CN107968034B - 一种堆叠环离子传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种堆叠环离子传输装置，其包括用于聚焦和导引带电离子的堆叠环离子传输部件、控制模块、数字调制电压模块、直流电压模块和耦合模块，控制模块的输出端分别与数字调制电压模块的控制端和直流电压模块的控制端连接，数字调制电压模块的输出端和直流电压模块的输出端分别与耦合模块的输入端连接，耦合模块的输出端与堆叠环离子传输部件连接，耦合模块的反馈端与直流电压模块的输入端连接；优点是其采用数字调制电压和直流电压耦合驱动，其质量检测范围宽，且离子聚焦好。
Description
技术领域
本发明涉及一种离子传输技术，尤其是涉及一种数字调制电压和直流电压耦合驱动的堆叠环离子传输装置。
背景技术
现有的堆叠环离子传输装置通常通过射频正弦波驱动，这种射频正弦波驱动的堆叠环离子传输装置存在以下几点不足：
1)质量检测范围不够宽：采用射频正弦波驱动，在堆叠环离子传输时存在难以控制高质量离子聚焦的现象，导致高质量离子无法通过该堆叠环离子传输装置，导致高质量截止现象，不能很好地适应蛋白质等大分子检测的需要。
2)离子聚焦差：采用射频正弦波驱动，会在堆叠环离子传输的多电极区域产生较大的势垒，阻碍低质量离子通过，导致低质量离子截止现象发生，降低了低质量离子通过该堆叠环离子传输装置的概率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种堆叠环离子传输装置，其采用数字调制电压和直流电压耦合驱动，其质量检测范围宽，且离子聚焦好。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种堆叠环离子传输装置，包括用于聚焦和导引带电离子的堆叠环离子传输部件，其特征在于：还包括控制模块、数字调制电压模块、直流电压模块和耦合模块，所述的控制模块的输出端分别与所述的数字调制电压模块的控制端和所述的直流电压模块的控制端连接，所述的数字调制电压模块的输出端和所述的直流电压模块的输出端分别与所述的耦合模块的输入端连接，所述的耦合模块的输出端与所述的堆叠环离子传输部件连接，所述的耦合模块的反馈端与所述的直流电压模块的输入端连接。
所述的堆叠环离子传输部件由绝缘座、至少十个环电极、用于间隔所述的环电极的绝缘片组成，所述的绝缘座上在同一侧设置有多根绝缘棒，所述的环电极和所述的绝缘片以一片所述的绝缘片间隔相邻两个所述的环电极的方式紧密堆叠套接于所有所述的绝缘棒上，与所述的绝缘座的侧面接触的所述的环电极为金属板电极，其余所有所述的环电极均为PCB板电极，每个所述的PCB板电极和所述的金属板电极的中央区域上均开设有第一中心圆孔，所有所述的第一中心圆孔的位置对应且孔径一致，使所有所述的第一中心圆孔构成一个圆柱孔，所述的PCB板电极上的所述的第一中心圆孔的孔壁上设置有导电层，所述的PCB板电极的四周区域上均开设有用于填充金属粒的粒子填孔，所述的粒子填孔内选择性地填充用于传递数字调制电压或直流电压的金属粒，所述的绝缘片的中央区域上开设有第二中心圆孔，所述的第二中心圆孔的位置与所述的第一中心圆孔的位置相对应，所述的第二中心圆孔的孔径大于所述的第一中心圆孔的直径。在此，数字调制电压模块输出的数字调制电压和直流电压模块输出的直流电压通过耦合模块连接到每个PCB板电极上的导电层上，为每个PCB板电极提供合适的电压，数字调制电压使每个PCB板电极产生限制离子运动的电场，可以有效地聚集并限制、传输离子，直流电压产生的直流梯度能为离子提供动能，加速离子前进并减少离子所受到的阻碍；直流电压模块输出的直流电压直接接入金属板电极。
所述的堆叠环离子传输部件由绝缘座、至少十个环电极、用于间隔所述的环电极的绝缘片组成，所述的绝缘座上在同一侧设置有多根绝缘棒，所述的环电极和所述的绝缘片以一片所述的绝缘片间隔相邻两个所述的环电极的方式紧密堆叠套接于所有所述的绝缘棒上，与所述的绝缘座的侧面接触的所述的环电极为金属板电极，其余所有所述的环电极均为PCB板电极，每个所述的PCB板电极和所述的金属板电极的中央区域上均开设有第一中心圆孔，所有所述的第一中心圆孔的位置对应，自距离所述的金属板电极最远的所述的PCB板电极至所述的金属板电极的所有所述的第一中心圆孔的孔径依次有序递减，使所有所述的第一中心圆孔构成一个圆台孔，所述的金属板电极上的所述的第一中心圆孔的孔径大于1mm，所述的PCB板电极上的所述的第一中心圆孔的孔壁上设置有导电层，所述的PCB板电极的四周区域上均开设有用于填充金属粒的粒子填孔，所述的粒子填孔内选择性地填充用于传递数字调制电压或直流电压的金属粒，所述的绝缘片的中央区域上开设有第二中心圆孔，所述的第二中心圆孔的位置与所述的第一中心圆孔的位置相对应，所述的第二中心圆孔的孔径大于相邻两个所述的第一中心圆孔中的大直径。在此，在此，数字调制电压模块输出的数字调制电压和直流电压模块输出的直流电压通过耦合模块连接到每个PCB板电极上的导电层上，为每个PCB板电极提供合适的电压，使每个PCB板电极产生限制离子运动的电场，引导和聚焦离子；直流电压模块输出的直流电压直接接入金属板电极；第一中心圆孔的孔径依次有序递减的规律为直线型(以等差数列形式递减)、抛物线型、反抛物线型等；第一中心圆孔的孔径依次有序递减有助于逐渐压缩离子运动范围，有助于离子完成聚焦并通过传输区域的出口，从而减小了离子射出区域范围，减小了离子射出过程中离子损耗。
所述的堆叠环离子传输部件由绝缘座、至少十个环电极、用于间隔所述的环电极的绝缘片组成，所述的绝缘座上在同一侧设置有多根绝缘棒，所述的环电极和所述的绝缘片以一片所述的绝缘片间隔相邻两个所述的环电极的方式紧密堆叠套接于所有所述的绝缘棒上，与所述的绝缘座的侧面接触的所述的环电极为金属板电极，其余所有所述的环电极均为PCB板电极，每个所述的PCB板电极和所述的金属板电极的中央区域上均开设有第一中心圆孔，所有所述的第一中心圆孔的位置对应，自距离所述的金属板电极最远的所述的PCB板电极至中间的一个位置上的所述的PCB板电极的所有所述的第一中心圆孔的孔径一致，自中间的一个位置上的该所述的PCB板电极至所述的金属板电极的所有所述的第一中心圆孔的孔径依次有序递减，使所有所述的第一中心圆孔构成一个漏斗形孔，所述的金属板电极上的所述的第一中心圆孔的孔径大于1mm，所述的PCB板电极上的所述的第一中心圆孔的孔壁上设置有导电层，所述的PCB板电极的四周区域上均开设有用于填充金属粒的粒子填孔，所述的粒子填孔内选择性地填充用于传递数字调制电压或直流电压的金属粒，所述的绝缘片的中央区域上开设有第二中心圆孔，所述的第二中心圆孔的位置与所述的第一中心圆孔的位置相对应，所述的第二中心圆孔的孔径大于相邻两个所述的第一中心圆孔中的大直径。在此，在此，数字调制电压模块输出的数字调制电压和直流电压模块输出的直流电压通过耦合模块连接到每个PCB板电极上的导电层上，为每个PCB板电极提供合适的电压，使每个PCB板电极产生限制离子运动的电场，引导和聚焦离子；直流电压模块输出的直流电压直接接入金属板电极；第一中心圆孔的孔径依次有序递减的规律为直线型(以等差数列形式递减)、抛物线型、反抛物线型等；第一中心圆孔的孔径依次有序递减有助于逐渐压缩离子运动范围，有助于离子完成聚焦并通过传输区域的出口，从而减小了离子射出区域范围，减小了离子射出过程中离子损耗。
所有所述的PCB板电极上均印刷有子电路，距离所述的金属板电极最近的所述的PCB板电极上还印刷有反馈电路，所述的耦合模块由所有所述的子电路及所述的反馈电路连接构成，所述的反馈电路的输出端为所述的耦合模块的反馈端。通过将子电路印刷于PCB板电极上不仅能有效减少堆叠环离子传输部件在真空区域所占体积以增加真空区域的利用率，而且可以避免繁琐电气导线连接。
所述的绝缘座上在同一侧设置有四根所述的绝缘棒，所述的PCB板电极、所述的金属板电极和所述的绝缘片各自的四角区域上各设置有与所述的绝缘棒相适配的固定孔。
所述的PCB板电极、所述的金属板电极和所述的绝缘片的厚度一致。
将距离所述的金属板电极最远的所述的PCB板电极作为第1个所述的PCB板电极，依次类推，将距离所述的金属板电极最近的所述的PCB板电极作为最后一个所述的PCB板电极；
第1个所述的PCB板电极上的所述的子电路包括一个第一电容和两个第一电阻，第2个所述的PCB板电极至最后一个所述的PCB板电极各自上的所述的子电路包含的元器件相同，第2个所述的PCB板电极包括一个第二电容和一个第二电阻，第3个所述的PCB板电极包括一个第三电容和一个第三电阻，第4个所述的PCB板电极包括一个第四电容和一个第四电阻，依次类推，最后一个所述的PCB板电极上的所述的反馈电路包括第一反馈电阻、第二反馈电阻和第三反馈电阻；
所述的数字调制电压模块的正输出端通过印制线路与第1个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第一电容的一端连接，第1个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第一电容的另一端通过印制线路与第1个所述的PCB板电极上的所述的导电层连接，所述的直流电压模块的输出端通过印制线路与第1个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的第1个所述的第一电阻的一端连接，第1个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的第1个所述的第一电阻的另一端通过印制线路与第1个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的第2个所述的第一电阻的一端连接，第1个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的第2个所述的第一电阻的另一端通过印制线路与第1个所述的PCB板电极上的所述的导电层连接；所述的数字调制电压模块的负输出端通过印制线路与第2个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第二电容的一端连接，第2个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第二电容的另一端通过印制线路与第2个所述的PCB板电极上的所述的导电层连接，第1个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的第1个所述的第一电阻的另一端与第2个所述的第一电阻的一端连接的公共端通过第1个所述的PCB板电极上的用于传递直流电压的所述的金属粒与第2个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第二电阻的一端连接，第2个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第二电阻的另一端通过印制线路与第2个所述的PCB板电极上的所述的导电层连接；第1个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第一电容的一端通过第1个所述的PCB板电极上的用于传递数字调制正电压的所述的金属粒与第3个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第三电容的一端连接，第3个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第三电容的另一端通过印制线路与第3个所述的PCB板电极上的所述的导电层连接，第2个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第二电阻的另一端通过第2个所述的PCB板电极上的用于传递直流电压的所述的金属粒与第3个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第三电阻的一端连接，第3个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第三电阻的另一端通过印制线路与第3个所述的PCB板电极上的所述的导电层连接；第2个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第二电容的一端通过第2个所述的PCB板电极上的用于传递数字调制负电压的所述的金属粒与第4个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第四电容的一端连接，第4个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第四电容的另一端通过印制线路与第4个所述的PCB板电极上的所述的导电层连接，第3个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第三电阻的另一端通过第3个所述的PCB板电极上的用于传递直流电压的所述的金属粒与第4个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第四电阻的一端连接，第4个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第四电阻的另一端通过印制线路与第4个所述的PCB板电极上的所述的导电层连接；依次类推，直至连接至最后一个所述的PCB板电极；最后一个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的电阻的另一端通过印制线路与最后一个所述的PCB板电极上的所述的反馈电路中的所述的第一反馈电阻的一端连接，所述的反馈电路中的所述的第一反馈电阻的另一端通过印制线路与所述的反馈电路中的所述的第三反馈电阻的一端连接，所述的反馈电路中的所述的第三反馈电阻的另一端为所述的反馈电路的输出端并作为所述的耦合模块的反馈端，最后第2个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的电容的另一端通过最后第2个所述的PCB板电极上的用于传递数字调制负电压的所述的金属粒与所述的反馈电路中的所述的第二反馈电阻的一端连接，所述的反馈电路中的所述的第二反馈电阻的另一端通过印制线路与所述的反馈电路中的所述的第三反馈电阻的一端连接；
有用于传递数字调制正电压的所述的金属粒和用于传递直流电压的所述的金属粒的所述的PCB板电极上的这两个所述的金属粒位于该所述的PCB板电极的不同侧，有用于传递数字调制负电压的所述的金属粒和用于传递直流电压的所述的金属粒的所述的PCB板电极上的这两个所述的金属粒位于该所述的PCB板电极的不同侧；
所述的直流电压模块的输出端通过印制线路与所述的金属板电极连接。
所述的数字调制电压模块由数字调制波产生电路和平衡输出电路组成，所述的数字调制波产生电路的输出端与所述的平衡输出电路的输入端连接，所述的平衡输出电路的输出端为所述的数字调制电压模块的输出端。
所述的平衡输出电路包括1:1平衡-不平衡阻抗变换器、第一无感电阻器、第二无感电阻器、第一电感器、第二电感器和空气介质可变电容器，所述的1:1平衡-不平衡阻抗变换器的两个输入端均与所述的数字调制波产生电路的输出端连接，所述的1:1平衡-不平衡阻抗变换器的一个输出端与所述的第一无感电阻器的一端连接，所述的第一无感电阻器的另一端与所述的第一电感器的一端连接，所述的1:1平衡-不平衡阻抗变换器的另一个输出端与所述的第二无感电阻器的一端连接，所述的第二无感电阻器的另一端与所述的第二电感器的一端连接，所述的空气介质可变电容器连接于所述的第一电感器的另一端与所述的第二电感器的另一端之间，所述的第一电感器的另一端与所述的空气介质可变电容器的一端连接的公共端为所述的数字调制电压模块的正输出端，所述的第二电感器的另一端与所述的空气介质可变电容器的另一端连接的公共端为所述的数字调制电压模块的负输出端。在此，应用平衡输出电路能有效将原本不平衡的数字调制电压输入转换为平衡的正调制电压输出与负调制电压输出，减少了正调制电压与负调制电压之间的幅值误差。
所述的数字调制电压模块输出的数字调制电压的幅值范围为0.1V至10000V、基波频率范围为100Hz至30MHz、频率范围为100Hz至50MHz、占空比范围为0.01至99；所述的直流电压模块输出的直流电压的幅值在所有所述的PCB板电极上按序递减，形成电压梯度，电压梯度在0V/cm到1000V/cm之间；加载于相邻两个所述的PCB板电极上的数字调制电压具有固定相位差，固定相位差范围为90°至270°。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
通过在堆叠环离子传输部件上加载数字调制电压，并与直流电压耦合，扩大了质量检测范围，例如在某仪器上应用本发明使检测范围扩大了2倍，能更好地适应蛋白质等生物大分子检测的需求；而且在调节占空比条件下能加强离子聚焦，聚焦原本不能聚焦的低质量离子，整体传输效率提升，增大了离子通过率，质谱最终检测到更多离子，使得质谱仪器信噪比显著提高，质谱结果理想。
附图说明
图1为本发明的堆叠环离子传输装置的组成结构示意图；
图2为本发明的堆叠环离子传输装置中的堆叠环离子传输部件的侧面示意图；
图3为本发明的堆叠环离子传输装置中的堆叠环离子传输部件中的PCB板电极的正面示意图；
图4为本发明的堆叠环离子传输装置中的耦合模块的电路图；
图5为本发明的堆叠环离子传输装置中的数字调制电压模块的电路图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本实施例提出的一种堆叠环离子传输装置，如图1所示，其包括用于聚焦和导引带电离子的堆叠环离子传输部件1、控制模块2、数字调制电压模块3、直流电压模块4和耦合模块5，控制模块2的输出端分别与数字调制电压模块3的控制端和直流电压模块4的控制端连接，数字调制电压模块3的输出端和直流电压模块4的输出端分别与耦合模块5的输入端连接，耦合模块5的输出端与堆叠环离子传输部件1连接，耦合模块5的反馈端与直流电压模块4的输入端连接。该堆叠环离子传输装置作为质谱仪器传输离子的部件，应用于质谱离子发生到离子检测的中间部分，质谱仪器检测通过该堆叠环离子传输装置传输部分后的剩余离子，离子包括正负离子和其他可离子化粒子；质谱仪器的质荷比范围在1～1000000m/z之间，该堆叠环离子传输装置的质荷比范围在40～20000m/z之间，且质量分辨在10～500000之间，通过实验发现该堆叠环离子传输装置在质荷比为1000m/z和最高灵敏度条件下，质量分辨不小于500；该堆叠环离子传输装置所在气压可以是0.001Torr至1000Torr之间，可工作于近大气压环境；该堆叠环离子传输装置的共振频率约为700kHz。
在本实施例中，如图2和图3所示，堆叠环离子传输部件1由绝缘座11、100个环电极、用于间隔环电极的绝缘片12组成，绝缘座11上在同一侧设置有四根绝缘棒13，环电极和绝缘片12以一片绝缘片12间隔相邻两个环电极的方式紧密堆叠套接于所有绝缘棒13上，与绝缘座11的侧面接触的1个环电极为金属板电极14，其余99个环电极均为PCB板电极15，每个PCB板电极15和金属板电极14的中央区域上均开设有第一中心圆孔16，所有第一中心圆孔16的位置对应，自距离金属板电极14最远的PCB板电极15至中间的一个位置上的PCB板电极15的所有第一中心圆孔16的孔径一致，自中间的一个位置上的该PCB板电极15至金属板电极14的所有第一中心圆孔16的孔径依次有序递减，使所有第一中心圆孔16构成一个漏斗形孔(图中未示出)，金属板电极14上的第一中心圆孔16的孔径大于1mm，PCB板电极15上的第一中心圆孔16的孔壁上设置有导电层(图中未示出)，PCB板电极15的四周区域上均开设有用于填充金属粒的粒子填孔17，所有粒子填孔17的孔径一致，粒子填孔17内选择性地填充用于传递数字调制电压或直流电压的金属粒(图中未示出)，绝缘片12的中央区域上开设有第二中心圆孔18，第二中心圆孔18的位置与第一中心圆孔16的位置相对应，第二中心圆孔18的孔径大于相邻两个第一中心圆孔16中的大直径，PCB板电极15、金属板电极14和绝缘片12各自的四角区域上各设置有与绝缘棒13相适配的固定孔19，PCB板电极15、金属板电极14和绝缘片12的厚度一致。在此，数字调制电压模块3输出的数字调制电压和直流电压模块4输出的直流电压通过耦合模块5连接到每个PCB板电极15上的导电层上，为每个PCB板电极15提供合适的电压，数字调制电压使每个PCB板电极15产生限制离子运动的电场，可以有效地聚集并限制、传输离子，直流电压产生的直流梯度能为离子提供动能，加速离子前进并减少离子所受到的阻碍；直流电压模块4输出的直流电压直接接入金属板电极14；第一中心圆孔16的孔径依次有序递减的规律为直线型(以等差数列形式递减)、抛物线型、反抛物线型等，在此为直线型；第一中心圆孔的孔径依次有序递减有助于逐渐压缩离子运动范围，有助于离子完成聚焦并通过传输区域的出口，从而减小了离子射出区域范围，减小了离子射出过程中离子损耗。
在本实施例中，所有PCB板电极15上均印刷有子电路，距离金属板电极14最近的PCB板电极15上还印刷有反馈电路，耦合模块5由所有子电路及反馈电路连接构成，反馈电路的输出端为耦合模块5的反馈端。
在本实施例中，将距离金属板电极14最远的PCB板电极15作为第1个PCB板电极15，依次类推，将距离金属板电极14最近的PCB板电极15作为最后一个PCB板电极15；如图4所示，第1个PCB板电极15上的子电路包括一个第一电容C1和两个第一电阻R1_1、R1_2，第2个PCB板电极15至最后一个PCB板电极15各自上的子电路包含的元器件相同，第2个PCB板电极15包括一个第二电容C2和一个第二电阻R2，第3个PCB板电极15包括一个第三电容C3和一个第三电阻R3，第4个PCB板电极15包括一个第四电容C4和一个第四电阻R4，依次类推，最后一个PCB板电极15上的反馈电路包括第一反馈电阻RF1、第二反馈电阻RF2和第三反馈电阻RF3；数字调制电压模块3的正输出端通过印制线路与第1个PCB板电极15上的子电路中的第一电容C1的一端连接，第1个PCB板电极15上的子电路中的第一电容C1的另一端通过印制线路与第1个PCB板电极15上的导电层连接，直流电压模块4的输出端通过印制线路与第1个PCB板电极15上的子电路中的第1个第一电阻R1_1的一端连接，第1个PCB板电极15上的子电路中的第1个第一电阻R1_1的另一端通过印制线路与第1个PCB板电极15上的子电路中的第2个第一电阻R1_2的一端连接，第1个PCB板电极15上的子电路中的第2个第一电阻R1_2的另一端通过印制线路与第1个PCB板电极15上的导电层连接；数字调制电压模块3的负输出端通过印制线路与第2个PCB板电极15上的子电路中的第二电容C2的一端连接，第2个PCB板电极15上的子电路中的第二电容C2的另一端通过印制线路与第2个PCB板电极15上的导电层连接，第1个PCB板电极15上的子电路中的第1个第一电阻R1_1的另一端与第2个第一电阻R1_2的一端连接的公共端通过第1个PCB板电极15上的用于传递直流电压的金属粒与第2个PCB板电极15上的子电路中的第二电阻R2的一端连接，第2个PCB板电极15上的子电路中的第二电阻R2的另一端通过印制线路与第2个PCB板电极15上的导电层连接；第1个PCB板电极15上的子电路中的第一电容C1的一端通过第1个PCB板电极15上的用于传递数字调制正电压的金属粒与第3个PCB板电极15上的子电路中的第三电容C3的一端连接，第3个PCB板电极15上的子电路中的第三电容C3的另一端通过印制线路与第3个PCB板电极15上的导电层连接，第2个PCB板电极15上的子电路中的第二电阻R2的另一端通过第2个PCB板电极15上的用于传递直流电压的金属粒与第3个PCB板电极15上的子电路中的第三电阻R3的一端连接，第3个PCB板电极15上的子电路中的第三电阻R3的另一端通过印制线路与第3个PCB板电极15上的导电层连接；第2个PCB板电极15上的子电路中的第二电容C2的一端通过第2个PCB板电极15上的用于传递数字调制负电压的金属粒与第4个PCB板电极15上的子电路中的第四电容C4的一端连接，第4个PCB板电极15上的子电路中的第四电容C4的另一端通过印制线路与第4个PCB板电极15上的导电层连接，第3个PCB板电极15上的子电路中的第三电阻R3的另一端通过第3个PCB板电极15上的用于传递直流电压的金属粒与第4个PCB板电极15上的子电路中的第四电阻R4的一端连接，第4个PCB板电极15上的子电路中的第四电阻R4的另一端通过印制线路与第4个PCB板电极15上的导电层连接；依次类推，第95个PCB板电极15上的子电路中的第九十五电容(图中未示出)的一端通过第95个PCB板电极15上的用于传递数字调制正电压的金属粒与第97个PCB板电极15上的子电路中的第九十七电容C97的一端连接，第97个PCB板电极15上的子电路中的第九十七电容C97的另一端通过印制线路与第97个PCB板电极15上的导电层连接，第96个PCB板电极15上的子电路中的第九十六电阻(图中未示出)的另一端通过第96个PCB板电极15上的用于传递直流电压的金属粒与第97个PCB板电极15上的子电路中的第九十七电阻R97的一端连接，第97个PCB板电极15上的子电路中的第九十七电阻R97的另一端通过印制线路与第97个PCB板电极15上的导电层连接；第96个PCB板电极15上的子电路中的第九十六电容(图中未示出)的一端通过第96个PCB板电极15上的用于传递数字调制负电压的金属粒与第98个PCB板电极15上的子电路中的第九十八电容C98的一端连接，第98个PCB板电极15上的子电路中的第九十八电容C98的另一端通过印制线路与第98个PCB板电极15上的导电层连接，第97个PCB板电极15上的子电路中的第九十七电阻R97的另一端通过第97个PCB板电极15上的用于传递直流电压的金属粒与第98个PCB板电极15上的子电路中的第九十八电阻R98的一端连接，第98个PCB板电极15上的子电路中的第九十八电阻R98的另一端通过印制线路与第98个PCB板电极15上的导电层连接；第97个PCB板电极15上的子电路中的第九十七电容C97的一端通过第97个PCB板电极15上的用于传递数字调制正电压的金属粒与第99个PCB板电极15上的子电路中的第九十九电容C99的一端连接，第99个PCB板电极15上的子电路中的第九十九电容C99的另一端通过印制线路与第99个PCB板电极15上的导电层连接，第98个PCB板电极15上的子电路中的第九十八电阻R98的另一端通过第98个PCB板电极15上的用于传递直流电压的金属粒与第99个PCB板电极15上的子电路中的第九十九电阻R99的一端连接，第99个PCB板电极15上的子电路中的第九十九电阻R99的另一端通过印制线路与第99个PCB板电极15上的导电层连接；最后一个PCB板电极15即第99个PCB板电极15上的子电路中的第九十九电阻R99的另一端通过印制线路与最后一个PCB板电极15上的反馈电路中的第一反馈电阻RF1的一端连接，反馈电路中的第一反馈电阻RF1的另一端通过印制线路与反馈电路中的第三反馈电阻RF3的一端连接，反馈电路中的第三反馈电阻RF3的另一端为反馈电路的输出端并作为耦合模块5的反馈端，最后第2个PCB板电极15即第98个PCB板电极15上的子电路中的第九十八电容C98的另一端通过最后第2个PCB板电极15上的用于传递数字调制负电压的金属粒与反馈电路中的第二反馈电阻RF2的一端连接，反馈电路中的第二反馈电阻RF2的另一端通过印制线路与反馈电路中的第三反馈电阻RF3的一端连接。有用于传递数字调制正电压的金属粒和用于传递直流电压的金属粒的PCB板电极15上的这两个金属粒位于该PCB板电极15的不同侧，有用于传递数字调制负电压的金属粒和用于传递直流电压的金属粒的PCB板电极15上的这两个金属粒位于该PCB板电极15的不同侧。直流电压模块4的输出端通过印制线路与金属板电极14连接。
在本实施例中，如图5所示，数字调制电压模块3由数字调制波产生电路31和平衡输出电路32组成，数字调制波产生电路31的输出端与平衡输出电路32的输入端连接，平衡输出电路32的输出端为数字调制电压模块3的输出端；平衡输出电路32包括1:1平衡-不平衡阻抗变换器321、第一无感电阻器322、第二无感电阻器323、第一电感器324、第二电感器325和空气介质可变电容器326，1:1平衡-不平衡阻抗变换器321的两个输入端均与数字调制波产生电路31的输出端连接，1:1平衡-不平衡阻抗变换器321的一个输出端与第一无感电阻器322的一端连接，第一无感电阻器322的另一端与第一电感器324的一端连接，1:1平衡-不平衡阻抗变换器321的另一个输出端与第二无感电阻器323的一端连接，第二无感电阻器323的另一端与第二电感器325的一端连接，空气介质可变电容器326连接于第一电感器324的另一端与第二电感器325的另一端之间，第一电感器324的另一端与空气介质可变电容器326的一端连接的公共端为数字调制电压模块3的正输出端，第二电感器325的另一端与空气介质可变电容器326的另一端连接的公共端为数字调制电压模块3的负输出端。
在本实施例中，控制模块2可以采用DSP、单片机、PLC等控制方式，通过控制模块2对数字方波频率、占空比、幅值等数值进行实时监控和控制，在本实施例中控制模块2可采用DSP控制方式；控制模块2控制数字调制电压模块3输出数字调制电压及控制直流电压模块4输出直流电压的控制技术采用现有技术。数字调制电压模块3提供堆叠环离子传输部件1驱动所需的数字调制电压，可以是数字调制方波或正弦波加高倍频电压或其他非正弦调制电压，可调占空比，占空比可以是0.01至99，在此采用数字调制方波，占空比选择1；加载于相邻两个PCB板电极15上的数字调制电压的幅值相同而相位相反；数字调制电压的幅值范围为0.1V至10000V，在此选择200V；数字调制电压的基波频率可以是100Hz至50MHz，在此选为700kHz；数字调制电压模块3中的数字调制波产生电路31采用现有技术。直流电压模块4提供堆叠环离子传输部件1驱动所需的直流电压，直流电压模块4采用现有技术；直流电压的幅值在所有PCB板电极15上有序递减，形成电压梯度；初始的直流电压的幅值可以是0.1V至10000V，在具体实施时优选400V；直流电压的梯度在0V/cm到1000V/cm之间，在具体实施时优选19.1V/cm；加载于相邻两个PCB板电极15上的数字调制电压具有固定相位差，固定相位差范围为90°至270°，优选180°。
在本实施例中，共有100个环电极，前99个环电极为PCB板电极15(由于在PCB板电极15上印刷子电路，因此减少了该堆叠环离子传输装置的占用空间)，即为黄铜层外包的PCB板，PCB板电极15、金属板电极14及绝缘片12的长度和宽度均为41mm，及厚度均为0.5mm，将距离金属板电极14最远的PCB板电极15作为第1个PCB板电极15，第1个PCB板电极15至第60个PCB板电极15上的所有第一中心圆孔16的孔径均为25.5mm，第61个PCB板电极15至第99个PCB板电极15上的所有第一中心圆孔16的孔径成比例的减小，第99个PCB板电极15上的第一中心圆孔16的孔径为2.3mm，金属板电极14上的第一中心圆孔16的孔径为2mm，理论上金属板电极14上的第一中心圆孔16的孔径最小可设为0.01mm，实际上可设计为大于1mm；PCB板电极15的四周边缘区域上开设的粒子填孔17的直径为2.4mm，每个PCB板电极15上一般有3个粒子填孔17内填充有金属粒(2个金属粒连接数字调制电压，1个金属粒连接直流电压)，将金属粒作为耦合电路的一部分连接在PCB板电极15之间起到传递数字调制电压与直流电压的作用；PCB板电极15、金属板电极14及绝缘片12各自的四角区域上的固定孔19的直径为6.64mm，PCB板电极15、金属板电极14上的固定孔19距离第一中心圆孔16的中心20.5mm，绝缘片12上的固定孔19距离第二中心圆孔18的中心20.5mm。绝缘棒13选用长为200mm且直径为6.6mm的陶瓷棒。绝缘座11由聚醚醚酮(PEEK)材料制成，呈圆柱形，外径为82.3mm，高为35.4mm。
在本实施例中，第一电容C1至第九十九电容C99的电容值可以为10pf～10μf，在具体实施时可选用1000pF的陶瓷电容；两个第一电阻R1_1、R1_2、第二电阻R2至第九十九电阻R99、第一反馈电阻RF1至第三反馈电阻RF3的电阻值可以为0.1欧姆～10兆欧姆，在具体实施时单数的PCB板电极15(除第1个PCB板电极15外)上优选1兆欧姆的碳电阻，复数的PCB板电极15上优选499K欧姆的电阻，第1个PCB板电极15上的两个第一电阻R1_1、R1_2优选499K欧姆的电阻，第一反馈电阻RF1至第三反馈电阻RF3优选499K欧姆的电阻，这样设计能允许独立控制初始电势和最终电势。
上述实施例中的PCB板电极15也可以由其他电极材料(金属材料外包于非金属材料，金属材料可以为镍、铜、金、等导电性良好金属，非金属材料可以为聚醚醚酮、陶瓷、纸、玻璃等绝缘材料)制成的环电极，在此选用PCB板(铜外包于塑料基)作为电极材料制成PCB板电极。
上述实施例中的堆叠环离子传输部件1也可以采用如下两种结构，具体改变在PCB板电极15上的第一中心圆孔16的孔径上。
第一种：堆叠环离子传输部件1由绝缘座11、至少十个环电极、用于间隔环电极的绝缘片12组成，绝缘座11上在同一侧设置有多根绝缘棒13，环电极和绝缘片12以一片绝缘片12间隔相邻两个环电极的方式紧密堆叠套接于所有绝缘棒13上，与绝缘座11的侧面接触的环电极为金属板电极14，其余所有环电极均为PCB板电极15，每个PCB板电极15和金属板电极14的中央区域上均开设有第一中心圆孔16，所有第一中心圆孔16的位置对应且孔径一致，使所有第一中心圆孔16构成一个圆柱孔，PCB板电极15上的第一中心圆孔16的孔壁上设置有导电层，PCB板电极15的四周区域上均开设有用于填充金属粒的粒子填孔17，所有粒子填孔17的孔径一致，粒子填孔17内选择性地填充用于传递数字调制电压或直流电压的金属粒，绝缘片12的中央区域上开设有第二中心圆孔18，第二中心圆孔18的位置与第一中心圆孔16的位置相对应，第二中心圆孔18的孔径大于第一中心圆孔16的直径。在此，数字调制电压模块3输出的数字调制电压和直流电压模块4输出的直流电压通过耦合模块5连接到每个PCB板电极15上的导电层上，为每个PCB板电极15提供合适的电压，使每个PCB板电极15产生限制离子运动的电场，引导和聚焦离子；直流电压模块4输出的直流电压直接接入金属板电极14。
第二种：堆叠环离子传输部件1由绝缘座11、至少十个环电极、用于间隔环电极的绝缘片12组成，绝缘座11上在同一侧设置有多根绝缘棒13，环电极和绝缘片12以一片绝缘片12间隔相邻两个环电极的方式紧密堆叠套接于所有绝缘棒13上，与绝缘座11的侧面接触的环电极为金属板电极14，其余所有环电极均为PCB板电极15，每个PCB板电极15和金属板电极14的中央区域上均开设有第一中心圆孔16，所有第一中心圆孔16的位置对应，自距离金属板电极14最远的PCB板电极15至金属板电极14的所有第一中心圆孔16的孔径依次有序递减，使所有第一中心圆孔16构成一个圆台孔，金属板电极14上的第一中心圆孔16的孔径大于1mm，PCB板电极15上的第一中心圆孔16的孔壁上设置有导电层，PCB板电极15的四周区域上均开设有用于填充金属粒的粒子填孔17，所有粒子填孔17的孔径一致，粒子填孔17内选择性地填充用于传递数字调制电压或直流电压的金属粒，绝缘片12的中央区域上开设有第二中心圆孔18，第二中心圆孔18的位置与第一中心圆孔16的位置相对应，第二中心圆孔18的孔径大于相邻两个第一中心圆孔16中的大直径。在此，在此，数字调制电压模块3输出的数字调制电压和直流电压模块4输出的直流电压通过耦合模块5连接到每个PCB板电极15上的导电层上，为每个PCB板电极15提供合适的电压，使每个PCB板电极15产生限制离子运动的电场，引导和聚焦离子；直流电压模块4输出的直流电压直接接入金属板电极14；第一中心圆孔16的孔径依次有序递减的规律为直线型(以等差数列形式递减)、抛物线型、反抛物线型等，在此为直线型。
Claims (11)
1.一种堆叠环离子传输装置，包括用于聚焦和导引带电离子的堆叠环离子传输部件，其特征在于：还包括控制模块、数字调制电压模块、直流电压模块和耦合模块，所述的控制模块的输出端分别与所述的数字调制电压模块的控制端和所述的直流电压模块的控制端连接，所述的数字调制电压模块的输出端和所述的直流电压模块的输出端分别与所述的耦合模块的输入端连接，所述的耦合模块的输出端与所述的堆叠环离子传输部件连接，所述的耦合模块的反馈端与所述的直流电压模块的输入端连接；
所述的堆叠环离子传输部件由绝缘座、至少十个环电极、用于间隔所述的环电极的绝缘片组成，所述的绝缘座上在同一侧设置有多根绝缘棒，所述的环电极和所述的绝缘片以一片所述的绝缘片间隔相邻两个所述的环电极的方式紧密堆叠套接于所有所述的绝缘棒上，与所述的绝缘座的侧面接触的所述的环电极为金属板电极，其余所有所述的环电极均为PCB板电极，每个所述的PCB板电极和所述的金属板电极的中央区域上均开设有第一中心圆孔，所述的PCB板电极上的所述的第一中心圆孔的孔壁上设置有导电层，所述的数字调制电压模块输出的数字调制电压和所述的直流电压模块输出的直流电压通过所述的耦合模块连接到每个所述的PCB板电极上的所述的导电层上，为每个所述的PCB板电极提供合适的电压，使每个所述的PCB板电极产生限制离子运动的电场，引导和聚焦离子。
2.根据权利要求1所述的一种堆叠环离子传输装置，其特征在于：所有所述的第一中心圆孔的位置对应且孔径一致，使所有所述的第一中心圆孔构成一个圆柱孔，所述的PCB板电极的四周区域上均开设有用于填充金属粒的粒子填孔，所述的粒子填孔内选择性地填充用于传递数字调制电压或直流电压的金属粒，所述的绝缘片的中央区域上开设有第二中心圆孔，所述的第二中心圆孔的位置与所述的第一中心圆孔的位置相对应，所述的第二中心圆孔的孔径大于所述的第一中心圆孔的直径。
3.根据权利要求1所述的一种堆叠环离子传输装置，其特征在于：所有所述的第一中心圆孔的位置对应，自距离所述的金属板电极最远的所述的PCB板电极至所述的金属板电极的所有所述的第一中心圆孔的孔径依次有序递减，使所有所述的第一中心圆孔构成一个圆台孔，所述的金属板电极上的所述的第一中心圆孔的孔径大于1mm，所述的PCB板电极的四周区域上均开设有用于填充金属粒的粒子填孔，所述的粒子填孔内选择性地填充用于传递数字调制电压或直流电压的金属粒，所述的绝缘片的中央区域上开设有第二中心圆孔，所述的第二中心圆孔的位置与所述的第一中心圆孔的位置相对应，所述的第二中心圆孔的孔径大于相邻两个所述的第一中心圆孔中的大直径。
4.根据权利要求1所述的一种堆叠环离子传输装置，其特征在于：所有所述的第一中心圆孔的位置对应，自距离所述的金属板电极最远的所述的PCB板电极至中间的一个位置上的所述的PCB板电极的所有所述的第一中心圆孔的孔径一致，自中间的一个位置上的该所述的PCB板电极至所述的金属板电极的所有所述的第一中心圆孔的孔径依次有序递减，使所有所述的第一中心圆孔构成一个漏斗形孔，所述的金属板电极上的所述的第一中心圆孔的孔径大于1mm，所述的PCB板电极的四周区域上均开设有用于填充金属粒的粒子填孔，所述的粒子填孔内选择性地填充用于传递数字调制电压或直流电压的金属粒，所述的绝缘片的中央区域上开设有第二中心圆孔，所述的第二中心圆孔的位置与所述的第一中心圆孔的位置相对应，所述的第二中心圆孔的孔径大于相邻两个所述的第一中心圆孔中的大直径。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的一种堆叠环离子传输装置，其特征在于：所有所述的PCB板电极上均印刷有子电路，距离所述的金属板电极最近的所述的PCB板电极上还印刷有反馈电路，所述的耦合模块由所有所述的子电路及所述的反馈电路连接构成，所述的反馈电路的输出端为所述的耦合模块的反馈端。
6.根据权利要求5所述的一种堆叠环离子传输装置，其特征在于：所述的绝缘座上在同一侧设置有四根所述的绝缘棒，所述的PCB板电极、所述的金属板电极和所述的绝缘片各自的四角区域上各设置有与所述的绝缘棒相适配的固定孔。
7.根据权利要求6所述的一种堆叠环离子传输装置，其特征在于：所述的PCB板电极、所述的金属板电极和所述的绝缘片的厚度一致。
8.根据权利要求5所述的一种堆叠环离子传输装置，其特征在于：将距离所述的金属板电极最远的所述的PCB板电极作为第1个所述的PCB板电极，依次类推，将距离所述的金属板电极最近的所述的PCB板电极作为最后一个所述的PCB板电极；
第1个所述的PCB板电极上的所述的子电路包括一个第一电容和两个第一电阻，第2个所述的PCB板电极至最后一个所述的PCB板电极各自上的所述的子电路包含的元器件相同，第2个所述的PCB板电极包括一个第二电容和一个第二电阻，第3个所述的PCB板电极包括一个第三电容和一个第三电阻，第4个所述的PCB板电极包括一个第四电容和一个第四电阻，依次类推，最后一个所述的PCB板电极上的所述的反馈电路包括第一反馈电阻、第二反馈电阻和第三反馈电阻；
所述的数字调制电压模块的正输出端通过印制线路与第1个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第一电容的一端连接，第1个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第一电容的另一端通过印制线路与第1个所述的PCB板电极上的所述的导电层连接，所述的直流电压模块的输出端通过印制线路与第1个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的第1个所述的第一电阻的一端连接，第1个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的第1个所述的第一电阻的另一端通过印制线路与第1个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的第2个所述的第一电阻的一端连接，第1个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的第2个所述的第一电阻的另一端通过印制线路与第1个所述的PCB板电极上的所述的导电层连接；所述的数字调制电压模块的负输出端通过印制线路与第2个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第二电容的一端连接，第2个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第二电容的另一端通过印制线路与第2个所述的PCB板电极上的所述的导电层连接，第1个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的第1个所述的第一电阻的另一端与第2个所述的第一电阻的一端连接的公共端通过第1个所述的PCB板电极上的用于传递直流电压的所述的金属粒与第2个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第二电阻的一端连接，第2个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第二电阻的另一端通过印制线路与第2个所述的PCB板电极上的所述的导电层连接；第1个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第一电容的一端通过第1个所述的PCB板电极上的用于传递数字调制正电压的所述的金属粒与第3个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第三电容的一端连接，第3个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第三电容的另一端通过印制线路与第3个所述的PCB板电极上的所述的导电层连接，第2个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第二电阻的另一端通过第2个所述的PCB板电极上的用于传递直流电压的所述的金属粒与第3个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第三电阻的一端连接，第3个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第三电阻的另一端通过印制线路与第3个所述的PCB板电极上的所述的导电层连接；第2个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第二电容的一端通过第2个所述的PCB板电极上的用于传递数字调制负电压的所述的金属粒与第4个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第四电容的一端连接，第4个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第四电容的另一端通过印制线路与第4个所述的PCB板电极上的所述的导电层连接，第3个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第三电阻的另一端通过第3个所述的PCB板电极上的用于传递直流电压的所述的金属粒与第4个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第四电阻的一端连接，第4个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的所述的第四电阻的另一端通过印制线路与第4个所述的PCB板电极上的所述的导电层连接；依次类推，直至连接至最后一个所述的PCB板电极；最后一个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的电阻的另一端通过印制线路与最后一个所述的PCB板电极上的所述的反馈电路中的所述的第一反馈电阻的一端连接，所述的反馈电路中的所述的第一反馈电阻的另一端通过印制线路与所述的反馈电路中的所述的第三反馈电阻的一端连接，所述的反馈电路中的所述的第三反馈电阻的另一端为所述的反馈电路的输出端并作为所述的耦合模块的反馈端，最后第2个所述的PCB板电极上的所述的子电路中的电容的另一端通过最后第2个所述的PCB板电极上的用于传递数字调制负电压的所述的金属粒与所述的反馈电路中的所述的第二反馈电阻的一端连接，所述的反馈电路中的所述的第二反馈电阻的另一端通过印制线路与所述的反馈电路中的所述的第三反馈电阻的一端连接；
有用于传递数字调制正电压的所述的金属粒和用于传递直流电压的所述的金属粒的所述的PCB板电极上的这两个所述的金属粒位于该所述的PCB板电极的不同侧，有用于传递数字调制负电压的所述的金属粒和用于传递直流电压的所述的金属粒的所述的PCB板电极上的这两个所述的金属粒位于该所述的PCB板电极的不同侧；
所述的直流电压模块的输出端通过印制线路与所述的金属板电极连接。
9.根据权利要求8所述的一种堆叠环离子传输装置，其特征在于：所述的数字调制电压模块由数字调制波产生电路和平衡输出电路组成，所述的数字调制波产生电路的输出端与所述的平衡输出电路的输入端连接，所述的平衡输出电路的输出端为所述的数字调制电压模块的输出端。
10.根据权利要求9所述的一种堆叠环离子传输装置，其特征在于：所述的平衡输出电路包括1:1平衡-不平衡阻抗变换器、第一无感电阻器、第二无感电阻器、第一电感器、第二电感器和空气介质可变电容器，所述的1:1平衡-不平衡阻抗变换器的两个输入端均与所述的数字调制波产生电路的输出端连接，所述的1:1平衡-不平衡阻抗变换器的一个输出端与所述的第一无感电阻器的一端连接，所述的第一无感电阻器的另一端与所述的第一电感器的一端连接，所述的1:1平衡-不平衡阻抗变换器的另一个输出端与所述的第二无感电阻器的一端连接，所述的第二无感电阻器的另一端与所述的第二电感器的一端连接，所述的空气介质可变电容器连接于所述的第一电感器的另一端与所述的第二电感器的另一端之间，所述的第一电感器的另一端与所述的空气介质可变电容器的一端连接的公共端为所述的数字调制电压模块的正输出端，所述的第二电感器的另一端与所述的空气介质可变电容器的另一端连接的公共端为所述的数字调制电压模块的负输出端。
11.根据权利要求10所述的一种堆叠环离子传输装置，其特征在于：所述的数字调制电压模块输出的数字调制电压的幅值范围为0.1V至10000V、基波频率范围为100Hz至30MHz、频率范围为100Hz至50MHz、占空比范围为0.01至99；所述的直流电压模块输出的直流电压的幅值在所有所述的PCB板电极上按序递减，形成电压梯度，电压梯度在0V/cm到1000V/cm之间；加载于相邻两个所述的PCB板电极上的数字调制电压具有固定相位差，固定相位差范围为90°至270°。
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