CN109585258B - 一种三维离子阱系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维离子阱系统及其控制方法，所述三维离子阱系统包括：在目标离子入射方向上依次设置的屏蔽电极、聚焦电极、三维离子阱、弹出后电极、离子阱后聚焦环、聚焦屏蔽电极以及离子探测器，所述技术方案通过对各个电极输入电压信号的控制，可以解决离子在三维离子阱外减速造成的离子发散与衰减问题，对高平动能的离子进行有效地存储。

Description

一种三维离子阱系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及精密仪器技术领域，更具体的说，涉及一种三维离子阱系统及其控制方法。

背景技术

飞行时间质谱(TOF)由于其检测分子量的范围大，扫描速度快，仪器结构简单被广泛应用于科学研究和检测应用。离子在到达推斥电场的电极片中心时被一个脉冲电场加速后进入无场漂移管，并以恒定速度飞向离子接收器。离子质荷比越大，到达接收器所用时间越长；离子质荷比越小，到达接收器所用时间越短，根据这一原理，可以把不同质荷比的离子按质荷比m/z值大小进行分离，m表示离子质量，z表示离子电荷数。由于离子束在无场漂移管中自由飞行时受离子间的库伦排斥力会发散，通常在加速电场对离子施加一个较大的脉冲电压，使离子束以较高速度和较小的发散角飞向离子接收器。

三维离子阱由带小孔的前后端盖电极和带通气孔的环电极组成，环电极上加射频电压，且在离子阱前后端盖电极和环电极上施加直流电压时，离子阱就可以将某一质荷比范围的离子束缚在离子阱中心位置，待离子存储一定时间后，通过对离子阱后端盖电极施加一个脉冲电压，在前后端盖电极间形成加速电场，使三维离子阱中离子被加速弹出。三维离子阱对离子具有富集和聚焦作用，因此通常与TOF和分析光谱联用。

在现有技术中，TOF中离子经加速电场加速后在无场漂移管中的平动能通常为几百或上千个eV,而三维离子阱只对平动能小于25eV的离子有较好的束缚效果。若在三维离子阱外将离子减速至25eV以下，会造成离子发散，从而导致离子穿过前端盖电极上小孔的通过率低，使离子信号大大降低。

因此，如何在保证离子穿过离子阱前端盖电极小孔通过率的同时实现三维离子阱对高平动能离子的存储，已经成为目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明技术方案提供了一种三维离子阱系统及其控制方法，可以实现避免离子在三维离子阱外减速造成的离子发散与衰减问题，同时对高平动能的离子进行有效的存储。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种三维离子阱系统，所述三维离子阱系统包括：在目标离子入射方向上依次设置的屏蔽电极、聚焦电极、三维离子阱、弹出后电极、离子阱后聚焦环、聚焦屏蔽电极以及离子探测器；

所述三维离子阱包括在所述入射方向上依次设置的前端盖电极、环电极以及后端盖电极，所述前端盖电极以及所述后端盖电极均设置有通孔，两个通孔的连线通过所述环电极的环形区域中心，且平行于所述入射方向；所述环电极设置有用于通入冷却碰撞气体的进气管；

所述目标离子依次经过所述屏蔽电极和所述聚焦电极，入射所述前端盖电极的通孔；

所述前端盖电极以及所述后端盖电极用于分别输入脉冲高压，所述环电极用于输入偏置电压以及射频高压，以将所述目标离子减速后，存储在所述三维离子阱中；

所述弹出后电极用于与所述后端盖电极形成加速电场，对所述三维离子阱中存储的所述目标离子进行加速，使得所述目标离子依次通过所述后端盖电极的通孔、所述弹出后电极以及所述离子阱后聚焦环和所述聚焦屏蔽电极后，入射所述离子探测器。

优选的，在上述三维离子阱系统中，所述屏蔽电极、所述弹出后电极以及所述聚焦屏蔽电极通过所述目标离子的区域均具有导电银胶黏合的栅网，以屏蔽电场。

优选的，在上述三维离子阱系统中，所述屏蔽电极、所述弹出后电极以及所述聚焦屏蔽电极均接地。

优选的，在上述三维离子阱系统中，所述聚焦电极包括：朝向所述前端盖电极的凸起，所述凸起顶部具有通孔。

优选的，在上述三维离子阱系统中，所述屏蔽电极为出射所述目标离子的飞行时间质谱的屏蔽电极。

本发明还提供了一种控制方法，所述控制方法包括：采用上述三维离子阱系统对目标离子进行减速、存储和弹出。

优选的，在上述控制方法中，所述控制方法包括：

将屏蔽电极、聚焦电极、弹出后电极、离子阱后聚焦环和聚焦屏蔽电极均接地；

为前端盖电极、环电极以及后端盖电极整体输入第一直流高压，调节所述第一直流高压的电压值，基于离子探测器检测的所述目标离子的穿过所述三维离子阱的通过率，确定所述前端盖电极需要的脉冲高压的低电平电压，该低电平电压为第一电压。

优选的，在上述控制方法中，所述控制方法包括：

确定所述第一电压后，将所述屏蔽电极、所述弹出后电极、所述离子阱后聚焦环和所述聚焦屏蔽电极均接地；

为所述前端盖电极、所述环电极以及所述后端盖电极整体输入所述第一电压；

调节所述聚焦电极的电压值，基于所述离子探测器检测的所述目标离子的离子信号，确定所述聚焦电极需要的直流高压，该直流高压为第二电压。

优选的，在上述控制方法中，所述控制方法包括：

确定所述第二电压后，将所述屏蔽电极、所述弹出后电极和所述聚焦屏蔽电极均接地；

为所述聚焦电极输入所述第二电压，为所述前端盖电极、所述环电极以及所述后端盖电极整体输入所述第一电压；

调节所述离子阱后聚焦环的直流高压，基于所述离子探测器检测的所述目标离子的离子信号，确定所述离子阱后聚焦环需要的直流高压，该直流高压为第三电压；

确定所述第三电压后，为所述环电极以及所述后端盖电极整体输入所述第一电压，为所述前端盖电极输入第一脉冲高压；所述第一脉冲高压的高电平为所述偏置电压，其低电平为所述第一电压；

以所述第一脉冲高压的下降沿宽度为步长调节负脉冲触发点，基于所述离子探测器检测的所述目标离子的离子信号，确定所述第一脉冲高压的时序下降沿为t0时刻；

确定所述第一脉冲高压的时序下降沿后，为所述环电极以及所述后端盖电极整体输入所述偏置电压，以所述第一脉冲高压的下降沿宽度为步长调节负脉冲的脉冲宽度，基于所述离子探测器检测的所述目标离子的离子信号，确定所述第一脉冲高压的时序上升沿为t1时刻。

优选的，在上述控制方法中，所述控制方法包括：

确定所述第一脉冲高压的时序上升沿后，为所述前端盖电极输入所述第一脉冲高压，为所述环电极输入所述偏置电压，所述后端盖电极输入第二脉冲高压，所述第二脉冲高压的高电平为所述偏置电压，低电平为二分之一所述偏置电压，其时序下降沿为所述t1时刻，以所述第二脉冲高压的下降宽度为步长，调节所述第二脉冲高压的脉冲宽度，基于所述离子探测器检测的所述目标离子的离子信号，确定所述第二脉冲高压的脉冲宽度；

为所述后端盖电极输入所述第二脉冲高压，调节所述第二脉冲高压的低电平，基于所述离子探测器检测的所述目标离子的离子信号，确定所述第二脉冲高压的目标低电平，该目标低电平为第四电压。

优选的，在上述控制方法中，所述控制方法包括：

确定所述第四电压后，为所述离子阱后聚焦环输入所述第三电压，为所述后端盖电极输入第三脉冲高压，所述第三脉冲高压的高电平为所述偏置电压，低电平为所述第四电压，时序下降沿为t2时刻，t2＝t1+δT，δT为目标存储时间，脉冲宽度为δt1；

调节所述环电极输入的射频电压幅值，基于所述离子探测器检测的所述目标离子的离子信号，确定所述环电极需要的目标射频电压；

确定所述目标射频电压后，为所述环电极输入所述目标射频电压，调节所述环电极输入的直流高压，基于所述离子探测器检测的所述目标离子的离子信号，确定所述环电极需要的目标直流高压。

优选的，在上述控制方法中，所述控制方法包括：

确定所述目标直流高压后，调节进气管中冷却碰撞气体的进气量，基于所述离子探测器检测的所述目标离子的离子信号，确定目标进气量；

确定所述目标进气量后，调节所述环电极输入射频电压的衰减触发时序，获取从所述目标射频电压衰减至0V的持续时间，基于所述离子探测器检测的所述目标离子的离子信号，确定弹出条件。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的三维离子阱系统及其控制方法中，所述三维离子阱系统包括：在目标离子入射方向上依次设置的屏蔽电极、聚焦电极、三维离子阱、弹出后电极、离子阱后聚焦环、聚焦屏蔽电极以及离子探测器，所述技术方案通过对各个电极输入电压信号的控制，可以解决离子在三维离子阱外减速造成的离子发散与衰减问题，对高平动能的离子进行有效地存储。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种三维离子阱系统的结构示意图；

图2-图7为本发明实施例提供的一种三维离子阱系统的电压输入原理示意图；

图8为本发明实施例提供的一种通过三维离子阱系统弹出的离子信号的飞行时间谱图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种三维离子阱系统的结构示意图，该三维离子阱系统包括：在目标离子入射方向上依次设置的屏蔽电极1、聚焦电极2、三维离子阱、弹出后电极6、离子阱后聚焦环7、聚焦屏蔽电极8以及离子探测器11。

其中，三维离子阱包括在入射方向上依次设置的前端盖电极3、环电极4以及后端盖电极5，前端盖电极3以及后端盖电极5均设置有通孔，两个通孔的连线通过环电极4的环形区域中心，且平行于入射方向；环电极4设置有用于通入冷却碰撞气体的进气管10。三维离子阱中，前端盖电极3与后端盖电极5分别设置在环电极4环状开口的两侧。

在图1所示方式中，目标离子的入射方向为图1中由左至右的方向。目标离子依次经过屏蔽电极1和聚焦电极2，入射前端盖电极3的通孔。

前端盖电极3以及后端盖电极5用于分别输入脉冲高压，环电极4用于输入偏置电压以及射频高压，以将目标离子减速后，存储在三维离子阱中。弹出后电极6用于与后端盖电极5形成加速电场，对三维离子阱中存储的目标离子进行加速，使得目标离子依次通过后端盖电极5的通孔、弹出后电极6以及离子阱后聚焦环7和聚焦屏蔽电极8后，入射离子探测器11。

优选的，屏蔽电极1、弹出后电极6以及聚焦屏蔽电极8通过目标离子的区域均具有导电银胶黏合的栅网9，以屏蔽电场。屏蔽电极1、弹出后电极6以及聚焦屏蔽电极8均接地。

聚焦电极2为锥孔电极，具体的，聚焦电极2包括：朝向前端盖电极3的凸起，凸起顶部具有通孔，从而可以实现对目标离子的聚焦，这样当采用三维离子阱系统在三维离子阱外对目标离子进行减速时，可以避免离子发散衰减问题。

屏蔽电极1为出射目标离子的飞行时间质谱TOF的屏蔽电极。在与飞行时间质谱组合使用时，直接复用飞行时间质谱TOF的屏蔽电极作为三维离子阱系统的屏蔽电极1，简化系统结构。屏蔽电极1用于屏蔽三维离子阱前级TOF电场。

下面以对正离子进行减速、存储和弹出的过程进行说明：

屏蔽电极1接地，并且屏蔽电极1的中心通孔贴有导电银胶黏合的栅网9。本发明实施例中，通过在设定电极的通孔位置设置栅网9，可以避免栅网两侧的电场通过电极上的通孔渗透到非目标区域。

作为离子进入三维离子阱前的起离子聚焦作用的聚焦电极2，在实现对离子进行减速、存储和弹出过程中，聚焦电极2上施加直流高压，使离子聚焦并且通过三维离子阱的前后端盖电极3、5上的小孔时通过率最高，即在聚焦电极2上施加正电压，离子带正电，由于同性相斥，离子会向中间压缩。

前端盖电极3作为离子进入三维离子阱的控制开关，在实现对离子进行减速、存储和弹出过程中，前端盖电极3上施加脉冲高压，通过相关时序的控制，选择性地使离子通过前端盖电极3，并且受负电压差被减速以使存储效果更好。选择性地使离子通过前端盖电极3的原理是：前端盖电极3上有正电压，对离子有排斥作用，当离子飞到前端盖电极3时，如果前端盖电极3处于脉冲电压的高电平状态，离子会因为排斥作用被弹回，如果前端盖电极3处于低电平状态，离子动能足以抵抗排斥力，可顺利通过前端盖电极3，这样就可以通过控制离子飞行时间和脉冲电压的时序，即可选择性让其通过前端盖电极3。

环电极4作为三维离子阱的存储中心部件，在实现对离子进行减速、存储和弹出中，环电极4上施加偏置电压及射频高压，使离子飞行轨迹发生振荡并稳定在三维离子阱的中心附近。

后端盖电极5作为离子弹出三维离子阱的控制开关，在实现对离子进行减速、存储和弹出过程中，后端盖电极5上施加脉冲高压，通过相关时序的控制，使离子受正电压差被加速弹出离子阱，即离子在电场作用下获得动能，获得动能速度增大后，离子实现加速弹出。

为了使离子弹出后获得更大动能，三维离子阱系统中设计含二级加速场，通过弹出后电极6和后端盖电极5可以形成二级加速场。如弹出后电极6接地，与后端盖电极5上脉冲高压形成正电场，同样弹出后电极6的中心通孔贴有导电银胶黏合的栅网9。

离子阱后聚焦环7用于在离子弹出三维离子阱后对离子聚焦，在实现对离子进行减速、存储和弹出过程中，离子阱后聚焦环7上施加直流高压，使离子聚焦以更好的被探测器11接收。

聚焦屏蔽电极8作为离子飞过离子阱后聚焦环7后无场飞行区的屏蔽装置，在实现对离子进行减速、存储和弹出过程中，聚焦屏蔽电极8接地，并且聚焦屏蔽电极8的中心通孔贴有导电银胶黏合的栅网9。

为了实现更好的离子存储效果，在实现对离子进行减速、存储和弹出过程中，由进气管10向三维离子阱中通入适量冷却膨胀气体(惰性气体)使离子经碰撞冷却后更好的被束缚在三维离子阱的中心。

本发明实施例三维离子阱系统是利用双脉冲电场实现离子在三维离子阱中减速、存储和弹出过程的新型离子阱系统。本发明实施例三维离子阱系统中，可以通过对三维离子阱之前的聚焦电极2施加直流电压使离子聚焦；可以对前端盖电极3施加一路脉冲高压，对三维离子阱环电极4施加偏置电压及射频高压，同时对其后端盖电极5施加另一路脉冲高压，通过对两路脉冲高压和射频电压衰减三路时序的控制，实现对目标离子在三维离子阱中的减速、存储和弹出过程。本发明实施例技术方案解决了现有技术对离子在三维离子阱外减速造成的离子发散与衰减问题，对高平动能的离子进行有效地存储。本发明实施例技术方案可以用于正离子的减速、存储和弹出过程，其他方式中也可以用于对负离子的减速、存储和弹出过程。

本发明另一实施例还提供了一种控制方法，用于控制上述实施例三维离子阱系统。控制方法包括采用上述实施例三维离子阱系统对目标离子进行减速、存储和弹出。

下面结合上述三维离子阱系统对目标离子进行减速、存储和弹出的工作过程进行详细描述。显然，通过变换对应电极上的电压信号的正负性也可以实现对负离子进行三维离子阱中的减速、存储和弹出过程。

本发明实施例中，控制方法包括：

步骤A：估算三维离子阱整体的偏置电压U_bias。

该步骤中，可以根据引入目标离子的平动能Q_t与离子电荷数q，由公式U₀＝Q_t/q计算得出U₀值，则U_bias可取比U₀略大的整数值，如可以设定U_bias-U₀≤1。入射三维离子阱系统的目标离子的平动能Q_t与离子电荷数q为常数，故U₀为常数，电压U_bias的估算过程不局限于在控制方法的开始步骤。其估算过程可以在后续步骤D之前即可。

步骤B：估测前端盖电极3上需要脉冲高压的低电平电压U3。

该步骤中，将屏蔽电极1、聚焦电极2、弹出后电极6、离子阱后聚焦环7和聚焦屏蔽电极8均接地。为离子探测器11输入直流高压，保证其能够有效读取离子信号。为前端盖电极3、环电极4以及后端盖电极5整体输入第一直流高压，调节第一直流高压的电压值，基于离子探测器11检测的目标离子的穿过所述三维离子阱的通过率，确定前端盖电极3需要脉冲高压的低电平电压U3，该低电平电压为第一电压。具体的，在调节第一直流高压的过程中，观察离子穿过所述三维离子阱系统的穿过率，选择目标离子穿过率在～80％时的整数电压值作为前端盖电极3上需要脉冲高压的低电平电压U3。

步骤C：优化聚焦电极2上施加的直流高压U2；

该步骤中，确定第一电压后，将屏蔽电极1、弹出后电极6、离子阱后聚焦环7和聚焦屏蔽电极8均接地；为离子探测器11输入直流高压，保证其能够有效读取离子信号。为前端盖电极3、环电极4以及后端盖电极5整体输入第一电压，即输入低电平电压U3；聚焦电极2施加直流高压，调节聚焦电极2的电压值，基于离子探测器11检测的目标离子的离子信号，确定聚焦电极2需要的直流高压U2，该直流高压为第二电压。具体的，在调节聚焦电极2施加直流高压过程中，观察目标离子信号，选择离子信号最大时对应的电压值作为聚焦电极2需要的直流高压U2。

步骤D：优化离子阱后聚焦环7上施加的直流高压U7。

该步骤中，确定第二电压后，将屏蔽电极1、弹出后电极6和聚焦屏蔽电极8均接地。为离子探测器11输入直流高压，保证其能够有效读取离子信号。为聚焦电极2输入第二电压U2，为前端盖电极3、环电极4以及后端盖电极5整体输入第一电压U3；调节离子阱后聚焦环7的直流高压，基于离子探测器11检测的目标离子的离子信号，确定离子阱后聚焦环7需要的直流高压U7，该直流高压为第三电压。具体的，在调节离子阱后聚焦环7的直流高压的过程中，选择离子信号最大时对应的电压值作为离子阱后聚焦环7需要的直流高压U7。

步骤E：优化三维离子阱前端盖3上负脉冲高下降沿时序。该步骤包括步骤E-S1和步骤E-S2。

步骤E-S1：确定第三电压U7后，将屏蔽电极1、弹出后电极6和聚焦屏蔽电极8均接地。为离子探测器11输入直流高压，保证其能够有效读取离子信号。为聚焦电极2输入第二电压U2。为环电极4以及后端盖电极5整体输入第一电压U3，为前端盖电极3输入如图2所示第一脉冲高压U3；第一脉冲高压的高电平为所述偏置电压U_bias，其低电平为第一电压U3，脉宽持续到离子到达离子探测器11。以第一脉冲高压的下降沿宽度为步长，调节负脉冲触发点，基于离子探测器11检测的目标离子的离子信号，确定第一脉冲高压的时序下降沿为t0时刻。具体的，t0时刻的确定方法包括：调节第一脉冲高压冲触发点，观察目标离子信号骤减的时刻，以该骤减时刻减去一个步长的时刻作为前端盖电极3上第一脉冲高压的时序下降沿(前沿)t0，此时，目标离子即将飞过前端盖电极3，前端盖电极3由高电平U_bias下降至低电平U3，使得离子顺利通过前端盖电极3。

步骤E-S2：确定第一脉冲高压的时序下降沿后，将屏蔽电极1、弹出后电极6和聚焦屏蔽电极8均接地。为离子探测器11输入直流高压，保证其能够有效读取离子信号。为聚焦电极2输入第二电压U2。为环电极4以及后端盖电极5整体输入偏置电压U_bias，对前端盖电极3施加如附图3所示的第一脉冲高压，其高电平为U_bias，低电平为U3，以第一脉冲高压的下降沿宽度为步长，调节负脉冲的脉冲宽度，基于离子探测器11检测的目标离子的离子信号，确定第一脉冲高压的时序上升沿为t1时刻。具体的，t1时刻的确定方法包括：调节第一脉冲高压冲的脉冲宽度，观察目标离子信号经历先减弱-后增强-再减弱-最终消失的过程，将离子最终消失的时刻作为前端盖电极3上第一脉冲高压的时序上升沿(后沿)t1。对于正离子，第一脉冲高压为负脉冲高压。t0时刻和t1时刻的时间差即为离子减速的脉冲宽度δt0。

步骤F：优化三维离子阱后端盖电极5上脉冲高压时序及低电平电压U5；该步骤包括步骤F-S1和步骤F-S2。

步骤F-S1：确定第一脉冲高压的时序上升沿后，将屏蔽电极1、弹出后电极6和聚焦屏蔽电极8均接地。为离子探测器11输入直流高压，保证其能够有效读取离子信号。为聚焦电极2输入第二电压U2。为前端盖电极3输入第一脉冲高压，高电平为U_bias，低电平为U3，下降沿(前沿)为t0上升沿(后沿)为t1。为环电极4输入偏置电压U_bias，后端盖电极5输入如图4所示第二脉冲高压，第二脉冲高压的高电平为偏置电压U_bias，低电平为二分之一偏置电压U_bias，即U_bias/2，其时序下降沿为t1时刻，以第二脉冲高压的下降宽度为步长，调节第二脉冲高压的脉冲宽度，基于离子探测器11检测的目标离子的离子信号，确定第二脉冲高压的脉冲宽度。具体的，确定第二脉冲高压的脉冲宽度方法包括：调节第二脉冲高压的脉冲宽度，观察目标离子信号，将离子信号最强时对应的脉冲宽度作为后端盖电极5上需要的第二脉冲高压的脉冲宽度δt1。同样，对于正离子，第二脉冲高压为负脉冲高压。

步骤F-S2：将屏蔽电极1、弹出后电极6和聚焦屏蔽电极8均接地。为离子探测器11输入直流高压，保证其能够有效读取离子信号。为聚焦电极2输入第二电压U2。为前端盖电极3输入第一脉冲高压，高电平为U_bias，低电平为U3，下降沿(前沿)为t0上升沿(后沿)为t1。为环电极4输入偏置电压U_bias，为后端盖电极5输入如图4所示的第二脉冲高压，其高电平为U_bias，下降沿(前沿)为t1，脉冲宽度为δt1。调节第二脉冲高压的低电平，基于离子探测器11检测的目标离子的离子信号，确定第二脉冲高压的目标低电平U5，该目标低电平为第四电压。具体的，该过程中确定低电平U5的方法包括：调节第二脉冲高压的低电平，观察目标离子信号，将离子最强时此负脉冲高压的低电平作为后端盖电极5需要脉冲高压的目标低电平U5。

步骤G：优化三维离子阱环电极4上直流高压U4及射频(RF)幅值V_RF。该步骤包括步骤G-S1和步骤G-S2。

步骤G-S1：如图5所示，确定第四电压U5后，将屏蔽电极1、弹出后电极6和聚焦屏蔽电极8均接地。为离子探测器11输入直流高压，保证其能够有效读取离子信号。为聚焦电极2输入第二电压U2。为离子阱后聚焦环7输入第三电压U7，为前端盖电极3输入第一脉冲高压，高电平为U_bias，低电平为U3，下降沿(前沿)为t0上升沿(后沿)为t1。为环电极4输入偏置电压U_bias。为后端盖电极5输入第三脉冲高压，第三脉冲高压的高电平为偏置电压U_bias，低电平为第四电压U5，时序下降沿(前沿)为t2时刻，t2＝t1+δT，δT为目标存储时间，脉冲宽度为δt1。对于正离子，第三脉冲高压为负脉冲高压。调节环电极4输入的射频(RF)电压幅值，基于离子探测器11检测的目标离子的离子信号，确定环电极4需要的目标射频电压V_RF；具体的，该过程中，确定目标射频电压V_RF的方法包括：调节环电极4输入的射频(RF)电压幅值，观察弹出离子信号，选择离子信号最大时的射频(RF)幅值作为离子阱环电极4上的目标射频电压V_RF。

步骤G-S2：确定目标射频电压V_RF后，将屏蔽电极1、弹出后电极6和聚焦屏蔽电极8均接地。为离子探测器11输入直流高压，保证其能够有效读取离子信号。为聚焦电极2输入第二电压U2。为离子阱后聚焦环7输入第三电压U7，为前端盖电极3输入第一脉冲高压，高电平为U_bias，低电平为U3，下降沿(前沿)为t0上升沿(后沿)为t1。为环电极4输入射频电压V_RF。为后端盖电极5输入第三脉冲高压，第三脉冲高压的高电平为偏置电压U_bias，低电平为第四电压U5，时序下降沿(前沿)为t2，脉冲宽度为δt1。调节环电极4输入的直流高压，基于离子探测器11检测的目标离子的离子信号，确定环电极4需要的目标直流高压U4。该过程中，确定目标直流高压U4的方法包括：调节调节环电极4输入的直流高压，观察弹出离子信号，选择离子信号最大时的直流电压值作为环电极4需要的目标直流高压U4。

步骤H：确定目标直流高压U4后，如图6所示，将屏蔽电极1、弹出后电极6和聚焦屏蔽电极8均接地。为离子探测器11输入直流高压，保证其能够有效读取离子信号。为聚焦电极2输入第二电压U2。为离子阱后聚焦环7输入第三电压U7，为前端盖电极3输入第一脉冲高压，高电平为U_bias，低电平为U3，下降沿(前沿)为t0上升沿(后沿)为t1。为环电极4输入射频电压V_RF以及直流高压U4。为后端盖电极5输入第三脉冲高压，第三脉冲高压的高电平为偏置电压U_bias，低电平为第四电压U5，时序下降沿(前沿)为t2，脉冲宽度为δt1。调节进气管10中冷却碰撞气体的进气量，基于离子探测器11检测的目标离子的离子信号，确定目标进气量q；该过程中，确定目标进气量q的方法包括：调节进气管10中冷却碰撞气体的进气量q，观察弹出离子信号，选择离子信号最大时的进气量为目标进气量q。

步骤I：确定目标进气量q后，如附图7所示，将屏蔽电极1、弹出后电极6和聚焦屏蔽电极8均接地。为离子探测器11输入直流高压，保证其能够有效读取离子信号。为聚焦电极2输入第二电压U2。为离子阱后聚焦环7输入第三电压U7，为前端盖电极3输入第一脉冲高压，高电平为U_bias，低电平为U3，下降沿(前沿)为t0上升沿(后沿)为t1。为环电极4输入射频电压V_RF以及直流高压U4。为后端盖电极5输入第三脉冲高压，第三脉冲高压的高电平为偏置电压U_bias，低电平为第四电压U5，时序下降沿(前沿)为t2，脉冲宽度为δt1。进气管10的冷却碰撞气体以目标进气量q恒定进气。调节环电极4输入射频电压的衰减触发时序t3，获取从目标射频电压V_RF衰减至0V的持续时间δt3，基于离子探测器11检测的目标离子的离子信号，确定弹出条件。通过本发明实施例控制方法弹出的离子信号如图8所示。

本发明实施例所述控制方法，可以在三维离子阱中对离子进行减速、存储和弹出，解决了离子在三维离子阱外减速造成的离子发散与衰减问题，对高平动能的离子进行有效地存储。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种三维离子阱系统，其特征在于，所述三维离子阱系统包括：在目标离子入射方向上依次设置的屏蔽电极、聚焦电极、三维离子阱、弹出后电极、离子阱后聚焦环、聚焦屏蔽电极以及离子探测器；

所述三维离子阱包括在所述入射方向上依次设置的前端盖电极、环电极以及后端盖电极，所述前端盖电极以及所述后端盖电极均设置有通孔，两个通孔的连线通过所述环电极的环形区域中心，且平行于所述入射方向；所述环电极设置有用于通入冷却碰撞气体的进气管；

所述目标离子依次经过所述屏蔽电极和所述聚焦电极，入射所述前端盖电极的通孔；所述聚焦电极用于施加直流高压，使得离子聚焦并且通过三维离子阱的前后盖电极上的通孔时通过率最高；

所述前端盖电极以及所述后端盖电极用于分别输入脉冲高压，所述环电极用于输入偏置电压以及射频高压，以将所述目标离子减速后，存储在所述三维离子阱中；

所述弹出后电极用于与所述后端盖电极形成加速电场，对所述三维离子阱中存储的所述目标离子进行加速，使得所述目标离子依次通过所述后端盖电极的通孔、所述弹出后电极以及所述离子阱后聚焦环以及所述聚焦屏蔽电极后，入射所述离子探测器；所述离子阱后聚焦环用于施加直流高压，使得离子聚焦被探测器接收；

其中，所述屏蔽电极、所述弹出后电极以及所述聚焦屏蔽电极均接地。

2.根据权利要求1所述的三维离子阱系统，其特征在于，所述屏蔽电极、所述弹出后电极以及所述聚焦屏蔽电极通过所述目标离子的区域均具有导电银胶黏合的栅网，以屏蔽电场。

3.根据权利要求1所述的三维离子阱系统，其特征在于，所述聚焦电极包括：朝向所述前端盖电极的凸起，所述凸起顶部具有通孔。

4.根据权利要求1所述的三维离子阱系统，其特征在于，所述屏蔽电极为出射所述目标离子的飞行时间质谱的屏蔽电极。

5.一种控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：采用如权利要求1-4任一项所述的三维离子阱系统对目标离子进行减速、存储和弹出，所述控制方法包括如下步骤：

步骤A：估算三维离子阱整体的偏置电压；

步骤B：估测前端盖电极上需要脉冲高压的低电平电压；

步骤C：优化聚焦电极上施加的直流高压；

步骤D：优化离子阱后聚焦环上施加的直流高压；

步骤E：优化三维离子阱前端盖上负脉冲高下降沿时序；

步骤F：优化三维离子阱后端盖电极上脉冲高压时序及低电平电压；

步骤G：优化三维离子阱环电极上直流高压及射频幅值；

步骤H：确定目标直流高压后，将屏蔽电极、弹出后电极和聚焦屏蔽电极均接地；

步骤I：确定目标进气量后，将屏蔽电极、弹出后电极和聚焦屏蔽电极均接地。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

将屏蔽电极、聚焦电极、弹出后电极、离子阱后聚焦环和聚焦屏蔽电极均接地；

为前端盖电极、环电极以及后端盖电极整体输入第一直流高压，调节所述第一直流高压的电压值，基于离子探测器检测的所述目标离子的穿过所述三维离子阱的通过率，确定所述前端盖电极需要的脉冲高压的低电平电压，该低电平电压为第一电压。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

确定所述第一电压后，将所述屏蔽电极、所述弹出后电极、所述离子阱后聚焦环和所述聚焦屏蔽电极均接地；

为所述前端盖电极、所述环电极以及所述后端盖电极整体输入所述第一电压；

调节所述聚焦电极的电压值，基于所述离子探测器检测的所述目标离子的离子信号，确定所述聚焦电极需要的直流高压，该直流高压为第二电压。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

确定所述第二电压后，将所述屏蔽电极、所述弹出后电极和所述聚焦屏蔽电极均接地；

为所述聚焦电极输入所述第二电压，为所述前端盖电极、所述环电极以及所述后端盖电极整体输入所述第一电压；

调节所述离子阱后聚焦环的直流高压，基于所述离子探测器检测的所述目标离子的离子信号，确定所述离子阱后聚焦环需要的直流高压，该直流高压为第三电压；

确定所述第三电压后，为所述环电极以及所述后端盖电极整体输入所述第一电压，为所述前端盖电极输入第一脉冲高压；所述第一脉冲高压的高电平为所述偏置电压，其低电平为所述第一电压；

以所述第一脉冲高压的下降沿宽度为步长调节负脉冲触发点，基于所述离子探测器检测的所述目标离子的离子信号，确定所述第一脉冲高压的时序下降沿为t0时刻；

确定所述第一脉冲高压的时序下降沿后，为所述环电极以及所述后端盖电极整体输入所述偏置电压，以所述第一脉冲高压的下降沿宽度为步长调节负脉冲的脉冲宽度，基于所述离子探测器检测的所述目标离子的离子信号，确定所述第一脉冲高压的时序上升沿为t1时刻。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

确定所述第一脉冲高压的时序上升沿后，为所述前端盖电极输入所述第一脉冲高压，为所述环电极输入所述偏置电压，所述后端盖电极输入第二脉冲高压，所述第二脉冲高压的高电平为所述偏置电压，低电平为二分之一所述偏置电压，其时序下降沿为所述t1时刻，以所述第二脉冲高压的下降宽度为步长，调节所述第二脉冲高压的脉冲宽度，基于所述离子探测器检测的所述目标离子的离子信号，确定所述第二脉冲高压的脉冲宽度；

为所述后端盖电极输入所述第二脉冲高压，调节所述第二脉冲高压的低电平，基于所述离子探测器检测的所述目标离子的离子信号，确定所述第二脉冲高压的目标低电平，该目标低电平为第四电压。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

确定所述第四电压后，为所述离子阱后聚焦环输入所述第三电压，为所述后端盖电极输入第三脉冲高压，所述第三脉冲高压的高电平为所述偏置电压，低电平为所述第四电压，时序下降沿为t2时刻，t2＝t1+δT，δT为目标存储时间，脉冲宽度为δt1；

调节所述环电极输入的射频电压幅值，基于所述离子探测器检测的所述目标离子的离子信号，确定所述环电极需要的目标射频电压；

确定所述目标射频电压后，为所述环电极输入所述目标射频电压，调节所述环电极输入的直流高压，基于所述离子探测器检测的所述目标离子的离子信号，确定所述环电极需要的目标直流高压。

11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

确定所述目标直流高压后，调节进气管中冷却碰撞气体的进气量，基于所述离子探测器检测的所述目标离子的离子信号，确定目标进气量；

确定所述目标进气量后，调节所述环电极输入射频电压的衰减触发时序，获取从所述目标射频电压衰减至0V的持续时间，基于所述离子探测器检测的所述目标离子的离子信号，确定弹出条件。

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