CN109841488B - 一种用于离子存储的大容量静电离子阱 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大容量静电离子阱装置及方法。本发明利用反射镜多次反射折叠离子路径的原理，将注入的离子存储于两组镜像对称的静电反射镜之间。离子在一定时间后在离子门电极上施加脉冲将富集的全部离子引出。离子存储模式时，分布于静电离子阱的反射电极组内及无场区内，存储空间大，有效避免了空间电荷效应的影响，增大了离子存储的容量，可提高信噪比。

Description

一种用于离子存储的大容量静电离子阱

技术领域

本发明涉及离子光学领域，具体的说是提供一种高容量的静电离子阱及离子存储富集的方法。本发明原理基于反射镜多次反射折叠离子路径的方式，将注入的离子存储于两组镜像对称的静电反射镜之间，在一定时间后在离子门电极上施加脉冲将富集的全部离子引出。离子存储空间大，有效避免了空间电荷效应的影响，增大了离子存储的容量，可提高信噪比。

背景技术

常规的3D离子阱由一个双曲面的圆环电极和两端的端盖电极构成，通过射频电压将离子囚禁在阱内，既能够作为离子存储装置，又是质量分析器。由于离子囚禁于阱中心的一个小点附近，离子数量多时空间电荷效应严重限制了离子存储的容量，这对离子阱的灵敏度和分辨性能都有极大降低。

中国专利CN101038852公开一种可用于多种分析目的大容量线性离子阱和一种易于实现高准确度高精密度加工与装配的一体化电极加工方法。该离子阱采用在四极杆上施加RF射频信号径向方向约束离子与背景分子碰撞冷却，利用端盖DC直流信号的开关来控制离子存储与引出。工作于存储模式时，离子冷却后逐渐向轴线聚集，并沿轴线方向往复运动。这种方法的离子存储空间是沿轴线方向的一整条线附近，相比于仅仅将离子存储与中心点附近的3D离子阱，离子存储能力已经有极大提升。同样还有矩形离子阱具有类似提高离子存储容量的能力。这些线性离子阱和矩形离子阱无论是作为离子存储装置相比3D离子阱在离子存储能力方面的优势，已经是本领域人士显而易见的认识。

除了以上依赖射频电场的离子阱，也有仅仅依靠静电场实现离子存储的装置发明。中国专利CN 102412110A公布了一种由前电极、外筒、厚电极和中心电极构成的直流离子阱。在前、后、外筒电极上分别施加正电压，在中心电极上施加负电压，使离子阱内形成凹形的电势场。当具有一定动能范围和入射角的离子在凹形电势场中震荡，并存储起来。该装置无需射频电源，整体结构简单，离子的存储空间也是沿轴线线性分布，离子存储容量比常规3D离子阱容量也要大。这种静电离子阱或者说直流离子阱也在自国外进入国内的发明专利CN101578684A以及CN104779132A这些专利中也有公开。

本专利所涉及的高容量静电离子阱装置，依靠平板镜像对称的反射镜，约束离子在反射镜之间呈“Z”字型往复反射的运动。离子在具有减速场的反射镜中飞行慢，在无电场的漂移区中飞行快，这造成反射镜中离子分布高，漂移区中离子分布少。当离子门关闭时，工作于离子存储模式，离子大多数存储于减速场反射镜中。当离子门打开时，工作于离子引出模式，离子将快速从静电离子阱中弹出。由于平板镜像对称的反射镜在横向分布空间大，这说明离子可存储的反射区空间大，受到空间电荷效应影响小，这有利于离子容量的极大提升。

发明内容

本发明提供一种高容量的静电离子阱。本发明原理基于反射镜多次反射折叠离子路径的方式，将注入的离子存储于两组镜像对称的静电反射电极之间，在一定时间后在离子门电极上施加脉冲将富集的全部离子引出。离子存储模式时，分布于静电离子阱的反射电极组内及无场区内，存储空间大，有效避免了空间电荷效应的影响，增大了离子存储的容量，可提高信噪比。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

静电离子阱包括第一、第二反射底电极、，第一、第二地电极、，第一、第二聚焦电极，第一、第二、第三、第四反射电极，注入离子门，引出离子门，中心聚焦电极组、偏入电极、偏出电极；

以纵向方向为y轴，横向方向为x轴，以垂直于x y平面方向为z轴；

第一反射底电极为一长方体，于长方体左侧表面开设有一纵向截面(垂直x轴方向的截面)为矩形凹槽，第二反射底电极为一长方体，于长方体右侧表面(垂直x轴方向的截面)开设有一纵向截面为矩形凹槽；

第一、第二地电极，第一、第二聚焦电极，第一、第二、第三、第四反射电极均为一中部带有矩形通孔的矩形环状电极，电极纵向截面形状呈“回”字形；

第一反射底电极的矩形凹槽与第二反射底电极矩形凹槽相对平行设置；

第一反射电极、第二反射电极、第一聚焦电极、第一地电极、第二地电极、第二聚焦电极、第四反射电极、第三反射电极依次顺序平行间隔设置于第一反射底电极和第二反射底电极之间；

第一反射底电极的矩形凹槽、第一、第二地电极，第一、第二聚焦电极，第一、第二、第三、第四反射电极上的中部矩形通孔分别于第二反射底电极上投影，它们的投影均与第二反射底电极矩形凹槽纵向截面重合；

由第一反射底电极、第一反射电极、第二反射电极、第一聚焦电极、第一地电极构成第一反射电极组；

由第二地电极、第二聚焦电极、第四反射电极、第三反射电极、第二反射底电极构成第二反射电极组；第一反射电极组与第二反射电极组中的对应电极呈镜像对称排布；

注入离子门、引出离子门都是由两片相同形状和大小的矩形平板电极平行间隔设置构成，且它们平行平面的法线方向为纵向方向(沿y方向)，中心聚焦电极组由两个及三个以上电极对构成，每个电极对由两片相同形状和大小的矩形平板电极平行间隔设置构成，且它们平行平面的法线方向为纵向方向(沿y方向)；

注入离子门、中心聚焦电极组、引出离子门位于第一反射电极组与第二反射电极组之间，注入离子门中电极的几何中心、中心聚焦电极组中电极的几何中心、引出离子门中电极的几何中心沿从上至下的纵向方向位于同一直线上，且该直线位于第一反射电极组与第二反射电极组的镜像对称面上；

偏入电极和偏出电极分别为二个片状电极，二个片状电极垂直z轴方向的截面为2个圆弧，2个圆弧为同圆心、同圆心角、且位于同一圆心角处的半径不同的2段弧线；

偏入电极位于注入离子门上方、偏出电极位于引出离子门下方。

离子通过偏入电极偏转的方式引入静电离子阱中；在加在注入离子门和引出离子门的两个电极之间施加周期性的方波脉冲电场，当两个电极之间电场为零时，离子飞经离子门不发生偏转；调节电极电场大小为某非零合适值，使得离子飞经离子门受到电场作用往中心聚焦电极组方向偏转一定角度；在同一个周期里，当注入离子门电场为零时开始，并持续合适时间后恢复电场为非零值，此过程中维持引出离子门电场为非零值一定时间，此时间段内将实现离子的注入，离子注入至静电离子阱后，飞行至引出离子门时偏转返回处于非零电场的注入离子门，离子再次发生偏转进行下一次多次反射的循环，实现离子的循环；当引出离子门电场改变为零并持续一定时间，此时间内存储离子从静电离子阱中引出。

离子束引入静电离子阱存储前，可以通过质荷比筛选分析器筛选特定目标离子进入静电离子阱中进行存储；质荷比筛选分析器可以是常规的四极杆滤质器或维恩-菲特(wien-filter)滤质器。

该静电离子阱工作真空优于10^-4Pa。

附图说明

图1为本发明的紧凑型偏转会聚离子束的静电透镜结构示意图。

图2是采用SIMION软件模拟静电离子阱存储离子的示意图。质荷比100的离子注入30μs时间，经过多次反射，存储于静电阱中长达3ms。

图3是采用SIMION软件模拟静电离子阱引出离子的示意图。质荷比100的离子注入30μs时间，经过多次反射，3ms后引出离子门电场降为零，离子引出。

具体实施方式

请参阅图1，为本发明的结构示意图。本发明包括第一、第二反射底电极7、12，第一、第二地电极11、16，第一、第二聚焦电极10、15，第一、第二、第三、第四反射电极8、9、13、14，注入离子门3，引出离子门5，中心聚焦电极组4、偏入电极2、偏出电极6；

以纵向方向为y轴，横向方向为x轴，以垂直于x y平面方向为z轴；

第一反射底电极7为一长方体，于长方体左侧表面开设有一纵向截面(垂直x轴方向的截面)为矩形凹槽，第二反射底电极12为一长方体，于长方体右侧表面(垂直x轴方向的截面)开设有一纵向截面为矩形凹槽；

第一、第二地电极11、16，第一、第二聚焦电极10、15，第一、第二、第三、第四反射电极8、9、13、14均为一中部带有矩形通孔的矩形环状电极，电极纵向截面形状呈“回”字形；

第一反射底电极7的矩形凹槽与第二反射底电极12矩形凹槽相对平行设置；

第一反射电极8、第二反射电极9、第一聚焦电极10、第一地电极11、第二地电极16、第二聚焦电极15、第四反射电极14、第三反射电极13依次顺序平行间隔设置于第一反射底电极7和第二反射底电极12之间；

第一反射底电极7的矩形凹槽、第一、第二地电极11、16，第一、第二聚焦电极10、15，第一、第二、第三、第四反射电极8、9、13、14上的中部矩形通孔分别于第二反射底电极12上投影，它们的投影均与第二反射底电极12矩形凹槽纵向截面重合；

由第一反射底电极7、第一反射电极8、第二反射电极9、第一聚焦电极10、第一地电极11构成第一反射电极组；

由第二地电极16、第二聚焦电极15、第四反射电极14、第三反射电极13、第二反射底电极12构成第二反射电极组；第一反射电极组与第二反射电极组中的对应电极呈镜像对称排布；

注入离子门3、引出离子门5都是由两片相同形状和大小的矩形平板电极平行间隔设置构成，且它们平行平面的法线方向为纵向方向(沿y方向)，中心聚焦电极组4由两个及三个以上电极对构成，每个电极对由两片相同形状和大小的矩形平板电极平行间隔设置构成，且它们平行平面的法线方向为纵向方向(沿y方向)；

注入离子门3、中心聚焦电极组4、引出离子门5位于第一反射电极组与第二反射电极组之间，注入离子门3中电极的几何中心、中心聚焦电极组4中电极的几何中心、引出离子门5中电极的几何中心沿从上至下的纵向方向位于同一直线上，且该直线位于第一反射电极组与第二反射电极组的镜像对称面上；

偏入电极2和偏出电极6分别为二个片状电极，二个片状电极垂直z轴方向的截面为2个圆弧，2个圆弧为同圆心、同圆心角、且位于同一圆心角处的半径不同的2段弧线；

偏入电极2位于注入离子门3上方、偏出电极6位于引出离子门5下方。

离子通过偏入电极2偏转的方式引入静电离子阱中；在加在注入离子门3和引出离子门5的两个电极之间施加周期性的方波脉冲电场，当两个电极之间电场为零时，离子飞经离子门不发生偏转；调节电极电场大小为某非零合适值，使得离子飞经离子门受到电场作用往中心聚焦电极组4方向偏转一定角度；在同一个周期里，当注入离子门3电场为零时开始，并持续合适时间后恢复电场为非零值，此过程中维持引出离子门5电场为非零值一定时间，此时间段内将实现离子的注入，离子注入至静电离子阱后，飞行至引出离子门5时偏转返回处于非零电场的注入离子门3，离子再次发生偏转进行下一次多次反射的循环，实现离子的循环；当引出离子门5电场改变为零并持续一定时间，此时间内存储离子从静电离子阱中引出。

离子束引入静电离子阱存储前，可以通过质荷比筛选分析器1筛选特定目标离子进入静电离子阱中进行存储；质荷比筛选分析器可以是常规的四极杆滤质器或维恩-菲特(wien-filter)滤质器。

该静电离子阱工作真空优于10^-4Pa。

实施例

第一、第二地电极，第一、第二聚焦电极，第一、第二、第三、第四反射电极均为一中部带有矩形通孔的矩形环状电极，电极外轮廓长240mm，高度50mm，厚度25mm，矩形通孔尺寸长200mm，高度25mm。第一、第二反射地电极外轮廓长240mm，高度50mm，厚度25mm，矩形槽宽200mm，高度25mm，深度20mm。

由第一反射底电极、第一反射电极、第二反射电极、第一聚焦电极、第一地电极构成第一反射电极组，各电极间隔2mm；由第二地电极、第二聚焦电极、第四反射电极、第三反射电极、第二反射底电极构成第二反射电极组，各电极间隔2mm；第一反射电极组与第二反射电极组中的对应电极呈镜像对称排布；

注入离子门、引出离子门都是由两片宽15mm，高50mm的矩形平板电极平行间隔30mm设置构成，且它们平行平面的法线方向为纵向方向(沿y方向)，中心聚焦电极组由3个电极对构成，每个电极对由两片宽15mm，高50mm的矩形平板电极平行间隔30mm设置构成，且它们平行平面的法线方向为纵向方向(沿y方向)；

偏入电极和偏出电极分别为二个片状电极，二个片状电极垂直z轴方向的截面为2个圆弧，2个圆弧为同圆心、同圆心角60°、且位于同一圆心角处的半径分别为50mm和70mm的2段弧线；

质荷比100的离子通过偏入电极偏转的方式引入静电离子阱中；在加在注入离子门和引出离子门的两个电极之间施加周期性的方波脉冲电场，当两个电极之间电场为零时，离子飞经离子门不发生偏转；调节电极电压差450V，使得离子飞经离子门受到电场作用往中心聚焦电极组方向偏转一定角度；在同一个周期里，当注入离子门电场为零时开始，并持续30μs离子注入后，恢复电场为450V压差，此过程中维持引出离子门电场为450V压差一定时间，此时间段内将实现离子的注入，离子注入至静电离子阱后，飞行至引出离子门时偏转返回处于非零电场的注入离子门，离子再次发生偏转进行下一次多次反射的循环，多圈循环持续3ms，实现离子的存储；当引出离子门电场改变为零并持续60μs时间，此时间内存储离子从静电离子阱中引出。

离子束引入静电离子阱存储前，可以通过质荷比筛选分析器筛选特定目标离子进入静电离子阱中进行存储；质荷比筛选分析器可以是常规的四极杆滤质器或维恩-菲特(wien-filter)滤质器。

该静电离子阱工作真空1×10^-4Pa。

Claims (3)

1.一种用于离子存储的大容量静电离子阱，其特征在于：包括第一、第二反射底电极（7）、（12），第一、第二地电极（11）、（16），第一、第二聚焦电极（10）、（15），第一、第二、第三、第四反射电极（8）、（9）、（13）、（14），注入离子门（3），引出离子门（5），中心聚焦电极组（4）、偏入电极（2）、偏出电极（6）；

以纵向方向为y轴，横向方向为x轴，以垂直于x y平面方向为z轴；

第一反射底电极（7）为一长方体，于长方体左侧表面开设有一纵向截面（垂直x轴方向的截面）为矩形凹槽，第二反射底电极（12）为一长方体，于长方体右侧表面（垂直x轴方向的截面）开设有一纵向截面为矩形凹槽；

第一、第二地电极（11）、（16），第一、第二聚焦电极（10）、（15），第一、第二、第三、第四反射电极（8）、（9）、（13）、（14）均为一中部带有矩形通孔的矩形环状电极，电极纵向截面形状呈“回”字形；

第一反射底电极（7）的矩形凹槽与第二反射底电极（12）矩形凹槽相对平行设置；

第一反射电极（8）、第二反射电极（9）、第一聚焦电极（10）、第一地电极（11）、第二地电极（16）、第二聚焦电极（15）、第四反射电极（14）、第三反射电极（13）依次顺序平行间隔设置于第一反射底电极（7）和第二反射底电极（12）之间；

第一反射底电极（7）的矩形凹槽、第一、第二地电极（11）、（16），第一、第二聚焦电极（10）、（15），第一、第二、第三、第四反射电极（8）、（9）、（13）、（14）上的中部矩形通孔分别于第二反射底电极（12）上投影，它们的投影均与第二反射底电极（12）矩形凹槽纵向截面重合；

由第一反射底电极（7）、第一反射电极（8）、第二反射电极（9）、第一聚焦电极（10）、第一地电极（11）构成第一反射电极组；

由第二地电极（16）、第二聚焦电极（15）、第四反射电极（14）、第三反射电极（13）、第二反射底电极（12）构成第二反射电极组；第一反射电极组与第二反射电极组中的对应电极呈镜像对称排布；

注入离子门（3）、引出离子门（5）都是由两片相同形状和大小的矩形平板电极平行间隔设置构成，且它们平行平面的法线方向为纵向方向（沿y方向），中心聚焦电极组（4）由两个以上电极对构成，每个电极对由两片相同形状和大小的矩形平板电极平行间隔设置构成，且它们平行平面的法线方向为纵向方向（沿y方向）；

注入离子门（3）、中心聚焦电极组（4）、引出离子门（5）位于第一反射电极组与第二反射电极组之间，注入离子门（3）中电极的几何中心、中心聚焦电极组（4）中电极的几何中心、引出离子门（5）中电极的几何中心沿从上至下的纵向方向位于同一直线上，且该直线位于第一反射电极组与第二反射电极组的镜像对称面上；

偏入电极（2）和偏出电极（6）分别为二个片状电极，二个片状电极垂直z轴方向的截面为2个圆弧，2个圆弧为同圆心、同圆心角、且位于同一圆心角处的半径不同的2段弧线；

偏入电极（2）位于注入离子门（3）上方、偏出电极（6）位于引出离子门（5）下方；

离子通过偏入电极（2）偏转的方式引入静电离子阱中；在注入离子门（3）和引出离子门（5）的两个电极之间施加周期性的方波脉冲电场，当两个电极之间电场为零时，离子飞经离子门不发生偏转；调节电极电场大小为某非零合适值，使得离子飞经离子门受到电场作用往中心聚焦电极组（4）方向偏转一定角度；在同一个周期里，当注入离子门（3）电场为零时开始，并持续合适时间后恢复电场为非零值，此过程中维持引出离子门（5）电场为非零值一定时间，此时间段内将实现离子的注入，离子注入至静电离子阱后，飞行至引出离子门（5）时偏转返回处于非零电场的注入离子门（3），离子再次发生偏转进行下一次多次反射的循环，实现离子的循环；当引出离子门（5）电场改变为零并持续一定时间，此时间内存储离子从静电离子阱中引出。

2.根据权利要求1所述用于离子存储的大容量静电离子阱，其特征在于：

离子束引入静电离子阱存储前，可以通过质荷比筛选分析器（1）筛选特定目标离子进入静电离子阱中进行存储；质荷比筛选分析器可以是常规的四极杆滤质器或维恩-菲特（wien-filter）滤质器。

3.根据权利要求1所述大容量静电离子阱，其特征在于：

该静电离子阱工作真空优于10^-4 Pa。

Images