CN111868879A - 离子约束装置 - Google Patents

Abstract

一种离子约束装置(2)，其包括：多个电极，其被布置和配置为用于在向其施加AC或RF电压时约束离子；以及至少一个电感镇流器(10a、10b)，每个镇流器连接到至少一些所述电极，以便与其形成谐振器电路。

Description

离子约束装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年3月9日提交的第1803773.9号英国专利申请的优先权和权益。此申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明总体上涉及一种质谱仪和/或离子迁移率谱仪，且尤其涉及用于此类谱仪的离子导向器或离子阱。

背景技术

在质谱法中众所周知的是通过以下操作沿着轴线约束离子：在轴线的一个侧上提供一系列电极，在轴线的相对侧上提供对置的一系列电极，并向这些电极施加AC或RF电压，以便提供将离子约束到轴线的电场。例如，GB 2528152公开了一种离子迁移率分离器，其将离子径向地约束在此类对置的AC/RF电极之间。还已知的是提供一系列有孔电极，其中所述电极的孔沿着轴线布置，并向所述电极施加AC或RF电压，使得离子径向地约束在所述轴线处。至少一些相邻的AC/RF电极可以维持在具有不同相位的AC或RF电压下。例如，使用此类离子约束技术的堆叠式环形离子导向器、离子隧道或离子漏斗是已知的。

此类AC/RF电极由变压器驱动，所述变压器具有连接到电源的初级线圈和连接到所述AC/RF电极的次级线圈。为了约束期望的离子，要求以特定频率和幅值驱动AC/RF电极。然而，已发现难以以期望的方式驱动AC/RF电极。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种离子约束装置，其包括：

多个电极，其被布置和配置为用于在向其施加AC或RF电压时约束离子；以及

至少一个电感镇流器，每个镇流器连接到至少一些所述电极，以便与其形成谐振器电路。

每个镇流器连接到电极，以便提供具有用于约束离子的谐振频率的谐振器电路。所述电路在谐振频率下理想地具有高Q因子。这允许离子约束装置由弱电流驱动。例如，Q因子可以≥100；≥120；≥140；≥160；≥180；或≥200(在谐振频率下)。

发明人已认识到，离子约束装置中的电极的组合电容可能相对大，从而使得难以驱动这些电极。例如，电容性负载的阻抗(在AC/RF驱动频率下)可能相对低，并且因此需要高电流。本发明的实施例将离子约束装置中的电极的电容性负载转换为具有高Q因子(在指定频率下)的谐振器，所述谐振器因此可以由相对小的电流驱动。在没有本文中所描述的技术的情况下，将需要与用于小型中波广播电台的中频驱动器类似的中频驱动器来驱动一些离子约束装置中的电极，从而造成从电源到离子约束装置的电极的连接导线显著地变热。

此外，在常规的离子导向器中，期望将由AC/RF电极和变压器的次级线圈限定的电路的谐振频率设置为用于约束离子的期望频率。然而，谐振频率与AC/RF电极的电容和变压器次级线圈的电感的乘积的平方根成反比，并且因此离子导向器的相对大的电容降低了谐振频率。难以减小所述电容或电感来避免此问题，并且因此需要另一种解决方案。本发明的实施例提供了一种镇流器，所述镇流器使变压器次级线圈的电感分流，以便减小包含电极的谐振器电路中的电感，由此避免了谐振器的谐振频率被降低。因此较易于达成离子约束频率。

所述装置可以包括变压器，变压器具有用于连接到电源的初级线圈和电连接到电极以用于驱动电极的次级线圈。

至少一个镇流器可以被配置为使得在使用中，流过镇流器的峰值或RMS电流大于流过变压器的次级线圈的峰值或RMS电流。

至少一个镇流器相比于变压器的次级线圈可以具有较低电感。

例如，至少一个镇流器的电感可以比变压器的次级线圈的电感低以下倍数：≥2；≥5；≥10；≥20；≥30；≥40；≥50；≥60；≥70；≥80；≥100；≥120；≥140；≥160；≥180；或≥200

至少一个镇流器中的每一个可以包括感应线圈。

至少一个镇流器中的每一个可以包括：至少一个绕组；第一连接导线，其将绕组的第一端连接到谐振器电路中的至少一个电极；第二连接导线，其将绕组的第二端连接到谐振器电路中的至少另一个电极；并且其中第一连接导线和/或第二连接导线的长度是选自：≤50厘米；≤40厘米；≤30厘米；≤25厘米；≤20厘米；≤15厘米；≤14厘米；≤13厘米；≤12厘米；≤10厘米；≤9厘米；≤8厘米；≤7厘米；≤6厘米；或≤5。

此布置向连接导线提供了相对低的阻抗，并因此向谐振器电路提供了相对高的Q因子和低的驱动电流要求。

所述装置可以包括多个所述电感镇流器，其中不同的镇流器连接到布置在离子约束装置的不同的单独区域中的电极，以便与其形成谐振器电路。

以此方式使用多个镇流器会使在每个镇流器的端和与其连接的电极之间延伸的连接导线的长度能够最小化，因此使这些连接导线的阻抗最小化并增大了每个镇流器所在的谐振器电路的Q因子。

多个镇流器可以被布置为其纵向轴线使得来自每个镇流器的磁通量进入其它镇流器中的至少一个。

例如，多个镇流器可以被布置为其纵向轴线彼此大致上平行，使得来自每个镇流器的磁通量进入其它镇流器中的至少一个。替代地，多个镇流器中的至少一些可以被布置为其纵向轴线彼此成一角度(例如大致上正交)，并使得来自每个镇流器的磁通量进入其它镇流器中的至少一个，例如三个镇流器可以被布置为其纵向轴线形成三角形的边，或四个镇流器可以被布置为其纵向轴线形成正方形或矩形的边。

第一镇流器和第二镇流器可以被布置为其纵向轴线彼此大致上平行，并且镇流器可以连接到电极，使得在使用中，当磁通量在第一方向上沿着第一镇流器的纵向轴线流动时，磁通量在与第一方向大致上相反的第二方向上沿着第二镇流器的纵向轴线流动。

各镇流器之间的磁通量的上述循环为包含所述镇流器的谐振器电路提供了改进的Q因子，并还可以减少对其它电组件的电磁干扰。

第一镇流器中的绕组可以与第二镇流器中的绕组分开(例如在垂直于这些镇流器的纵向轴线的方向上)至少等于一个绕组中的匝之间的分离距离(在平行于所述镇流器的纵向轴线的方向上)的距离。

尽管已描述了一对镇流器，但可预期的是，可以将三个、四个或更多个镇流器连接到离子导向器，例如呈线性阵列、三角形阵列或正方形阵列等。

离子约束装置的电极可以被配置为沿着具有弯曲或成角度的纵向轴线的细长区域约束离子，以便至少部分地环绕所述至少一个镇流器。

当至少一个镇流器中的每一个连接到沿着离子约束装置的长度布置的多个电极时，此类弯曲或成角度的实施例减小了一个或多个镇流器与装置的电极的距离，并因此使连接导线长度能够减小，由此增大了谐振器电路的Q因子。

离子约束装置可以具有闭环离子引导或闭环捕获区域，并且至少一个镇流器可以布置在闭环离子引导或捕获区域内部。

然而，可预期的是，离子约束装置可以沿着具有笔直的纵向轴线的细长区域约束离子。

至少一个镇流器可以位于例如真空腔室的导电腔室内部，或位于电屏蔽件内部。

这会电遮蔽至少一个镇流器，以便避免镇流器对腔室或屏蔽件外部的组件造成电磁干扰。

离子约束装置可以是离子导向器或离子阱。

本文中所描述的技术在离子导向器和离子阱中特别有用，所述离子导向器和离子阱有时需要具有相对长的离子约束区域并因此具有许多电极。此类装置中的许多电极提供了相对高的电容并因此受益于本文中所描述的技术。然而，可预期的是，离子约束装置可以是任何其它类型的装置，其中将AC或RF电压施加到电极以便约束至少一些离子。例如，所述装置可以是滤质器。

至少一个镇流器中的每一个可以包括至少一个绕组，其中绕组的第一端连接到第一组所述电极，并且绕组的第二端连接到第二组电极，其中第一组电极中的电极与第二组电极中的电极交错，使得至少一些相邻电极连接到绕组的相对端。

例如，在离子约束装置的整个长度上的相邻电极可以连接到绕组或镇流器的相对端。

至少一个镇流器中的每一个可以包括：围绕其轴线缠绕的多个绕组；第一组连接导线，其将镇流器的第一端处的不同绕组的端连接到第一组电极中的相应不同电极；以及第二组连接导线，其将镇流器的第二端处的不同绕组的端连接到第二组电极中的相应不同电极。

可以连接电连接件，使得第一组电极中的电极与第二组电极中的电极交错，使得至少一些相邻电极连接到镇流器的相对端。

在同一个镇流器芯上布置多个绕组会节省空间，并还维持包含绕组的谐振器电路的高Q因子(因为集合体的总电感接近任何一个独立绕组的电感，而不是其一部分)。

每个镇流器中的多个绕组可以是多股绕组。

第一组连接导线可能未捆绑在一起，和/或其中第二组连接导线可能未捆绑在一起

所述装置可以包括电源，电源用于向每个镇流器上的不同绕组提供不同DC偏移，或用于在不同时间向不同绕组提供DC电压脉冲。

这使能够向离子约束装置中的不同电极提供不同DC电压。例如，可以将DC电压源连接到电极(经由镇流器上的绕组)，以用于沿着离子约束装置将一个或多个DC电压脉冲逐次地施加到逐次电极，使得行进的DC电势沿着离子约束装置的纵向路径行进。替代地，DC电压源可以被配置为沿着离子约束装置向逐次电极供应不同DC偏移电压(经由镇流器上的绕组)，使得沿着离子约束装置布置静态DC梯度。例如，如果离子约束装置是离子迁移率分离器中的离子导向器，则这些实施例可能是有用的，这是因为DC电压可以用于通过离子迁移率分离器中的气体驱动离子。

然而，可预期的是，离子约束装置可以用于其它类型的仪器中，并可以设置在相对高的真空条件下。

离子约束装置可以包括用于向每个镇流器的绕组提供相同驱动AC/RF波形的电源。

不同绕组可以在镇流器的第一端处在围绕镇流器的第一端的圆周的不同点处开始缠绕，并且所述不同点可以围绕镇流器的第一端的圆周大致上均匀地间隔开；和/或不同绕组可以在镇流器的第二端处在围绕镇流器的第二端的圆周的不同点处开始缠绕，并且其中所述不同点可以围绕镇流器的第二端的圆周大致上均匀地间隔开。

上述间隔可以使相邻线圈匝之间的电压差相等，并增大谐振器的Q因子和/或对称性。

所述装置可以包括耦合到电极以用于驱动电极来约束离子的AC或RF电源。

与常规的布置相比，提供一个或多个镇流器还提供了其它优点。例如，为了获得适当的操作频率，已要求常规的驱动变压器具有低磁化电感，如从其次级端子所见。这会要求变压器芯具有大间隙，从而导致高漏磁和不良耦合。与此对比，在本发明的实施例中，一个或多个镇流器限定了次级电路中的阻抗，并且因此可以减小或去除变压器芯中的间隙。这会使能够降低漏磁、改善耦合并增大变压器的次级端子处的磁化电感。

因此，所述装置可以包括变压器，变压器具有用于连接到电源的初级线圈和电连接到电极的次级线圈，其中初级线圈和/或次级线圈在其芯中没有间隙。

替代地，初级线圈和/或次级线圈可以在其芯中具有间隙，所述间隙的(径向)尺寸为≤x％的磁路长度(即，线圈的铁氧体芯周围的磁场的平均路径)，其中x为：10、9、8、7、6、5、4、3、2或1。

根据另一个方面，本发明还提供了一种离子迁移率分离器或质谱仪，其包括如本文中所描述的离子约束装置。

本发明还提供了一种约束离子的方法，其包括：提供如本文中所描述的离子约束装置；以及向电极施加AC或RF电压。

本发明还提供了一种方法质谱法和/或离子迁移率谱法，其包括上述方法。

附图说明

现在将仅通过实例的方式并参考附图来描述各种实施例，在附图中：

图1A示出了根据本发明的实施例的离子迁移率分离器(IMS)的平面图的示意图，并且图1B示出了图1A的IMS装置的一部分的横截面侧视图；

图2示出了图1A-1B的IMS装置的示意图，其包含两个镇流器；

图3示出了图2的镇流器中的线圈和它们在使用中生成的磁场线；以及

图4示出了图2中的一对镇流器的示意图，所述示意图是针对每个镇流器具有缠绕在其上的四个线圈的实施例示出的。

具体实施方式

尽管本公开适用于具有AC/RF离子约束电极的所有装置，但现在将仅出于说明性目的而在离子迁移率分离器(IMS)的背景中描述实施例。

图1A示出了根据本发明的实施例的离子迁移率分离器(IMS)的平面图的示意图。IMS装置1包括闭环离子导向器2，其具有闭环纵向路径(即，圆周路径)，离子在使用中围绕所述闭环纵向路径被引导。离子导向器2包括多个电极，其用于径向地约束离子，即，在正交于纵向路径的方向上。离子导向器2的电极还用于沿着纵向路径推动离子。所述装置还具有离子进入区域和离子退出区域。离子进入区域和离子退出区域可以是同一个区域4，或可以是不同区域。

图1B示出了图1A的IMS装置的漂移单元2的一部分的横截面侧视图，即，沿着图1A中的线A-A查看。图1B示出了电极单元布置5的实施例，所述电极单元装置5可以用于将离子径向地约束到离子导向器2的纵向路径。在沿着纵向路径的轴向长度的给定点处，可以在第一方向上间隔开的两个AC或RF电极6和在第二、任选地为正交的方向上间隔开的两个DC电极8之间限定路径。IMS装置包括AC或RF电压源，其用于向RF电极6供应AC或RF电压，以用于在第一方向上将离子约束在AC或RF电极6之间。IMS装置还包括DC电压源，其用于向DC电极8供应DC电压，以便在第二方向上将离子约束在DC电极8之间。然而，可预期的是，替代地，DC电极8可以由AC或RF电极替换，以用于在第二方向上约束离子。

沿着离子导向器2的纵向路径重复电极单元5，以用于将离子约束在离子导向器2周围的所有点处，但可以变更所施加的电压以允许离子从离子进入区域和离子退出区域4分别注入和排出，这将在下文予以进一步描述。一系列电极单元5沿着离子导向器2的纵向路径布置，并且DC电压源连接到单元5的电极，以用于将一个或多个DC电压逐次地施加到逐次电极单元5，使得行进的DC电势沿着离子导向器2的纵向路径行进。替代地，DC电压源可以被配置为向离子导向器2周围的逐次电极单元5供应不同DC电压，使得沿着离子导向器2的纵向路径布置静态DC梯度。

离子导向器2的上侧和下相对侧(即，包括电极8)，和/或离子导向器的内侧和外相对侧(即，包括电极6)，可以由其上布置有电极6、8的印刷电路板形成。

现在仅以实例的方式描述IMS装置的操作模式。

可以例如在离子入口4处将离子引入到IMS装置中。由AC/RF电压源将AC/RF电压施加到AC/RF电极6，以便将离子约束在这些电极之间。由DC电压源将DC电压施加到DC电极8，以便将离子约束在这些电极之间。替代地，在电极8是RF电极的实施例中，AC/RF电压源将AC/RF电压供应给电极8，以便将离子约束在这些电极之间。离子因此沿着离子导向器2的纵向路径被径向地约束。为了将离子引入到离子导向器2中，可以关闭或减小离子进入区域4中的一些电极上的径向约束电压。

DC电压源然后向不同电极单元5的电极施加不同DC电压，以便沿着纵向路径生成DC电压梯度，从而沿着此路径推动离子。可以在离子导向器2内提供背景气体或漂移气体，这导致离子随着由DC电压梯度沿着纵向路径驱动而根据离子通过气体的离子迁移率进行分离。随着离子沿着离子导向器2的纵向路径移动，可以沿着此路径传送DC电压梯度，以便将离子维持在电压梯度区域内，使得离子随着围绕离子导向器移动而继续分离。因为离子导向器2是闭环的，所以离子和电压梯度可以围绕离子导向器2循环多次，并可以根据需要的次数为离子提供所需的总漂移长度，且因此提供期望的离子迁移率分辨率。此后，可以从IMS装置2提取离子，例如在与离子进入区域4相同的位置处或在不同位置处。为了从离子导向器2提取离子，可以关闭或减小离子退出区域4中的一些电极上的径向约束电压，或可以切换此区域中的电极上的电压，以便提供在径向方向上推动离子并使其离开离子导向器2的电场。

预期了替代性实施例，其中DC电压源将一个或多个瞬态DC电压逐次地施加到逐次电极单元5中的电极，使得瞬态DC电势沿着离子导向器2的纵向路径移动。瞬态DC电势可以随着其通过离子而推动离子。不同迁移率的离子可以随着DC电势通过所述离子而被所述DC电势推动不同的量。一个或多个DC电势可以沿着离子导向器2的纵向路径重复地移动，使得其按照迁移率在空间上分离离子。此实施例与上述实施例的不同之处在于，无需为了将离子根据其离子迁移率在空间上分离而将其保持在DC电压梯度内。

尽管图1B示出了特定配置的电极6、8，但可预期的是，可以使用其它配置。例如，可以使用不同形状的电极。替代地，代替在每个电极单元5中提供成对的电极6、8，离子导向器2可以由一系列有孔电极形成，所述有孔电极被布置为其孔沿着用于形成纵向路径的轴线对准，即，离子导向器可以是离子隧道或离子漏斗，例如堆叠式电极环组。可以将RF电压施加到电极，以便沿着轴线径向地约束离子。例如，可以将不同相位的AC/RF电压施加到相邻电极，例如可以向交替的电极供应相反相位的AC/RF电压。

尽管上文已将离子导向器描述为闭环离子导向器，但可预期的是，离子导向器无需是闭环的并可以是开放式的。

替代地或另外，尽管已将离子导向器描述为形成IMS装置的一部分，但可预期的是，离子导向器无需是IMS装置的一部分。例如，离子导向器可以维持在高真空压力下。

预期了如下所述的实施例：其中不沿着纵向路径提供DC电压梯度，例如当离子导向器不形成IMS装置的一部分时。

可以使用变压器来驱动AC/RF电极。变压器可以具有连接到电源的初级线圈，以用于在连接到AC/RF电极的次级线圈中感应电流。

为了将离子径向地约束在离子导向器中，要求以特定AC/RF电压频率和幅值驱动AC/RF电极。仅作为实例，在一种应用中，期望以2.5MHz的频率和250V的幅值(峰值到峰值)驱动AC/RF电极。

然而，发明人已认识到，可能难以以期望的方式驱动AC/RF电极。更具体地说，发明人已认识到，离子导向器中的AC/RF电极的组合电容可能相对大(例如大约3nF)，从而使得难以驱动这些电极。例如，电容性负载的阻抗(在AC/RF驱动频率下)可能相对低，并且因此需要高电流。在没有本文中所描述的技术的情况下，将需要与用于小型中波广播电台的中频驱动器类似的中频驱动器来驱动一些离子导向器中的AC/RF电极，从而造成从电源到离子约束装置的电极的连接导线显著地变热。

此外，在常规的系统中，期望将由AC/RF电极和变压器的次级线圈限定的电路的谐振频率设置为用于约束离子的期望频率。然而，谐振频率与AC/RF电极的电容和变压器次级线圈的电感的乘积的平方根成反比，并且因此离子导向器的相对大的电容降低了谐振频率。难以减小所述电容或电感来避免此问题，并且因此需要另一种解决方案。

本发明的实施例将离子导向器中的AC/RF电极的电容性负载转换为具有高Q因子(在指定频率下)的谐振器，所述谐振器因此可以由相对小的电流驱动。本文中公开了用于增大谐振器的Q因子并控制电磁干扰的辐射的各种实施例。

本发明的实施例使变压器次级线圈的电感分流，以便减小包含AC/RF电极的谐振器电路中的电感，由此避免了谐振器的谐振频率被降低。

图2示出了图1A-1B中的离子导向器2的示意图，但离子进入/退出区域4未示出除外。可以使用变压器7来驱动AC/RF电极，其中变压器具有连接到电源9的初级线圈和连接到AC/RF电极的次级线圈。如图2所示，呈电感器形式的电镇流器10a布置在闭环离子导向器2内。镇流器10a可以包括围绕其轴线缠绕的单个绕组或多个绕组。在所示的实施例中，镇流器10a包括围绕轴线缠绕的四个绕组。第一组连接导线12a将镇流器的第一端处的绕组的端连接到第一组AC/RF电极6，例如在离子导向器2的顶侧处。第二组连接导线14a将镇流器10a的第二端处的绕组连接到第二组AC/RF电极6，例如在离子导向器2的底侧处。理想地，第一组连接导线12a未捆绑在一起，和/或第二组连接导线14a未捆绑在一起。可以连接电连接件，使得第一组电极中的电极与第二组电极中的电极交错，使得至少一些相邻电极连接到镇流器10a的相对端。整个离子导向器2内的相邻电极可以连接到镇流器10a的相对端。这使能够向相邻电极供应不同相位的AC/RF电压信号。

任选地，呈电感器形式的第二电镇流器10b可以布置在闭环离子导向器2内。此第二镇流器10b可以包括围绕其轴线缠绕的单个绕组或多个绕组。在所示的实施例中，第二镇流器10b包括围绕轴线缠绕的四个绕组。第三组连接导线12b将镇流器10b的一个端处的绕组连接到第二组AC/RF电极6，例如在离子导向器2的底部处。第四组连接导线14b将镇流器10b的另一个端处的绕组的端连接到第一组AC/RF电极6，例如在离子导向器2的顶部处。

因为AC/RF电极在使用中提供电容，所以包括镇流器10(即，电感器)的每个电路和与其连接的AC/RF电极形成呈LC电路形式的谐振器。在操作中，AC/RF电极由AC/RF电压源通过变压器驱动，从而由于相邻的AC/RF电极的电容而使电荷积聚在相邻的AC/RF电极上。此电荷差使电流经由相关联的镇流器10从一个电极流到另一个电极。流过镇流器10的电流生成了磁场，所述磁场会阻止电流在此方向上流动，并推动电荷以在相反方向上流动。所述电路充当谐振器，这是因为能量从随着由AC/RF电极形成的电容器被充电而存储在电场中到随着电流流过镇流器10而存储在磁场中进行交替。镇流器10连接到AC/RF电极，以便提供具有适合于约束离子的谐振频率的谐振器。

镇流器10被配置为使得在使用中，大部分负载电流流过镇流器10，即，与流过连接到相同AC/RF电极的变压器次级线圈相反。例如，流过镇流器10的电流可以为大约1A，而变压器的次级线圈中的电流可以为大约100mA。镇流器10可以是电感分流器，其与变压器的输出并联设置，以便使变压器电感分流。镇流器10因此控制谐振器电路中的阻抗，并因此控制用于约束离子的AC/RF电极的操作频率。

实施例提供了一种具有相对高的Q因子的谐振器，使得相对于存储能量的能量损失率相对低，即，振荡具有低阻尼。这会使AC/RF电极能够由相对小的电流驱动。理想地，Q因子可以≥100；≥120；≥140；≥160；≥180；或≥200。

本文中公开了用于增大谐振器的Q因子的各种实施例。例如，一个或多个镇流器10a、10b中的每一个可以定位为相对靠近离子导向器2的AC/RF电极，以便使连接导线12a、12b、14a、14b的阻抗最小化。将镇流器10a、10b的端连接到AC/RF电极的至少一些连接导线12a、12b、14a、14b可以各自具有选自以下的长度：≤50厘米；≤40厘米；≤30厘米；≤25厘米；≤20厘米；≤15厘米；≤14厘米；≤13厘米；≤12厘米；≤10厘米；≤9厘米；≤8厘米；≤7厘米；≤6厘米；或≤5。

如上文所描述，一个或多个电镇流器10a、10b可以连接到离子导向器2的AC/RF电极。在提供多个镇流器10a、10b的情况下，可以将不同镇流器连接到以离子导向器2的不同的单独长度布置的AC/RF电极。这会使在每个镇流器的端和AC/RF电极之间延伸的连接导线的长度能够最小化，因此使连接导线的阻抗最小化并增大了谐振器电路的Q因子。

可以提供至少两个镇流器10a、10b，其中所述镇流器被布置为其纵向轴线彼此大致上平行，并使得来自每个镇流器的磁通量进入其它镇流器中的至少一个。镇流器10a、10b可以成对布置，并且它们的端连接到极性，使得由对中的每个镇流器生成的磁通量进入对中的另一个镇流器，例如如图3所示。图3示出了由镇流器10a、10b在使用中生成的磁场线以及镇流器中的电流16a、16b的方向。可以看出，当磁通量在第一方向上沿着第一镇流器10a的纵向轴线流动时，磁通量在与第一方向大致上相反的第二方向上沿着第二镇流器10b的纵向轴线流动。镇流器10a、10b之间的磁通量的上述循环为包含镇流器的谐振器电路提供了改进的Q因子，并还可以减少对其它电组件的电磁干扰。

第一镇流器10a中的绕组可以与第二镇流器10b中的绕组分开(例如在垂直于这些镇流器的纵向轴线的方向上)至少等于一个绕组中的匝之间的分离距离(在平行于所述镇流器的纵向轴线的方向上)的距离。

尽管已描述了成对的镇流器10a、10b，但可预期的是，可以将三个、四个或更多个镇流器连接到离子导向器，例如呈线性阵列、三角形阵列或正方形阵列等，并在每个线圈中具有相同的绕组指向，以便使通量循环并提供改进的Q因子和/或减少的电磁干扰。为了获得最大效率，可以提供偶数个镇流器，其中相邻镇流器之间的通量方向相反。

多个镇流器10a、10b的绕组可以串联或并联电连接。

离子导向器2可以是用于在直线上引导离子的笔直的离子导向器。替代地，离子导向器2可以是弯曲或成角度的离子导向器，例如闭环离子导向器，其用于沿着弯曲或成角度的路径进行引导离子。在离子导向器2弯曲或成角度的实施例中，可以布置AC/RF电极，使得离子导向路径的纵向轴线弯曲或成角度以围绕一个或多个镇流器10a、10b延伸。例如，在闭环离子导向器2中，一个或多个镇流器10a、10b可以布置在闭环内部。此类布置减小了镇流器与AC/RF电极的距离，并因此使能够减小连接导线12a、12b、14a、14b的长度，由此增大了谐振器的Q因子。

一个或多个镇流器10a、10b可以位于导电腔室内部或另一种形式的电屏蔽件内部。例如，镇流器(和离子导向器)可以位于真空腔室13(图2)内部。这会电遮蔽镇流器，以便避免镇流器对腔室或屏蔽件外部的组件造成电磁干扰。

如上文所描述，一个或多个镇流器10a、10b中的每一个可以具有缠绕在其上的至少一个绕组。不同绕组的端可以通过连接导线12a、12b、14a、14b连接到不同的AC/RF电极。在同一个镇流器芯上布置多个绕组会节省空间，并还维持包含绕组的谐振器电路的高Q因子(因为集合体的总电感接近任何一个独立绕组的电感，而不是其一部分)。

每个镇流器10上的绕组可以被提供相同驱动AC/RF波形，但可以任选地具有不同DC和/或低频RF信号分量。例如，镇流器上的不同绕组16可以被提供不同DC偏移，或可以在不同时间向不同绕组施加DC电压脉冲。这会使能够向离子导向器2中的不同电极提供不同DC电压。例如，如上文所描述，可以将DC电压源连接到电极(经由镇流器上的绕组)，以用于将一个或多个DC电压脉冲逐次地施加到逐次电极，使得行进的DC电势沿着离子导向器2的纵向路径行进。替代地，DC电压源可以被配置为在离子导向器2周围将不同DC电压供应给逐次电极(经由镇流器上的绕组)，使得沿着离子导向器2的纵向路径布置静态DC梯度。

在每个镇流器10上缠绕多个绕组16的情况下，在镇流器10的第一端处不同绕组开始缠绕的不同点可以围绕镇流器的第一端的圆周间隔开。任选地，不同绕组开始缠绕的不同点可以围绕镇流器10的第一端的圆周大致上均匀地间隔开。替代地或另外，在镇流器10的第二端处不同绕组开始缠绕的不同点可以围绕镇流器的第二端的圆周间隔开。任选地，不同绕组开始缠绕的不同点可以围绕镇流器10的第二端的圆周大致上均匀地间隔开。上述间隔可以使相邻线圈匝之间的电压差相等，并增大谐振器的Q因子。

图4示出了图2和图3中的一对镇流器10a、10b的示意图，其中每个镇流器10具有缠绕在其上的四个绕组(匝未示出)。可以看出，在此实施例中，在镇流器10的第一端处不同绕组开始缠绕的点18a-18d围绕镇流器的第一端的圆周大致上均匀地间隔开。类似地，在镇流器10的第二相对端处不同绕组开始缠绕的点19a-19d可以围绕所述第二端的圆周大致上均匀地间隔开。

与常规的布置相比，提供一个或多个镇流器10还提供了其它优点。例如，为了获得适当的操作频率，已要求常规的驱动变压器具有低磁化电感，如从其次级端子所见。这会要求变压器芯具有大间隙，从而导致高漏磁和不良耦合。与此对比，在本发明的实施例中，一个或多个镇流器10限定了次级电路中的阻抗，并且因此可以减小或去除变压器芯中的间隙。这会使能够降低漏磁、改善耦合并增大变压器的次级端子处的磁化电感。

尽管已参考优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求书所阐述的本发明范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

例如，尽管上文已描述了AC/RF驱动频率和幅值的实例，但可以使用其它频率和幅值。可预期的是，本发明的实施例可以与各种频率一起使用，例如在中频带、高频带或甚高频带中的那些频率。

尽管在以上实施例中已描述了离子导向器，但可预期的是，本发明的实施例可以与其它装置的AC/RF电极一起使用。例如，本发明的实施例可以用于具有用于约束离子的AC/RF电极的离子阱中。离子阱可以以上述实施例中关于离子导向器所描述的方式起作用，但在离子阱中，离子在三个维度上被约束且无需沿着离子阱被推动。例如，AC/RF电极可以用于在离子导向器内的一个维度、两个维度或三个维度上约束离子，并且一个或多个镇流器可以以本文中所描述的方式连接到这些AC/RF电极。DC电极可以用于在离子阱内的一个或多个维度上约束离子。还可预期的是，离子阱的离子捕获区域可以是细长的(例如线性离子阱)，也可以不是细长的。

Claims (20)

1.一种离子约束装置，其包括：

多个电极，其被布置和配置为用于在向其施加AC或RF电压时约束离子；以及

至少一个电感镇流器，每个镇流器连接到至少一些所述电极，以便与其形成谐振器电路。

2.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括变压器，所述变压器具有用于连接到电源的初级线圈和电连接到所述电极以用于驱动所述电极的次级线圈。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述至少一个镇流器被配置为使得在使用中，流过所述镇流器的峰值或RMS电流大于流过所述变压器的所述次级线圈的峰值或RMS电流。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其中所述至少一个镇流器相比于所述变压器的所述次级线圈具有较低电感。

5.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述至少一个镇流器中的每一个包括：至少一个绕组；第一连接导线，其将所述绕组的第一端连接到所述谐振器电路中的至少一个所述电极；第二连接导线，其将所述绕组的第二端连接到所述谐振器电路中的至少另一个所述电极；并且其中所述第一连接导线和/或第二连接导线的长度是选自：≤50厘米；≤40厘米；≤30厘米；≤25厘米；≤20厘米；≤15厘米；≤14厘米；≤13厘米；≤12厘米；≤10厘米；≤9厘米；≤8厘米；≤7厘米；≤6厘米；或≤5。

6.根据任一前述权利要求所述的装置，其包括多个所述电感镇流器，其中不同的所述镇流器连接到布置在所述离子约束装置的不同的单独区域中的电极，以便与其形成谐振器电路。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述多个镇流器被布置为其纵向轴线使得来自每个所述镇流器的磁通量进入其它镇流器中的至少一个。

8.根据权利要求7所述的装置，其中第一镇流器和第二镇流器被布置为其纵向轴线彼此大致上平行，并且所述镇流器连接到所述电极，使得在使用中，当磁通量在第一方向上沿着所述第一镇流器的所述纵向轴线流动时，磁通量在与所述第一方向大致上相反的第二方向上沿着所述第二镇流器的所述纵向轴线流动。

9.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述离子约束装置的所述电极被配置为沿着具有弯曲或成角度的纵向轴线的细长区域约束离子，以便至少部分地环绕所述至少一个镇流器。

10.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述离子约束装置具有闭环离子引导或闭环捕获区域，并且其中所述至少一个镇流器布置在所述闭环离子引导或捕获区域内部。

11.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述至少一个镇流器位于例如真空腔室的导电腔室内部，或位于电屏蔽件内部。

12.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述离子约束装置是离子导向器或离子阱。

13.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述至少一个镇流器中的每一个包括至少一个绕组，其中所述绕组的第一端连接到第一组所述电极，并且所述绕组的第二端连接到第二组所述电极，其中所述第一组电极中的电极与第二组电极中的所述电极交错，使得至少一些相邻电极连接到所述绕组的相对端。

14.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述至少一个镇流器中的每一个包括：围绕其轴线缠绕的多个绕组；第一组连接导线，其将所述镇流器的第一端处的不同绕组的端连接到第一组所述电极中的相应不同电极；以及第二组连接导线，其将所述镇流器的第二端处的不同绕组的端连接到第二组所述电极中的相应不同电极。

15.根据权利要求14所述的装置，其中所述第一组连接导线未捆绑在一起，和/或其中所述第二组连接导线未捆绑在一起。

16.根据权利要求14或15所述的装置，其包括电源，所述电源用于向每个镇流器上的不同绕组提供不同DC偏移，或用于在不同时间向所述不同绕组提供DC电压脉冲。

17.根据权利要求14、15或16所述的装置，其中所述不同绕组是在所述镇流器的第一端处在围绕所述镇流器的所述第一端的圆周的不同点处开始缠绕，并且其中所述不同点围绕所述镇流器的所述第一端的所述圆周大致上均匀地间隔开；和/或

其中所述不同绕组是在所述镇流器的第二端处在围绕所述镇流器的所述第二端的圆周的不同点处开始缠绕，并且其中所述不同点围绕所述镇流器的所述第二端的所述圆周大致上均匀地间隔开。

18.根据任一前述权利要求所述的装置，其包括耦合到所述电极以用于驱动所述电极来约束所述离子的AC或RF电源。

19.根据任一前述权利要求所述的装置，其包括变压器，所述变压器具有用于连接到电源的初级线圈和电连接到所述电极的次级线圈，其中所述初级线圈和/或次级线圈在其芯中没有间隙。

20.一种离子迁移率分离器或质谱仪，其包括根据任一前述权利要求所述的离子约束装置。

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