CN114334599A - 离子导引装置及离子导引方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种离轴传输离子的离子导引装置和离子导引方法，能够避免或者减缓由射频多极场造成的离子加热问题，提高离子的传输效率。该离子导引装置，包括平行放置的多个环形电极，每个环形电极包含至少4个彼此分离的电极单元，多个环形电极内部形成供离子传输的通道，多个环形电极的排列方向限定了离子传输的轴向方向；射频电压源，属于同一环形电极的相邻电极单元上施加的射频电压相位相异，在沿轴向方向相邻的电极单元上施加的射频电压相位相同，从而在离子导引装置内形成束缚离子的射频多极场；直流电压源，离子在射频电压和直流电压的共同作用下，偏离轴向方向传输并聚焦于环形电极的内表面。

Description

离子导引装置及离子导引方法

技术领域

本发明涉及离子导引技术领域，特别涉及一种离子导引装置及离子导引方法。

背景技术

在质谱仪中，从较高气压的离子源区(1～10⁵Pa)到较低气压的离子分析器区域(<1Pa)之间，除了必要的真空接口外，为了实现离子的低损失传输，通常需要离子导引装置。离子导引装置一般由一系列施加射频电压的电极组成。射频电压在装置的中心轴周围形成束缚离子的有效势垒，使得离子会聚。同时在由于差分抽气造成的气流流动作用，或者沿轴附加的直流电场作用下，会聚的离子定向移动到下一级真空，然后通过质谱分析装置被分析。

较早的射频导引装置比如D.J.Douglas发明的多极导引杆系(美国专利5179278)，以及J.Franzen提出的表面反射型多极场导引装置(美国专利5572035)，可以在0.1torr下聚焦离子。之后N.Inatsugu和H.Waki发明的Q-阵列导引器，以及Bateman等提出的(美国专利7095013)行波导引装置等，可以在5torr以下的气压下对离子进行较好的导引和聚焦。为了可以在更高的气压下聚焦离子，R.D.Smith提出了离子漏斗装置(美国专利6107628)，可以在接近30torr的气压下有效地传输和聚焦离子，极大地提高了装置的灵敏度。

但是，把离子漏斗应用于质谱仪时，一般它的前级是一段连通到大气压的毛细管结构或者带小孔的取样锥结构，后级是具有比离子漏斗内部更低气压的腔体，由于其漏斗状结构，在漏斗的整个轴线上会存在很强的气流，即使在漏斗的入口附近加上一个金属挡板(jet-disrupter)以减小气流，也会在出口处有不小的气流存在。这个气流不仅会加大真空泵的负担，而且这些中性的气体分子会对最后的离子检测带来噪音；特别地，当搭配电喷雾离子源时，气流会携带尚未完全脱溶剂的带电液滴进入下一级真空，从而带来更多的噪音，影响了仪器的灵敏度。

K.Giles在美国专利US2011/0049357中设计了一种偏轴传输装置。该装置由一大一小的类似离子漏斗的桶状电极阵列耦合而成，两个阵列之间有一定的势垒，离子从大桶电极阵列的一侧进入，然后在直流电场推动下克服阵列之间的势垒，进入小桶电极阵列传输并引出，而中性的分子沿大桶电极阵列的轴线被抽出，以此实现离子偏轴传输。这个装置有两个不足，一是不能实现非常有效的聚焦。离子束最后的聚焦半径是由小桶电极阵列的半径决定的，但小桶电极的半径太小时，在与大桶电极相接的边缘处的射频阻挡势垒会变强，使得离子很难进入。二是装置结构较复杂，因此制作难度较大。

Zhang等在专利CN103515183A中公开了一种离子传输装置，该离子传输装置采用偏轴传输，包括多个平行排列的环形电极，每个环形电极由多个分立的分段电极围成。电源装置在环形电极上施加有射频电压，同一环形电极相邻的分段电极上施加的射频电压相位相异，沿中心轴线的相邻的分段电极上施加射频电压也是相位相异的。其中，沿中心轴线的相邻的分段电极上施加的射频电压用于聚焦离子，具体而言，其与直流偏转电压之间的平衡，将离子聚焦在离子传输装置的内侧面处。这个装置结构简单，易于加工。但这种沿中心轴线的相邻的分段电极上施加的相位相异的射频电压，会造成离子在内侧面处的振荡，导致离子被加热而解离，造成该种离子的传输效率降低。

发明内容

本发明针对上述技术问题而提出，目的在于提供一种离轴传输离子的离子导引装置和离子导引方法，使得离子被限制在离子导引装置的内侧面时，能够避免或者减缓由射频多极场造成的离子加热问题，从而避免预期外的解离现象，提高离子的传输效率。

本发明的一个方面，提供了一种离子导引装置，包括平行放置的多个环形电极，每个环形电极包含至少4个彼此分离的电极单元，多个环形电极内部形成供离子传输的通道，多个环形电极的排列方向限定了离子传输的轴向方向；射频电压源，用于在多个环形电极上施加射频电压，属于同一环形电极的相邻电极单元上施加的射频电压相位相异，在沿轴向方向相邻的电极单元上施加的射频电压相位相同，从而在离子导引装置内形成束缚离子的射频多极场；直流电压源，用于在多个环形电极上施加直流电压，直流电压具有幅值沿轴向方向变化的第一直流分量，以及幅值沿环形电极所在平面上的规定方向变化的第二直流分量；离子在射频电压和直流电压的共同作用下，偏离轴向方向传输并聚焦于环形电极的内表面。

随着同一环形电极上电极单元的数量的提高，电极单元的分布变得更加密集，从而使得，相邻电极之间的间距变得更短。相邻电极单元的长度越短，适应性地施加射频电压之后，所能产生的射频多极场越能将离子束缚在紧邻的位置，方便对于离子的聚焦。

当属于同一环形电极的相邻电极单元上施加有射频电压时，可以更加有效地将离子束缚在离子传输的通道内，进一步地，可以利用上述射频电压与直流电压的第二直流分量之间的平衡，使离子被聚焦在环形电极的内表面。由于作为上述聚焦平衡的一个因素的射频电压，是施加在同一环形电极的相邻电极单元上的射频电压，该射频电压的施加方式能够避免或者缓解离子传输时的振荡加热问题，从而避免难以预期的解离现象，进而提高离子的传输效率。

本文中，术语“环形电极”仅试图限定电极的中空结构，而不试图限定电极整体的轮廓形状。具体而言，环形电极的外环轮廓可以是方形、圆形、多边形或者其他任意合适的形状以及形状的组合。环形电极的内环轮廓可以与外环轮廓保持一致或者对应，也可以与外环轮廓不一致或者不对应。例如，“环形电极”可以是外环轮廓为圆形，而内环轮廓为方形的环形电极。

本文中，术语“规定方向”可以是预先规定的方向，例如是环形电极的结构所规定的方向。例如，在一些技术方案中，环形电极的结构或者分段方式本身具有一定的方向性，由该方向性可以定义出第二直流分量的施加方向。此外，术语“规定方向”也可以是由直流电压源所规定的方向。例如，在一些技术方案中，环形电极的结构或者分段方式呈中心对称或者旋转对称的形式，其本身在径向平面上不具有方向性，直流电压源的第二直流分量可以沿任意方向施加。在这些技术方案中，直流电压源预先保存的或者临时生成的第二直流分量的施加方向定义出“规定方向”。

在本发明的一种较优技术方案中，环形电极的形状具有至少一个内角，规定方向指向内角。相较于边的位置或者圆滑曲线的位置，构成内角的两条邻边处的电极，可以提供从两侧向中间压缩离子束的射频多极场，从而提高离子束的聚焦效果。

进一步地，在本发明的一种较优技术方案中，内角为30°-150°的凸角(inferiorangle)。内角为凸角，可以有效提供从两侧向中间压缩离子束的射频多极场。该内角的大小不宜太大也不宜太小，内角太大容易导致对离子束压缩性能的下降，内角太小不易将离子束稳定地离轴传输至预先设定的离子出口的位置，通过将内角设置为30°-150°，可以有效兼顾以上问题。

在本发明的一种较优技术方案中，在多个环形电极的内部，射频多极场是沿轴向方向延伸的。“射频多极场是沿轴向方向延伸的”是指射频多极场整体是基本沿轴向方向延伸的。由于射频多极场整体是基本沿轴向方向延伸的，离子在轴向方向的传输过程是较为平滑的，可以更加有效地缓解离子在传输过程中的振荡加热问题。

在本发明的一种较优技术方案中，环形电极具有多个长度相同的电极单元。采用长度相同的电极单元组成环形电极，一方面能够提高环形电极组件生产、装配的通用性，另一方面还能够简化待施加电场的模拟或计算。

在本发明的一种较优技术方案中，每个环形电极的各电极单元的长度在规定方向上逐渐减小。

除了处在转角处的电极单元之外，通过将环形电极的各电极单元的长度配置为在规定方向上逐渐减小，可以适应性地设定电极单元对离子束的压缩性能。在规定方向上越处于始端的电极单元，长度越长，可以产生中长程的排斥作用，通过两侧向中间排斥离子的方式，将离子保持在靠近中轴线的位置，便于离子束的进一步压缩和聚焦；而在规定方向上越处于末端的电极单元越短，较短的电极单元可以将离子束缚在紧邻的位置，通过两侧向中间排斥离子的方式，可以将离子束压缩得口径更小，提高离子束的传输性能。在一些更加优选的技术方案中，可以通过将环形电极在规定方向上的末端配置为环形电极的内角的方式，进一步提高环形电极对于离子束的压缩能力。

在本发明的一个较优技术方案中，多个环形电极的形状和大小相同。统一各环形电极的结构和大小，可以方便环形电极的制作以及电压的施加。

在本发明的一个较优技术方案中，环形电极为制作在电路板上的金属部分。一方面，采用电路板结构制作和组装离子导引装置，可以方便且整齐地为每个电极单元预留布线；另一方面，电路板工艺或者金手指工艺成熟，能够获得更加薄厚均匀、平滑的电极单元，从而提高所形成电场的均匀性。

在本发明的一个较优技术方案中，每个环形电极被制作在1块或多块电路板上。可选地，通过多块电路板组装获得环形电极，可以省略部分位置的电路板结构，节约材料的使用。

在本发明的一个较优技术方案中，电路板包含至少1个缺口，缺口用于气体流通。在制作或者组装电路板时，通过预留缺口的方式为气体流通提供路径，该配置方式可以使离子导引装置的结构更加紧凑、整齐。

附图说明

图1是本发明实施方式一中离子导引装置的结构示意图；

图2是本发明实施方式一中各环形电极的结构示意图；

图3是本发明实施方式二的离子导引装置的环形电极的结构和分布示意图；

图4是图3中离子导引装置的环形电极的截面结构示意图；

图5是实施方式二中射频电压源所形成的射频多极场在离子导引装置的环形电极周围的分布情况(仿真结果)；

图6是实施方式二中射频电压源所形成的射频多极场沿离子导引装置的轴向方向的分布情况(仿真结果)；

图7是实施方式二中直流电压源所形成的直流电场在离子导引装置的环形电极周围的分布情况(仿真结果)；

图8是实施方式二中直流电压源所形成的直流电场沿离子导引装置的轴向方向的分布情况(仿真结果)；

图9是实施方式二中离子在离子导引装置内的行进轨迹示意图(仿真结果)；

图10是实施方式二中离子在沿轴向方向运动时的动能分布(仿真结果)；

图11是实施方式三中设置有环形电极的电路板的结构示意图；

图12是实施方式四的环形电极的结构示意图；

图13是本发明实施方式中离子导引方法的流程图。

附图标记说明：

1-离子导引装置；10、11、12、20-环形电极；101、102、103、104、105-电极单元；2-离子导引装置；21-离子入口；22-离子出口；201-第一边；202-第二边；203-第三边；204-第四边；205、206、207、208、209、210、211-电极单元；212-内角；3-电路板；302-缺口；402-第二边；404-第四边；405-电极单元；RF-射频电压源；DC-直流电压源。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明进行进一步的详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施方式一

本实施方式提供了一种离子导引装置1，参考图1，该离子导引装置1包括多个环形电极10，11，12，多个环形电极10，11，12彼此平行放置。

每个环形电极10，11，12包含4个彼此分离的电极单元101，102，103和104，多个环形电极10，11，12内部形成供离子传输的通道，多个环形电极10，11，12的排列方向限定了离子传输的轴向方向。

多个环形电极10，11，12之间可以同轴，也可以不同轴。多个环形电极10，11，12的排列方向为各个环形电极10，11，12的中心之间的连线方向，对于不同轴的情况，离子传输的轴向方向可以与环形电极10，11，12的轴线方向相互倾斜。

如图1、图2所示，环形电极10，11，12中处于规定方向末端的两个轴对称电极单元102和104的长度沿装置的轴向方向逐渐减小，换言之，沿轴向方向，靠近下游位置的电极单元102，104的长度小于等于靠近上游位置的电极单元102，104的长度。同时位于规定方向始端的电极单元101和103的长度沿装置的轴向方向逐渐增加。电极单元102和104形成环形电极10，11，12的一个内角105。优选地，内角105为角度大小在30°-150°内的凸角。

离子导引装置1包括射频电压源RF和直流电压源DC。在每个环形电极10，11，12中相邻的电极单元施加相位相异的射频电压，从而利用上述施加在相邻电极单元的射频电压，在环形电极的内部形成束缚离子的射频四极场，四极场的中心沿装置轴向逐渐靠近规定方向的末端，以使离子被聚焦至环形电极10，11，12的内角105附近。

直流电压源DC在环形电极10，11，12上施加直流电压，该直流电压包括沿轴向分布的第一直流分量，用于驱动离子沿轴向运动。此外，该直流电压还包括幅值沿环形电极10，11，12所在平面上的规定方向变化的第二直流电压，以使离子偏离轴线运动。

具体而言，射频电压源RF和直流电压源DC可以模式化地协同工作。在该工作模式下，属于同一环形电极10，11，12的相邻电极单元上施加的射频电压相位相异，用于将离子束缚在通道内部的功能主要由这部分相位相异的射频电压提供。而在沿轴向方向相邻的电极单元上施加的射频电压相位相同，从而使得，射频四极场的等电势线的方向基本平行于离子传输的轴向方向，离子在沿轴向方向传输时的运动更加平顺。通过施加上述形式的射频电压，可以在离子导引装置1内形成能够束缚离子的射频四极场，从而使离子可以稳定地穿过离子导引装置1，而不会从环形电极10，11，12本身或者之间的缝隙中漏出。

直流电压源DC用于在多个环形电极10，11，12上施加直流电压。直流电压具有幅值沿轴向方向变化的第一直流分量，第一直流分量用于驱动离子沿轴向方向的运动。

直流电压还包括幅值沿环形电极10，11，12所在平面上的规定方向(即第二直流分量所形成的驱动电场中，从高电势侧指向低电势侧的方向)变化的第二直流分量，第二直流分量用于驱动离子的偏转，特别是指向规定方向的偏转运动。通过偏轴传输的方式，可以避免形成轴向直接贯通离子导引装置1的气流通道，从而避免离子导引装置1对真空系统的性能提出过高要求。

由于射频四极场主要分布于环形电极10，11，12的内表面，并且越靠近内表面赝势垒越高，利用第二直流分量形成的直流电场与射频四极场形成的赝势垒之间的平衡，可以有效地将离子聚焦在环形电极10，11，12的内表面处，并且利用第一直流分量将离子沿轴向方向稳定传输。通过以上方式，离子在射频电压和直流电压的共同作用下，偏离轴向方向传输并聚焦于环形电极10，11，12的内表面。

本实施方式中，直流电压源DC和射频电压源RF可以是独立设置的单独电压源，也可以是设置在同一壳体中的不同模块，或者是集成在同一回路中的电源部件。在本发明的其他一些实施方式中，也可以采用其他任何合适形式的电源，只要其能够形成具有上述形式的电场，亦应当视作本发明实施方式的等同实现方式。

在本实施方式中，由于同一环形电极10，11，12具有4个电极单元，相比于现有的离子导引装置1，电极单元101，102，103，104分布变得更加密集，相邻电极单元之间的间距变得更短。具体而言，规定方向末端的电极单元102，104对应的圆心角均小于等于π/8，优选小于π/16。通过在更短的电极单元102，104上施加射频四极场，可以产生更加邻近电极单元102，104表面分布的射频四极场，从而能够在紧邻电极单元102，104的位置聚焦离子，例如可以利用射频四极场与第二直流分量之间的平衡来将离子聚焦在环形电极12的内表面处。更加重要的是，由于主要起到聚焦平衡作用的相位不同的射频电压是施加在同一环形电极的相邻电极单元上的，相比于在轴向方向上相邻的电极单元上施加相位相异的射频电压，这种射频四极场的施加方式能够减少离子在传输过程中产生的振荡，从而避免难以预期的解离现象，提高离子传输效率。

实施方式二

图3示出了第二实施方式的离子导引装置2的环形电极20的结构和分布示意图。图4是离子导引装置2的环形电极的截面结构。第二实施方式包含在实施方式一上的进一步改进，主要改进包括：在第二实施方式中，环形电极20的形状以及分段结构与实施方式一有所区别。

参考图3、图4，每个环形电极20均整体呈正方形(或菱形)，环形电极20的分段结构沿正方形的对角线呈轴对称。作为对称轴的对角线是沿规定方向延伸的对角线。在对称轴的一侧，环形电极包括第一边201和第二边202，在对称轴的另一侧，环形电极包括第三边203和第四边204。第一边201和第三边203的分段结构相互对称，第二边202与第四边204的分段结构相互对称。第一边201和第三边203各自被分为两个各基本占据1/2边长(基本对应π/8圆心角)的分离的电极段，第一边201的一个电极段和第三边203的一个电极段在转角处相互连接，形成为一体的具有转角的电极单元205。

第二边202和第四边204均以非均匀的方式分段，并且分段结构沿规定对称轴相互对称。其中，第二边202和第四边204均包括各占据1/2边长(基本对应π/8圆心角)的电极单元207，该电极单元207与第一边201、第三边203上设置的长度基本相同的电极单元206，通过施加相位不同的(特别是相反的)射频电压，可以有效形成中长程的对于离子的束缚作用，驱动离子向靠近对称轴的位置聚焦。

第二边202和第四边204上还包括，沿规定方向长度逐渐缩减的电极单元208、209、210。这些电极单元，例如电极单元208、209、210，均设置在环形电极20的底部，即环形电极20沿规定方向的末端。因为电极单元208、209、210的长度较短、间距也较小，在长度较短、间距较小的电极单元208、209、210上施加的射频电压能够产生将离子束缚在紧邻环形电极20内表面的射频多极场。本实施方式中，随着电极单元208、209、210长度的缩短，利用第二边202和第四边204在规定方向上逐渐收紧的特点，将离子束始终约束在靠近对称轴的位置，并基本沿对称轴所在路径，将离子移动和聚焦在环形电极20的内表面。

在本实施方式中，除了处在转角处的电极单元211之外，通过将环形电极20的各电极单元(包括电极单元206～210)的长度配置为在规定方向上逐渐减小，可以适应性地设定电极单元206～210对离子束的压缩性能。在规定方向上越处于始端的电极单元206、207，长度越长，可以产生中长程的排斥作用，通过两侧向中间排斥离子的方式，将离子保持在靠近环形电极20的对称轴的位置，便于离子束的进一步压缩和聚焦；而在规定方向上越处于末端的电极单元209、210越短，较短的电极单元209、210可以将离子束缚在更加紧邻的位置，通过两侧向中间排斥离子的方式，将离子束压缩得口径更小，提高离子束的传输性能。

本实施方式中，环形电极20在规定方向上的末端配置为环形电极20的内角212，通过将离子束往内角212处聚焦，可以利用内角212的两侧边或者内角两侧的电极单元210形成的射频多极场进一步压缩离子束，提高对离子束的聚焦效果。

在一些实施方式中，为了进一步防止离子束从相邻电极单元之间的缝隙漏出，可以将规定方向规定为指向电极单元，而非指向电极单元相互之间的缝隙处。在本实施方式中，规定方向平行于正方形(或菱形)环形电极20的对称轴。具体而言，本实施方式中，在规定方向上，第二直流分量直接指向的电极单元为电极单元211。电极单元211为位于环形电极20的内角212处的电极单元211。

内角212处的电极单元，在沿着规定方向靠近内角212的路径上，位于路径两侧的电极单元207，208，209，210呈逐渐收窄的形状，这种逐渐收窄的形状可以逐渐压缩离子束，换言之，使离子束的横截面口径逐渐缩小，从而提高离子束的传输性能。优选地，内角212为角度大小在30°-150°内的凸角。

作为聚焦目标的内角212的角度不宜太大也不宜太小，内角212太大容易导致对离子束压缩性能的下降，内角212太小不易将离子束稳定地离轴传输至预先设定的离子出口的位置，通过将内角212设置为30°-150°，可以有效兼顾以上问题。

另外，为了使环形电极20的各相邻电极单元之间均能够施加相位相异的射频电压，从单个环形电极20分出的电极单元的数量优选为偶数。优选地，环形电极20为轴对称结构，并且，其对称轴与规定方向的向量所在直线相互平行。轴对称结构的环形电极20便于产生使离子束向对称轴处收拢的射频多极场，而且，电场的模拟、计算的复杂度也得到降低。

本实施方式中，多个环形电极20的形状和大小相同。统一各环形电极20的结构和大小，可以方便环形电极20的制作以及电压的施加。

(模拟结果)

图5是射频电压源RF所形成的射频多极场在离子导引装置2的环形电极周围的分布情况。图6是射频电压源RF所形成的射频多极场沿离子导引装置2的轴向方向的分布情况。

由图5可知，射频电极场在环形电极20的中央场强较弱，而当离子移动至靠近电极单元的位置时，离子将受到电极单元表面射频多极场所产生的排斥力影响，而被保持在离子导引装置2内部。具体而言，施加在轴对称的环形电极20上的射频多极场的分布也是轴对称的，离子束能够以基本被保持在对称轴的轴线上的方式，而向下逐渐逼近电极单元211，最终聚焦在电极单元211与两电极单元210之间，并通过电极单元211、两电极单元210和第二直流分量所形成的斥力之间的平衡，最终被稳定聚焦在离子导引装置2的内侧面。

需要说明的是，参考图6，本实施方式中，离子导引装置2的离子入口21，位于多个环形电极20排布的中心轴上，而离子导引装置2的离子出口22，则偏离环形电极20的中心轴设置。具体而言，离子出口22的设置位置对应于环形电极20沿规定方向末端的内表面。在本发明的其他一些实施方式中，离子入口21和离子出口22在径向平面上的位置也可以根据实际需要进行调整。

参考图6的射频多极场分布可知，本实施方式中，在多个环形电极20的内部，射频多极场是沿轴向方向延伸的。如此设置，离子在轴向方向的传输过程是较为平滑的，可以更加有效地缓解离子在传输过程中的振荡加热问题。

图7是直流电压源DC所形成的直流电场在离子导引装置2的环形电极20周围的分布情况。图8是直流电压源DC所形成的直流电场沿离子导引装置2的轴向方向的分布情况。

参考图7，第二直流分量所形成的直流电场沿环形电极20所在平面分布。该直流电场在规定方向上的分布是基本均匀的，图7中环形电极20的顶部为高电势侧，底部为低电势侧。处于离子导引装置2内的离子将受到第二直流分量的基本均匀的朝向底部的电场力作用，从而在电场力的驱动下，向环形电极20的底部的内侧面移动。

参考图8，第一直流分量所形成的直流电场沿轴向方向分布，形成沿轴向方向的电势梯度。该第一直流分量形成的直流电场的等势线在轴向方向上基本是均匀分布的，其中，离子导引装置2的离子入口21位于高电势侧，离子出口22位于低电势侧。处于离子导引装置2内的离子将受到第一直流分量的基本均匀的朝向离子出口的电场力作用，从而在电场力的驱动下，沿轴向朝离子出口移动，并在第二直流分量的作用下产生向离轴设置的离子出口22的偏转。

图9是离子在离子导引装置2内的行进轨迹示意图。图9中，离子在电场力的驱动下，从离子入口沿轴向朝离子出口移动，并在第二直流分量的作用下产生向离轴设置的离子出口22的偏转，并最终被聚焦在离子导引装置2底部的内侧面，从离子出口22流出。离子的行径轨迹可以利用直流电压源、射频电压源的参数(例如幅值、相位等参数)调节。在一些实施方式中，可以利用幅值的调节，确保基本所有类型的离子均能够被有效聚焦在离子导引装置2底部的内侧面。在另一些实施方式中，也可以利用幅值的调节，筛选出部分离子被聚焦、流出。

图10进一步示出了离子在沿轴向方向运动时的动能分布。图10中X轴为离子沿轴向方向上的位置，图10中Y轴为离子的动能大小。参考图10可知，离子在整个轴向方向运动过程中，动能变化较小，基本在2eV以下，该仿真结果进一步验证了，该离子导引装置2有效解决了离子在轴向方向上的振荡加热问题。

实施方式三

图11示出了第三实施方式的设置有环形电极20的电路板3结构示意图。第三实施方式包含在实施方式二上的进一步改进，主要改进包括：在第三实施方式中，环形电极20为制作在电路板上的金属部分。

采用电路板结构制作和组装离子导引装置，可以方便且整齐地为每个电极单元预留布线；另外，电路板工艺或者金手指工艺成熟，能够获得更加薄厚均匀、平滑的电极单元，从而提高所形成电场的均匀性。

本实施方式中，每个环形电极20被制作在1块或多块电路板3上，具体为两块电路板3。通过多块电路板3组装获得环形电极20，可以省略部分位置的电路板结构，节约材料。由两块电路板3组装环形电极时，两块电路板之间留有间隙，间隙构成为用于气体流通的缺口302。在制作或者组装电路板时，通过预留缺口302的方式为气体流通提供路径，该配置方式可以使离子导引装置2的结构更加紧凑、整齐。

实施方式四

图12示出了第四实施方式的环形电极40的结构示意图。第四实施方式提供了一种环形电极40的变形例。主要改进包括：在第四实施方式中，环形电极40的第二边402和第四边404由相等长度的电极单元405构成。其他部分与实施方式二相同，采用相同附图标记的部分，则完全相同。

参考图12，环形电极40的第二边402和第四边404均具有多个相等长度的电极单元405，并且，第二边402所具有的电极单元405与第四边404所具有的电极单元405的数量相同，第二边402与第四边404的分段结构关于对称轴互为镜像。采用长度相同的电极单元405组成环形电极，一方面能够提高环形电极组件生产、装配的通用性，另一方面还能够简化待施加电场的模拟或计算。

实施方式二至四中的环形电极20、40均采用多边形(例如正方形、菱形)的外环轮廓，但本发明实施方式中的环形电极的结构并不限于此，在一些实施方式中，也可以采用圆形、椭圆形或者其他合适的曲线类型的环形电极，或者也可以是曲线与直线结合使用的环形电极，例如可以将环形电极配置为，上部采用圆形环形而下部采用直线型电极的结构。

基于实施方式一至实施方式四，本发明还提供了一种离子导引方法，图13是本实施方式提供的离子导引方法包括以下步骤：

S1.提供平行放置的多个环形电极，每个环形电极包含至少4个彼此分离的电极单元，多个环形电极内部形成供离子传输的通道，多个环形电极的排列方向限定了离子传输的轴向方向；

S2.在多个环形电极上施加射频电压，属于同一环形电极的相邻电极单元上施加的射频电压相位相异，在沿轴向方向相邻的电极单元上施加的射频电压相位相同，以在装置内形成沿轴向分布的射频多极场；

S3.在多个环形电极上施加直流电压，直流电压具有幅值沿轴向方向变化的第一直流分量，以及幅值沿环形电极所在平面上的规定方向变化的第二直流分量；

S4.离子在射频电压和直流电压的共同作用下，偏离轴向方向传输并聚焦于环形电极的内表面。

采用上述离子导引方法，可以减少离子在传输过程中产生的振荡，从而避免难以预期的解离现象，提高离子传输效率。

本领域的普通技术人员可以理解，在上述的各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (13)

1.一种离子导引装置，其特征在于，包括

平行放置的多个环形电极，每个所述环形电极包含至少4个彼此分离的电极单元，所述多个环形电极内部形成供离子传输的通道，所述多个环形电极的排列方向限定了离子传输的轴向方向；

射频电压源，用于在多个所述环形电极上施加射频电压，属于同一环形电极的相邻电极单元上施加的所述射频电压相位相异，在沿所述轴向方向相邻的电极单元上施加的所述射频电压相位相同，从而在所述离子导引装置内形成束缚离子的射频多极场；

直流电压源，用于在多个所述环形电极上施加直流电压，所述直流电压具有幅值沿所述轴向方向变化的第一直流分量，以及幅值沿所述环形电极所在平面上的规定方向变化的第二直流分量；

离子在所述射频电压和所述直流电压的共同作用下，偏离所述轴向方向传输并聚焦于所述环形电极的内表面。

2.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于，所述环形电极的形状具有至少一个内角，所述规定方向指向所述内角。

3.根据权利要求2所述的离子导引装置，其特征在于，所述内角为30°-150°的凸角。

4.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于，在所述多个环形电极的内部，所述射频多极场是沿轴向方向延伸的。

5.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于，所述环形电极具有多个长度相同的电极单元。

6.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于，每个所述环形电极的各所述电极单元的长度在所述规定方向上逐渐减小。

7.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于，多个所述环形电极的形状和大小相同。

8.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于，所述环形电极为制作在电路板上的金属部分。

9.根据权利要求8所述的离子导引装置，其特征在于，每个所述环形电极被制作在1块或多块电路板上。

10.根据权利要求8所述的离子导引装置，其特征在于，所述电路板包含至少1个缺口，所述缺口用于气体流通。

11.一种离子导引方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供平行放置的多个环形电极，每个所述环形电极包含至少4个彼此分离的电极单元，所述多个环形电极内部形成供离子传输的通道，所述多个环形电极的排列方向限定了离子传输的轴向方向；

在多个所述环形电极上施加射频电压，属于同一环形电极的相邻电极单元上施加的所述射频电压相位相异，在沿所述轴向方向相邻的电极单元上施加的所述射频电压相位相同，以在装置内形成沿所述轴向分布的射频多极场；

在多个所述环形电极上施加直流电压，所述直流电压具有幅值沿所述轴向方向变化的第一直流分量，以及幅值沿所述环形电极所在平面上的规定方向变化的第二直流分量；

离子在所述射频电压和所述直流电压的共同作用下，偏离所述轴向方向传输并聚焦于所述环形电极的内表面。

12.一种离子导引装置，其特征在于，包括

平行放置的多个环形电极，每个所述环形电极包含至少4个彼此分离的电极单元，所述多个环形电极内部形成供离子传输的通道，所述多个环形电极的排列方向限定了离子传输的轴向方向；

射频电压源，用于在多个所述环形电极上施加射频电压，属于同一环形电极的相邻电极单元上施加的所述射频电压相位相异，在沿所述轴向方向相邻的电极单元上施加的所述射频电压相位相同，从而在所述离子导引装置内形成束缚离子的射频多极场；

直流电压源，用于在多个所述环形电极上施加直流电压，所述直流电压具有幅值沿所述环形电极所在平面上的规定方向变化的第二直流分量，以使离子朝规定方向指向的电极单元偏转；

所述规定方向指向的电极单元和与其相邻的电极单元对应的圆心角均小于等于π/8。

13.根据权利要求12所述的离子导引装置，其特征在于，所述规定方向指向的电极单元和与其相邻的电极单元对应的圆心角均小于等于π/16。

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