CN106653559A - 一种具有宽能量聚焦反射器的飞行时间质谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种针对飞行时间质谱的宽能量聚焦反射器设计方法。针对具有较宽能量分布的离子，采用数值计算方法设计了由多级电场组成的反射器的各级电场尺寸与各极板需要加载的电压，实现离子的飞行时间聚焦，从而提高飞行时间质谱的分辨率。该反射器对机械加工和装配精度的要求较低。该反射器不必在每两级电场之间都设计栅网，只需保留前两级栅网即可，这样可以保证反射器具有较高的离子传输效率，此时，可以通过微调电压补偿电场渗透带来的影响。

Description

一种具有宽能量聚焦反射器的飞行时间质谱仪

技术领域

本发明属于质谱仪器技术领域，可应用于反射式飞行时间质谱仪设计，尤其涉及一种飞行时间质谱仪中的反射器，该反射器能够实现宽能量分布的离子的飞行时间聚焦。

背景技术

飞行时间质谱的分辨率R＝t/2Δt，其中，t是离子飞行的平均时间，Δt是离子飞行的时间差。离子的飞行时间差会随着离子的能量色散的增大而增大，因此离子的能量色散是影响飞行时间质谱仪分辨的一个主要因素。

在飞行时间质谱仪中采用反射器可以实现能量时间聚焦，从而提高飞行时间质谱仪的分辨率。目前，飞行时间质谱仪中反射器的设计方法主要是通过使飞行时间对离子能量色散的一阶导数和二阶导数甚至更高阶导数为零，从而设计反射器的尺寸、电压等。当飞行时间对离子能量色散的一阶导数为零时，就可称为一阶聚焦；当飞行时间对离子能量色散的一阶和二阶导数同时为零时，就可称为二阶聚焦。如图4和图5分别是一阶聚焦和二阶聚焦时，离子飞行时间与离子能量的关系示意图。其特点是在该中心离子能量附近，飞行时间相对于离子能量的变化率非常小，因此在较小能量范围内，离子的飞行时间差很小，因此能够实现很高的分辨率。但由于在该中心能量之前或之后，飞行时间相对于能量的变化是单调的，因此，在离子能量进一步偏离中心能量的时候，总的飞行时间差将迅速增大，致使分辨率迅速降低。

发明内容

为了解决离子在较大能量色散下的飞行时间聚焦，提高飞行时间质谱的分辨率，本发明提供了一种具有宽能量聚焦反射器的飞行时间质谱仪。该飞行时间质谱仪可以在相对能量色散很高的情况下，实现较高的分辨率。

本发明的技术解决方案是提供一种具有宽能量聚焦反射器的飞行时间质谱仪，包括离子源、加速区、自由漂移区、反射器及探测器，其特征在于：所述反射器包括依次间隔距离放置的多片电极，每两片电极组成一级电场；

通过下述步骤计算每一级电场的长度和电压：

1)确定基本参数

确定自由漂移区长度为L，确定离子能量范围为[U_minq,U_maxq]，确定要实现的分辨率为R；其中q为元电荷，U_min＝U+U_{ini_min}，U_max＝U+U_{ini_max}，U为加速场的加速电压，U_{ini_min}为离子的最小初始能量，U_{ini_max}为离子的最大初始能量；

2)设反射器的初始级数i＝2；

3)通过使离子飞行时间对离子能量色散的二阶导数为零，确定反射器前两级电场的长度D₁和D₂、电势差U₁和U₂、电场强度E₁和E₂以及能量为U_min的离子的飞行时间t₀；

具体通过下述步骤计算：

3.1)确定反射器第一级长度(即第一级电场的长度)D₁＝αL，其中α＜0.25，本方法取0.01；

3.2)根据公式(1)计算反射器的第一级电势差

3.3)根据公式(2)计算反射器的第二级电场强度

3.4)计算反射器的第二级电场电势差U₂＝U_min-U₁，计算反射器的第二级电场长度

3.5)确定能量为U_min的离子的飞行时间t₀。

4)计算离子的最大飞行时间差

5)当时，结束计算；否则，增加反射器级数i＝i+1，通过下述步骤计算该级电场长度D_i、电势差U_i和电场强度E_i；

6)令U′_max＝2U′_min，E_min＝E_i-1，E_max＝2E_i-1

7)

计算E_i＝E_middle时，能量介于[U'_minq,U'_max q]的离子的最小飞行时间t_min；

当t_min>t₀-Δt时，取E_min＝E_middle，否则，取E_max＝E_middle；

当E_max-E_min＜0.0001时，进行步骤8)，否则返回步骤7)；

8)

在(U'_minq,U'_max q)中寻找飞行时间为t₀的离子能量值U_xq；

U_i＝U_x

返回步骤5)，当时，结束计算；否则继续增加反射器的级数。

上述所有电极的圆孔上均设置有栅网。

依据本方法设计的反射器实际上只需保留前两级栅网即可。

在计算过程中，第三级及之后的电场长度采用向下取整的原则保留至mm量级。

本发明的有益效果是：

1、本发明反射器采用多级电场设计，每一级电场通过相邻两片电极加载一定电压差，间隔一定距离放置实现，通过设计每一级电场的尺寸(长度)和电压差，使在要聚焦的能量范围内，离子的飞行时间不再是随着能量的增加或减小而单调变化，而是如图6和图7所示，始终控制在一定范围内，从而可以在很宽的能量范围内实现较小的飞行时间差，进而实现较高的分辨率。

2、对电场尺寸的精度要求较低，除前两级实现二阶聚焦，需精确到0.1mm外，其余尺寸均只需精确到mm量级即可。

附图说明

图1为反射器各级电场长度和电势差计算总流程图；

图2为反射器前两级电场长度和电势差计算流程图；

图3为反射器第二级及之后电场长度和电势差计算流程图；

图4为传统聚焦方式，奇数阶聚焦示例；

图5为传统聚焦方式，偶数数阶聚焦示例；

图6为采用宽能量聚焦反射器，在自由漂移区长1m，针对离子[2000eV,3000eV]的能量范围，实现分辨率4000时，离子飞行时间相对于离子能量的关系；

图7为降低装配精度至mm量级(除第二级电场以外)，在自由漂移区长1m，针对离子[2000eV,3000eV]的能量范围，实现分辨率4000时，离子飞行时间相对于离子能量的关系；

图8为宽能量聚焦多级反射器结构示意图；

图9为反射器在飞行时间质量分析器中安装示意图；

图10为只保留前两级栅网的宽能量反射器实现示意图；

图11针只保留前两级栅网，经微调电压改善电场渗透后，离子飞行时间相对于离子能量的关系。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明做进一步的描述。

如图8所示，本发明宽能量聚焦多级反射器的结构由多级电场组成，每级电场由两片带栅网的电极控制。图9为该多级反射器在飞行时间质谱仪中的安装示意图，根据图1、2和3流程图设计各级电场长度及电势差，

一、确定基本参数，包括自由漂移区长度为L，离子能量范围[U_minq,U_maxq]，及要实现的分辨率为R；

二、假设反射器的级数为两级，即i＝2；

通过使离子飞行时间对离子能量色散的二阶导数为零，确定反射器前两级电场的长度D₁和D₂、电势差U₁和U₂、电场强度E₁和E₂以及能量为U_min的离子的飞行时间t₀；

具体为：

1)确定反射器第一级长度D₁＝αL，其中α＜0.25，本方法取0.01；

2)根据公式(1)计算反射器的第一级电势差

3)根据公式(2)计算反射器的第二级电场强度

4)计算反射器的第二级电场电势差U₂＝U_min-U₁，计算反射器的第二级电场长度

5)根据运动过程中匀加速、匀减速、匀速运动规律确定能量为U_minq的离子的飞行时间t₀，

t₀计算步骤：

取离子质量数M＝150(注：以下质量数取相同值，该值任意取，最终设计结果与该值无关)，则可以计算离子在自由漂移区的飞行速度v₁

其中m_u为一个质子或一个中子的质量，取为1.67e-27Kg。

则离子在自由漂移区中的飞行时间t₁＝L/v₁

离子在第一级反射场中的加速度

则离子飞出该场时的速度v₂可通过下式计算

则离子在该场中的飞行时间t₂＝2(v₁-v₂)/a₁

离子从第二级反射场反射回去，在该场中离子的加速度为

在该场中的飞行时间为t₃＝2v₂/a₂

则

t₀＝t₁+t₂+t₃

三、在确定了前两级电场的各参数时，接着通过公式(4)计算满足分辨率要求时，离子的最大飞行时间差；

四、然后计算当结束计算；否则，增加反射器级数i＝i+1，通过下述步骤计算该级电场长度D_i、电势差U_i和电场强度E_i；

a)令U′_max＝2U′_min，E_min＝E_i-1，E_max＝2E_i-1

b)

计算E_i＝E_middle时，能量介于[U'_minq,U'_max q]的离子的最小飞行时间t_min；

计算过程中每次增加0.01eV，计算飞行时间t'，并从中得知最小飞行时间；

飞行时间t'的计算过程如下：

先计算离子在自由漂移区的飞行速度v₁

其中m_u为一个质子或一个中子的质量，取为1.67e-27Kg。U'q为计算过程中离子的能量。

则离子在自由漂移区中的飞行时间t₁＝L/v₁；

离子在第j(j＝1,2,…,i-1)级反射场中的加速度

则离子飞出该场时的速度v_j+1

可通过下式计算

则离子在该场中的飞行时间t_j+1＝2(v_j-v_j+1)/a_j

离子从第i级反射场反射回去，在该场中离子的加速度为

在该场中的飞行时间为t_i+1＝2v_i/a_i

则

当t_min>t₀-Δt时，取E_min＝E_middle，否则，取E_max＝E_middle；

当E_max-E_min＜0.0001时，进行步骤c)，否则返回步骤b)；

c)

在(U'_minq,U'_max q)中寻找飞行时间为t₀的离子能量值U_xq；

U_i＝U_x

五、返回步骤四。

其离子飞行时间与离子能量的关系不再如传统的聚焦方式那样，随着能量色散的进一步增大，离子的飞行时间差迅速增大，而是始终控制在一定范围内，从而针对较宽能量分布的离子实现较佳的能量时间聚焦，进而实现较高的分辨率。

实施例一

本实施例针对分辨率为3000、4000、5000、6000和7000，利用上述计算方法分别计算了反射器各级电场长度相对于自由漂移区长度的比例关系和反射器各级电场电势差(V)相对于要聚焦的离子的最低能量(eV)的比例关系如表1所示。在计算中，计算了15阶电场的长度与电势差，实际阶数可根据能量范围的大小进行选取。

表1针对不同的分辨率，宽能量聚焦反射器各级电场长度相对于自由漂移区长度的关系

以及各级电场电势差相对于聚焦的离子最小能量(单位：eV)的关系

假设需要聚焦的离子能量范围为[2000eV,3000eV]，需要实现的分辨率为4000，自由漂移区长度为1m。则根据表1分辨率为4000时的各级电场电压差相对于聚焦范围内离子最小能量(此处为2000eV)的百分比和各级电场长度相对于自由漂移区(此处为1m)的百分比，可以计算得到各级电场长度、电势差以及极板电压如表2所示。且可以计算得到需要13级电场即可(因第13级电极电压已经大于3000V，此时3000eV的离子被该级电场反射了回去，因此后续电场不起作用)。根据带电粒子在电场中运动规律，可以计算得到离子飞行时间和能量的关系如图6所示。

表2针对离子能量范围[2000eV,3000eV]，需要实现的分辨率为4000，自由漂移区长度为1m的情况，计算得到的各级电场长度、电势差及各极板电压。

实施例二

如图10所示，本实施例二与实施例一不同的是该反射器只保留了前两级栅网，可以显著提高离子的传输效率，后续电场间微弱的电场渗透可以通过微调电压予以补偿。此时，针对分辨率为3000、4000、5000、6000和7000，依据图1、2和3计算流程可计算得到，反射器各级电场长度相对于自由漂移区长度的比例关系和反射器各级电场电势差(V)相对于要聚焦的离子的最低能量(eV)的比例关系如表3所示。由于去掉了一些栅网，导致相邻电场之间存在微弱渗透，因此，该计算电压非最终电压，还需经过微调来补偿电场渗透带来的影响。

表3降低装配精度为mm级，针对不同的分辨率，宽能量聚焦反射器各级电场长度相对于自由漂移区长度的关系以及各级电场电势差相对于聚焦的离子最小能量(单位：eV)的关

假设需要聚焦的离子能量范围为[2000eV,3000eV]，需要实现的分辨率为4000，自由漂移区长度为1m。则根据表3分辨率为4000时的各级电场电压差相对于聚焦范围内离子最小能量(此处为2000eV)的百分比和各级电场长度相对于自由漂移区(此处为1m)的百分比，可以计算得到各级电场长度、电势差以及极板电压如表4所示。且可以计算得到需要13级电场即可。根据带电粒子在电场中运动规律，可以计算得到离子飞行时间和能量的关系如图7所示。

表4电场长度精确到mm量级(除第二级电场长度精确到0.1mm)时，宽能量聚焦反射器尺寸及应加电压实例(自由漂移区长度L＝1m，能量聚焦范围[2000eV，3000eV]，实现分辨率为4000)

电场序号	长度/cm	电势差/V	极板电压/V
				1	1	1360.00	1360.00
2	4.73	640.00	2000.00
				3	1.7	230.37	2230.37
4	0.8	108.79	2339.16
				5	0.7	95.53	2434.69
6	0.6	82.24	2516.93
				7	0.5	68.81	2585.74
8	0.5	69.06	2654.80
				9	0.5	69.37	2724.17
10	0.5	69.67	2793.84
				11	0.5	70	2863.84
12	0.5	70.35	2934.19
				13	0.5	70.7	3004.89

由于第三级电场之后已经去掉了栅网，后续电场间存在微弱电场渗透，这一状况可以通过依次微调后续电极电压予以改善。在调节之后，离子的飞行时间和离子的能量关系如图11所示。此时实现分辨率约为

Claims (5)

1.一种具有宽能量聚焦反射器的飞行时间质谱仪，包括离子源、加速区、自由漂移区、反射器及探测器，其特征在于：所述反射器包括依次间隔距离放置的多片电极，所述电极中心设置有圆孔，每两片电极组成一级电场；

通过下述步骤计算每一级电场的长度和电压：

1)确定基本参数

确定自由漂移区长度为L，确定离子能量范围为[U_minq,U_maxq]，确定要实现的分辨率为R；其中q为元电荷，U_min＝U+U_{ini_min}，U_max＝U+U_{ini_max}，U为加速场的加速电压，U_{ini_min}为离子的最小初始能量，U_{ini_max}为离子的最大初始能量；

2)设反射器的初始级数i＝2；

3)通过使离子飞行时间对离子能量色散的二阶导数为零，确定反射器前两级电场的长度D₁和D₂、电势差U₁和U₂、电场强度E₁和E₂以及能量为U_min的离子的飞行时间t₀；

4)计算离子的最大飞行时间差

$\mathrm{\Δ}t=\frac{t_0}{2R}$

5)当时，结束计算；否则，增加反射器级数i＝i+1，通过下述步骤计算该级电场长度D_i、电势差U_i和电场强度E_i；

6)令U′_max＝2U′_min，E_min＝E_i-1，E_max＝2E_i-1

7)则

$E_{middle}=\frac{E_{max}+E_{\min }}{2}$

计算E_i＝E_middle时，能量介于[U'_minq,U'_maxq]的离子的最小飞行时间t_min；

当t_min>t₀-Δt时，取E_min＝E_middle，否则，取E_max＝E_middle；

当E_max-E_min＜0.0001时，进行步骤8)，否则返回步骤7)；

8)

$E_i=\frac{E_{max}+E_{min}}{2}$

在(U'_minq,U'_maxq)中寻找飞行时间为t₀的离子能量值U_xq；

U_i＝U_x

$D_i=\frac{U_i}{E_i}$

9)返回步骤5)。

2.根据权利要求1所述的具有宽能量聚焦反射器的飞行时间质谱仪，其特征在于：步骤3)具体为：

1)确定反射器第一级长度D₁＝αL，其中α＜0.25，本方法取0.01；

2)根据公式(1)计算反射器的第一级电势差

$U_1=\frac{4}{3}\left(\frac{1}{2}+\frac{D_1}{L}\right)U_{\min }---\left(1\right)$

3)根据公式(2)计算反射器的第二级电场强度

$E_2=\frac{U_{min}}{L}\frac{2{\left(1-\frac{U_1}{U_{\min }}\right)}^{-1/2}}{\frac{1}{2}-2\frac{D_1}{L}\frac{U_{\min }}{U_1}\left(1-{\left(1-\frac{U_1}{U_{\min }}\right)}^{-1/2}\right)}---\left(2\right)$

4)计算反射器的第二级电场电势差U₂＝U_min-U₁，计算反射器的第二级电场长度

$D_2=\frac{U_2}{E_2}---\left(3\right)$

5)确定能量为U_min的离子的飞行时间t₀。

3.根据权利要求1所述的具有宽能量聚焦反射器的飞行时间质谱仪，其特征在于：所述所有电极的圆孔上均设置有栅网。

4.根据权利要求1所述的具有宽能量聚焦反射器的飞行时间质谱仪，其特征在于：所述前两片电极上设置有栅网。

5.根据权利要求1所述的具有宽能量聚焦反射器的飞行时间质谱仪，其特征在于：步骤6)和步骤7)中的计算结果保留至mm量级。