CN114388339B - 一种静电离子阱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静电离子阱，静电离子阱存在一个中心轴和垂直于中心轴的中央对称面，静电离子阱包括内电极组和一对外电极组，每组外电极组包括若干个电极片，所述内电极组和外电极组上分别施加有电压以形成电位差，使所述内电极组和外电极组之间形成用于囚禁离子的空间。本发明采用电极片组成的外电极组与内电极组合成的静电离子阱，无需加工高精度异形旋转曲面的外电极，解决现有技术中外电极加工难的问题，通过在内电极组和外电极组上施加电压，使得内电极组和外电极组之间的空间形成用于捕获离子的电场，离子在电场内绕内电极旋转的同时在中心轴方向来回振动，且电极片形状决定空间的电场，使离子在轴向振动的周期对离子的动能满足等时性聚焦。

Description

一种静电离子阱

技术领域

本发明涉及离子阱技术领域，具体而言，涉及一种静电离子阱。

背景技术

Orbitrap轨道离子阱是在kingdon离子阱的基础上发展起来的，Orbitrap轨道离子阱包括一个纺锤型的中心电极和一对与中心电极同轴设置的外电极，中心电极置于外电极内，离子通过外电极上的入孔沿切向射入中心电极与外电极之间的空间，通过调节中心电极的电位，给离子足够的向心力，就能将离子束缚在一个运动轨道上。离子的运动轨道包括围绕中心电极的旋转运动和沿中心轴方向的往复振动；离子的往复运动可以在外电极上形成周期性的镜像电荷，外电极拾取的镜像电荷经过电荷放大器放大成为电荷信号输出。对电荷信号做傅里叶变换形成频谱，由于频率频谱即可转换为阱内的离子质谱。采用较长时间的镜像电荷信号采集(约等于1s)，就可以获得很高的频谱分辨率，但是这就要求离子阱处于很高的真空度中，避免离子在运动中和残余气体分子碰撞；还要求中心电极和外电极必须具有极高的加工精度，以及保证中心电极和外电极的电压的稳定，才能保证离子阱内的电场分布精准稳定地满足高度时间聚焦的条件，从而使得离子在运动了很长时间后在轴向保持集群一致(coherent)，不至于发散，保证镜像电荷的电荷信号可以持续整个测量时间而不会逐步消失。

为了实现几十万的分辨率，要保证离子在阱中往复运动几十万次都不会发散，电极加工精度要达到亚微米水平，这对于一个异形曲面，即使用最先进的数控机床加工也是非常困难的，成品率很低。并且一个轨道离子阱的外电极在完成加工以后是否合格也很难用常规的三坐标测量仪或光学测量仪进行鉴定，通常需要将内外电极和两端的支撑组装成离子阱后通过测试离子阱的工作性能来决定加工质量的好坏。如果质量达不到要求就只能按废弃处理，造成极大的浪费。而且目前的整体电极结构使离子囚禁空间比较封闭，不利于对内部抽气和实现超高真空。

发明(发明)内容

本发明解决的问题是如何在保证离子阱精度要求的前提下便于生产组装、提高离子阱的成品率，同时利于对离子阱内部抽气实现超高真空。

为解决上述问题，本发明提供一种静电离子阱，静电离子阱存在一个中心轴和垂直于中心轴的中央对称面，静电离子阱包括内电极组和一对沿中心轴设置在中央对称面两侧的外电极组，每组外电极组包括若干个电极片，所述电极片以中心轴为轴心周向分布在内电极组的外周，同一外电极组内至少两个电极片电连接，当在所述内电极组和外电极组上分别施加有电压时内电极组和外电极组之间形成电位差，使所述内电极组和外电极组之间形成用于囚禁离子的空间，所述内电极组包括一个或两个中心电极，所述中心电极以中心轴为轴心设置或两个所述中心电极以中心轴为对称轴中心对称设置。

本发明的有益效果是：本发明采用电极片组成的外电极组与内电极组合成的静电离子阱，无需加工高精度异形旋转曲面的外电极，解决现有技术中外电极加工难的问题，通过在内电极组和外电极组上施加电压，使得内电极组和外电极组之间的空间形成用于捕获离子的电场，离子在阱内绕内电极旋转的同时在中心轴方向来回振动，且电极片形状决定空间的电场，使离子在轴向振动的周期对离子的动能满足等时性聚焦，本发明结构通透，便于阱内实现超高真空。

作为优选，两个所述外电极组对称设置在中央对称面的两侧。

作为优选，每组所述外电极组中的电极片均匀周向设置在内电极组的外周，其中一个外电极组中的电极片与另一个外电极组中的电极片周向交错设置，保证离子阱内电场的完整性。

作为优选，所述内电极组的两端分别通过螺纹紧固件固定连接有绝缘端盖，所述内电极组的外周对应中央对称面处设有绝缘中央环套，所述电极片卡接在绝缘端盖与绝缘中央环套之间；所述电极片的外侧对应绝缘中央环套的一端一体成型有卡接部，所述电极片通过卡接部与绝缘中央环套相抵并卡接，所述绝缘端盖上一体成型有定位台阶，所述绝缘端盖的内侧盖面上周向布设有径向延伸的定位槽，所述电极片对应绝缘端盖的一端一体凸设有定位部，所述绝缘端盖通过定位台阶与电极片的内侧相抵以在径向和轴向上定位电极片，所述绝缘端盖通过定位槽与电极片的定位部卡接以周向定位电极片。

作为优选，每组所述外电极组中的电极片包括第一外电极单元组和第二外电极单元组，当在所述第一外电极单元组和第二外电极单元组上分别施加电压时，第一外电极单元组和第二外电极单元组之间形成调节电位差，所述第一外电极单元组的电极片与第二外电极单元组的电极片交错分布，通过调节第一外电极单元组和第二外电极单元组之间的调节电位差来调节离子阱内轴向高阶场场形分布，从而纠正离子阱制造过程中产生的误差，还可以用于克服空间电荷对离子阱内电场的影响，实现实时调节修正，进一步扩大离子阱的分析动态范围。

作为优选，所述第一外电极单元组中的电极片对着内电极组的一侧为第一弧形结构，所述电极片的第一弧形结构包括第一弧形段和第二弧形段，所述第二外电极单元组中的电极片对着内电极组的一侧为第二弧形结构，所述电极片的第二弧形结构包括第一弧形段、第三弧形段，所述第三弧形段到中心轴的距离小于第二弧形段到中心轴的距离，用于辅助微调场形分布；所述绝缘端盖通过定位台阶与电极片的内侧相抵，进而实现电极片的均匀组装。

作为优选，所述外电极组中处于离子进入空间路径上的电极片上开有便于离子进入的引入槽口。

作为优选，所述电极片为0.5mm-2mm厚度的硬质金属板采用电火花切割工艺制成。

附图说明

图1为本发明具体实施例1的结构示意图；

图2为本发明具体实施例1中绝缘端盖的结构示意图；

图3为本发明具体实施例1中绝缘端盖的截面示意图；

图4为本发明具体实施例1中离子进入阱内空间的入射路径图；

图5为本发明具体实施例1中处于入射路径中的电极片结构示意图；

图6为本发明具体实施例2中第一外电极单元组与第二外电极单元组的电极片分布示意图；

图7A为本发明具体实施例2中第一外电极单元组的电极片与第二外电极单元组的电极片的对比示意图；

图7B为本发明具体实施例3中第一外电极单元组的电极片与第二外电极单元组的电极片的对比示意图；

图8为本发明具体实施例4的结构示意图；

图9为本发明具体实施例5的结构示意图；

图10为本发明具体实施例5的中心电极以及电极片的分布示意图。

附图标记说明：

1、内电极组；1.1、中心电极；2、外电极组；2.1、电极片；2.1A、第一外电极单元组；2.1B、第二外电极单元组；2.1.1、第一弧形段；2.1.2、第二弧形段；2.1.3、卡接部；2.1.4、定位部；2.1.5、第三弧形段；2.1.6、第一补偿块；2.1.7、第三直线段；2.1.8、第一直线段；2.1.9、第二直线段；3、空间；4、绝缘端盖；4.1、定位台阶；4.2、定位槽；5、绝缘中央环套；6、引入槽口。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

具体实施例1

如图1所示，一种静电离子阱，静电离子阱存在一个中心轴和垂直于中心轴的中央对称面，本具体实施例的中心轴为静电离子阱的中心轴线，因此，中央对称面也随着中心轴线的定义而确定位置，静电离子阱包括内电极组1和一对沿中心轴设置在中央对称面两侧的外电极组2，本具体实施例的内电极组1包括一个中心电极1.1，所述中心电极1.1以中心轴为轴心设置，每组外电极组2包括若干个电极片2.1，所述电极片2.1以中心轴为轴心周向均匀分布在内电极组1的外周，所述外电极组2与外电极组2对称设置在中央对称面的两侧，本具体实施例中，每组外电极组2的电极片2.1之间电连接，当在所述内电极组1和外电极组2上分别施加有电压时，内电极组1和外电极组2之间形成电位差，使所述内电极组1和外电极组2之间形成用于囚禁离子的空间3，离子在空间3内电场的约束下绕中心电极1.1旋转的同时沿中心轴方向来回振动，电极片2.1的形状决定了空间3内的电场，使离子沿中心轴方向的运动分量近似为简谐运动，即在中心轴方向振动的周期对离子的动能满足等时性聚焦条件。

所述内电极组1的两端分别通过螺纹紧固件固定连接有绝缘端盖4，本具体实施例的螺纹紧固件为螺栓，所述外电极组内电极组1的外周对应中央对称面处设有绝缘中央环套5，所述电极片2.1卡接在绝缘端盖4与绝缘中央环套5之间；具体来说，所述电极片2.1的外侧对应绝缘中央环套5的一端一体成型有卡接部2.1.3，所述电极片2.1通过卡接部2.1.3与绝缘中央环套5相抵并卡接，所述绝缘端盖4上一体成型有定位台阶4.1，所述绝缘端盖4的内侧盖面上周向布设有径向延伸的定位槽4.2，所述定位槽4.2与电极片2.1一一对应，如图2-3所示，所述定位槽4.2对应定位台阶4.2的一端并未延伸至定位台阶4.2，并且，为了便于电极片2.1的组装，也为了便于用磨床的砂轮片加工，所述电极片2.1对应绝缘端盖4的一端一体凸设有定位部2.1.4，所述绝缘端盖4通过定位台阶4.1与电极片2.1的内侧相抵以在径向和轴向上定位电极片2.1，所述绝缘端盖4通过定位槽4.2与电极片2.1的定位部2.1.4卡接以周向定位电极片2.1。

同时，为了便于离子进入离子阱内的空间，需要设计离子进入离子阱内的入射路径，如图4所示，本具体实施例中，离子沿一个偏轴偏心的方向入射进入空间3，为此，外电极组2中至少有1个电极片2.1处于设计的入射路径上，处于入射路径上的电极片2.1开有便于离子进入的引入槽口6，如图5所示，离子沿入射路径从引入槽口6进入空间3。

所述电极片2.1为0.5mm-2mm厚度的硬质金属板采用电火花切割工艺制成或光刻工艺制成，在电火花切割过程中，将若干片硬质金属板叠合在一起，按照外电极母线方程批量切割，成本低；本具体实施例的硬质金属板为以下其中之一：316不锈钢、磨具不锈钢inkonel、钼；

具体实施例2

虽然电极片2.1通过外电极母线方程进行电火花切割，但是也无法保证每个电极片2.1满足1um的准确度，另外，静电离子阱在组装过程中也可能引入进一步的误差，例如材料的蠕变、应力释放，形状也会有变化，致使离子运动的等时性不能保证；为此，本具体实施例与具体实施例1的区别在于：

如图6所示，每组所述外电极组2的电极片2.1包括第一外电极单元组2.1A和第二外电极单元组2.1B，在所述第一外电极单元组2.1A和第二外电极单元组2.1B上分别施加电压时，第一外电极单元组2.1A和第二外电极单元组2.1B之间形成调节电位差，所述第一外电极单元组2.1A的电极片2.1与第二外电极单元组2.1B的电极片2.1交错分布；通过调节第一外电极单元组2.1A和第二外电极单元组2.1B之间的调节电位差来微调场形分布，调节轴向的高阶场的分量，使离子更好的满足等时性聚焦条件，从而纠正离子阱制造过程中产生的误差；

为了便于解释，本具体实施例将第一外电极单元组2.1A和第二外电极单元组2.1B中的电极片叠加比较得到图7A，所述第一外电极单元组2.1A中的电极片2.1对着内电极组1的一侧为第一弧形结构，所述电极片2.1的第一弧形结构包括第一弧形段2.1.1、第二弧形段2.1.2，所述第二外电极单元组2.1B中的电极片2.1对着内电极组1的一侧为第二弧形结构，所述电极片2.1的第二弧形结构包括第一弧形段2.1.1、第三弧形段2.1.5，所述第三弧形段2.1.5到中心轴的距离小于第二弧形段2.1.2到中心轴的距离，用于辅助微调场形分布；同时，为了提高组装的离子阱的美观度，第一外电极组2中的电极片2.1和第二外电极组2中的电极片2.1宽度相同，第一外电极组2对着内电极组1的一侧还包括与第二弧形段2.1.2对接的第一直线段2.1.8，第二外电极组2对着内电极组1的一侧还包括与第三弧形段2.1.5对接的第二直线段2.1.9，因为第三弧形段2.1.5到中心轴的距离小于第二弧形段2.1.2到中心轴的距离，第二直线段2.1.9的长度大于第一直线段2.1.8的长度，所述绝缘端盖4通过定位台阶4.1分别与电极片2.1的第一直线段2.1.8或第二直线段2.1.9相抵以达到径向定位电极片2.1的效果；本具体实施例中，因为第一外电极单元组2.1A的电极片2.1和第二外单机单元组的电极片2.1之间的电压差异，通过四极对数场加入项正高或负高阶场，在静电离子阱工作时通过调节第二外电极单元组2.1B和第一外电极单元组2.1A中电极片2.1的电压来微调场形分布，纠正离子阱制造过程中产生的误差；

例如，在实际操作中，分析正离子时，当发现实际离子阱的轴向发射过软，则将第二外电极单元组2.1B的电极片2.1的电压由0V调高到正值，此时，空间3内的场形更佳突出了正高阶场，纠正了反射过软的问题；

反之，当发现实际离子阱的轴线反射过硬，则将第二外电极单元组2.1B的电极片2.1的电压由0V调底到负值，此时，空间3内的场形更佳突出了负高阶场，纠正了反射过硬的问题；

另外，本实施例还用于克服空间3内电荷对离子阱内电场的影响，例如在宽质量范围高密度离子注入时，空间3内电荷会造成一定的负高阶场，这时就可以通过调节部分第二外电极单元组2.1B的电极片2.1的电压来进行场形修正；实现实时调节修正，进一步扩大轨道离子阱的分析动态范围。

具体实施例3

本具体实施例与具体实施例2的区别在于:本具体实施例将第一外电极单元组2.1A和第二外电极单元组2.1B中的电极片叠加比较另外得到图7B，第一外电极组2中的电极片2.1和第二外电极组2中的电极片2.1宽度相同，所述第一外电极组2对着内电极组1的一侧还包括与第二弧形段2.1.2一体对接的第一补偿块2.1.6，所述第二外电极组2对着内电极组1的一侧还包括与第三弧形段2.1.5一体对接的第三直线段2.1.7，所述第一补偿块2.1.6的边长与第三直线段2.1.7的长度相等。

具体实施例4

如图8所示，本具体实施例与具体实施例1-3的区别在于：由于静电离子阱采用两个外电极组2来检测镜像电荷信号，这也就要求了两个外电极组2之间的电容偏小，但保证离子阱内电场的完整性，每个所述外电极组2之间的间隔小，每组所述外电极组2中的电极片2.1均匀周向设置在内电极组1的外周，其中一个外电极组2中的电极片2.1与另一个外电极组2中的电极片2.1周向交错设置，本具体实施例的后向交错角度为7.5度。

具体实施例5

如图9-10所示，本具体实施例与具体实施例1-4的区别在于，所述内电极组1包括两个中心电极1.1，两个所述中心电极1.1以中心轴为对称轴旋转180度对称设置，所述外电极组2上若干电极片2.1的外端部以中心轴为圆心周向分布在内电极组1外周，且每组外电极组2中的若干电极片2.1内端部组成椭圆波导曲线，本具体实施例的椭圆波导曲线为以此形成一种接近于cassinian离子阱的电场结构。

内电极组1和外电极组2上施加电压工作时，离子在外电极组2与两个中心电极1.1之间做振荡或旋转运动，同时在中心轴方向来回振动，电场分布能使离子轴向振动的周期对不同离子的动能满足等时性聚焦。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种静电离子阱，其特征在于，静电离子阱存在一个中心轴和垂直于中心轴的中央对称面，静电离子阱包括内电极组(1)和一对沿中心轴设置在中央对称面两侧的外电极组(2)，每组外电极组(2)包括若干个电极片(2.1)，所述电极片(2.1)以中心轴为轴心周向分布在内电极组(1)的外周，同一外电极组(2)内至少两个电极片(2.1)电连接，当在所述内电极组(1)和外电极组(2)上分别施加有电压时形成电位差，使所述内电极组(1)和外电极组(2)之间形成用于囚禁离子的空间(3)，所述内电极组(1)包括一个或两个中心电极(1.1)，所述中心电极(1.1)以中心轴为轴心设置或两个所述中心电极(1.1)以中心轴为对称轴中心对称设置。

2.根据权利要求1所述的一种静电离子阱，其特征在于，两组所述外电极组(2)对称设置在中央对称面的两侧。

3.根据权利要求1所述的一种静电离子阱，其特征在于，每组所述外电极组(2)中的电极片(2.1)均匀周向设置在内电极组(1)的外周，其中一个外电极组(2)的电极片(2.1)与另一个外电极组(2)的电极片(2.1)周向交错设置。

4.根据权利要求1所述的一种静电离子阱，其特征在于，所述内电极组(1)的两端分别通过螺纹紧固件固定连接有绝缘端盖(4)，所述外电极组(2)的外周对应中央对称面处设有绝缘中央环套(5)，所述电极片(2.1)卡接在绝缘端盖(4)与绝缘中央环套(5)之间；所述电极片(2.1)的外侧对应绝缘中央环套(5)的一端一体成型有卡接部(2.1.3)，所述电极片(2.1)通过卡接部(2.1.3)与绝缘中央环套(5)相抵并卡接，所述绝缘端盖(4)上一体成型有定位台阶(4.1)，所述绝缘端盖(4)的内侧盖面上周向布设有径向延伸的定位槽(4.2)，所述电极片(2.1)对应绝缘端盖(4)的一端一体凸设有定位部(2.1.4)，所述绝缘端盖(4)通过定位台阶(4.1)与电极片(2.1)的内侧相抵以在径向和轴向上定位电极片(2.1)，所述绝缘端盖(4)通过定位槽(4.2)与电极片(2.1)的定位部(2.1.4)卡接以周向定位电极片(2.1)。

5.根据权利要求1所述的一种静电离子阱，其特征在于，每组所述外电极组(2)中的电极片(2.1)均包括第一外电极单元组(2.1A)和第二外电极单元组(2.1B)，当在所述第一外电极单元组(2.1A)和第二外电极单元组(2.1B)上分别施加电压时第一外电极单元组(2.1A)和第二外电极单元组(2.1B)之间形成调节电位差，所述第一外电极单元组(2.1A)的电极片与第二外电极单元组(2.1B)的电极片交错分布。

6.根据权利要求5所述的一种静电离子阱，其特征在于，所述第一外电极单元组(2.1A)的电极片(2.1)对着内电极组(1)的一侧为第一弧形结构，所述电极片(2.1)的第一弧形结构包括第一弧形段(2.1.1)、第二弧形段(2.1.2)，所述第二外电极单元组(2.1B)的电极片(2.1)对着内电极组(1)的一侧为第二弧形结构，所述电极片(2.1)的第二弧形结构包括第一弧形段(2.1.1)、第三弧形段(2.1.5)，所述第三弧形段(2.1.5)到中心轴的距离小于第二弧形段(2.1.2)到中心轴的距离。

7.根据权利要求1所述的一种静电离子阱，其特征在于，所述外电极组(2)中处于离子进入空间(3)路径上的电极片(2.1)上开有便于离子进入的引入槽口(6)。

8.根据权利要求1所述的一种静电离子阱，其特征在于，所述电极片(2.1)为0.5mm-2mm厚度的硬质金属板采用电火花切割工艺制成。