热器的基板的立体图。

图21是用于根据本发明实施例的说明性质谱仪的、具有加热器转变指示的、真空室压力与时间的关系的图表。

图22示出根据本发明实施例的在加热器激活后的0s、10s、20s、60s、300s以及600s时获得的分析器板的热图像；热范围是30℃(黑)至60℃(白)。

图23是用于根据本发明实施例的说明性质谱仪的、微处理器命令电压与每个透镜驱动器的实际输出的关系的图表。

图24是用于根据本发明实施例的说明性质谱仪的系统压力、离子泵电压和离子泵电流与时间的关系的图表。

图25是在用于根据本发明实施例的说明性质谱仪的真空系统分割后数分钟内的系统压力、离子泵电压以及离子泵电流的图表。

图26是根据本发明实施例的被拆卸的离子泵的板的照片；彩色沉积物可能是来自不锈钢阳极的铬。

图27是由根据本发明实施例的说明性质谱仪所捕获的质谱图。

图28是由根据本发明实施例的另一说明性质谱仪所捕获的空气的质谱图。

图29是表示利用具有活跃的静电透镜(上曲线)及禁用的静电透镜(下曲线)捕获和使用由电子束生成的一大部分离子的值的质谱图。

图30是根据本发明实施例的表示缩窄对离子束进行过滤的狭缝的效果的质谱图。诸如m/z 27和26这样的峰用较宽的狭缝是不可看见的(下曲线)，但用窄的狭缝是容易看见的(上曲线)。

图31是示出用根据本发明实施例的说明性质谱仪检测新物种、一氧化二氮或N₂O及其零碎组分NO的质谱图。

图32是使用质谱仪的电子源栅极(控制电极)生成能从信号中去掉以消除静电计偏移及漂移痕迹所捕获的质谱图。

具体实施方式

以下是与本发明的用于质谱分析的系统、方法和装置相关的各种概念和实施例的更详细描述。应理解，上面介绍的和下面更详细讨论的各种概念可以以多种方式中的任何方式实现，因为所公开的概念不局限于任何特定的实现方式。主要为了说明性目的提供特定实现及应用的示例。

1.0质谱分析综述

存在质谱仪的许多不同实现，并且配置一般取决于期望的应用。然而，它们通常包括相同的基本功能块：入口、离子源、质量分析器、检测器以及真空系统。进入入口的样品被电离，通常利用电子束通过轰击电离，然后用一个或多个电场和/或磁场按质量分离，然后被分析以得到相对丰度。

最后，质谱仪的所有实现产生图表，该图表使被电离的样品的组分的原子质荷(m/z)比与每种组分的相对丰度相关。例如，对大气样品进行测量的质谱仪将找出质量为28、32、40和44的组分，并且有可能依赖于仪器的灵敏度而找出其它质量的组分。这些质量对应于氮气、氧气、氩气以及二氧化碳。质谱仪输出将对构成大气气体70％的质量为28的氮气示出最高信号强度，然后对质量为32的氧气(大气的22％)示出氮气峰的信号强度的大约1/3，并且对氩气和二氧化碳示出更低的信号强度。

依据应用，通常将质谱仪设计用于特定质量范围和分辨率。对为环境气体监测设计的仪器，质量范围可能是10至50AMU，或者对在蛋白质分析中使用的仪器，质量范围可能是数万AMU。质谱仪经常通过改变电场参数或磁场参数之一从头至尾扫描此质量范围，以质荷(m/z)比以及时间(不期望地)产生谱。该扫描将在质量存在处产生信号强度的峰值。质谱仪的分辨率由这些峰值有多窄来确定；一些质谱仪仅可以分辨单位质量，而一些质谱仪可以分辨质量的非常小的分数(例如，用于区分在同样标称单位质量处出现的不同物种，如28.010处的一氧化碳以及28.0134处的氮气)。峰通常由全宽半最大值(FWHM)测量表征；峰幅度一半处的峰宽度能够帮助确定哪些质量将是可见的。通常，产生较窄峰的质谱仪具有比具有宽峰的那些质谱仪更好的分辨能力。

图1A示出示例性质谱仪100的计算机辅助设计(CAD)模型的等距视图，为说明目的该模型被示出为不具有真空外壳。除非特别注明，否则图1A中所示的组件位于由真空外壳和真空法兰170限定的真空室中。沿真空法兰的表面延伸的真空外壳密封172防止泄露，这允许真空压力达到le-5托(torr)或更小。入口180延伸穿过真空法兰170以允许引入用于分析的样品。

质谱仪100包括共享磁路110，共享磁路110由磁轭114内的一个或多个磁体112构成。磁轭140将磁通量来自磁体112耦合到两个或更多个磁场区域111a和111b内。第一区域111a内的离子泵(图1A中显示为集成的离子泵电极120)维持真空室内的真空压力，并且第二区域111b中的扇形磁性质量分析器130如本领域所了解那样根据质量分离被电离的样品微粒。离子源104通过用来自电子源(未示出)的电子对通过入口180进入的微粒进行电离，生成离子，离子被离子光学器件300准直。在磁性质量分析器130一端的离子检测器140生成随由检测器140收集的离子的数量变化的电流。

将质量分析器130和离子检测器140安装在平面基板190上，平面基板190能够由如下面描述的印刷电路板(PCB)材料制成，平面基板190还支撑转换电路(高电压电源)150。基板190经由磁轭114安装至真空法兰170。具有本领域普通技术的人员将容易理解其它安装配置也是可能的。

转换电路150将来自外部电源的具有约1-36V(例如，12V)的输入电压转换或增加至足够高的电压(例如，100V到5kV)，以对真空室内包括电子源、离子源104、离子光学器件300以及离子检测器140中的任意电极在内的电极充电。转换电路150可以经由单个馈通(未示出)耦接至外部电源，该单个馈通具有相对低的介电强度(例如，等于或低于约36V或更小、等于或小于约24V、等于或小于约12V或等于或小于约9V的介电强度)。在至少一个实施例中，此低介电强度馈通是由真空法兰170和真空外壳(未示出)限定的真空室的内部和外部之间的唯一电连接。

图1B示出适合于对图1A的转换电路150、真空外壳以及真空法兰170使用的低介电强度馈通174。这样的低介电强度馈通174能够快速地且廉价地用环氧树脂制成，且可以具有等于或小于约36V或更小的介电强度。为制造该馈通174，穿过真空外壳(例如，穿过真空法兰170)钻小孔，该孔朝真空侧逐渐变细至直径仅够大至接受馈通线178，馈通线可以是裸露的或被涂有保形绝缘层(例如，磁体线)。线178被放置并用低排气的环氧树脂回填该孔，以形成环氧树脂密封或栓塞176。在此配置中，环氧树脂栓塞176遇到小的力；由于该孔主要地由线178填充且环氧树脂176将线178保持就位，所以真空法兰170或外壳仍承载符合。利用裸线或经保形涂敷的线减少该线178和其绝缘层之间的真空泄露的变化，利用由单独的护套隔绝的线可能发生该真空泄露。

由于甚至最有效的转换电路150也以热的形式耗散能量，所以将转换电路150放置在真空室内是有违直觉的。该热提高该室中包括基板190在内的其它组件的温度。随着其它组件升温，它们可能释放所吸收或吸附的气体，这引起该室内部的压力上升，增加对离子泵120的负荷。

但是，将转换电路150放置在真空室内使得有可能消除通常是昂贵的和难于制造的高电压电馈通。与低介电强度馈通不同，高电压电馈通通常需要提供真空密封的电气连接，该真空密封的电气连接相对于真空外壳能够承受数百或数千伏特且能够在数百摄氏度下被烘烤。它们通常由可伐合金(Kovar)制造并被铜焊至陶瓷电介质，陶瓷电介质随后被铜焊至不锈钢外壳或配件(fitting)。

2.0质谱仪的类型

存在许多不同类型的质谱仪，通常由用于分离不同质量的方法划分不同类型的质谱仪。这节简略地覆盖较简单类型的质谱仪中的一些类型，且尽管远非接近全面，但是描述有被廉价地制造的可能的那些类型。

2.1质量分析器的类型

扇形磁性质谱仪(例如，图1A中所示的质量分析器130)产生质量的空间分离。在此设计中，被电离的样品在电场中加速并且被注入到具有垂直磁场的区域中。离子在磁场中的轨迹的曲率半径正比于其质量，反比于其电荷状态。通过扫描电场并因此改变离子的动能或者通过扫描磁场并改变离子的轨迹，能够分离并独立地检测各种质量。存在此设计的许多变化，包括具有产生改进分辨率的分离的或结合的电场或磁场部分。

飞行时间质谱仪是产生质量的时间分离的另一设计。由固定电场将离子注入到漂移区域内；最终离子速度中的分离且因此到达漂移区域远端的时间正比于离子质量。

四极质谱仪使用与离子飞行路径平行的两对电极；通过使用一个电极对施加可变频率RF场且在另一对电极上施加DC偏压，并且为特定质量调整RF场，在任何特定时间，仅一种质量具有通过各场的稳定轨迹。

一种类似的质谱仪—“离子阱质谱仪”—使用类似于四极质谱仪的原理捕获一定体积的离子云，并且选择性地使特定质量的轨道不稳定。然后，从该离子体积中放出并测量不稳定的质量。

2.2离子源

质量分析器通常依靠注入到质谱分析仪中的被电离的样品来正常工作。一旦样品被电离，被电离的样品分子(离子)就可以由电磁场操控和分离。

常见的离子源使用电子电离。在这类源中，将通常热电子地生成的电子束瞄准气体样品内。与样品分子相互作用的电子从该样品中去除电子，产生带正电的样品离子，但是，对于一些负电性的化学物种，负离子质谱仪是实用的。

2.3检测器

一旦样品已经被电离并按照质量分离所生成的离子，就能够用检测器(例如，图1A中的检测器140)检测离子。最简单的检测器是后面跟有高增益跨导放大器的法拉第杯。撞击法拉第杯的离子产生微小但可测量的电流，然后放大并记录该电流。然而，由于这些检测器不提供本征增益，噪声基底(noise floor)是放大器的噪声基底。

3.0质谱仪设计综述

本文公开的小型质谱仪的说明性的实施例可以具有简单、强健的设计，其能够不使用复杂的或劳动密集的制造技术制造。每种设计选择可以涉及多个因素之间的权衡，在这些因素之中有性能、尺寸、重量、功耗、复杂性、制造容易度以及成本。这样的设计可以是可使用自动化加工工具制造的。能够通过创建依靠二维(2D)加工的平面设计进一步简化制造；能够通过堆叠多层经2D加工的组件建立或近似第三维中的任何特征。去除二次加工操作能够帮助去除额外的装夹(fixturing)、时间以及浪费。因此，在至少一种情况下，该设计包含许多协同制备的特征。

在一个示例中，本发明的质谱仪包括单个单元，该单个单元可以在具有用于进气的端口、几个低电压电缆以及用于低真空泵的端口的简单的圆柱形的真空室内操作。这些端口可以用穿过真空室壁馈送的且嵌在环氧树脂中的薄的导管或布线实现。

示例性质谱仪能够被设计具有想象中的多种潜在应用，但多半具有常见的性能需求。例如，可能为具有足够灵敏度的单位分辨率而设计和建造质谱仪(即其能够区分相距一个或多个整数质量单位的离子)，以检测在le-4帕(le-6托)的操作压力下构成分析气体0.5％或以上的物种。质谱仪还能够在其上携带其自己的高真空泵；尽管比包括高真空泵和低真空泵的设计不那么通用，但是在成本、重量以及复杂性方面的大量节省可能是宝贵的。这种示例性质谱仪也许能够以低功耗和低维护费用长时间地独立运行。

如果生产成本与现有商用仪器的生产成本相当(例如，数万美元)，则提供此级别性能的仪器具有有限的效用。该质谱仪能够相当廉价(例如，1000美元的数量级)，使其适合于在新应用中大规模部署。考虑到质谱仪成本中的是制造的容易度和复杂性；困难的或需要技能的制造技术和/或大量的部件会使设计建造起来更昂贵。

使功耗最小化对特定应用也是重要的。例如，符合上述规格的质谱仪可能很适合于多种远程应用或便携应用，在这些应用中，质谱仪能够长时间段地耗掉电池、太阳能、风力或别的能源。

在一个实施例中，该小型质谱仪是单聚焦、180度扇形磁性质谱仪。扇形磁性质谱仪能够使用多层平面组件来构造，这大大降低仪器的成本，因为大部分简单的制造技术是二维的。所涉及的几何形状是简单的且不需要高功率RF振荡器或高速定时能力，四级质谱仪或飞行时间质谱仪的情况可能分别需要。其它质谱仪类型(如离子阱型或傅里叶变换型)能够在几何形状、功率或复杂性方面要求高。

一组永磁体和磁轭创建用于质量分析器的磁场。利用钕铁硼(NdFeB)磁体的现成可用性，这是显而易见的选择；对于小仪器而言，电磁体需要太多功率。此外，第二好处是可利用永磁体。通过为磁轭精心选择极片(pole piece)的尺寸，该设计能够将离子泵加入封装有分析器的相同磁路内，因此节省复杂性、尺寸以及部件数量。扇形磁性分析器的长度可以是180°，通过将离子源和检测器放置在仪器的同一侧，使布局简化并使设计尺寸最小化。在下面的章节中详述该质谱仪的每个子系统的设计。

在另一实施例中，上部和下部的质量分析器包括扇形电场，将全部质谱仪拓扑改变为尼尔-约翰逊型双聚焦质谱仪的拓扑，这可能不止使质量分辨率加倍。

3.1真空系统设计

在操作期间，将离子飞行路径的整个长度保持在高真空下，即在低于le-4帕(le-6托)的压力下。在更高的压力(更低的真空)下，离子的平均自由路径变得太短而不足以使它们穿过飞行路径的整个长度。此标准单独需要使用具有非常紧公差的真空系统来降低泄漏率，以及使用能够产生高真空的真空泵。

同时，质谱仪的真空系统可能不得不应对不断涌入的气体；从入口进入系统的气体应不断被泵回或被捕获，以免真空室压力上升到不能接受的程度。因此，真空系统可能还包含能够比入口泄漏率更快地泵浦的一个或多个真空泵。

在大多数质谱仪中，真空系统是此设计的非常昂贵的部分。与典型仪器的成本相比较，真空系统可能不是全部成本的一大比例，但对于小型廉价设计而言，仅真空组件就可以轻易地主导预算。高真空组件，甚至标准配件，都是非常昂贵的。几乎每个组件都是由加工的或成形的不锈钢构造，每个组件常常用焊接结制成。仅由于仪器的几何形状，质谱仪通常使用定制的真空组件。例如，扇形磁性质谱仪通常具有焊接至用于质量分析器的高真空法兰的、成型的、薄壁的、不锈钢管焊接部。这通常是由于质量分析器的飞行路径应嵌在磁体的磁极之间，并且间隙是异常标准尺寸。

此外，利用系统中用于每个电压的一个馈通将电信号馈送到典型的质谱仪真空系统中或馈送出该质谱仪真空系统。在传统的质谱仪中，在真空系统内的不同点，任何地方都可能存在五个到十个或更多个分离的电位。用于高电压的馈通可能是特别昂贵的，因为它们由带有陶瓷绝缘体和不锈钢法兰的铜焊可伐导体制成。由于使用多个馈通(包括高电压馈通)的成本和复杂性，说明性质谱仪可以被设计和建造为使用穿透真空室的少量(例如，一个或两个)信号操作。

降低真空系统成本和复杂性的一个方式是减少所涉及的组件的数量。例如，小型质谱仪能够被设计为全部(包括磁体、功率及控制电子器件、高真空泵以及离子光学器件等等)安装在具有100mm直径和150mm长度的真空室中。示例性质谱仪能够安装在单个真空法兰上，全部电子信号以及进气穿过该单个真空法兰，因此为简单起见，该真空室能够包括100mm直径的圆柱形管。实际上，能够按照仪器的轮廓构造简单但更小的真空室，以减小尺寸和重量。

为了减少电气馈通的数量，能够数字化地处理数据，并且能够在真空外壳内由携带的控制系统生成控制信号。以此方式，该系统使用穿过真空室壁馈送的一个、两个或三个低电压电信号(例如，功率和一个或两个数据线)。由于不需要高隔离，所以这些电气线可以是嵌在低排气环氧树脂中的简单长度的电缆。接地参考能够是该室本身。

可替代地或此外，该系统可以能够穿过真空室壁无线地传输数据(例如，经由红外信号或RF信道)，这使得仅用于功率的单独电馈通是必要的。此外，该系统能够感应性供电(例如，经由线圈环路天线)，这消除对连接真空室内部和外部的馈通的任何需要。

在另一示例中，该小型质谱仪包含协同制备的离子泵，该离子泵被设计为使用与该质量分析器使用的相同的永磁体和磁轭组件，以维持真空室内的高真空。离子泵本身可能不足从大气压下将质谱仪抽空，因此能够设置装有阀门的端口，以将该室粗泵吸至离子泵能够启动的点。该端口能够与电馈通和入口安装在相同的法兰上。

3.2质量分析器设计

质谱仪的分辨率可能严重地取决于质量分析器的设计。一般而言，磁场越强，曲率半径越小。在一个示例中，质谱仪中的质量分析器是180°的扇形磁场，其具有23mm的离子飞行中心线半径。这部分地是实际考虑；可利用50mm×25mm的NdFeB磁体，而不需要定制制备，并且离子飞行半径和磁体边缘之间的一些空隙适应由磁场的非线性导致的离子标称圆形飞行中的任何缺陷。

选择扇形长度为180°使得有可能提高相邻质量的离子束之间的空间分离，因为每个离子的飞行更多在该扇区中。其次，利用180°扇形，离子源和检测器都位于质量分析器的相同侧，这导致更紧凑的设计和与设置磁轭相关的更少难题(如果有的话)。较大的仪器通常不享受此益处，因为较大的仪器具有用于离子源和检测器的分离的真空隔室，并且因为这些仪器中的扇形长度通常受磁体的尺寸限制。

在场强和重量和成本之间存在权衡。在使用高级别(N52)钕铁硼磁体时，使用永磁体的最大磁场强度在0.5T至1T的范围内。更高的场需要更多矫磁力、在平行于间隙的方向更多磁体厚度以及在磁体的返回路径中更多的铁。这能够导致更重和更大的设计。但是，更强的磁场，例如用钒坡曼德(vanadium permendur)磁轭或钕铁硼磁体的海尔贝克阵列创造的磁场，提高低质量处的分辨率，同时可实现的更高电压保持上面的轻的质量分辨率。

同样，在分辨率和信号强度和成本之间存在权衡。缩窄过滤器狭缝引起更高的分辨率，但是更少的离子完成飞行，这造成检测器增益和灵敏性变得更重要。此外，随狭缝变得更窄，狭缝与离子束的轴线的对齐变得更关键，这引起更严格的公差和更高的成本。

一个说明性设计通过将狭缝与分析器的机架一起协同制备，消除对过滤器装夹和对齐的需要。此外，狭缝本身安装在对分析器的机架一体的褶曲部上，使得几何形状在装配处是可变的；狭缝宽度可以改变，以改变在信号/分辨率曲线上的操作点。在一些情况下，促动器，如导螺杆、压电组件或形状记忆合金组件，主动地改变狭缝宽度，例如响应于校准、操作或校准和操作期间的反馈改变狭缝宽度。

图1C示出图1A的磁轭114的计算机辅助设计(CAD)模型。其能够由1008软钢制成且将一对50×50×10mm的N52钕铁硼磁体112容纳在扇形磁性质量分析器130中。在一个实施例中，磁轭114的横截面从每个磁体112的前缘增加至每个磁体112的尾缘处25×50mm。包括磁体112的磁轭质量大致是1.4kg。磁轭114还包含用于安装的特征；返回路径中的一对孔允许将磁体(其本身是质谱仪最重的部分)用螺栓连接至真空法兰。

如图1C中所示，磁轭114的横截面在磁体外可以大致恒定。在磁体112的尾面和磁轭114之间留有10mm的间隙，以避免使磁体112短接。极面之间的间隙是10mm，这大致是与磁体厚度相同的空气间隙。此配置产生从极面的边缘处大致0.6T到中心处约0.8T范围的磁场。此磁场的不均匀性会引起离子束的轨迹误差以及较低的分辨率。

图1D示出适合于将一个或多个磁体212在质量分析器130周围保持就位的可替代磁轭214。磁轭214将由磁体212生成的磁通量引导到具有不同场强的两个场区域211a和211b中。离子泵120置于第一场区域211a内，第一场区域211a可以具有约0.1T的强度，并且质量分析器130位于第二场区域211b内，第二场区域211b可以具有约0.7T的强度。

若给定场强和离子飞行半径，则计算离子能量的范围并因此计算运行质谱扫描所需的离子加速电位是简单的事情。首先是力平衡：在质量分析器中，将离子保持在圆形轨迹上所需的力等于离子的质量乘以向心加速度，并且由于离子的电荷和所施加的磁场的原因，该力由洛伦兹力提供，qvBsinθ＝mv²/r

其中，B是磁场强度，单位为特斯拉；v是离子速度，单位是m/s；θ是离子束平面与磁场之间的角度，单位为弧度；m是离子质量，单位是kg；q是元电荷，单位为C；并且r是离子曲率半径，单位为m。

速度给出加速离子所需的电压范围。最终离子速度，即离子在其离开离子源进入分析器中时的速度，正比于离子源中跨越电极的电压E，

能够对这些等式进行合并，以给出离子质量与为使该离子到达检测器而加速该离子所需的电位之间的关系，

因此，如预期的那样，所需的电场与离子质量之间存在反比关系。若给定恒定电荷，则较重的离子需要更多动能来以适当的半径穿越分析器。假设每个分子被单独地电离(即q＝1.6e-19C)且在期望的质量范围内(10至44AMU(m＝1.66e-26至8.3e-26kg))，23mm的分析器半径r以及垂直的B场(θ＝0)，则等式能够简化为，

对于B＝0.6T的操作点以及10-44AMU的质量范围，加速离子的电压E应当从大约208V扫描至915V。若给定高真空的介电强度，则这些电位是可达到的。此外，存在能够高效地生成这些电压的许多方法。在随后的章节中将讨论电压生成。

图2是关于不同磁场强度的离子源电位与离子质量的关系的图表。注意，由于这是逆幂函数，所以分辨率将随离子源电位的下降而降低，因为离子源电位的相同变化将跨越大得多的质量范围。这是扇形磁性质谱仪的本质特征，并且此设计没有不同。此问题在下面会更详细地讨论。

3.3离子源设计

离子源影响质谱仪的效率和性能。离子通常通过电子电离形成；电子枪生成电子束，电子束与样品气体相互作用以形成正离子。此类离子源历史上被称为电子碰撞电离(electron impact ionization)；然而，由于电子的波动本质，电离的确切机制与微粒碰撞无关。

离子源可以位于距磁轭结构足够远，使得来自磁体的边缘场不影响电子的轨迹。在一些情况下，离子源和磁轭之间的距离大约是30mm。此外，将离子源设计为具有竖直朝向的电子束，该电子束基本上与磁体的边缘场平行。这降低电子束被杂散场发送到路线外的机会。

3.4电子源设计

电子束典型地通过将热导线(通常是钨或合金)加热至白炽状态来热离子地生成，以便将足够的热能增加到导线中的一些电子上，使得它们能够克服主体金属的逸出功并逸出进入周围真空中。使用静电场从包围该导线的区域中除去所逸出的电子。生成电子的此过程通常是低效率的；此外，引起离子形成的电子束中电子和样品气体中分子之间的相互作用的概率也低，大约是0.1％。

理想地，为随后飞行穿过分析器，这些离子以具有适合几何形状的准直束从离子源中发出。然而实际上，经电离的分子在电离区域中具有随机分布，并且所产生的离子的仅一小部分沿合适的方向从电离区域中射出，以进行分析。

为补偿，许多传统的质谱仪在电离区域中使用由电极(通常称为排斥极)产生的静电场，来向分析器推送离子；然而，由此电极产生的场相当低。结果是，使用热离子电子枪的质谱仪的离子产量非常低。因此，为增加离子的总产量，高电流电子束是令人期望的，但是这会需要大的电力投入。

存在至少三种可以改进离子源效率的技术。对于特定的灯丝功率，通过使用改进的发射材料，可以增加电子的产量。通过改变电子束的轨迹(例如，用螺旋形取代直线轨迹)提高电子束与样品气体之间相互作用的概率，可以提高离子的产量。最终，也许有可能捕获应形成的但另外不被推送到分析器内的离子中的更多离子。检查了高效率的发射材料以及提高离子产量的方法。

在本发明的质谱仪的一个或多个实施例中，将离子源设计为提高离子产量。通过使用大直径电子束电离大量离子，产生具有广发散性的离子束，并且然后使用一系列静电透镜收集这些离子并将这些离子准直成均匀的离子束，说明性离子源进行操作。通过简单的低功率的钨灯丝和阳极中的圆孔产生大的圆柱形电子束。此结构被称为皮尔斯二极管且很容易理解；它在真空管时代被广泛研究并出现在参考文献中。电子束的直径非常大，为3mm，并且用于电离大量的样品气体。然而，取代引导这些产生的离子通过邻近的窄的机械过滤器，收集全部的量并用静电透镜聚焦该全部的量。

在皮尔斯二极管中，从阳极孔中发射出的电流的电流密度是，

其中，I_max是电流密度，单位为A/m^2；V是阳极和阴极之间的电压，单位为伏；r是阳极孔的半径，单位为m；并且d是阳极和阴极之间的距离，单位为m。对于灯丝和离子源入口之间d＝5mm的距离以及V＝70V的电位而言，发射电流是120μA。皮尔斯二极管的发射角度是θ＝r/3d，其中，θ是束角，单位为度；r是阳极孔的半径，单位为m；且d是阳极和阴极之间的距离，单位为m。在一个示例中，皮尔斯二极管可以具有0.1°的束角。生成电子的发射材料会能够在3mm直径的圆内产生120μA的电子流，3mm直径圆是阳极中的孔的直径。

来自白炽的钨灯丝的空间电荷受限发射作为温度的函数是：

其中，i_max是发射表面的发射电流密度，单位为A/m²；T是表面温度，单位为K。在2500K下，来自钨发射器的电流密度是3170A/m²。在一个示例中，离子源包括具有4e-6/m²面积的发射表面，该发射表面被布置在7.1e-6/m²的阳极孔(窗)中，该发射表面能够产生120μA的电子流。在一种情况下，发射表面由长度为3mm、直径为0.4mm的钨灯丝形成。

可替代地，能够使用更细的卷绕的钨线产生发射表面区域。更细的卷绕的灯丝导线不太导热，这导致更有效的系统，因为从灯丝功率引线中携带出较少的热，且对于相同的功率输入而言，能够在更高的电压和更低的电流下运行。具有1mm圈直径以及0.2mm节距的十五圈的12μm直径钨导线，具有4mm^2的表面积以及3mm的长度。这样的卷绕的灯丝可以被由玻璃或陶瓷绝缘体或铜导体制成的支撑结构支撑。

实质具有此配置的灯丝已经作为通常被称为PR-2的闪光灯灯泡而批量生产。PR-2在2.4V下吸收0.5A的电流，并且具有大约1mm直径和大约3mm长度的卷绕的灯丝。在一个示例中，质谱仪的离子源包括小心地去除了玻璃灯泡的PR-2闪光灯灯泡。虎钳钳口的应用允许在不损坏中间的精致灯丝结构的情况下破坏灯泡。

跨越皮尔斯二极管的电场能够被设置为70V。结果，从皮尔斯二极管阳极孔发射的电子大约是70eV。动能的该值是对特定电子流而言用于使由电子电离产生的离子数量最大化的被普遍接受的值。这是由于70eV下电子的德布罗意波长是14nm的事实，该长度大致是许多分子中的原子之间的键的长度。在70eV下，电子的德布罗意波长由λ＝h/mv给出，其中，λ是德布罗意波长，单位为m；h是普朗克常量；m是微粒质量；单位为kg；且v是微粒速度，单位为m/s。

3.5离子透镜

图3是聚焦由电子束生成的离子的离子源透镜系统300的图。离子源透镜系统300包括入口302，入口302允许离子进入电离区域308内。被充电至其极性与离子的极性相反的电位的排斥电极304排斥离子，并且阱(trap)电极306与入口302相对。排斥电极的弱静电场将离子从电离区域朝三元件对称静电透镜310(也称为单透镜(Einzel lens))推送，三元件对称静电透镜310将离子流聚焦在大狭缝(过滤器)312上。这些离子再次发散越过过滤器330，但是，第二二元件透镜320将离子束略微散焦，将焦点改变到距过滤器312无限远的点。换句话说，第一透镜310和过滤器312对离子束进行空间过滤，第二透镜320使离子束准直，以使其更适于分析。

3.6栅极(grid)

本发明的离子源包括控制电极(也称为栅极)，控制电极将皮尔斯二极管的阳极与阴极屏蔽开。此控制电极上的电位或控制电位能够增强或阻止从阴极发射电子。施加到静电元件上的控制电位可以利用在真空室内或真空室外布置的电子器件调制，并且能够以与真空管中的控制栅极基本相同的方式操作。能够利用诸如同步检测或随机系统识别之类的高级信号处理技术使用用于调制热离子发射器的信号，以提高质谱仪的信噪比。

3.7样品喷射

未知之一是电子束与进入的样品气体相互作用得如何。为增加样品气体与电子束之间的相互作用，在阱电极的中心设置孔。然后，向下引导样品通过该阱，同时电子沿相反的方向成束发出。

3.8检测器设计

示例性的质谱仪包括检测器，以感应质量分析器中的离子。到达检测器的离子束可能相当于大约数十到数百毫微微安(fA)的电流。质量分析器出口处的检测器能够检测这些微小电流并产生高于其固有噪声基底的信号。

在一个实施例中，检测器是被具有50e9的增益的跨导放大器跟随的法拉第杯。法拉第杯捕获入射离子束并再次捕获由二次发射产生的任何电子。由于入射离子束能够具有非常大的能量(数百eV数量级)，所以二次发射是问题。将法拉第杯电极形状设计为通过提供深腔来捕获二次发射，入射离子束进入深腔内，该深腔再次捕获沿除垂直退出以外任意方向发射的全部电子。但是，由于法拉第杯仍然位于由永磁体产生的边缘场中，所以该杯可以捕获二次发射电子。

能够在国家半导体(National Semiconductor)LMP7721低输入偏置运算放大器(op-amp)或任何其它合适的op-amp基础上建造跨导放大器。利用±2.5V的电源操作，LMP7721的输入偏置电流是大约3fA。与用于稳定的5pF银云母电容器并联的50GΩ电阻器提供放大器的反馈路径。此跨导放大器的输出驱动模拟数字转换器(例如，德州仪器的ADS1278 24位模拟数字转换器)的前端。通过将这些组件靠近放置并放置在适当的屏蔽下，可以减少本底噪声。

可替代地，质谱仪可以包括图4中所示的电子倍增器型检测器400，电子倍增器型检测器400以与没有光电阴极的光电倍增管的方式类似的方式操作。击中第一倍增极402a的离子驱出电子，这些电子下落一系列逐渐更高电压的倍增极402b至402n，每次迭代产生两倍或更多倍数量的电子。然后，由跨导放大器404捕获并测量该电子云，但是该信号能够比简单的法拉第杯检测器大许多数量级，而没有显著更高的噪声基底，因此允许用于敏感得多的检测。例如，适当放置的四级或五级离散-倍增极电子倍增器可以给出稍高于16-32的信噪比提升，同时低的倍增极数量减少暗电流。

3.9高真空泵设计

该小型质谱仪使用诸如离子泵或涡轮分子泵之类的泵，以维持真空封壳的高真空。离子泵安静、干净，并且不使用移动组件。在离子泵中，两种泵浦机制——捕获及吸附——都在操作。在泵浦时，气体被圆柱形阳极中的高场电离离子化并被加速进入钛阴极或有时进入钽阴极内。在撞击时，离子或者被埋藏或者引起钛溅射回阳极。这不断更新的钛层是化学反应且通过吸附捕获气体。

用于离子泵的电极位于磁场内，磁场通常给系统增加质量并给真空室增加复杂性。然而，该小型质谱仪已经被设计具有位于真空室内的磁路。在至少一个实施例中，磁体的极面的尺寸足够大至包围质量分析器以及离子泵的占用空间，以在不显著增加复杂性的情况下增加泵浦能力。

在一种情况下，离子泵是二极管泵，其包括悬挂在一对钛板之间的一组不锈钢空心圆柱体，该组不锈钢空心圆柱体每端都开放。将泵设计为在可用区域中产生最大泵浦速度。下面讨论特定的几何形状和权衡。

离子泵保持系统压力足够低，使得离子的平均自由程比质谱仪的整个飞行长度更大。对于此小型质谱仪而言，飞行路径的长度大约是200mm。离子的平均自由程由l＝3.71e-7/p给出，其中l是平均自由程长度，单位为m；p是压力，单位为帕(Pa)。

通常，真空应足够高(即压力应足够低)，以保持每个离子的平均自由程大约是比质谱仪的飞行长度更大的数量级。对于2m的平均自由程而言，最小系统压力是3.3e-3Pa(2.48e-5托)。

3.10入口

如图1A所示，质谱仪100包括入口180，以允许需分析的样品进入。入口180可以具有任何合适的类型。例如，如图5中所示，其可以包括入口400，入口400由被多孔的不锈钢板504支撑的半可穿透疏水塑料膜502形成。膜502允许样品微粒P以与其暴露的表面积成比例的速度扩散到真空室(未示出)中，同时防止水气和液体涌入。能够对入口速度进行选择，使得质谱仪的泵浦系统能够在适当的真空室压力下应对进气负荷。

4.0模拟

使用SIMION 8.0对示例性小型质谱仪离子光学器件设计进行全面地模拟，SIMION8.0是一款商业的离子光学器件建模软件包。这些模拟能够用来对离子飞行进行建模以及用来设置或改变包括仪器几何形状、磁场强度、离子半径等等在内的设备参数。

4.1尺寸设计

模拟能够用于遍历所有设计选择(例如，通过模拟影响电极电压的选择以正确地聚焦离子束)。在模拟的一个示例中，首先设置质谱仪的分析器的总高度。垂直尺寸稍微是任选的。所使用的永磁体的高度都是10mm，并且对间隙进行选择以匹配此数字。为质量分析器的顶盖和底盖中每个盖的厚度留出大约1.5mm，于是将垂直尺寸设置为7mm。

图6A是从质谱仪的SIMION模拟中获取的离子源104(图1A)和离子源光学器件300(图3)的图。将质量分析器的半径设置为23mm(同上)。使用该尺寸作为控制尺寸，将质谱仪离子光学器件300以及飞行路径的剩余部分设计为长度不超过50mm。将电子束放置为离扇形磁性质量分析器130(图1A)尽可能远，以减小杂散磁场对电子束的操作的影响。

接下来的决定涉及第一透镜310的尺寸。第一透镜310对由电子束创造的那些离子进行准直并将它们聚焦到机械过滤器上。此透镜310是三元件对称透镜，也另外被称为单透镜，并且由于第一透镜元件和第三透镜元件位于相同的电位而被描述为对称的。选择此类透镜是因为其是不改变从另一侧发出的离子的能量的可变焦透镜。通常，将静电透镜构造为具有与元件长度大致相同的宽度，元件间距等于长度的十分之一。这样的透镜通常具有在透镜两侧具有相等距离的焦距；因此，紧随第一透镜310的过滤器312与电离区域距透镜310相同的距离。

用于略微散焦离子束(例如，将其焦点置于无限远)的第二透镜320是两元件透镜，其大致相等地细分第一机械过滤器和第二机械过滤器之间的区域。更长的电极面提供稍微更均匀的场；电极的准确放置稍微不太重要。

第二透镜320之后的第二机械过滤器322进一步限制离子束扩散，以减少到达检测器的杂散离子。由于磁体的边缘场非常强且可能在离子束到达过滤器322以前将离子束推离路线，所以将该过滤器322放置在距扇形磁性质量分析器130(图1A，未示出)的标称入口10mm处。

注意，全部电极不是沿离子飞行路径的简单的扁平面，而是都恰好远离飞行路径垂直地延伸。尽管平板在此模拟中将相同地表现，但是其实际上几乎不可能被制备。电极的深度允许将它们安装在公共面上；以此方式进行模拟，作为提醒，需要以某种方式安装电极。电极背面的形状是不重要的。

4.2离子飞行模拟

模拟并建立全部质谱仪设计，以符合初步设计工作。对质量10AMU至44AMU的离子进行模拟。各电极上需要的电压大致符合预测。

图6B是示出二氧化碳分子从离子源104通过离子源光学器件300以及质量分析器130的飞行的模拟。SIMION不模拟空间电荷、离子碰撞或二次电子发射；在所提供的几何形状中对单独的孤立的离子进行模拟。对边缘电场的影响进行模拟。

注意该模拟是在理想条件下进行的是重要的，并且初始条件的不恰当选择将容易导致偏离跟踪。例如，对在离子束中的死中心开始的静止离子进行的模拟可能比电离区域边缘附近的、具有垂直于期望路径的初始速度的离子表现令人满意得多。初始条件的不恰当选择可能导致相信一设计将以比该设计能够实际生产的离子效率和分辨率高得多的离子效率和分辨率工作。因此，应当仔细选择飞行路径中离子的初始条件。

对离子初始能量进行选择，以具有以室温下气体分子的热能为中心的高斯扩散。理想气体的气体分子的平均平动能是E＝3kT/2，其中，E是动能，单位为J；k是玻尔兹曼常数(8.617e-5eV/K)；且T是温度，单位为K。在室温下，E大约等于0.015eV。因此，使用具有0.015eV平均值及0.005eV标准偏差的初始动能的高斯分布进行随后的轨迹模拟。

使用径向地跨360度的均匀分布设置离子的初始方向。使用遍布在电子束进入电离区域所通过的孔的投影上方的圆柱的均匀分布设置离子的初始位置。

图6C是质谱仪100(图1A)的离子源104和第一透镜310的详细视图。离子在电离区域308的中心起源，由竖直地指向页面外的竖直圆柱型电子束生成。生成具有随机方向及随机动能的离子的初始轨迹。排斥电极304朝第一透镜310引导离子，第一透镜310将离子聚焦到狭缝312(图3、图6A和图6B，未示出)上。在模拟图中的黑色迹线是给定真实的一组初始条件时计算的离子轨迹。由于低的离子电流大小，忽略空间电荷是合理的。

图7是质谱仪100的等距视图，其具有以两个维度表示的物理布局以及以第三的垂直维度表示的势能。势能在离子源104中最高，然后在第一过滤器312处下降，在第二透镜320中再次增加，然后在质量分析器130中下降。这里，更长、更低电压的第二透镜320的优势变得更明显；在较高电压透镜中的任何轻微未对准都可能引起离子束中大得多的轨迹误差，因为离子束翻越的势能‘障碍’变得陡得多。

4.3电子源模拟

图8和图9示出电子源组件800或皮尔斯二极管的模拟，电子源组件800或皮尔斯二极管包括电子源102，电子源102可以是灯丝或任何其它适合类型的电子源。利用在三个边由阴极810以及在第四边由阳极830约束的区域布置电子源102，并且电子源102在此被模拟为具有1mm直径和3mm长度的圆柱形电子源。控制电极820位于源104和阳极830之间。控制电极820以及阳极830中的狭缝或孔允许电子传播至离子源104中的电离区域(图1A、图3和图6A)。

在操作中，将阴极810保持在阳极830的电位以下大约70V的电位，阳极830能够位于大约100V至大约5kV的电位。可以被布置在真空室内的控制电子器件(未示出)将控制电极的电位从阳极电位以下大约140V改变至阳极电位以下大约0V。当控制电极关闭(即位于等于阳极电位的电位)，阴极810和阳极830操作来将电子推出组件外，如图8中所示。图8示出阳极的聚焦效果；将所发射的电子束被准直为具有窄的束角。电子束随源电位从150V爬升至900V而略微缩窄。将电压施加至控制电极820减小电子束的强度。例如，将控制电极820保持在阳极电位以下100V的电位，如图9中所示。

5.0结构

5.1基板

质谱仪使用多个静电元件，这些静电元件保持对齐，同时仍旧电隔离。为减少部件数量，选择单独的、廉价的基板来维持全部电极对齐和隔离。

选择FR-4印刷电路板材料作为在其上建造质谱仪的基板。此选择的原因是多样的。由于专用于生产定制板的大量设施以及所涉及的高度自动化的处理，FR-4玻璃纤维印刷电路板(PCB)在大数量时是廉价的。PCB能够以非常小的特征尺寸以及极高的精度制作；如太阳石(Sunstone，www.sunstone.com)这样的典型PCB公司能够在原型数量时生产低至约0.15mm的特征尺寸，在大生产数量时生产更小的特征，定位精度为其十分之一。名义上为电气组件设计的PCB具有非常高的、大约1e7V/m至2e7V/m的介电强度，该介电强度对在此质谱仪设计中所涉及的电压而言是足够的。最后，PCB在机械方面是非常强的，其主要由织制的玻璃纤维垫和环氧树脂组成，并且是用于保持电极分离的好选择。

由于PCB是为电路的实现而设计的，所以质谱仪的电极和驱动质谱仪的电路可以包含在相同的基板上。用PCD材料作基板的额外好处是存在印刷电路板组成的包括陶瓷印刷电路板在内的多种变化，并且如果FR-4的潜在缺陷阻碍该设计正常工作，则底层材料可以相对容易地改变。

然而，PCB确实具有几种潜在缺陷。FR-4印刷电路板由在玻璃增强环氧树脂板上的铜制成。于是，基板材料具有吸收及吸附水和气体(分别扩散到主体材料内及附着至表面上)的潜能。然后，这些被吸收和吸附的分子会慢慢释放到质谱仪的真空系统中，这妨碍系统压力降低至足够低，使得气体的该背景浓度在进入气体的谱上方保持可见。这些潜在的问题并非没有解决办法。对这些问题存在两种主要对策；将所吸收和吸附的气体驱出材料外或将该材料封装在低排气保形涂层内。

众所周知，提高材料的温度趋于帮助去除真空中所吸收和吸附的气体。构造真空管时的标准流程是要在该管仍在排气真空歧管上时通过加热元件对该管进行除气。除气通常通过以下方式完成：通过操作该管的灯丝，该管的灯丝通过辐射加热该管的电极；或通过吸收电子电流，该电子电流加热该管的阳极和其它电子收集电极；或通过炸该管。“炸”涉及使用由在该管的外壳外部保持的RF线圈在电极中感应的涡电流通过焦耳加热的方式加热电极。

封装排气材料也具有先例。材料的排气经常是航天器尤其是卫星上的问题，在这里，气体可以由一个表面发出并由如传感器这样的其它关键表面再吸附。于是，经常测试保形涂层的排气性能。存在确定排气性能的标准测试方法，ASTM E595-07。一种众所周知的低排气保形涂层是聚对二甲苯，并且聚对二甲苯涂覆是由许多加工车间提供的服务。

本发明的质谱仪的实施例可以包括被添加至PCB基板底部的电阻式加热器的分布式网络。这些加热器使热能够同时添加至PCB上的全部点。在另一实施例中，这些电阻式加热器被具有薄迹线的简单网络取代或扩张，该简单网络类似于大多数汽车后窗上的电阻阵列。

5.2PCB设计及结构

图10示出印刷电路板的CAD布局，这里全部片被连接(在建立后被切割开以降低成本)。为减小质谱仪的总体尺寸，使用几层PCB。印刷电路板的底层承载电子封装，这在下一章中详细地描述，而上面的两层PCB形成质量分析器的底盖和顶盖。

图11示出示例性质量分析器组件1100的CAD模型。将基板190夹在顶盖1102和底盖1104之间，分析器电极1110位于中间。基板190通过压铆螺母(standoff)连接(例如，通过20mm长M3六角压铆螺母)至电路板1120。螺钉穿过分析器环中的安装孔、质量分析器的下层PCB以及六角压铆螺母。质量分析器的上层PCB中的剪图样(cutout)允许螺钉头不受干扰地安装。这允许为电极对齐而移除质量分析器的顶盖，而不需要移除安装硬件。

电馈通将质量分析器板连接至电子器件板。低电压数字及模拟供电引脚承载在两排20mm高、2.54mm间隔的引脚头上。对静电透镜所使用的高电压是更困难的；不存在额定2kV的电气夹层连接器。作为替代，质量分析器板以及电子器件板中的适合间隔的一排孔在这两个板机械地安装在一起以后装配有25mm M2硬件。每个孔周围的铜环作为电触件。

5.3电极

使用PCB作为基板，能够将电极制备和装配至PCB上。能够从上面描述的模拟中直接获得用于这些电极的几何形状及这些电极的相对间隔。电极具有穿过竖直轴线(脱离离子飞行路径的平面的轴)的对称性。当在两个维度进行制造时，简单制造技术中的大多数制造技术被大大简化；安装对两个以上的轴执行操作的组件所需要的装夹或复杂的机器增加所完成的部件的成本。

电极从303型不锈钢中切割出。此不锈钢具有多种有益属性；主体金属及其表面氧化物是导电的、无化学反应的且具有对气体吸附的低亲和性。其是高真空工作所使用的常见材料；大多数高真空组件由303不锈钢或类似的材料构成。

303型不锈钢是最容易加工的不锈钢之一。然而，产生这些电极所需要的一些特征非常小，数百微米数量级，并且这些种类的特征对通过切削工具的制备无益。通常，切削工具对制造薄壁特征给予太多力。因此，为质谱仪电极的制备所选择的制造技术是线电火花加工(线EDM)。可替代地，可以建造质谱仪的对称组件(可能具有材料变化)作为模压件(extrusion)。然后，可以简单地将该模压件切削成多个部分，这导致产生非常经济的构造方法。

处于不同电位的电极是分离的组件，但是，通过允许从同一原材料将处于相同电位的全部电极切割为一块，努力简化质谱仪的制造。此外，将安装这些组件所必须的全部特征设计到工具路径中。使得每个电极能够在单次通过时被切割。

5.4质量分析器

图12是质量分析器电极的CAD模型。由于质量分析器位于接地电位，所以其结构环路为其本身的结构刚度和质谱仪的结构刚度以及为电气屏蔽而包围系统内的所有其它平面电极。由质量分析器中的电极产生的场应当与外界屏蔽，因此从理论上防止否则可能干扰电子器件的一些杂散场。

质量分析器还在扇形磁场的入口以及出口处具有一对细微特征。这些特征是限制所检测的离子束的宽度的机械过滤器，这使所检测的离子具有期望质量的可能性最大化。过滤器是数十至数百μm宽的狭缝，并且如从模拟中看出的，具有对质谱仪的灵敏度和分辨率的直接影响。通常，狭缝在大多数质谱仪中是分离地制造和安装的；这里，将它们与质量分析器协同制备，这既确保它们与离子光学器件的共线，又通过最小化部件数量和消除对狭缝对准的任何需要而使成本最小化。

图13图示使用线EDM从与基板190(图1A)相同的一块材料(例如，PCB材料)形成的薄壁的可调整的褶曲部(flexure)1300。褶曲部1300包括经由铰接部分(铰链)1302连接至基板190的L形构件1304。用促动器(如导螺杆(lead screw)1310)推动L形构件1304的直立部分，引起该L形构件1304绕铰链1302的轴线旋转，这接着减小离子(或电子)路径中的狭缝1308的宽度。止挡部1306防止L形构件1304使狭缝1308关闭太多。使导螺杆1310旋开导致铰链1302返回至放松位置，此时L形构件1304不再关闭狭缝1308。此褶曲部能够在操作之前或期间放置，以对仪器的分辨率和灵敏度给出极大控制。

在另一实施例中，促动褶曲部，例如通过装有电机的导螺杆或通过压电促动器促动褶曲部。这允许质谱仪自动地将其灵敏度优化至进行中的分辨率，扩展狭缝以针对弱信号增加离子电流并且在分析具有相邻质量的离子时缩窄狭缝以获得更好的分辨率。

5.6静电透镜电极

在离子源、质量分析器以及检测器中使用的较小电极也能够使用线EDM从与质量分析器相同的原材料中切出。除实际的面以外，能够将至少两个安装特征切割为每个电极，这对应于质量分析器PCB中的特征，因此使角度未对准的机会最小化。

5.7电子束电极

质谱仪的离子源中的电子束也需要正常工作的电极，并且这些电极在离子源电极的平面之外。由于电子束从底部到顶部与离子束垂直地运行，所以可以使用不同的制备技术制备离子源电极。例如，电子束电极、阱(trap)以及电子聚焦环能够被印刷在小PCB上并用M2硬件安装至主PCB。

电子聚焦环兼当作为提供钨灯丝的PR-2闪光灯灯泡所用的物理座托；该聚焦环允许灯丝及其支架穿透电子PCB，同时保持该灯泡的安装法兰受限制。长度为25mm的M2螺钉穿过该聚焦环PCB、经过该闪光灯灯泡基座并穿过电子器件PCB。该M2螺钉被保持在张力下，张力将该闪光灯灯泡固定就位，同时允许对准；在拧紧安装螺钉之前能够略微移动灯泡底座。

将阱电极安装在上层的质量分析器PCB上，由M2垫片间隔200μm的距离，并且用螺钉贯穿固定至质量分析器。由30mm长的M2螺纹杆和保险螺母(jam nut)构成的长M2螺钉将阱电极电连接至生成阱电位的电子器件板。

5.8电极完工

该小型质谱仪的电极像标准电气组件那样装配至印刷电路板基板上。例如，它们能够通过在每个电极中切割凹口并使用氢焰炬(hydrogen flame torch)和银焊料将小的不锈钢引脚铜焊至电极本体来安装。此方法允许以在电极顶部没有突起的方式安装电极，使得不存在将每个电极的安装特征与质量分析器的上层PCB盖对齐的问题。可替代地，上层PCB盖可以包括剪图样，以提供用于安装螺钉头的间隙。质谱仪的完工版本使用M2和M1.6硬件的结合，以将每个电极附接至PCB。

图14示出组装质谱仪电极的过程中的两个步骤。当从线EDM中移走电极(图14的左侧)时，每个电极的切割面覆盖有厚的氧化物层。将电极浸在30％的硝酸溶液中30分钟，接着是在50摄氏度下在超声波洗净槽中30分钟的无水乙醇的两个变化(图14的右侧)。此过程去除氧化物层，留下下层的明亮金属。

5.9磁体

在一个示例中，质量分析器包括如上所述的通过软铁磁轭保持对齐的一对NdFeB磁体。在磁轭的一个边缘上设置安装面，为M3硬件钻孔并攻螺纹丝。此安装面能够附接至电子器件PCB。

5.10离子泵

协同制备的离子泵能够安装在一体积中，该体积足够小至仅包含该磁体面的未使用半部。由于离子泵在高电压下操作，所以印刷电路板用来将磁极面与离子泵电极隔离。于是，整个离子泵能够安装在50×25×7mm的体积中。

图15是离子泵阳极120的CAD模型。通常，将离子泵设计为具有多束不锈钢管，这些多束不锈钢管被绑扎在一起以形成阳极。这样的过程是昂贵的和劳动密集的；此质谱仪上的小型离子泵的阳极包括利用线EDM在一次通过时从不锈钢板切割出的一系列单元。

泵浦速度与单元的直径和数量成比例；增加这些值至一点提高离子泵的速度。若给定有限的可用空间以及比标准B场强更高的场强，则增加更多单元，而不是增加单元的直径。另一准则表明每个单元的长度应当比该单元的直径大大约1.5倍；若用3.5mm的板，则在不设计相当小的单元情况下这么做是困难的。

离子泵的阴极包括0.5mm厚的一对钛板阴极，该对钛板阴极具有安装卡扣，安装卡扣被设置为使得它们与阳极的四个安装卡扣交错。离子泵电极中的安装孔与PCB基板中的孔相配合。

5.11组装

图16是移除顶盖和磁轭的完整质谱仪的照片。如所设计的，该质谱仪能够在不利用任何复杂工具或技术的情况下组装。所有安装硬件能够利用单个1.5mm一字螺丝刀和长尖嘴钳来附接。印刷电路板上呈每个电极的轮廓形式的对齐特征使组装方便，并且能够将夹具(jig)插入到离子飞行路径中，在螺钉完全拧紧以前能够将电极按压在离子飞行路径上，这确保电极面保持平行。由于全部电极被设计为在相邻特征之间具有0.5mm的间隙，所以其它电极能够用0.5mm的衬垫块间隔开。

图17示出用闪光灯从侧面照射的灯丝的照片(左)以及质量分析器的入口狭缝的照片(右)。能够以光学方式进行灯丝对齐；能够从部分组装的质谱仪的侧面朝灯丝照射亮的闪光灯，并且电子聚焦环电极移动到平面内，直至灯丝的中心从上方清晰可见。由于大体积的离子源和大直径的电子束，所以这是相对简单的过程，因为穿过电子束路径的可视性好。能够通过拧紧或松开导螺杆对形成机械过滤器的褶曲部上的狭缝进行调整。从上方利用镁光(Mag-Lite)闪光灯照亮的分析器入口狭缝的微距照片在图17的右侧照片中示出。

一旦组装电极，就能够安装质量分析器的顶盖并用单独的M2螺钉贯穿固定该质量分析器的顶盖。然后，将阱电极安装在分析器盖上方且也用螺钉贯穿固定。然后，将PCB组装件用螺栓固定至磁轭；将表示磁极相对位置的准线图(alignment diagram)刻蚀在分析器PCB组装件外侧的印刷电路板铜层中。稍微过大的安装孔允许稍微调整磁体，以匹配外侧的那些准线图，由此确保与目前加盖的质量分析器对齐。

图18A是附接至6”康弗拉特法兰的所组装的质谱仪的照片。该质谱仪的最终组装体包含真空室，真空室可以与钢制圆筒或玻璃圆筒一样简单。该质谱仪的磁轭用螺栓贯穿固定至康弗拉特法兰中经攻螺纹丝的孔。一根1.29mm外径的用于入口的不锈钢皮下导管以及一些低电压引线被馈送穿过该法兰中的孔并且用环氧树脂胶合就位。所插入的照片是与质谱仪相对的真空法兰的侧面，其示出与该仪器的电气连接和气体连接。(用于低真空泵的端口能够在此法兰上使用；然而在此情况下，该低真空端口设置在真空室的另一端)。

图18B是在法兰上安装的且被插入6”康弗拉特法兰三通管的端部内的质谱仪的照片。该三通管的远端面装配有离子规(杜尼维-斯托克如姆(Duniway Stockroom)公司，www.duniway.com)，该离子规连接至离子规控制器(瓦里安(Varian)型号843，www.varianinc.com/vacuum)。该三通管的第三面用于低真空系统。

由于预期来自此质谱仪的初始气体负荷相当高，所以使用强大的低真空系统。0.2m^3/s涡轮分子泵(瓦里安V-200)连接至康弗拉特三通管，并且涡轮泵的排气口连接至机械低真空泵(威尔奇真空1402(Welch Vacuum 1402))且由以蒸馏水为工作液体的温度控制再循环器(VWR的科学产品)提供冷却。

6.0电子器件

除检测器以外，控制小型质谱仪的电子器件位于质量分析器板下面的印刷电路板上。对质量分析器而言，在没有焊料掩模的情况下制备电子器件板，以促进排气。物理上，对电子器件板进行放置，使得能够使用20mm的M3压铆螺母来将该电子器件板与分析器板中的孔配合，并且电馈通将电子器件板连接至质量分析器板上的静电元件及检测器。该电子器件板包括两个主要部分：电源部分(转换电路)以及数字控制器。多个独立的隔离的电源操作电子器件板上的所有子部分。

6.1电源(转换电路)

该质谱仪可以在+12VDC的至多1.1A的单输入电源下操作，但是在正常条件下操作时的典型供电电流是0.5A。经由一个或多个dc/dc转换器(图1A中的转换电路150)内部地生成多个不同供应。如在下面的节中详述的，+12V的供应也充当用于透镜驱动器的主供应。此供应的“地”作为该系统的“地”且也与真空封壳相连。

在一个示例中，转换电路生成用于各质谱仪电极和组件的电压，这些组件包括但不限于：用于控制该质谱仪的微处理器、数字模拟转换器(DAC)以及模拟数字转换器(ADC)；检测器140(图1A)的模拟级；电子源和电子源的电极(例如，图8和图9中的灯丝102、阴极810、控制电极820以及阳极830)；离子泵120(图1A)；离子光学器件300(图3)；以及离子源104的电极，如排斥极304(图3和图6A)。合适的电压包括数字逻辑电压(例如，+3.3V、+5V)以及用于离子泵120、电子源、离子光学器件300以及离子源104的大约100V至大约5kV的电位。该质谱仪还可以包括过滤器以及调节器，以补偿或修正来自外部电源的输入电压中的波动。

质谱仪还可以包括用于每个组件和电极的一个转换电路150或包括生成用于多组组件和电极的电压的多个转换电路150。例如，其可以包括供应数字逻辑的隔离的+3.3V/1Wdc/dc转换器。数字逻辑包括微处理器和模拟输入/输出(I/O)模块，如用于控制该质谱仪的DAC以及ADC。检测器的ADC的数字侧也从数字逻辑供应中运行。逻辑供应的接地侧在单个点处与系统“地”相连。

该质谱仪还可以包括被一对线性调节器跟随的隔离的±5V/1W dc/dc转换器，该对线性调节器为检测器的模拟级提供±2.5VDC供应。该供应被严重过滤并被轻轻地加载，这为一对运算放大器和检测器ADC的模拟半部提供供应电流。此供应的“地”正好在检测器电极处与系统“地”相连，以减少噪声。

该质谱仪还可以包括隔离的+3.3VDC/3W dc/dc转换器，该转换器为灯丝提供供应电压，该灯丝标称吸收2.4V/500mA。此供应的“地”与灯丝偏置供应相连，灯丝偏置供应转而在离子源供应以下70V。

该质谱仪还可以包括隔离的+3.3VDC供应，其“地”被偏置至阱电位，该供应为测量质谱仪的阱电流的ADC提供供电电压。该质谱仪还可以包括隔离的+5.0VDC供应，其“地”被偏置至离子源电位，该供应为驱动排斥电极304(图3)的运算放大器提供供应电压。该质谱仪还可以包括隔离的3kV/3W dc/dc转换器，该转换器为板载离子泵120提供阳极电压。

6.2离子光学器件驱动器

五个高电压比例dc/dc转换器(转换电路)提供静电元件电位。比例dc/dc转换器生成与该转换器的输入电压线性地成比例的输出电压，并且在想要一系列输出电压时是有用的。由运算放大器供应这些dc/dc转换器的输入电压，该运算放大器被配置为使得每个dc/dc转换器的输出电压的一部分被反馈至每个运算放大器，这使输出稳定。由来自数字控制器或来自电位计的DAC为电位提供每个运算放大器的基准，该电位能够一次被校准并且可以在操作期间保持不变。

这些dc/dc转换器(转换电路)为离子源、离子源的静电透镜、阱以及灯丝的偏置供应电位。全部这些转换器的输出被参考值系统“地”。尽管将这些输出适当地联系在一起也许会更容易(例如，将阱供应参考至离子源供应，而不是参考至“地”)，但是这些dc/dc转换器中每个dc/dc转换器的输出隔离额定值不足以这样做。

6.3静电计

连接至法拉第杯电极的静电计是连接至模拟数字转换器的灵敏的跨导放大器，如具有5e10增益的跨导构造中的“国家半导体”LMP7721运算放大器。与反馈路径并联的是5pF的银云母电容器；该电容器在高频下降低放大器的增益，由此减少出现在放大器输出处的高频噪声。

由于静电计的高增益，泄露电流能够造成静电计输出中的漂移。为帮助减小此漂移，护环围绕连接电位计的输入引脚、反馈电阻器和电容器的一端以及法拉第杯的电极的连接部。该护环由处于单位增益电压模式下的第二运算放大器(如“国家半导体”的LMP7715)驱动，该第二运算放大器的输入从静电计的同相的以及标称接地的输入(且由偏置电流导致稍偏移)中得出。该跨导放大器的输出被ADC(例如，德州仪器的ADS1281 24位ADC)直接数字化。

将整个静电计电路安装在被切割成质量分析器电极的袋(pocket)内的分析器PCB上。连同这两个PCB上的铜，该电极起到将静电计包围在法拉第笼内的作用。静电计与法拉第杯检测器电极的接近减少噪声干扰信号的机会。

6.4除气加热器

预期真空室中的印刷电路板承载相当大的气体负荷。于是，向印刷电路板增加分布式电阻器的网络，以确保板温度能够上升足够高，以帮助去除由PCB吸收及吸附的气体。由主+12VDC供应操作的多个1W电阻器被置于战略位置且由P沟道FET作为闸控作为开/关或PWM加热控制。

6.5数字控制器

图19是质谱仪的数字控制器1900的框图，该数字控制器1900被建造在处理器1902(例如，由ST微电子(STMicroelectronics)制造的32位ARM Cortex-M3微处理器(STM32F103CBT6))附近。处理器1902由电源(转换电路)150供电并耦接至射频(RF)通信模块1920，射频通信模块1920作为用于在真空室的内部和外部之间中继数据及指令的无线通信接口。控制器1900还包括经由微控制器1900上的公共串行外围接口(SPI)总线1910耦接至处理器1902的DAC 1904a-1904c(共同地表示为DAC 1904)、ADC 1906a-1906c(共同地表示为ADC 1906)以及场效应晶体管(FET)1908a-1908c(共同地称为FET 1908)。整个控制器1900可以包含在由质谱仪的真空室限定的真空室中。例如，控制器1900可以安装或耦接至图11中示出的电子器件板1120。

在一个示例性控制器1900中，存在三个DAC 1904a-1904c(例如，AD5662DAC)，这三个DAC 1904a-1904c用于设置离子源供应以及两个静电透镜上的电位。存在两个ADC 1906a和1906b(例如，AD7680ADC)，这两个ADC 1906a和1906b用于测量灯丝驱动电流以及阱电流。这两个ADC 1906a和1906b都对被偏置在高电压下的供应操作；用于这些设备的SPI总线通过光隔离器(例如，安华高(Avago)科技的ACSL-6410双向(3/1通道)光隔离器)与逻辑级总线隔离开。另一ADC 1906c耦接至静电计。

DAC 1904和ADC 1906连接至微处理器的SPI总线1910。每个DAC 1904和ADC1906具有其自己的用于寻址的专用微处理器GPIO引脚。此外，几个GPIO线为其它功能(例如，数据准备、重置)而引入静电计ADC中。端口扩展器/LED驱动器1912(例如，美信集成产品公司(Maxim Integrated Products)的MAX 6696端口扩展器/LED驱动器)也连接至用于用户反馈的SPI总线1910以及三个RGB LED 1914。

连接至微处理器1902上的硬件计时器的引脚用作用于连接至灯丝的P沟道FET1908a的栅极驱动。以脉宽调制的方式驱动灯丝，以获得最大效率。开关频率是100kHz，但是在操作期间如果检测到干扰，则能够改变开关频率。

处理器上的其它引脚被用于控制其它外设。由大的P沟道FET(例如，FET 1908b和1908c)对除气加热器以及包括高电压供应中大部分及灯丝在内的几个电源进行闸控。FET1908由微处理器引脚驱动，使得当质谱仪未在使用时能够关闭灯丝和高电压供应来省电。

一对引脚用于控制和监视离子泵。一个引脚使能离子泵，使得控制器能够在没有离子泵电弧放电的情况下在大气压下运行。另一引脚被用作与微处理器的板载12位ADC连接的模拟输入端，以监视离子泵供应的端电压。

与微处理器中的硬件USART收发器连接的两个引脚是质谱仪与外部世界的通信手段。这些引脚穿过真空室的壁(但是如果真空外壳是由玻璃制成的，则可能光学地传递数据)。

在此示例中，对Cortex-M3特定的三个串口线编程(SWP)引脚也穿过真空外壳，使得可以在不需要对真空室进行排气的情况下重配置微处理器的代码。

6.6控制软件

在一个示例中，以计算机C语言编写用于质谱仪的控制软件并且使用IAR系统嵌入式工作台(IAR systems embedded Workbench)IDE以及编译器关于Cortex-M3核编译该用于质谱仪的控制软件。主运行循环是有限状态机，该有限状态机对产生质谱所需要的基本操作进行控制。在每个循环周期期间，质谱仪读取表示外部变量状态的全部可用数据，然后运行取决于仪器状态的代码。LED之一被委派根据机器的状态闪烁颜色的任务。闪烁速度由主运行循环控制，这提供代码尚未被锁定的可视反馈。以下节更详细地描述状态。

6.7启动

在启动时，质谱仪检查附接至总线的全部外设的状态。外设、ADC以及各个电源中的大多数能够通过解释它们提供的数据来检查。自检中的任何故障引起质谱仪进入故障模式。

6.8待机

在待机模式下，微处理器关闭除(可选地)离子泵及除气加热器以外的全部外设。在此最小功耗模式下，系统可以吸收不到1W。

6.9空闲

在空闲模式下，微处理器将高电压供应和灯丝供应联机。灯丝以降低的电压操作来增加其寿命。在此模式下，微处理器能够确保高电压供应正在正常工作并确保灯丝未被烧毁。在过度至空闲模式期间，灯丝缓慢地升温以减少热冲击。灯丝变热时间可以是约0.5s。

6.10扫掠(Sweep)

在扫掠模式下，微处理器主动地驱动电极并测量离子电流。将离子源供应达到可由硬件实现的最小电压(大致150V)，且以大约20V/s扫掠至大约800V。静电透镜电压也不断改变，以在每个离子源电位下恰当地聚焦离子束。

将静电计电流发送到串行端口外至与质谱仪连接的便携式电脑或其它计算设备。可以用简单的终端程序收集数据；当运行质量扫描时，该数据被作为多列文本输出，该多列文本可以在便携式电脑上捕获并在数据分析程序中作为数据文件(例如，逗号分隔变量(.CSV)文件)打开。

该质谱仪通过经由计算机访问的串行终端接口控制。该质谱仪上的终端程序允许发送和解释命令，这大部分为调试目的，但也用于控制机器的状态。具有指定新状态的自变量的命令“模式”允许用户在如上详述的操作模式之间切换。具有诸如浮点数或开/关之类的自变量(例如，“灯丝关”、“离子箱500.0”)的命令“灯丝”、“排斥极”、“离子箱”、“透镜1”以及“透镜2”允许用户直接控制真空室中的各电极。由于微处理器不能知道何时应使能或禁用这些特征，所以其它命令“除气”、“离子泵”允许用户远程打开或关闭这些外设。

7.0测试

使该质谱仪经受配件以及完整系统的全面测试。

7.1功率和控制系统

使全部电源通电并且关于标称电压测试该全部电源。将特别注意给予±2.5V模拟静电计供应，因为此供应的噪声指数通过静电计运算放大器的CMRR直接影响静电计噪声基底。

通过验证该质谱仪能够在全部模式下在不崩溃的情况下运行数天，对控制软件进行测试。然后，关于功耗对各操作模式进行检查。表1(下面)示出每种操作模式在12VDC下的功耗。注意，在每种操作模式下，该仪器吸收比任何其它现有小型质谱仪更少的功率。离子泵吸收3W，但是此功率量对维持泵而言不是非常充足。

表1：不同操作模式下的质谱仪供应电流

7.2电子束

电子束的操作是质谱仪的第一诊断程序。操作通常由阱电流表征。阱电流是从灯丝发出的、完全穿过电离区域的、并且在阱电极处收集的电子电流的一部分。阱电流应当直接与灯丝亮度成比例，灯丝亮度本身是灯丝功率的强烈非线性函数。在特定功率等级上方，阱电流开始迅速提升，而灯丝寿命降低。

作为灯丝电压V的函数的灯丝强度与V^(3.4)成比例，而灯丝寿命与V^-16成比例，这给出不要过度驱动灯丝的有力动机。在此质谱仪中使用的灯丝是标准PR-2钨闪光灯灯泡的灯丝。此类灯泡在2.4V和0.5A下额定15小时的寿命。在降低的电压下操作将增加其寿命。例如，在2.3V下，灯丝将保留其亮度的86％，而将其寿命加倍至30小时。

在两种不同灯丝电压下测量阱电流，将该阱电流归纳在表2中。

表2：阱电流作为灯丝电压的函数

阱电流在不同实验期间可有点变化大，在一些测试期间甚至在2.4V的操作电压下下降至25μA，这可能由于质谱仪被频繁拆卸及重组装的事实使灯丝相对于电离区域的准确朝向改变。

7.3除气加热器

图20是由连接至像基板190(图1A)或电子器件板1120(图11)这样的质谱仪基底板2004的电阻式加热器2002的网络形成的除气加热器2000的图。加热器2000能够用于通过提高这些板的温度移除这些板上所吸收及所吸附的至少一些气体。打开加热器2000包含驱使电流通过电阻式加热器2002，这接着引起电阻式加热器2002和板2002变热。当板2002变热时，其释放所吸收及所吸附的气体，该气体由离子泵120(图1A)、附接至真空室的单独的涡轮泵或这二者泵浦出真空室。当加热器正常工作时，应可能在真空下打开加热器，看到室压力随逐出气体而升高，然后看到在加热器再次关闭时压力下降至初始水平以下的水平。

图21是关于为测试除气加热器而运行的实验的、压力与时间的关系的图表。将质谱仪安装在真空外壳中并抽空。当室压力稳定时，将加热器打开，然后大约三小时后再次关闭。注意，室压力的相对慢的初始下降后跟随在打开加热器时的室压力的上升。将气体逐出，室压力开始下降，然后此时关闭加热器。此时，激活功率电子器件，功率电子器件产生它们自身的热量并将气体逐出电子器件板。以后，这两个循环能够同时进行，但是，它们当前产生太多热量而不能在没有损坏的情况下同时操作。

图22示出分析器板在打开加热器后的不同时间间隔处的红外图像。将质量分析器板置于热成像相机(例如，FLIR热视A40相机)下面，并且观察瞬态热行为十分钟(600s)。温度上升在这一系列帧中在绝对值上是适中的，此实验在空气中进行。在真空中，不存在对表面进行冷却的对流且温度上升应实质上更快，但是热将以这里观察的模式流动。

7.4透镜线性化

图23示出每个透镜驱动器的相对校准。尽管试图确保绕透镜驱动器中每个透镜驱动器缠绕的反馈控制环路是精确的，但是透镜命令和透镜电压之间存在某种变差。因此，对离子源电位和两个静电透镜进行校准。将该校准曲线进行线性化并且将其编程为质谱仪控制器的代码，以确保将正确电压输出至透镜。由于已向透镜驱动器给予它们是使用相同硬件构造的前提，所以尽管透镜驱动器是类似的，但是它们有几伏特的差异。这可能看起来不太重要，但是上面描述的势能表面表示应如何仔细对准这些电压中的一些电压；不正确地调谐的透镜能够严重地限制或阻碍离子束，使信号消除。

7.5离子泵

在已经将系统抽吸至2.6e-6Pa[2.0e-8托]以后，对小型的协同制备的离子泵独自进行测试。离子泵在2.6e-4Pa[2.0e-6托]处启动并与真空室的涡轮泵联合操作，直至压力达到2.6e-6Pa，此时关闭插入在涡轮泵和室之间的阀。

图24和图25是试运行过程期间的真空室压力、泵电压以及离子电流的图表。首先，加热小型离子泵以逐出所吸收的气体并且与第二高真空泵联合运行该小型离子泵，直至离子泵准备好承载气体负荷。在不使用质谱仪的板载加热器的情况下，该试运行过程耗用大致15小时。

图26包括在试运行测试后拆卸的离子泵的照片。在每个泵单元的中心使钛阴极板形成凹陷，并且用溅射的钛对阳极进行电镀。

7.6质谱

对本发明的质谱仪而言，谱可以表现为离子束电流随离子源电位的变化。尽管可以将微处理器编程为输出离子电流与质荷比的关系，但是对此示例而言，在进行数据后处理时执行离子源电位和m/z之间的映射。可替代地，本发明的质谱仪可以测量高电压偏置参数(例如，灯丝电流，阱电流)。

对该小型质谱仪运行大量质量扫掠测试。在测试之间，根据结果数据做出许多优化。优化通常是微小的，并且包括调整可变几何形状的质量分析器狭缝和静电计硬件(例如，反馈电阻器、电容器)以及修改软件来优化灯丝功率、静电透镜电位以及离子源电压扫掠速度和范围。

图27示出从示例性小型质谱仪中收集的质谱。大的中心峰可能是氮气，而该图右侧的峰是水。氧气可能出现，作为从氮气峰的左肩突出的峰；此示例性质谱仪不具有分离相距4AMU的质量的足够分辨率。此谱示出已经使用数字控制器对电极之一进行调节来切削(chop)离子束。

图28是由另一版本的质谱仪捕获的质谱，其突出显著的峰。数据已关于加速电位和质/荷比之间的反比关系进行修正。注意29m/z处的峰，这可能是氮的同位素，15N14N，其以相对于14N14N的0.36％的丰度存在于空气中。

观察到的一个有趣特征是即使静电透镜被禁用(例如，透镜被编程为不改变离子束)，虽然具有较低的信噪比，但是该质谱仪也工作。此结果被用于对静电透镜的作用进行表征。

图29是一对谱，一个是在透镜关闭的情况下运行的，另一个是在透镜开启的情况下运行的。透镜给出信号强度近十倍的增加，而不增加噪声基底。这在质谱仪中是极有价值的，并且示出对捕获并分析生成的离子中的更大一部分能够产生如何令人注意的更强信号。最初用手调节透镜；将离子源设置至具有已知离子种类的电位，然后对透镜进行调节以获得最大信号。对几种离子进行调节且用线性插值对生成的曲线进行拟合。

图30是表示可变几何形状狭缝的效果的空气的质谱图。尽管已经改变包括系统的总增益在内的几个其它因素，但是该比较的显著特征在峰的底部处是可见的。m/z 27和26的峰在利用较窄狭缝给出的红色曲线中都是可见的，而它们在利用较宽狭缝给出的蓝色曲线中完全不可见。

图31是显示说明性质谱仪能够检测进入入口内的新物种的图表。图31是该质谱仪的检测能力的测试。将一氧化二氮(N₂O)的样品注入入口内且运行质谱扫掠。控制运行以蓝色示出标准谱；水、氮气、氧气。包含一氧化二氮的运行示出几个新峰。N₂O在m/z 44处非常明显地显示，并且别的物种(零碎的离子NO)在m/z 30处在氧气和氮气之间显露。

图32是使用栅极作为调节源生成的一系列谱。离子源的栅极(控制电极)用于移除静电计的背景漂移或1/f噪声。蓝色曲线是基线曲线，其在栅极被偏置使得电子束截断时生成。红色曲线是信号曲线，其在离子束使能时生成。绿色曲线是这二者相减，是基线被偏置且漂移被去除的信号。

这些图表示出具有能胜任许多任务的分辨率的本发明质谱仪，这些任务包括但不限于用作医疗工具、环境工具或工业工具。在至少一种情况下，实验结果表明该质谱仪对检测构成进入样品气体的低于0.5％的物种是足够灵敏的，并且具有1AMU的质量分辨率。如图28中的图上表明的，噪声基底相当低，在10fA以下。用适当的函数进行解卷积可能产生甚至更窄的谱。

8.0结论

尽管本文已经描述和说明本发明的各实施例，但是具有本领域普通技术的人员将容易想象用于执行本文描述的功能和/或获得本文描述的结果和/或优点中一个或多个优势的多种其它方式和/或结构，并且上述变形和/或修改每个均被认为在本文描述的本发明实施例的范围内。更一般地，本领域的技术人员将容易理解，本文描述的全部参数、尺寸、材料以及配置意在示例性的，并且实际的参数、尺寸、材料和/或配置将取决于具体应用或本发明的教导所用于的应用。本领域的技术人员将认识到或将能够仅使用常规实验就确定本文描述的本发明特定实施例的许多等同物。因此，应理解，提供前述实施例仅作为示例，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，可以与特别描述或要求保护的内容不同地实践本发明的实施例。当前公开的本发明实施例针对本文描述的每个单独特征、系统、物品、材料、工具和/或方法。此外，如果上述特征、系统、物品、材料、工具和/或方法不相互矛盾，则两个或更多个上述特征、系统、物品、材料、工具和/或方法的任意组合包含在当前公开的本发明范围内。

可以以多种方式中的任何方式实现上面描述的实施例。例如，可以使用硬件、软件或硬件和软件的组合实现这些实施例。当以软件形式实现时，软件代码能够在任何适合处理器或处理器组上运行，无论任何适合的处理器或处理器组是在单个计算机上设置的还是在多个计算机之间分布。

进一步，应理解，计算机可以以多种形式中的任何形式体现，如机架上安装的计算机、台式计算机、便携式计算机或平板电脑。此外，计算机可以嵌入通常不被视作、计算机但具有适合处理能力的设备中，这样的设备包括个人数字助理(PDA)、智能电话或任何其它合适的便携的或固定的电子设备。

此外，计算机可以具有一个或多个输入设备。除此以外，这些设备能够用来呈现用户界面。能够用于提供用户界面的输出设备的示例包括用于输出的可视呈现的打印机或显示屏以及用于输出的可听呈现的扬声器或其它声音生成设备。能够用于用户界面的输入设备的示例包括键盘以及指点设备，如鼠标、触摸板以及数字化平板。作为另一示例，计算机可以通过语音识别或以其它可听格式接收输入信息。

这样的计算机可以通过呈任何适合形式的一个或多个网络互联，一个或多个网络包括局域网或广域网，如企业网以及智能网(IN)或互联网。这样的网络可以基于任何适合的技术且可以根据任何适合的协议操作，并且可以包括无线网络、有线网络或光纤网络。

本文概述的各种方法或过程可以被编码为可在一个或多个处理器上运行的软件，该一个或多个处理器使用多种操作系统或平台中的任一种。此外，这样的软件可以使用多种适合的编程语言和/或编程或脚本工具中的任一种编写，并且还可以被编译为在框架或虚拟机上运行的可运行机器语言代码或中间代码。

在这一方面，本发明的各概念可以体现为用一个或多个程序编码的计算机可读存储介质(或多个计算机可读存储介质)，例如计算机存储器、一个或多个软件、光盘、光学盘、磁带、闪存、现场可编程门阵列或其它半导体设备中的电路配置、或其它非瞬态介质或有形计算机存储介质，当该一个或多个程序在一个或多个计算机或其它处理器上运行时，该一个或多个程序执行实现上面讨论的本发明各实施例的方法。计算机可读介质或媒介能够是可运输的，使得存储在其上的程序或多个程序能够被加载到一个或多个不同的计算机或其它处理器上，以实现上面讨论的本发明的各方面。

本文中从一般意义上使用术语“程序”或“软件”，来指能够用于对计算机或其它处理器进行编程以实现上面讨论的实施例各方面的任何类型计算机代码或计算机可运行指令集。此外，应理解，根据一个方面，在被运行时执行本发明的方法的一个或多个计算机程序不需要驻留在单个计算机或处理器上，而是可以以模块化的方式分布在多个不同的计算机和处理器中，以实现本发明的各方面。

计算机可运行指令可以呈由一个或多个计算机或其它设备运行的许多形式，如程序模块。通常，程序模块包括执行特殊任务或实现特殊抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。典型地，程序模块的功能可以在各实施例中按期望被组合或分配。

此外，数据结构可以以任何合适的形式存储在计算机可读媒介中。为简化说明，可以将数据结构显示为具有与该数据结构的位置相关的字段。这样的关系可以同样地通过用计算机可读介质中的位置为字段分配存储空间来获得，这些位置传递字段之间的关系。然而，可以使用任何合适的机制建立数据结构的字段中的信息之间的关系，机制包括通过使用建立数据元素之间关系的指针、标签或其它机制。

此外，本发明的各概念可以体现为一种或多种方法，已提供该一种或多种方法的示例。作为该方法的部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造实施例，在这些实施例中以与所说明的顺序不同的顺序执行动作，不同的顺序可以包括同时执行一些动作，虽然这些动作在说明性实施例中被显示为顺序的动作。

本文中定义和使用的所有定义应被理解为装配字典定义、通过参考并入的文档中的定义和/或所定义的术语的常规意义。

除非明确相反地说明，否则本文在说明书及权利要求中使用的不定冠词“一(a)”和“该(an)”应被理解为指“至少一个”。

本文在说明书中和在权利要求中使用的短语“和/或”应被理解为指如此结合的要素中“二者任一或二者”，即在一些情况下结合地存在的以及在其它情况下分离地存在的要素。用“和/或”列出的多个要素应以相同方式去解释，即如此结合的要素中的“一个或多个”。可选地可以存在除通过该“和/或”短语特别地指明的要素以外的其它要素，无论其它要素与那些特别地指明的要素相关还是不相关。因此，作为非限制性示例，当与如“包括”这样的开放式语言结合使用对“A和/或B”的引用时，该对“A和/或B”的引用，能够在一个实施例中仅指A(可选地包括除B以外的要素)，在另一实施例中仅指B(可选地包括除A以外的要素)，在又一实施例中既指A又指B(可选地包括其它要素)，等等。

如在本文的说明书和权利要求中所用的“或”应被理解为具有与上面定义的“和/或”相同的意义。例如，当“或”或者“和/或”分隔列表中的项目时，“或”或者“和/或”应被解释为包含性的，即包含多个要素或一系列要素中至少一个要素，而且还包含不止一个要素，并且可选地还包含附加未列出的项目。仅相反地明确指明的项目，如“…中仅之一”或“…中恰好之一”，或当在权利要求中使用时的“由…组成”，将指包含多个或一系列要素中恰好一个要素。通常，如本文所用的术语“或”，当其前面带有诸如“或……(either)”、“…中之一”、“…中仅之一”或“…中恰好之一”之类的排它性术语时，应被解释为仅表示排它性的选择(即“一个或另一个，但不是这二者”)。“基本由…组成”，当其在权利要求中使用时，应具有在专利法领域中使用的常规意义。

如在本文的说明书中和权利要求中所用的、有关一系列一个或多个要素的短语“至少一个”，应被理解为表示从该系列要素中任何一个或多个要素中选择的至少一个要素，但不必须包括在该系列要素中具体列出的每个要素中至少之一且不排除该系列要素中的要素的任意组合。该定义还允许可选地可以存在短语“至少一个”所指的该系列要素中具体指定的要素以外的要素，无论该要素与那些具体指定的要素有关还是无关。因此，作为非限制性示例，“A和B中的至少一个”(或等同地，“A或B中的至少一个”或等同地“A和/或B中的至少一个”)能够：在一个实施例中，指至少一个A,可选地包括不止一个A，而不存在B(且可选地包括除B以外要素)；在另一实施例中，指至少一个B，可选地包括不止一个B、而不存在A(且可选地包括除A以外的要素)；在又一实施例中，指至少一个A和至少一个B，可选地包括不止一个A，并且可选地包括不止一个B(且可选地包括其它要素)；等等。

在权利要求中以及在上面的说明书中，如“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”、“涵盖”等之类的全部过渡性短语应被理解为开放式的，即指包括但不限于。仅过渡性短语“由…组成”以及“基本由…组成”应分别是封闭的或半封闭的过渡性短语，如在美国专利局专利审查程序手册第2111.03节中提到的。

Claims

1.一种质谱仪，包括：

(A)真空外壳，限定支持10^-5mm Hg或更小的真空的真空室；

(B)电极，布置在所述真空室中且配置为被充电至电极电位，以控制穿过所述真空室传播的带电微粒的加速；

(C)转换电路，布置在所述真空室中，以转换来自所述真空室的外部的功率源的输入电压，以便为所述电极提供所述电极电位；

(D)馈通，具有小于或等于36V的介电强度，以提供所述转换电路和所述功率源之间的电连接；

(E)控制电子器件，布置在所述真空室中且能操作地耦接至所述转换电路，以改变所述电极电位；以及

(F)加热器，能操作地耦接至所述控制电子器件并且与所述真空室内的至少一个组件热连通，以响应于来自所述控制电子器件的信号而加热所述至少一个组件，以便将气体逐出所述至少一个组件，

其中所述控制电子器件包括用于设置所述电极的所述电极电位的至少一个数字模拟转换器。

2.一种质谱仪，包括：

(A)真空外壳，限定支持10^-5mm Hg或更小的真空的真空室；

其中所述加热器包括在基板上布置的电阻式加热元件的网络。

3.一种质谱仪，包括：

(A)真空外壳，限定支持10^-5mm Hg或更小的真空的真空室；

(E)控制电子器件，布置在所述真空室中且能操作地耦接至所述转换电路，以改变所述电极电位；

(F)加热器，能操作地耦接至所述控制电子器件并且与所述真空室内的至少一个组件热连通，以响应于来自所述控制电子器件的信号而加热所述至少一个组件，以便将气体逐出所述至少一个组件；以及

(G)离子泵，布置在所述真空室内，以将所述气体泵浦出所述真空室，以便维持所述10^- ⁵mm Hg或更小的真空。

4.一种质谱仪，包括：

(A)真空外壳，限定支持10^-5mm Hg或更小的真空的真空室；

(G)无线通信接口，能操作地耦接至所述控制电子器件，以在所述真空室的内部和所述真空室的外部之间中继数据及指令。

5.一种质谱仪，包括：

(A)真空外壳，限定真空室；

(B)磁体，位于限定至少一个间隙的磁轭中，所述磁体用于生成在所述至少一个间隙内的第一区域中具有第一强度以及在所述至少一个间隙内的第二区域中具有第二强度的磁场；

(C)离子泵，被放置为在所述至少一个间隙内的所述第一区域中，以维持所述真空室的真空压力；

(D)质量分析器，被放置为在所述至少一个间隙内的所述第二区域中，以确定穿过所述真空室传播的经电离的分析物微粒的质量；

(E)控制电极，布置在所述真空室中，以控制使所述分析物微粒电离的电子的加速；

(F)转换电路，布置在所述真空室中，以向所述离子泵、所述控制电极和/或所述质量分析器提供经转换的电压；

(G)控制电子器件，布置在所述真空室中且能操作地耦接至所述转换电路，以改变所述控制电极的电位；以及

(H)加热器，能操作地耦接至所述控制电子器件并且与所述真空室内的至少一个组件热连通，以响应于来自所述控制电子器件的信号而加热所述至少一个组件，以便将气体逐出所述至少一个组件，

6.一种质谱仪，包括：

(A)真空外壳，限定真空室；

7.一种质谱仪，包括：

(A)真空外壳，限定真空室；

(G)控制电子器件，布置在所述真空室中且能操作地耦接至所述转换电路，以改变所述控制电极的电位；

(H)加热器，能操作地耦接至所述控制电子器件并且与所述真空室内的至少一个组件热连通，以响应于来自所述控制电子器件的信号而加热所述至少一个组件，以便将气体逐出所述至少一个组件；以及

(I)无线通信接口，能操作地耦接至所述控制电子器件，以在所述真空室的内部和所述真空室的外部之间中继数据及指令。

8.一种质谱仪，包括：

真空外壳，限定真空室，所述真空室内维持10^-5mm Hg或更小的压力；

电极，布置在所述真空室中且配置为被充电至电极电位，以控制穿过所述真空室传播的带电微粒的加速；

数字控制器，布置在所述真空室中且与所述电极处于电通信中，以控制所述电极处的所述电极电位；以及

加热器，与所述真空室内的至少一个组件热连通，以加热所述至少一个组件，以便将气体逐出所述至少一个组件。

9.根据权利要求8所述的质谱仪，其中，

所述电极包括栅电极，以控制电子的流动；并且

所述数字控制器被配置为调制所述栅电极处的所述电极电位。

10.根据权利要求9所述的质谱仪，进一步包括：

信号处理电子器件，能操作地耦接至所述数字控制器，以处理用于调制所述栅电极处的所述电极电位的数字控制器信号，以便提高所述质谱仪的信噪比。

11.根据权利要求10所述的质谱仪，其中所述信号处理电子器件被配置为利用同步检测信号处理技术和/或随机系统识别信号处理技术来处理所述数字控制器信号。

12.根据权利要求8所述的质谱仪，进一步包括：

通信模块，布置在所述真空室中并且能操作地耦接至所述数字控制器的处理器，以在所述数字控制器和位于所述真空室外部的至少一个电子组件之间中继数据和/或指令。

13.根据权利要求12所述的质谱仪，其中所述通信模块包括无线通信接口，所述无线通信接口被配置为在所述真空室的内部和所述真空室的外部之间中继数据及指令。

14.根据权利要求8所述的质谱仪，进一步包括至少一个电连接，所述至少一个电连接被配置为穿过所述真空外壳的至少一个壁中继数据和/或指令。

15.根据权利要求8所述的质谱仪，其中：

所述电极包括静电透镜电极，所述静电透镜电极被配置为聚焦经电离的微粒的流；并且

所述数字控制器被配置为控制所述静电透镜电极的所述电极电位。

16.根据权利要求15所述的质谱仪，其中所述静电透镜电极将所述经电离的微粒的流聚焦到至少一个孔上，以限制所述经电离的微粒的流的扩散。

17.根据权利要求16所述的质谱仪，其中所述至少一个孔通过由质量分析器的机架形成的至少一个构件来限定。

18.根据权利要求17所述的质谱仪，其中所述至少一个构件包括褶曲部，以改变所述至少一个孔的宽度。

19.根据权利要求8所述的质谱仪，其中所述加热器包括在基板上布置的电阻式加热元件的网络。

20.一种用于质谱分析的方法，所述方法包括：

(A)在由真空外壳限定的真空室内维持10^-5mm Hg或更小的压力；

(B)将在所述真空室内布置的电极充电至电极电位，以便控制穿过所述真空室传播的带电微粒的加速；

(C)经由布置在所述真空室中且与所述电极处于电通信中的数字控制器，控制所述电极处的所述电极电位；以及

(D)加热所述真空室内的至少一个组件，以便将气体逐出所述至少一个组件。

21.根据权利要求20所述的方法，其中：

(B)包括对栅电极进行充电，所述栅电极被配置为控制电子的流动；并且

(C)包括调制所述栅电极处的所述电极电位。

22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括：

(E)处理用于调制所述栅电极处的所述电极电位的数字控制器信号，以便提高质谱仪的信噪比。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，(E)包括利用同步检测信号处理技术和/或随机系统识别信号处理技术来处理数字控制器信号。

24.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：

(F)经由耦接至所述数字控制器的处理器的通信模块，在所述真空室和所述真空室的外部之间中继数据和/或指令。

25.根据权利要求24所述的方法，其中(F)包括利用无线通信接口在所述真空室的内部和所述真空室的外部之间中继数据和/或指令。

26.根据权利要求21所述的方法，进一步包括：

经由穿过所述真空外壳的至少一个壁的至少一个电连接，中继数据和/或指令。

27.根据权利要求20所述的方法，其中：

(B)包括对静电透镜电极进行充电，以聚焦经电离的微粒的流；并且

(C)包括控制所述静电透镜电极的电极电位。

28.根据权利要求27所述的方法，进一步包括：

将所述经电离的微粒的流聚焦到至少一个孔上，以限制所述经电离的微粒的流的扩散。

29.根据权利要求28所述的方法，其中所述至少一个孔通过质量分析器的机架来限定。

30.根据权利要求29所述的方法，进一步包括改变所述至少一个孔的宽度。

31.根据权利要求20所述的方法，其中加热所述至少一个组件包括利用加热器加热所述至少一个组件，所述加热器包括在基板上布置的电阻式加热元件的网络。

32.一种质谱仪，包括：

真空外壳，限定真空室；

入口，与所述真空室处于流体连通，以允许向所述真空室内引入气态样品供进行质谱分析；

电子源，布置在所述真空室内，以生成使所述气态样品的微粒电离的电子，以便形成离子；

栅电极，布置在所述真空室内且配置为被充电至栅电极电位，以控制使所述气态样品的微粒电离的所述电子的加速；

静电透镜系统，布置在所述真空室内且包括：

静电透镜电极，配置为被充电至静电透镜电极电位，以将所述离子聚焦成离子束；

至少一个孔，由质谱仪组件限定，以聚焦所述离子束；

至少一个褶曲部，与所述质谱仪组件一体，以改变所述至少一个孔的宽度；

数字控制器，布置在所述真空室内并且与所述栅电极和/或所述静电透镜电极处于电通信，以控制和/或调制所述栅电极电位和/或控制所述静电透镜电极电位；以及

33.一种质谱仪，包括：

真空外壳，限定真空室；

电极，布置在所述真空室内且配置为被充电至电极电位，以控制穿过所述真空室传播的带电微粒的加速；

控制器，布置在所述真空室内且与所述电极处于电通信，以调制所述电极处的所述电极电位；

处理器，能操作地耦接至所述控制器，以处理用于调制所述电极电位的数字控制器信号，以便提高所述质谱仪的信噪比；以及

34.根据权利要求33所述的质谱仪，其中所述电极包括栅电极。

35.根据权利要求33所述的质谱仪，其中所述带电微粒是离子。

36.根据权利要求33所述的质谱仪，其中所述带电微粒是电子。

37.根据权利要求36所述的质谱仪，进一步包括：

电子源，布置在所述真空室内，以提供所述电子；

阴极，用于排斥所述电子；以及

阳极，远离所述电子源与所述电极相对布置，以朝向要分析的分析物微粒加速所述电子。

38.根据权利要求37所述的质谱仪，进一步包括：

转换电路，布置在所述真空室内，以提供：

(i)用于所述阳极的100V至5kV的阳极电位；以及

(ii)用于所述阴极的在所述阳极电位以下70V的阴极电位，并且

其中所述电极电位在所述阳极电位以下0V和140V之间。

39.根据权利要求33所述的质谱仪，其中所述处理器被配置为执行同步检测和随机系统识别中的至少一个。

40.根据权利要求33所述的质谱仪，其中所述处理器被配置为根据用于调制所述电极电位的所述数字控制器信号来执行校准。

41.根据权利要求33所述的质谱仪，其中所述控制器包括：

至少一个数字模拟转换器，用于设置所述电极电位。

42.根据权利要求33所述的质谱仪，其中所述控制器包括：

射频(RF)通信模块，布置在所述真空室内且能操作地耦接至所述处理器，以在所述真空外壳的内部和外部之间中继数据和/或指令。

43.一种操作质谱仪的方法，所述方法包括：

提供被抽空至10^-5mm Hg或更小的压力的真空室；

加热所述真空室内的至少一个组件，以便将气体逐出所述至少一个组件；

将所述真空室内的电极充电至电极电位；

调制所述电极电位，以便控制所述真空室内的带电微粒的加速；以及

处理用于调制所述电极电位的数字控制器信号，以提高所述质谱仪的信噪比。

44.根据权利要求43所述的方法，其中调制所述电极电位包括利用在所述真空室内布置的控制器生成所述数字控制器信号。

45.根据权利要求43所述的方法，其中调制所述电极电位包括向栅电极施加所述电极电位。

46.根据权利要求43所述的方法，其中调制所述电极电位包括利用在所述真空室内布置的至少一个数字模拟转换器来设置所述电极电位。

47.根据权利要求43所述的方法，其中所述带电微粒是离子。

48.根据权利要求43所述的方法，其中所述带电微粒是电子。

49.根据权利要求48所述的方法，进一步包括：

利用电子源来提供所述电子；

朝向分析物微粒加速所述电子；以及

检测所述分析物微粒。

50.根据权利要求48所述的方法，其中调制所述电极电位包括：

利用在所述真空室内布置的转换电路来生成电压；以及

向所述电极施加所述电压。

51.根据权利要求43所述的方法，其中处理所述数字控制器信号包括执行同步检测和随机系统识别中的至少一个。

52.根据权利要求43所述的方法，进一步包括：

利用在所述真空室内布置的射频通信模块来在所述真空外壳的内部和外部之间中继数据和/或指令。

53.根据权利要求43所述的方法，进一步包括：

根据用于调制所述电极电位的所述数字控制器信号，校准所述质谱仪。

54.一种质谱仪，包括：

真空外壳，限定真空室；

磁体，位于磁轭中，所述磁体用于生成在第一区域中具有第一强度以及在第二区域中具有第二强度的磁场；

离子泵，被放置在所述第一区域中，以维持所述真空室的真空压力；

质量分析器，被放置在所述第二区域中，以确定穿过所述真空室传播的经电离的分析物微粒的质量；

控制电极，布置在所述真空室中，以控制使所述分析物微粒电离的电子的加速；

转换电路，布置在所述真空室中，以向所述离子泵、所述控制电极和/或所述质量分析器提供经转换的电压；

控制电子器件，布置在所述真空室中且能操作地耦接至所述转换电路，以调制所述控制电极的电位；

信号处理电子器件，布置在所述真空室内且配置为由所述转换电路供电，以处理由所述质量分析器提供的信号；以及

55.根据权利要求54所述的质谱仪，其中，所述磁轭中的所述磁体被配置为在生成所述磁场时，所述第一强度是0.1特斯拉，所述第二强度是0.7特斯拉。

56.根据权利要求54所述的质谱仪，其中所述转换电路配置为根据输入电压提供经转换的电压，所述经转换的电压具有100V至5kV的第一值，所述输入电压具有1V至36V的第二值。

57.一种质谱仪，包括：

真空外壳，限定真空室；

基板，布置在所述真空室内；

电子组件，布置在所述真空室内的所述基板上；以及

加热器，与所述基板热连通，以便对所述基板进行除气。