CN110176385B - 一种用于磁质谱仪的高效离子源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及离子源领域，提供了一种用于磁质谱仪的高效离子源，包括灯丝、离子化盒、推斥极和偏转板组件；推斥极设在离子化盒内部的前端，两者共同形成圆柱形空间；灯丝发射电子穿过圆柱形空间到达收集极；离子化盒、收集极的外部设置磁铁；偏转板组件包括依次设置的第一水平偏转透镜、聚焦透镜、第一垂直偏转透镜、第二水平偏转透镜、第二垂直偏转透镜；第一垂直偏转透镜和第二水平偏转透镜间设狭缝。本发明实现了电子轰击电离和化学电离二种电离模式；离子化盒内外形成差级真空，延长灯丝使用寿命；离子化室和推斥极形成圆柱形的离子化空间，离子引出效率高；推斥极和离子化盒存在电势差，形成电势透镜，降低离子空间发散，提高仪器质量分辨率。

Description

一种用于磁质谱仪的高效离子源

技术领域

本发明涉及离子源技术领域，特别涉及一种用于磁质谱仪的高效离子源。

背景技术

近年来，伴随高精度的机械加工以及电子技术的发展，质谱技术在化工和环境分析领域得到飞速发展。

采用电子轰击离子源的质谱仪，相比采用单光子紫外光电离离子源和电感耦合等离子体离子源的质谱仪而言，具有结构简单，可电离样品种类丰富和离子化效率高的特点，可以在实现仪器离子源小型化的同时保持高效的离子化效率。实现高效的离子提取，进而能够实现仪器对样品的高精度分析，对于痕量物质的检测，具有十分重要的意义。

对于用于磁质谱仪的离子源而言，传统的电子轰击离子源采用矩形或圆柱形离子化盒，样品离子化后空间发散大，导致推斥聚焦后离子提取效率低。实现样品的高效离子化，对样品选择性的电离和较高的离子束流提取效率，是需要解决的问题.

发明内容

本发明的目的之一就是克服现有技术的不足，提供了一种用于磁质谱仪的高效离子源，同时采用电子轰击电离和化学电离，离子化效率高，并在离子化盒内形成电势透镜，离子引出效率高。

本发明采用如下技术方案：

一种用于磁质谱仪的高效离子源，包括灯丝、离子化盒、推斥极和偏转板组件；

所述推斥极设置在所述离子化盒内部的前端，所述离子化盒、推斥极上均具有半圆柱形，2个所述半圆柱形共同形成圆柱形空间；所述灯丝发射的电子在所述圆柱形空间内与样品及辅助气体发生电子轰击电离和化学电离，形成离子流；离子流通过所述推斥极加速，经所述偏转板组件整形，形成供后续的磁质谱仪分离分析的离子束流。

进一步的，所述圆柱形空间的轴向方向安装发射电子的所述灯丝，所述灯丝设置于所述离子化盒外，所述灯丝发射的电子通过中心小孔穿过所述离子化盒内部的圆柱形空间到达收集极；所述灯丝和收集极的外侧设置用于形成磁场的磁铁。

进一步的，所述偏转板组件包括依次设置的第一水平偏转透镜、聚焦透镜、第一垂直偏转透镜、第二水平偏转透镜、第二垂直偏转透镜；所述第一垂直偏转透镜和第二水平偏转透镜之间设置有供离子流通过的狭缝。

进一步的，对所述灯丝施加发射电流和加速电压，灯丝发射电子，电子经中心小孔进入所述离子化盒，与所述离子化盒内的样品气体发生碰撞电离；离子与辅助气体发生化学电离形成离子流；离子流经所述推斥极加速后，依次经过所述第一水平偏转透镜、聚焦透镜、第一垂直偏转透镜，形成扁条状离子束流；所述扁条状离子束流通过狭缝，并经所述第二水平偏转透镜、第二垂直偏转透镜整形后，得到最终的离子束流。

进一步的，所述高效离子源设置在真空腔体内。

进一步的，所述中心小孔为差级真空孔，确保灯丝安装位置的真空度。

进一步的，所述离子化盒与推斥极之间具有电势差，在所述圆柱形空间内形成电势透镜，减小了离子流在离子化区域内的空间发散效应，高效地将离子束流引出。

进一步的，所述真空腔体内的真空度优于所述离子化盒内的真空度。

进一步的，所述第一水平偏转透镜、聚焦透镜和第一垂直偏转透镜之间均通过绝缘材料相互电绝缘；所述第二水平偏转透镜和第二垂直偏转透镜之间通过绝缘材料相互电隔离。

一种磁质谱仪，具有上述的高效离子源。

本发明的有益效果为：

1、实现电子轰击电离和化学电离二种电离模式；

2、采用离子化室和推斥极为圆柱形的离子化空间模式，离子化效率高；

3、圆柱形的离子化区域，由于推斥极和离子化盒的电势差，在其内部形成带有透镜形状的电势透镜，离子引出效率高，有利于提高仪器灵敏度；

4、结构新颖、简单合理、应用前景广阔。

附图说明

图1所示为本发明实施例一种用于磁质谱仪的高效离子源的结构示意图。

图2所示为本发明实施例的立体结构示意图。

图3所示为离子化盒内部圆柱形离子化区域结构示意图。

图4所示为本发明实施例一种用于磁质谱仪的高效离子源的离子提取聚焦图。

图5所示为推斥极和离子化盒间的聚焦透镜的电势线示意图。

其中：1-离子化盒；2-推斥极；3-第一水平偏转透镜；4-聚焦透镜；5-第一垂直偏转透镜；6-第二水平偏转透镜；7-第二垂直偏转透镜；8-收集极；9-灯丝。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

如图1-3所示，本发明实施例的一种用于磁质谱仪的高效离子源，包括灯丝9、离子化盒1、推斥极2和偏转板组件；

所述推斥极2设置在所述离子化盒1内部的前端，所述离子化盒1、推斥极2上均开有半圆柱形，离子化盒1的半圆柱形和推斥极2的半圆柱形二者共同形成圆柱形空间(图3中黑色加重区域)；所述圆柱形空间的轴向方向安装发射电子的所述灯丝9，所述灯丝9和收集极8均设置于所述离子化盒1外，灯丝9和收集极8相对设置，两者均位于圆柱形空间的轴线上，所述灯丝9发射的电子通过中心小孔穿过所述离子化盒1内部的圆柱形空间到达收集极8；所述灯丝9和收集极8的外侧均设置用于形成磁场的磁铁；

所述偏转板组件包括依次设置的第一水平偏转透镜3、聚焦透镜4、第一垂直偏转透镜5、第二水平偏转透镜6、第二垂直偏转透镜7；所述第一垂直偏转透镜5和第二水平偏转透镜6之间设置有供离子流通过的狭缝；

所述灯丝9发射的电子进入所述离子化盒1，与样品及辅助气体发生电离，离子流通过推斥极2加速，离子流加速方向与所述圆柱形空间轴线方向垂直，经所述偏转板组件的整形，形成供后续的磁质谱分离分析的离子束流，如图4所示。

所述高效离子源设置在真空腔体内。所述灯丝9与所述离子化盒1之间的中心小孔为差级真空孔，确保灯丝9安装位置的真空度，延长灯丝的寿命。

优选的，灯丝9、中心小孔和磁铁同轴，如图3所示。

优选的，所述离子化盒1与推斥极2之间具有电势差(如图5所示)，在所述圆柱形空间内形成电势透镜，形成离子推斥电场，具有低能量发散优势，减小了离子流在离子化区域内的空间发散效应，高效地将离子束流引出。或者，所述离子化盒1与推斥极2之间具有相同电势，通过离子化盒1与偏转板间形成电场提取，具有高提取效率。

优选的，所述真空腔体内的真空度优于所述离子化盒1内的真空度。

优选的，所述第一水平偏转透镜3、聚焦透镜4和第一垂直偏转透镜5之间均通过绝缘材料例如相互电绝缘；所述第二水平偏转透镜6和第二垂直偏转透镜7之间通过绝缘材料相互电隔离。绝缘材料可选择多种，例如PEEK绝缘材料。

本发明的工作过程如下：

置于离子化盒1外中心小孔位置的灯丝9发射电子，经聚焦并在磁场作用下穿过离子化盒1到达收集极8。此时进入离子化盒1的样品在带有一定能量电子的作用下发生电离；半圆柱型推斥极2与离子化盒1形成圆柱型离子化区域，离子与辅助气体发生碰撞，形成化学电离离子；离子流经过推斥极2推斥、透镜聚焦和偏转透镜作用后形成扁带状形式，加速后进入质谱分析器。本发明的离子提取聚焦流程如图4所示。

作为一个具体实施例：实验采用美国Kimball Physics公司ES044 AEI灯丝，电流2.7安培，电压1.86伏特，电子发射能量70电子伏特时，收集极测得的电子流达到50纳安以上。实验过程中，灯丝发射电流强度随着灯丝衰老形成一定范围的波动。

选用磁铁强度受灯丝电子发射能量影响。在该实施例中，在灯丝9发射电子能量为70电子伏特时，磁铁强度为200高斯时收集极8电子流强度达到最大。若灯丝9发射电子能量改变时，则磁铁强度亦需要做相对应调整。

本发明的创新主要在于(但不限于)：

1、设计了一种带有圆柱型离子化区域的离子源，内部形成电势透镜，减小离子流在离子化区域内的空间发散效应，可以高效的将离子束流提出，有利于提高仪器灵敏度；

2、设计的带有圆柱型离子化区域的离子源，样品通过与辅助气体的相互碰撞，形成化学电离，丰富了离子源的离子化形式，有利于对于样品的选择性电离；

3、灯丝与离子化盒间通过中心小孔形成差级真空，确保灯丝安装位置的真空度，有利于延长灯丝寿命。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (8)

1.一种用于磁质谱仪的高效离子源，其特征在于，包括灯丝、离子化盒、推斥极和偏转板组件；

所述推斥极设置在所述离子化盒内部的前端，所述离子化盒、推斥极上均具有半圆柱形，2个所述半圆柱形共同形成圆柱形空间；所述灯丝发射的电子在所述圆柱形空间内与样品及辅助气体发生电子轰击电离和化学电离，形成离子流；离子流通过所述推斥极加速，经所述偏转板组件整形，形成供后续的磁质谱仪分离分析的离子束流；

所述圆柱形空间的轴向方向安装发射电子的所述灯丝，所述灯丝设置于所述离子化盒外，所述灯丝发射的电子通过中心小孔穿过所述离子化盒内部的圆柱形空间到达收集极；所述灯丝和收集极的外侧设置用于形成磁场的磁铁；灯丝和收集极相对设置，两者均位于圆柱形空间的轴线上。

2.如权利要求1所述的用于磁质谱仪的高效离子源，其特征在于，所述偏转板组件包括依次设置的第一水平偏转透镜、聚焦透镜、第一垂直偏转透镜、第二水平偏转透镜、第二垂直偏转透镜；所述第一垂直偏转透镜和第二水平偏转透镜之间设置有供离子流通过的狭缝。

3.如权利要求2所述的用于磁质谱仪的高效离子源，其特征在于，对所述灯丝施加发射电流和加速电压，灯丝发射电子，电子经中心小孔进入所述离子化盒，与所述离子化盒内的样品气体发生碰撞电离；离子与辅助气体发生化学电离形成离子流；离子流经所述推斥极加速后，依次经过所述第一水平偏转透镜、聚焦透镜、第一垂直偏转透镜，形成扁条状离子束流；所述扁条状离子束流通过狭缝，并经所述第二水平偏转透镜、第二垂直偏转透镜整形后，得到最终的离子束流。

4.如权利要求1所述的用于磁质谱仪的高效离子源，其特征在于，所述高效离子源设置在真空腔体内。

5.如权利要求4所述的用于磁质谱仪的高效离子源，其特征在于，所述中心小孔为差级真空孔，确保灯丝安装位置的真空度；所述真空腔体内的真空度优于所述离子化盒内的真空度。

6.如权利要求1所述的用于磁质谱仪的高效离子源，其特征在于，所述离子化盒与推斥极之间具有电势差，在所述圆柱形空间内形成电势透镜，减小了离子流在离子化区域内的空间发散效应，高效地将离子束流引出。

7.如权利要求2或3所述的用于磁质谱仪的高效离子源，其特征在于，所述第一水平偏转透镜、聚焦透镜和第一垂直偏转透镜之间均通过绝缘材料相互电绝缘；所述第二水平偏转透镜和第二垂直偏转透镜之间通过绝缘材料相互电隔离。

8.一种磁质谱仪，具有如权利要求1-7任一项所述的高效离子源。

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