CN109390207A - 一种使用永久磁铁的可变质量色散的质量分析器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使用永久磁铁的可变质量色散的质量分析器系统，解决了现有磁质量分析器结构复杂的问题。系统包括扇形磁铁、在离子束的聚焦线上排列设置固定的多离子检测器、设置在扇形磁铁与多离子检测器之间的双静电四极杆系统、对不同元素的离子束进行电扫描的宽范围离子加速直流高压电源和对双静电四极杆系统进行供电的直流稳压电源，扇形磁铁为永久磁铁，通过改变双静电四极杆系统中的四极杆电压，调整质量色散使得不同质量数元素的同位素离子束与固定间距的多离子检测器相适应，本发明通过同时去除电磁铁恒流电源和可移动多离子检测器系统，简化了目前应用的电磁铁磁质量分析器系统，提高了质谱峰位稳定性。

Description

一种使用永久磁铁的可变质量色散的质量分析器系统

技术领域

本发明属于质谱仪器技术领域，具体涉及一种使用永久磁铁的可变质量色散的质量分析器系统。

背景技术

质谱仪包括离子源、质量分析器和检测器三大核心部分，其中质量分析器的功能是将离子源产生的离子束按不同质荷比分离，供检测器接收检测。

同位素质谱仪用于测量元素的同位素比，要求有极高的精度。为此，目前所用的同位素质谱仪均采用磁质量分析器加多检测器组合。

这其中，目前同位素质谱仪的磁质量分析器均采用电磁铁，在固定的加速电压下，通过调整电磁铁励磁电流来改变磁感应强度，以适应不同质量数的元素。但是，现有电磁铁系统存在系统结构复杂、操作繁琐和影响谱峰稳定性的缺点。电磁铁需要励磁稳流电源、霍尔探头和相应的控制器。励磁电流的稳定性直接影响谱峰的稳定性；测控软件需要对电磁铁系统进行编程控制，其磁感应强度与质量数的对应关系为非线性；探测磁感应强度的霍尔探头需要恒温恒流来保持其稳定性；电磁铁为带有线圈的铁芯，通常有几百公斤，较为笨重；大的励磁电流会造成电磁铁发热，影响磁感应强度的稳定性；在高精度测量场合需要水冷的电磁铁，使得系统更为复杂。

多检测器有两种，一种为可移动检测器，通过马达调整检测器在聚焦线上的间距，来适应不同元素的同位素。测量重质量数元素时让检测器相互靠近；而轻质量数则让检测器相互远离；这种可移动多检测器需要马达及其电源，检测器和马达分别在真空室的内外，需要传动轴的真空密封，调整不同元素的检测器间距费时费力，检测器的定位精度影响各谱峰的套峰精度。

另一种多检测器为固定位置检测器，也就是检测器在聚焦线上不能移动，通过改变双四极杆系统的相应电压来改变质量色散，使得不同元素的同位素离子在聚焦线上具有相同的间距，以适应固定间距的多检测器；这种双四极杆系统加固定检测器的组合克服了可移动检测器存在的缺点。

全世界现有的同位素质谱仪的质量分析器和检测器有两种组合形式：美国ThermoFisher(Bremen)公司、英国IsotopX公司和德国Elementar(Isoprime)公司的同位素质谱仪均为电磁铁加可移动多检测器组合；而美国Ametek(Cameca NU)公司的为电磁铁加固定多检测器组合。

鉴于目前的同位素质谱仪电磁铁和可移动多检测器缺点，有必要探索一种磁质量分析器，以解决现有组合存在的结构复杂、笨重、操作繁琐、相关参数影响谱峰稳定性的问题。

发明内容

本发明提供了一种使用永久磁铁的可变质量色散的质量分析器系统，该系统可以解决现有磁质量分析器结构复杂，操作繁琐的问题，通过采用二极永久磁铁替代普通的电磁铁，用宽范围离子加速直流高压电源进行不同元素的电扫描，代替通常的磁扫描，并且通过改变静电四极杆电压组合，调整质量色散以适应固定间距的多接收器。

本发明为实现上述目的，主要通过以下技术方案实现：

一种使用永久磁铁的可变质量色散的质量分析器系统，其特征在于包括扇形磁铁、双四极杆系统、多离子检测器、宽范围离子加速直流高压电源和直流稳压电源，

所述扇形磁铁为永久磁铁，所述扇形磁铁的一端为离子束入口端，所述扇形磁铁的另一端为离子束出口端，

所述双四极杆系统包括依次在扇形磁铁离子束出口端与多离子检测器之间设置的四极杆A和四极杆B，

所述多离子检测器在离子束焦点的聚焦线上排列设置，并且通过改变双四极杆系统中的四极杆电压，调整质量色散使得不同质量数元素的同位素离子束与固定间距的多离子检测器相适应，

所述宽范围离子加速直流高压电源对不同元素的离子束进行扫描，

所述直流稳压电源对双四极杆系统进行供电。

在上述技术方案中，所述扇形磁铁的离子束入口端前方设置有静电分析器。

在上述技术方案中，所述四极杆A和四极杆B均包括四个极杆，其中两个极杆在水平方向上设置，另两个极杆在竖直方向上设置，并且加载在水平方向上两个极杆的电压和竖直方向上两个极杆的电压大小相同，方向相反。

在上述技术方案中，双静电四极杆系统中，四极杆B对质量色散进行调整，而四极杆A对离子束重新聚焦。。

在上述技术方案中，当所述四极杆B中在其水平方向上的两个极杆上加载负电压时，所述四极杆A中在其水平方向上的两个极杆加载正电压；当所述四极杆B中在其水平方向上的两个极杆上加载正电压时，所述四极杆A中在其水平方向上的两个极杆加载负电压。

在上述技术方案中，所述双四极杆系统中的电极杆为圆柱极杆、半圆形极杆、双曲面极杆、异形平板极杆、异形分段极杆中的一种。

在上述技术方案中，不同元素的同位素离子束在聚焦线上的间距相同。

综上所述，本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明通过同时去除电磁恒流电源和可移动多检测器系统，简化了目前应用的电磁铁磁质量分析器系统，提高了质谱峰位稳定性，谱峰扫描速度，以及不同元素的套峰速度。同时，本发明可以应用于配置各种离子源的多接收同位素质谱仪。

附图说明

图1为本发明系统的核心结构示意图。

图2为本发明实施例中在扇形磁铁离子束入口端前方放置静电分析器的示意图。

图3为本发明实施例中标准圆柱电极四极杆及施加电压图。

图4为本发明实施例中半圆及双曲面电极四极杆及施加电压图。

图5为本发明实施例中的异形四极杆及施加电压图。

图6为本发明实施例二中的一种热电离质谱仪示意图。

其中：

1、扇形磁铁，2、双四极杆系统，3、多离子检测器，4、离子束，5、静电分析器，6、热表面电离离子源，7、热电离离子源的电压和电流供应系统，8、宽范围可变的离子加速高压电源，9、直流稳压电源，10、多离子束聚焦线，21、四极杆A，22、四极杆B。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，一种使用永久磁铁的可变质量色散的质量分析器系统，包括一种永久二极扇形磁铁、一个双静电四极极杆系统、宽范围离子加速直流高压电源和直流稳压电源。

二极扇形磁铁为永久二极扇形磁铁，而不是采用通常的电磁铁，其磁感应强度是一个定值，不进行调节。永久磁铁固定的磁感应强度完全消除了电磁铁磁感应强度波动引起仪器分辨力和测量精密度下降的问题。

二极扇形磁铁为均匀磁场或非均匀磁场，二极扇形磁铁的一端为离子束入口端，另一端为离子束出口端。离子入口端的边界和出口端的边界可以垂直或倾斜，边界为直线或曲线，以增大质量分析器系统的质量色散和减小像差。

为配合永久磁铁固定的磁感应强度，不同元素的扫描使用宽范围离子加速直流高压电源进行电扫描，而不是通常的磁扫描。由于磁扫描存在电磁铁的磁滞效应，扫描速度受到限制，而电扫描的扫描速度快，可以快速进行谱峰定位。

磁质量分析器中，离子电荷Q、质量数M、加速电压V、离子在磁场中的偏转半径R和磁感应强度H的关系为：

由于检测单电荷离子和本发明系统应用永久磁铁，上式中元素质量数M和加速电压V的乘积恒定。这样，在进行不同元素测量时，只需要改变离子的加速电压V；在R和H确定的情况下，V的变化范围决定了质量分析器系统能够检测的质量数范围。

不同元素同位素的静态测量应用固定位置的多离子检测器，而不是通常的可移动检测器。多离子检测器排列在离子束聚焦线上，在可测量的同位素质量数范围内，聚焦线近似为直线，聚焦线和中心离子束形成一定的夹角，该夹角度数视系统设计时选取的参数而改变。同位素测量为静态多接收测量，测量时离子加速电压是固定的，不存在测量过程中加速电压改变引起质量歧视的问题。

直流稳压电源对双静电四极杆系统进行供电。

为使不同质量数元素的同位素离子束在聚焦线上具有相同的间距，使用双四极杆系统，通过改变四极杆电压组合，调整质量色散以适应固定间距的多接收器。双四极杆系统置于磁铁后面，根据系统设计的质量色散变化范围来确定其参数。

磁质量分析器系统中，各元素同位素离子束焦点在聚焦线上的间距D满足如下关系：

上式中，R为离子在磁场中的偏转半径，A为质量色散因子，M为元素质量数，ΔM为相邻同位素的质量数差(为1)，质量分析器的R为固定值，固定的多离子检测器的间距不变，也就是D不变。这样，在检测不同的元素同位素时，由于M改变，为维持等式成立，A也需要相应改变，双四极杆系统通过改变施加于其上的电压值组合，就可以改变质量色散因子A，实现可变质量色散。

组成双四极杆系统的电极为双曲面电极或圆柱电极，圆柱电极的半径为四极杆内切圆半径的约1.15倍，四极杆的长度不小于其内切圆半径的3倍，两个四极杆之间留有一定的预设间距。

为减小机械加工和装配的难度，组成双四极杆系统的一个或两个四极杆的电极为四极杆的各种变形，如半圆形、矩形、圆筒形、分段形等；要求至少在水平平面上形成电场梯度恒等的静电场：

上式中，U为四极杆内切圆(或内部空间)水平方向位置x的电位，V为四极杆水平电极电压(或水平方向的最大电压)，a₀为四极杆内切圆的半径(或水平电极的半间距)。

具体实施例一

在离子初始能量色散较小的情况下，只用需要用磁铁实现离子束的方向聚焦构成单聚焦质量器分析系统。如图1所示，在单聚焦系统的永久扇形磁铁和多离子检测器之间加双静电四极杆系统，即四极杆A、四极杆B和多离子检测器依次沿离子束出口端的离子束方向设置。

适合图1系统搭配的离子源包括表面电离(TI)离子源、电子碰撞电离(EI)离子源等。

在离子初始能量色散较大的情况下，如使用电感耦合等离子体(ICP)源，使用前述单聚焦系统难以达到需要的质量分辨力。此时，如图2所示，永久磁铁前放置静电分析器，实现离子束的角度和能量双聚焦。在双聚焦系统的永久磁铁和检测器之间加双静电四极杆系统，即四极杆A、四极杆B和多离子检测器依次沿离子束出口端的离子束方向设置。

适合图2系统搭配的离子源包括电感耦合等离子体(ICP)离子源、电子碰撞电离(EI)离子源等。

为校正系统的二级及以上像差，图1和图2两种系统中允许存在多个六极杆、八极杆或更高阶的极杆。因为不影响系统的一级聚焦性能，它们的位置较为灵活。

图1和图2两种系统中，在不对双静电四极杆系统施加电压时，离子束焦点(像点)仍然不变。

改变系统质量色散的为靠近检测器端的四极杆B，在其水平方向的两个极杆上加负电压，则增大了质量色散；此时，离子束的焦点位置发生改变，需要在靠近磁铁端的四极杆A的水平方向的两个极杆上加正电压，使各离子束重新聚焦在固定的聚焦线上。

反之，在其靠近检测器端的四极杆B的水平方向的两个极杆上加正电压，则减小了质量色散；此时，离子束的焦点位置发生改变，需要在靠近磁铁端四极杆A的水平方向的两个极杆上加负电压，使各离子束重新聚焦在固定的聚焦线上。

图1和图2两种系统中，检测器系统也可以靠近或拉远。此时，在不对双四极杆系统施加电压时，离子束原始焦点(像点)与检测器狭缝不再重合，系统不能实现聚焦。当检测器系统靠近时，对其中的一个或两个四极杆的水平电极施加正电压，使离子束重新聚焦在检测器狭缝；反之，当检测器系统拉远时，对其中的一个或两个四极杆的水平电极施加负正电压，使之重新聚焦。进一步改变质量色散的操作与上述相同。

如图3所示，任何时候，四极杆的垂直方向的两个极杆上加的电压与水平方向的大小相等，方向相反。即四极杆A和四极杆B均包括四个极杆，其中两个极杆在水平方向上设置，另两个极杆在竖直方向上设置，并且加载在水平方向上两个极杆的电压和竖直方向上两个极杆的电压大小相同，方向相反。

图3右xyz立体三垂线立体坐标中，x方向为与离子束方向z垂直的水平方向，图3左、图4和图5的平面坐标与图3右坐标中的xy平面相同；图3为标准的圆柱电极四极杆，电极的半径约为四极杆内切圆半径的1.15倍。

如图4左所示，可以用半圆形四极杆代替标准的圆柱四极杆，以减小四极杆的体积；如图4右所示，理想的四极杆为双曲面，但机械加工有相当的难度；图4的两种四极杆施加电压方法与图3相同。

如图5左所示，也可以用异形平板四极杆代替标准的圆柱四极杆，以减小四极杆的体积，施加电压方法与图2相同。

如图5右所示，也可以用异形分段四极杆代替标准的圆柱四极杆，以提高电场分布的灵活性。在图5右中，中心电极的电压为0伏，1、2、3、4、5号和6电极的电压依次为0.028V、0.111V、0.250V、0.444V、0.694V和1V，构成水平方向上恒定的电场梯度。当电压为正时，功能上相当于水平方向加正电压的四极杆。当电压为负时，相当于水平方向加负电压的四极杆。该异形四极杆可以根据实际效果调节每个电极的电压，因此较四个电极的四极杆有更好的灵活性。

具体实施例二

本发明的质量分析器系统主要应用在同位素质谱仪中，图6所示为应用本发明系统的一台热表面电离质谱仪。离子源为热表面电离离子源，5千伏到20千伏的宽范围离子加速电压为离子源所有电流电压(即热电离离子源的电压和电流供应系统)的基准电压，即宽范围可变的离子加速高压电源为5千伏到20千伏。与离子源相关的所有电流电压都悬浮在基准电压上，包括离子源的各加速聚焦电压、灯丝电流。二极扇形磁铁的中心半径为26厘米，磁感应强度为7000高斯，此时5千伏到20千伏的加速电压范围对应的质量数范围为80到320，覆盖了常见的从Sr到U同位素的测量，并延伸到应用Cs₂BO₂分子离子测量硼(B)同位素(质量数308和309)。离子束出入的磁场边界与离子束垂线的夹角为26.6度，边界中心点与离子源出口狭缝或与中心检测器狭缝的间距均为52厘米。

双静电四极杆系统在永久磁铁后面，即四极杆A和四极杆B、多离子检测器依次沿离子束出口端的离子束方向设置。独立可调的四组直流稳压电源为其供电，两个四极杆的长度均为10.4厘米，四极杆间距为5.2厘米。磁铁边缘中心点到四极杆的间距为7.8厘米，中心检测器狭缝到四极杆的间距为18.2厘米。

固定位置的多法拉第杯接收系统在离子束聚焦线上，根据系统参数规模，可以在聚焦线上安装2个到20个法拉第杯，法拉第杯中心间距为2.6毫米。也可以在安装法拉第杯的位置将离子束引导进入离子计数系统(二次电子倍增器SEM或Daly检测器)，以拓展离子束强度检测范围，图中省略了多接收器各自的放大器。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种使用永久磁铁的可变质量色散的质量分析器系统，其特征在于包括扇形磁铁、双静电四极杆系统、固定的多离子检测器、宽范围离子加速直流高压电源和直流稳压电源，

所述扇形磁铁为永久磁铁，所述扇形磁铁的一端为离子束入口端，所述扇形磁铁的另一端为离子束出口端，

所述双静电四极杆系统包括依次在扇形磁铁离子束出口端与多离子检测器之间设置的四极杆A和四极杆B，

所述多离子检测器在各离子束焦点的聚焦线上排列设置，并且通过改变双四极杆系统中的四极杆电压，调整质量色散使得不同质量数元素的同位素离子束与固定间距的多离子检测器相适应，

所述宽范围离子加速直流高压电源对不同元素的离子束进行电扫描，

所述直流稳压电源对双静电四极杆系统进行供电。

2.根据权利要求1所述的一种使用永久磁铁的可变质量色散的质量分析器系统，其特征在于所述扇形磁铁的离子束入口端前方设置有静电分析器。

3.根据权利要求1所述的一种使用永久磁铁的可变质量色散的质量分析器系统，其特征在于所述四极杆A和四极杆B均包括四个极杆，其中两个极杆在水平方向上设置，另两个极杆在竖直方向上设置，并且加载在水平方向上两个极杆的电压和竖直方向上两个极杆的电压大小相同，方向相反。

4.根据权利要求1所述的一种使用永久磁铁的可变质量色散的质量分析器系统，其特征在于双静电四极杆系统中，四极杆B对质量色散进行调整，而四极杆A对离子束重新聚焦。

5.根据权利要求3所述的一种使用永久磁铁的可变质量色散的质量分析器系统，其特征在于当所述四极杆B中在其水平方向上的两个极杆上加载负电压时，所述四极杆A中在其水平方向上的两个极杆加载正电压；当所述四极杆B中在其水平方向上的两个极杆上加载正电压时，所述四极杆A在其水平方向上的两个极杆加载负电压。

6.根据权利要求1所述的一种使用永久磁铁的可变质量色散的质量分析器系统，其特征在于所述双四极杆系统中的极杆为圆柱极杆、半圆形极杆、双曲面极杆、异形平板极杆、异形分段极杆中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种使用永久磁铁的可变质量色散的质量分析器系统，其特征在于不同元素的同位素离子束在聚焦线上的间距相同。