CN106328478A - 一种产生低能离子的装置 - Google Patents

一种产生低能离子的装置 Download PDF

Info

Publication number
CN106328478A
CN106328478A CN201610949340.8A CN201610949340A CN106328478A CN 106328478 A CN106328478 A CN 106328478A CN 201610949340 A CN201610949340 A CN 201610949340A CN 106328478 A CN106328478 A CN 106328478A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ion
unit
pole plate
pole
quadrupole rod
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201610949340.8A
Other languages
English (en)
Inventor
陈邵龙
管桦
梁世勇
杨航
宋红芳
黄垚
高克林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Original Assignee
Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS filed Critical Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Priority to CN201610949340.8A priority Critical patent/CN106328478A/zh
Publication of CN106328478A publication Critical patent/CN106328478A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/10—Ion sources; Ion guns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/06—Electron- or ion-optical arrangements
    • H01J49/062—Ion guides
    • H01J49/063—Multipole ion guides, e.g. quadrupoles, hexapoles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/24—Vacuum systems, e.g. maintaining desired pressures

Abstract

一种产生低能离子的装置，该装置包括高能离子产生单元、离子聚焦单元、离子减速单元、离子选择单元以及真空腔，所述离子产生单元产生离子注入上述离子聚焦单元，离子经上述离子聚焦单元聚焦后输入上述离子减速单元，离子经离子减速单元减速后进入上述离子选择单元，由离子选择单元对离子进行筛选后输出所需低能离子，上述离子产生单元、离子聚焦单元、离子减速单元及离子选择单元都置于上述真空腔中。该装置可以通过添加不同的原子源，可以获得不同种类低能离子，具有普适性、低能量性，同时离子流可以连续产生，具有持续性。

Description

一种产生低能离子的装置
技术领域
本发明涉及原子分子物理学，更具体涉及低能离子产生技术。
背景技术
在原子分子物理学科中，离子产生技术至关重要，现阶段，离子的产生主要有电子轰击及光电离。对于电子轰击，其采用高速电子轰击靶原子，从而使原子电离形成离子，优势在于：由于电子能量较高且覆盖范围广，故其电离效率高，适用范围广，且结构简单操作方便；但其缺点也很明显：即离子能量分布不集中，离子能量过高，后续难以实现离子的囚禁等。
对于激光电离，优势在于电离的离子纯度高，能量低；其不足在于激光频率覆盖范围有限，获得大多数种类离子所需的电离能不在激光频率覆盖范围内。随着原子分子物理的发展，我们需要对一些难以激光电离获得，而又需要低能量加以囚禁的离子进行研究，就需要寻求其他的解决方法。本发明利用电子轰击靶原子产生高能离子，经由各部分进行聚焦、减速、筛选后可以获得同激光电离能量相仿，能用于进一步冷却，光谱实验的低能离子。
现阶段的高能离子源装置多采用聚焦电子束轰击靶原子技术，有效的产生大量的各种能级的离子再通过加速电极引出，这一方法在实验室已普遍使用，具体如R. A. Holt等的文献Metastable ion source ，Rev. Sci. Instrum.52(2), Feb, 1981 [1]，一般获得为能量在100 eV-MeV之间，具有一定宽度速度分布的离子束。
在离子束的传输及聚焦中，一般采用电场或磁场或混合场对离子束进行人为控制传输聚焦，而静电势的离子透镜是对离子束进行准直聚焦的最有效最简单的方法，如YorkUniversity在Characterization of a metastable lithium ion source 中的描述。利用静电场对离子进行聚焦、传输的方案，其原理简单，且相应的系统易于设计。
在离子囚禁领域，较为常见的Paul阱，由双曲面构成，但后经D. R. Denison在文献“Operating Parameters of a Quadrupole in a Grounded Cylindrical Housing[J]. J Vac. Sci Technol, 1971, 8(1): 266-269”中分析，在采用圆柱形四极杆电极取代双曲面极时，当圆柱形电极半径R与离子阱轴心到电极表面的距离r0满足R/r0=1.144时，阱的径向囚禁因子接近于1，此时势场非常接近双曲面谐振势，由此这一阱的尺寸参数被普遍应用。在质谱技术中，弯曲四极杆质谱分析得到了广泛应用，也有相关弯曲四极杆的详细分析，同样上述Paul阱几何参数的最优选择对弯曲的四极杆阱适用，但在弯曲部分需要对势场进行一定的补偿，具体有日本的WO 2012/124041 A1专利离子传输及质量分析装置有具体介绍，以及周晓煜的“离子阱质谱的非线性理论研究”有理论计算分析。
发明内容
本发明的目的是提供一种产生低能离子源的装置，该装置由高能离子产生单元、离子聚焦单元、离子减速单元、离子选择单元和真空腔组成。本发明在现有高能离子源技术和真空技术基础上，结合离子聚焦单元、离子减速单元和离子选择单元，完成离子的高能输入到低能输出，选择性获得所需低能离子，解决了部分离子无法低能获得的难题。本发明能通过添加不同的原子源，调节各部分的电势及射频参数获得不同种类低能离子，具有普适性，同时离子流获得具有连续性，离子低能性的特点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种产生低能离子源的装置，该装置由高能离子产生单元、离子聚焦单元、离子减速单元、离子选择单元和真空腔组成；
高能离子产生单元为现有技术；
离子聚焦单元由第一极板、第二极板、第三极板和陶瓷连接柱组成；三个极板均由直径相同的圆筒和圆锥连接构成，在圆锥顶端都开有小孔，第一极板、第二极板和第三极板的小孔直径比例为1：2：1，三个极板依次同轴同向固定在陶瓷连接柱上；
离子减速单元由圆形极板和光学支柱组成，圆形极板的圆心开有小孔，小孔直径和第一极板的小孔直径相同；圆形极板固定在光学支柱上；
离子选择单元由四极杆阱和支撑架组成，四极杆阱每个极杆半径为R，四极杆阱横截面中心距任意一根极杆表面的距离为r0，其中1.1≤R/r0≤1.2，四极杆阱弯曲成半径为r1的1/4圆弧形，用支撑架固定；
高能离子产生单元产生的离子输出方向与离子聚焦单元三个极板的中心轴、离子减速单元圆形极板的中心轴和离子选择单元输入端端面的中心轴重合，以上各单元均置于真空腔中，其中高能离子产生单元和离子聚焦单元以及离子聚焦单元和离子减速单元之间均用绝缘隔离板隔离。
本发明的优点在于，在现有高能离子源技术和真空技术的基础上，结合离子聚焦单元、离子减速单元和离子选择单元，完成离子的高能输入到低能输出，选择性获得所需低能离子，解决了部分离子无法低能获得的难题。
本发明能通过添加不同的原子源，调节各部分的电势及射频参数获得不同种类低能离子，具有普适性，同时离子流获得具有连续性，离子低能性的特点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中1为高能离子产生单元、2为离子聚焦单元、3为离子减速单元、4为离子选择单元、5为真空腔。
图2为离子聚焦单元的剖面图。
其中21为第一极板、22为第二极板、23为第三极板、24为陶瓷连接柱。
图3为离子减速单元的示意图。
其中31为圆形极板、32为光学支柱。
图4为离子选择单元的示意图。
其中41为四极杆阱、42为支撑架。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明作进一步的说明。
实施例一
由图1可知，一种产生低能离子源的装置，该装置由高能离子产生单元1、离子聚焦单元2、离子减速单元3、离子选择单元4和真空腔5组成。
高能离子产生单元为现有技术；
由图2可知，离子聚焦单元由第一极板21、第二极板22、第三极板23和陶瓷连接柱24组成；三个极板均由直径相同的圆筒和圆锥连接构成，在圆锥顶端都开有小孔，第一极板21、第二极板22和第三极板23的小孔直径比例为1：2：1，三个极板依次同轴同向固定在陶瓷连接柱上24；
由图3可知，离子减速单元由圆形极板31和光学支柱32组成，圆形极板31的圆心开有小孔，小孔直径和第一极板21的小孔直径相同；圆形极板31固定在光学支柱上；
由图4可知，离子选择单元由四极杆阱41和支撑架42组成，四极杆阱41每个极杆半径为R，四极杆阱41横截面中心距任意一根极杆表面的距离为r0，其中1.1≤R/r0≤1.2，四极杆阱41弯曲成半径为r1的1/4圆弧形，用支撑架42固定；
高能离子产生单元1产生的离子输出方向与离子聚焦单元2三个极板的中心轴、离子减速单元3圆形极板31的中心轴和离子选择单元输入端端面的中心轴重合，以上各单元均置于真空腔5中，其中高能离子产生单元1和离子聚焦单元2以及离子聚焦单元2和离子减速单元3之间均用绝缘隔离板隔离。
上述第一极板21小孔直径的取值范围为2 mm-10 mm之间。
上述极杆半径2 mm≤R≤5 mm，四极杆阱41弯曲成半径40 mm≤r1≤100 mm。
上述真空腔真空度优于10-6 pa。
本发明的工作流程为：
高能离子产生单元1产生的高能离子束流输入到离子聚焦单元2的第一极板21进行准直加速，经第二极板22进行减速扩束，再经第三极板23完成加速聚焦，聚焦后的离子流到达离子减速单元3通过减速单元3的圆形极板31的高电势使得大多数离子减速成为低能离子，将减速后的离子导入离子选择单元4，当离子通过离子四极杆阱41时，高能离子将无法被四极杆阱41约束，从而脱离四极杆阱41的束缚；而满足需求的低能离子受四极杆阱41的约束，顺着四极杆阱41的弧度从四极杆阱41的另一端输出，四极杆阱41输出的离子即为所需的低能离子。
实施例二
一种产生低能离子源的装置，该装置由高能离子产生单元1、离子聚焦单元2、离子减速单元3、离子选择单元4和真空腔5组成。
高能离子产生单元为现有技术，通过高能离子产生单元1产生500 eV能量的Li+束流输入到离子聚焦单元2；
离子聚焦单元由第一极板21、第二极板22、第三极板23和陶瓷连接柱24组成；三个极板均由直径相同的圆筒和圆锥连接构成，在圆锥顶端都开有小孔，第一极板21、第二极板22和第三极板23的小孔直径分别为4 mm，8 mm，4 mm，三个极板依次同轴同向固定在陶瓷连接柱24上；离子束流从第一极板21的小孔进入离子聚焦单元2依次通过第一极板21、第二极板22和第三极板23，三个极板分别加电势为-1000 V，-750 V，-1000 V，从第三极板23输出的离子为高速聚焦的Li+束，该Li+束将输入离子减速单元3；
离子减速单元由圆形极板31和光学支柱32组成，圆形极板31的圆心开有小孔，小孔直径为4 mm；圆形极板31固定在光学支柱上；圆形极板31所加电势为0 V，Li+束流通过圆形极板31小孔，能量大部分减速到10 eV以下，减速后的离子直接引入到离子选择单元4；
离子选择单元由四极杆阱41和支撑架42组成，四极杆阱41每个极杆半径为R，四极杆阱41横截面中心距任意一根极杆表面的距离为4 mm，，四极杆阱41弯曲成半径为50 mm的1/4圆弧形，用支撑架42固定；离子从四极杆阱41输入端面输入，四极杆阱41上加上合适的射频场及静电场，使满足质荷比为7且能量小于势阱深度的离子能在四极杆阱41中被径向囚禁，则能量小于势阱深度的Li+将沿着四极杆阱41中心走，能量大于势阱深度或不满足质荷比要求的离子将无法被约束，从而脱离四极杆阱41，最后从四极杆阱41另一端输出的离子即为所需的低能离子。
上述所有部件置于真空度为10-6 pa的真空腔体中。
实施例三
一种产生低能离子源的装置，该装置由高能离子产生单元1、离子聚焦单元2、离子减速单元3、离子选择单元4和真空腔5组成。
高能离子产生单元为现有技术，通过高能离子产生单元1产生100 eV能量的Ca+束流输入到离子聚焦单元2；
离子聚焦单元由第一极板21、第二极板22、第三极板23和陶瓷连接柱24组成；三个极板均由直径相同的圆筒和圆锥连接构成，在圆锥顶端都开有小孔，第一极板21、第二极板22和第三极板23的小孔直径分别为4 mm，8 mm，4 mm，三个极板依次同轴同向固定在陶瓷连接柱24上；离子束流从第一极板21的小孔进入离子聚焦单元2依次通过第一极板21、第二极板22和第三极板23，三个极板分别加电势为-2000 V，-1500 V，-2000 V，从第三极板23输出的离子为高速聚焦的Ca+束，该Ca+束将输入离子减速单元3；
离子减速单元由圆形极板31和光学支柱32组成，圆形极板31的圆心开有小孔，小孔直径为4mm；圆形极板31固定在光学支柱上；圆形极板31所加电势为0V，Ca+束流通过圆形极板31小孔，能量大部分减速到10 eV以下，减速后的离子直接引入到离子选择单元4；
离子选择单元由四极杆阱41和支撑架42组成，四极杆阱41每个极杆半径为R，四极杆阱41横截面中心距任意一根极杆表面的距离为4 mm，，四极杆阱41弯曲成半径为50 mm的1/4圆弧形，用支撑架42固定；离子从四极杆阱41输入端面输入，四极杆阱41上加上合适的射频场及静电场，使满足质荷比为40且能量小于势阱深度的离子能在四极杆阱41中被径向囚禁，则能量小于势阱深度的Ca+将沿着四极杆阱41中心走，能量大于势阱深度或不满足质荷比要求的离子将无法被约束，从而脱离四极杆阱41，最后从四极杆阱41另一端输出的离子即为所需的低能离子。
上述所有部件置于真空度为10-6 pa的真空腔体中。

Claims (4)

1.一种产生低能离子源的装置，其特征在于，该装置由高能离子产生单元（1）、离子聚焦单元（2）、离子减速单元（3）、离子选择单元（4）和真空腔（5）组成；
其中：离子聚焦单元由第一极板（21）、第二极板（22）、第三极板（23）和陶瓷连接柱（24）组成；三个极板均由直径相同的圆筒和圆锥连接构成，在圆锥顶端都开有小孔，第一极板（21）、第二极板（22）和第三极板（23）的小孔直径比例为1：2：1，三个极板依次同轴同向固定在陶瓷连接柱上（24）；
离子减速单元由圆形极板（31）和光学支柱（32）组成，圆形极板（31）的圆心开有小孔，小孔直径和第一极板（21）的小孔直径相同；圆形极板（31）固定在光学支柱上；
离子选择单元由四极杆阱（41）和支撑架（42）组成，四极杆阱（41）每个极杆半径为R，四极杆阱（41）横截面中心距任意一根极杆表面的距离为r0，其中1.1≤R/r0≤1.2，四极杆阱（41）弯曲成半径为r1的1/4圆弧形，用支撑架（42）固定；
高能离子产生单元（1）产生的离子输出方向与离子聚焦单元（2）三个极板的中心轴、离子减速单元（3）圆形极板（31）的中心轴和离子选择单元输入端端面的中心轴重合，以上各单元均置于真空腔（5）中，其中高能离子产生单元（1）和离子聚焦单元（2）以及离子聚焦单元（2）和离子减速单元（3）之间均用绝缘隔离板隔离。
2.根据权利要求1所述的一种产生低能离子源的装置，其特征在于，所述的第一极板（21）小孔直径的取值范围为2 mm-10 mm之间。
3.根据权利要求1所述的一种产生低能离子源的装置，其特征在于，所述的极杆半径R，2 mm≤R≤5 mm，四极杆阱（41）弯曲成的半径r1，40 mm≤r1≤100 mm。
4.根据权利要求1所述的一种产生低能离子源的装置，其特征在于，所述的真空腔（5）的真空度优于10-6Pa。
CN201610949340.8A 2016-10-27 2016-10-27 一种产生低能离子的装置 Pending CN106328478A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610949340.8A CN106328478A (zh) 2016-10-27 2016-10-27 一种产生低能离子的装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610949340.8A CN106328478A (zh) 2016-10-27 2016-10-27 一种产生低能离子的装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106328478A true CN106328478A (zh) 2017-01-11

Family

ID=57818711

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610949340.8A Pending CN106328478A (zh) 2016-10-27 2016-10-27 一种产生低能离子的装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106328478A (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5365070A (en) * 1992-04-29 1994-11-15 The Regents Of The University Of California Negative ion beam injection apparatus with magnetic shield and electron removal means
CN1663013A (zh) * 2002-06-15 2005-08-31 Nfab有限公司 粒子束发生器
WO2012124041A1 (ja) * 2011-03-14 2012-09-20 株式会社島津製作所 イオンガイド及び質量分析装置
CN103165391A (zh) * 2011-12-19 2013-06-19 中国科学院大连化学物理研究所 一种高价离子源的调制装置
CN104952681A (zh) * 2014-03-27 2015-09-30 斯伊恩股份有限公司 离子注入装置、最终能量过滤器以及离子注入方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5365070A (en) * 1992-04-29 1994-11-15 The Regents Of The University Of California Negative ion beam injection apparatus with magnetic shield and electron removal means
CN1663013A (zh) * 2002-06-15 2005-08-31 Nfab有限公司 粒子束发生器
WO2012124041A1 (ja) * 2011-03-14 2012-09-20 株式会社島津製作所 イオンガイド及び質量分析装置
CN103165391A (zh) * 2011-12-19 2013-06-19 中国科学院大连化学物理研究所 一种高价离子源的调制装置
CN104952681A (zh) * 2014-03-27 2015-09-30 斯伊恩股份有限公司 离子注入装置、最终能量过滤器以及离子注入方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lozano Energy properties of an EMI-Im ionic liquid ion source
CN106415777A (zh) 具有轴向脉动转换器的多反射飞行时间质谱仪
JP2007207689A (ja) 反応装置及び質量分析装置
US20080203292A1 (en) Mass spectrometer
JP2021525446A (ja) コンパクトな高エネルギーイオン注入システム
JP2007066533A (ja) レーザー照射質量分析装置
ITTO20140088U1 (it) Sorgente di ioni magnetica assiale e relativi metodi di ionizzazione.
EP2478546B1 (en) Distributed ion source acceleration column
CN103560070B (zh) 离子光学装置、离子源及利用离子源产生目标离子的方法
Martschini et al. Selective laser photodetachment of intense atomic and molecular negative ion beams with the ILIAS RFQ ion beam cooler
US11201048B2 (en) Quadrupole devices
CN103645240B (zh) 使用二次离子质谱仪同时分析非金属元素和金属元素的系统和方法
US20140326874A1 (en) Printed circuit board multipole units used for ion transportation
US9230789B2 (en) Printed circuit board multipole for ion focusing
CN103531432B (zh) 一种脉冲式离子源、质谱仪及产生离子的方法
Förstel et al. Improved tandem mass spectrometer coupled to a laser vaporization cluster ion source
CN206148395U (zh) 一种产生低能离子的装置
CN106328478A (zh) 一种产生低能离子的装置
Mostamand et al. Production of clean rare isotope beams at TRIUMF ion guide laser ion source
JPS61195554A (ja) 飛行時間型質量分析計
US20160020064A1 (en) Apparatus for focusing and for storage of ions and for separation of pressure areas
KR100866980B1 (ko) 평판형 냉음극 전자총
JPS61114453A (ja) 荷電粒子線装置
Mihaila et al. Generation of Picosecond Ion Pulses by Ultrafast Electron-Stimulated Desorption
CN108024439A (zh) 一种离子rf加速结构及应用该结构的离子注入机

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20170111

RJ01 Rejection of invention patent application after publication