CN115588603A - 一种离子阱、质谱仪、离子阱组装装置及组装方法 - Google Patents

Abstract

一种离子阱、质谱仪、离子阱组装装置及组装方法，属于离子阱及质谱分析领域，离子阱包括壳体，壳体内部同轴设有环形电极，环形电极的两端各设有一块端盖电极。端盖电极的端面具有圆锥孔，圆锥孔的锥顶处同轴开设有离子通道，端盖电极与环形电极之间设有环形垫圈，环形垫圈为绝缘材料制成，壳体的两端均设有用于压紧端盖电极的端盖，端盖通过多颗连接螺钉安装于壳体。质谱仪包括上述的离子阱。离子阱组装装置包括设于一对平行轨道中部的夹持机构以及滑动设于轨道上的两组拧紧组件，拧紧组件分别位于夹持机构的两侧。离子阱组装方法包括预装、定位夹持及拧紧。上述设计能有效提高离子阱圆环电极、端盖电极的组装位置精度及组装效率。

Description

一种离子阱、质谱仪、离子阱组装装置及组装方法

技术领域

本发明属于离子阱及质谱分析领域，尤其涉及一种离子阱、质谱仪、离子阱组装装置及组装方法。

背景技术

在质谱仪中常用的三维离子阱通常由三个双曲面电极构成，其一个是环形电极，另外两个为分别安装在环形电极两端的端盖电极。此种结构的离子阱在保证电极曲面的加工精度的同时，尤其还要保证组装位置精度，才能有效保证仪器的分析性能，其组装位置精度主要包括两项，其一是保证端盖电极的曲面与环形电极的曲面沿同一圆周各点的间距相同；其二是保证两块端盖电极中心处的离子通道沿同一直线设置。在目前的生产中主要通过提高离子阱安装壳内孔的加工精度，来保证两块端盖电极与圆环电极的同轴度；在组装工序中通常利用透光检测的方式确定两块端盖电极离子通道的相对位置精度，即在离子阱的一端照射光束，然后通过观察离子阱另一端射出光束的轮廓大小来判断两块端盖电极的离子通道是否处于同一直线；组装过程中以其中一块端盖电极为基准，首先使其与环形电极同轴，然后调节另一块端盖电极的位置，调节过程中如果观察到射出光束轮廓直径由小变大，之后又逐渐变小，当光束处于最大轮廓直径处，那么则认为两块端盖电极的离子通道处于同一直线，此种组装方式需要反复调节、观察，尤其考验操作者的经验及熟练程度，而且组装效率较低。

发明内容

为解决现有技术不足，本发明提供一种离子阱、质谱仪、离子阱组装装置及组装方法，能有效提高离子阱圆环电极、端盖电极的组装位置精度，并且可通过组装装置提高组装效率。

为了实现本发明的目的，拟采用以下方案：

一种离子阱，包括圆管结构的壳体，壳体内部同轴设有环形电极，环形电极的两端各设有一块端盖电极，端盖电极与环形电极的弧形面均朝向环形电极的中部。

端盖电极的端面具有圆锥孔，圆锥孔的锥顶处同轴开设有离子通道，端盖电极的外弧面与环形电极的内弧面之间均设有环形垫圈，环形垫圈的两端均为锥面结构，环形垫圈为绝缘材料制成，壳体的两端均设有端盖，端盖的中部开设有通孔，通孔的内径大于圆锥孔大端的直径，端盖通过沿圆周阵列设置的多颗连接螺钉安装于壳体的端面，端盖将端盖电极压紧于环形电极的端部。

一种质谱仪，包括上述的离子阱。

一种离子阱组装装置，用于组装上述的离子阱，组装装置包括：设于一对平行轨道中部的夹持机构以及滑动设于轨道上的两组拧紧组件，拧紧组件分别位于夹持机构的两侧；夹持机构用于夹持固定壳体；拧紧组件包括垂直于轨道的安装板，安装板的中部均垂直穿设有顶杆，顶杆的前端设有与圆锥孔配合的圆锥头，圆锥头均与壳体同轴，圆锥头的外径小于通孔的内径，圆锥头与安装板之间设有第一弹簧，安装板沿圆周设有与连接螺钉一一对应的拧紧头，用于拧紧连接螺钉，每根拧紧头均具有独立的驱动电机，组装时，两侧的拧紧组件同时向夹持机构移动，且圆锥头与圆锥孔的配合时间先于拧紧头与连接螺钉的配合时间。

进一步的，夹持机构包括架设于轨道上方的V型座，V型座上方设有压块，V型座利用顶面的V型槽放置壳体，压块沿竖直方向移动设置，用于向下压紧壳体，压紧时壳体与圆锥头同轴。

进一步的，V型座的两侧均设有定位块，定位块平行于壳体的端面，且两侧定位块之间的间距大于离子阱的整体长度，定位块分别对应离子阱两端的其中一颗连接螺钉开设有导向孔，该颗与导向孔对齐的连接螺钉及拧紧组件其中一根拧紧头均可从导向孔穿过。

进一步的，安装板的端面开设有沉孔，顶杆穿设于沉孔内，第一弹簧设于沉孔内，且套设于顶杆的外侧。

进一步的，拧紧头的截面为多边形，连接螺钉的头部具有相应的多边形沉孔，驱动电机的驱动轴端部同轴开设有与拧紧头截面相适应的多边形安装孔，拧紧头穿设于多边形安装孔内，且拧紧头后端与多边形安装孔的底部之间设有第二弹簧。

进一步的，还包括与轨道平行设置的驱动丝杆，驱动丝杆的两端分别通过螺纹配合的方式穿过两侧拧紧组件的安装板，并且驱动丝杆两端的螺纹旋向相反。

一种离子阱组装方法，利用上述的离子阱组装装置实现，包括步骤：

S1：预装，将环形电极装入壳体内，从壳体的两端依次装入环形垫圈及端盖电极，安装壳体两端的端盖，预拧紧连接螺钉；

S2：定位夹持，利用夹持机构将壳体夹紧；

S3：拧紧，两侧的拧紧组件同时向夹持机构移动，首先，圆锥头与对应侧端盖电极的圆锥孔配合，以使两块端盖电极的离子通道处于同一轴线；其次，拧紧头在旋转过程中与连接螺钉头部配合，开始对连接螺钉进行拧紧，拧紧的同时两侧的拧紧组件继续向夹持机构移动。

进一步的，在步骤S1中，壳体设置在夹持机构完成。

本发明的有益效果在于：

1、通过设置环形垫圈可保证端盖电极的曲面与环形电极的曲面沿同一圆周各点的间距相同。

2、利用两个圆锥头之间的同轴关系保证两块端盖电极之间的位置关系，从而使两块端盖电极的离子通道沿同一直线设置，避免人工反复调节，不仅能准确的控制离子通道之间的位置精度，而且组装效率更高。

附图说明

本文描述的附图只是为了说明所选实施例，而不是所有可能的实施方案，更不是意图限制本发明的范围。

图1示出了本申请离子阱的结构剖视图。

图2示出了环形电极、环形垫圈及端盖电极之间的位置关系图。

图3示出了本申请组装装置的整体结构示意图。

图4示出了图3中A处的局部放大图。

图5示出了本申请组装装置对离子阱定位及拧紧时的整体结构剖视图。

图6示出了图5中B处的局部放大图。

图7示出了图5中C处的局部放大图。

图中标记：壳体-11、环形电极-12、端盖电极-13、圆锥孔-131、离子通道-132、环形垫圈-14、端盖-15、通孔-151、连接螺钉-16、轨道-21、驱动丝杆-22、夹持机构-3、V型座-31、压块-32、定位块-33、导向孔-331、拧紧组件-4、安装板-41、沉孔-411、顶杆-42、圆锥头-421、第一弹簧-43、拧紧头-44、驱动电机-45、多边形安装孔-451、第二弹簧-452。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1、图2所示，一种离子阱，包括圆管结构的壳体11，壳体11内部同轴设有环形电极12，环形电极12的两端各设有一块端盖电极13，端盖电极13与环形电极12的弧形面均朝向环形电极12的中部。

具体的，如图1、图2所示，端盖电极13的端面具有圆锥孔131，圆锥孔131的锥顶处同轴开设有离子通道132，端盖电极13的外弧面与环形电极12的内弧面之间均设有环形垫圈14，环形垫圈14的两端均为锥面结构，环形垫圈14为绝缘材料制成，其朝向环形电极12的一端为外锥面结构，环形垫圈14的另一端为内锥面结构，利用环形垫圈14可保证端盖电极13的曲面与环形电极12的曲面沿同一圆周各点的间距相同。

具体的，如图1所示，壳体11的两端均设有端盖15，端盖15的中部开设有通孔151，通孔151的内径大于圆锥孔131大端的直径，端盖15通过沿圆周阵列设置的多颗连接螺钉16安装于壳体11的端面，端盖15将端盖电极13压紧于环形电极12的端部，以避免端盖电极13的位置发生移动。

实施例2

一种质谱仪，包括实施例1公开的离子阱，从离子发生器发射出的离子经通孔151从其中一块端盖电极13的离子通道132进入离子阱内部，并穿过环形电极12，然后从另一块端盖电极13的离子通道132射出。

实施例3

如图3所示，一种离子阱组装装置，用于组装实施例1中的离子阱。

具体的，如图3、图5所示，组装装置包括：设于一对平行轨道21中部的夹持机构3以及滑动设于轨道21上的两组拧紧组件4，拧紧组件4分别位于夹持机构3的两侧。

夹持机构3用于夹持固定壳体11，以便于在预组装后最终拧紧时对壳体11进行固定。

拧紧组件4包括垂直于轨道21的安装板41，安装板41的中部均垂直穿设有顶杆42，顶杆42的前端设有与圆锥孔131配合的圆锥头421，圆锥头421均与壳体11同轴，圆锥头421的外径小于通孔151的内径，圆锥头421与安装板41之间设有第一弹簧43，安装板41沿圆周设有与连接螺钉16一一对应的拧紧头44，用于拧紧连接螺钉16，每根拧紧头44均具有独立的驱动电机45。

更具体的，如图3、图5所示，还包括与轨道21平行设置的驱动丝杆22，驱动丝杆22的两端分别通过螺纹配合的方式穿过两侧拧紧组件4的安装板41，并且驱动丝杆22两端的螺纹旋向相反，因此当驱动丝杆22旋转时便可同时带动两侧的安装板41向夹持机构3移动，以便于从离子阱的两端同时对两块端盖电极13进行定位，或者使安装板41同时远离夹持机构3，驱动丝杆22采用电机驱动，可通过上位机通过控制电机的旋转圈数，从而通过驱动丝杆22精确控制安装板41的移动距离。

组装时，两侧的拧紧组件4同时向夹持机构3移动，且圆锥头421与圆锥孔131的配合时间先于拧紧头44与连接螺钉16的配合时间，利用两组拧紧组件4的圆锥头421同时对两块端盖电极13定位，利用两个圆锥头421之间的同轴关系保证两块端盖电极13之间的位置关系，从而使两块端盖电极13的离子通道132沿同一直线设置，避免人工反复调节，不仅能准确的控制离子通道132之间的位置精度，而且组装效率更高，圆锥头421在对端盖电极13进行定位的过程中，利用第一弹簧43提供的弹力使端盖电极13随时保持压紧在环形电极12端部的状态，之后再利用拧紧头44对连接螺钉16进行拧紧，从而使端盖15将端盖电极13压紧，以完成装配，连接螺钉16在拧紧的过程中圆锥头421也时刻保持对端盖电极13的压紧状态，有效避免了在拧紧连接螺钉16的过程中端盖电极13的位置发生移动，从而提高离子阱组装之后端盖电极13的位置精度，拧紧头44采用六棱柱杆，连接螺钉16为内六角螺钉结构。

优选的，如图3所示，夹持机构3包括架设于轨道21上方的V型座31，V型座31上方设有压块32，V型座31利用顶面的V型槽放置壳体11，压块32沿竖直方向移动设置，用于向下压紧壳体11，压紧时壳体11与圆锥头421同轴，压板32设于一个呈竖直设置的气缸的伸缩杆上。

优选的，如图4、图6所示，V型座31的两侧均设有定位块33，定位块33平行于壳体11的端面，且两侧定位块33之间的间距大于离子阱的整体长度，定位块33分别对应离子阱两端的其中一颗连接螺钉16开设有导向孔331，该颗与导向孔331对齐的连接螺钉16及拧紧组件4其中的一根拧紧头44均可从导向孔331穿过。在组装离子阱时利用导向孔331通过一颗连接螺钉16确定壳体11的圆周位置，同时利用其中一根拧紧头44与导向孔331之间的位置关系，确保其他拧紧头44与其余的连接螺钉16一一对应，并且在拧紧过程中利用导向孔331限位，防止在拧紧扭力的作用下导致端盖15或壳体11移动，虽然壳体11有压块32及V型座31的夹持，但是为了防止壳体11被挤压变形，其压紧力仅能控制在有限范围内，此种情况下便使壳体11存在了转动的可能，而设置导向孔331在导向定位的同时，正好限制了拧紧头44的位移，从而消除了壳体11转动的可能性，提高了在拧紧过程中壳体11的稳定性。

优选的，如图6所示，安装板41的端面开设有沉孔411，顶杆42穿设于沉孔411内，第一弹簧43设于沉孔411内，且套设于顶杆42的外侧，利用沉孔411容纳第一弹簧43，以使圆锥头421具有更大的移动范围。

优选的，拧紧头44的截面为多边形，如图7所示，连接螺钉16的头部具有相应的多边形沉孔，驱动电机45的驱动轴端部同轴开设有与拧紧头44截面相适应的多边形安装孔451，拧紧头44穿设于多边形安装孔451内，且拧紧头44后端与多边形安装孔451的底部之间设有第二弹簧452，以使拧紧头44相对于安装板41具有伸缩结构，以适应连接螺钉16的位置，因为预组装时不可能保证所有连接螺钉16拧紧同样的圈数，以及所有连接螺钉16的头部均处于同一平面内，使拧紧头44具有伸缩结构，可避免出现部分拧紧头44已经与对应的连接螺钉16配合，而还有部分拧紧头44未与对应的连接螺钉16接触的情况，同时还可减少拧紧头44对连接离子阱造成较大的硬冲击。

实施例4

一种离子阱组装方法，利用实施例3中公开的离子阱组装装置实现，包括步骤：

S1：预装，将环形电极12装入壳体11内，从壳体11的两端依次装入环形垫圈14及端盖电极13，安装壳体11两端的端盖15，预拧紧连接螺钉16；

S2：定位夹持，利用夹持机构3将壳体11夹紧；

S3：拧紧，两侧的拧紧组件4同时向夹持机构3移动，首先，圆锥头421与对应侧端盖电极13的圆锥孔131配合，以使两块端盖电极13的离子通道132处于同一轴线；其次，拧紧头44在旋转过程中与连接螺钉16头部配合，开始对连接螺钉进行拧紧，拧紧的同时两侧的拧紧组件4继续向夹持机构3移动，以增加圆锥头421对端盖电极13的压力，防止端盖电极13移位，并且使拧紧头44继续移动，以覆盖连接螺钉16的移动范围。

优选的，在步骤S1中，壳体11设置在夹持机构3上完成预装，避免再设置其余的夹持工装。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不表示是唯一的或是限制本发明。本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围情况下，对本发明进行的各种改变或同等替换，均属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种离子阱，包括圆管结构的壳体（11），壳体（11）内部同轴设有环形电极（12），环形电极（12）的两端各设有一块端盖电极（13），端盖电极（13）与环形电极（12）的弧形面均朝向环形电极（12）的中部，其特征在于，端盖电极（13）的端面具有圆锥孔（131），圆锥孔（131）的锥顶处同轴开设有离子通道（132），端盖电极（13）的外弧面与环形电极（12）的内弧面之间均设有环形垫圈（14），环形垫圈（14）的两端均为锥面结构，环形垫圈（14）为绝缘材料制成，壳体（11）的两端均设有端盖（15），端盖（15）的中部开设有通孔（151），通孔（151）的内径大于圆锥孔（131）大端的直径，端盖（15）通过沿圆周阵列设置的多颗连接螺钉（16）安装于壳体（11）的端面，端盖（15）将端盖电极（13）压紧于环形电极（12）的端部。

2.一种质谱仪，其特征在于，包括权利要求1所述的离子阱。

3.一种离子阱组装装置，其特征在于，用于组装权利要求1所述的离子阱，组装装置包括：设于一对平行轨道（21）中部的夹持机构（3）以及滑动设于轨道（21）上的两组拧紧组件（4），拧紧组件（4）分别位于夹持机构（3）的两侧；

夹持机构（3）用于夹持固定壳体（11）；

拧紧组件（4）包括垂直于轨道（21）的安装板（41），安装板（41）的中部均垂直穿设有顶杆（42），顶杆（42）的前端设有与圆锥孔（131）配合的圆锥头（421），圆锥头（421）均与壳体（11）同轴，圆锥头（421）的外径小于通孔（151）的内径，圆锥头（421）与安装板（41）之间设有第一弹簧（43），安装板（41）沿圆周设有与连接螺钉（16）一一对应的拧紧头（44），用于拧紧连接螺钉（16），每根拧紧头（44）均具有独立的驱动电机（45），组装时，两侧的拧紧组件（4）同时向夹持机构（3）移动，且圆锥头（421）与圆锥孔（131）的配合时间先于拧紧头（44）与连接螺钉（16）的配合时间。

4.根据权利要求3所述的一种离子阱组装装置，其特征在于，夹持机构（3）包括架设于轨道（21）上方的V型座（31），V型座（31）上方设有压块（32），V型座（31）利用顶面的V型槽放置壳体（11），压块（32）沿竖直方向移动设置，用于向下压紧壳体（11），压紧时壳体（11）与圆锥头（421）同轴。

5.根据权利要求4所述的一种离子阱组装装置，其特征在于，V型座（31）的两侧均设有定位块（33），定位块（33）平行于壳体（11）的端面，且两侧定位块（33）之间的间距大于离子阱的整体长度，定位块（33）分别对应离子阱两端的其中一颗连接螺钉（16）开设有导向孔（331），该颗连接螺钉（16）及拧紧组件（4）其中一根拧紧头（44）均可从导向孔（331）穿过。

6.根据权利要求3所述的一种离子阱组装装置，其特征在于，安装板（41）的端面开设有沉孔（411），顶杆（42）穿设于沉孔（411）内，第一弹簧（43）设于沉孔（411）内，且套设于顶杆（42）的外侧。

7.根据权利要求3所述的一种离子阱组装装置，其特征在于，拧紧头（44）的截面为多边形，连接螺钉（16）的头部具有相应的多边形沉孔，驱动电机（45）的驱动轴端部同轴开设有与拧紧头（44）截面相适应的多边形安装孔（451），拧紧头（44）穿设于多边形安装孔（451）内，且拧紧头（44）后端与多边形安装孔（451）的底部之间设有第二弹簧（452）。

8.根据权利要求3所述的一种离子阱组装装置，其特征在于，还包括与轨道（21）平行设置的驱动丝杆（22），驱动丝杆（22）的两端分别通过螺纹配合的方式穿过两侧拧紧组件（4）的安装板（41），并且驱动丝杆（22）两端的螺纹旋向相反。

9.一种离子阱组装方法，利用权利要求3-8中任一项所述的离子阱组装装置实现，包括步骤：

S1：预装，将环形电极（12）装入壳体（11）内，从壳体（11）的两端依次装入环形垫圈（14）及端盖电极（13），安装壳体（11）两端的端盖（15），预拧紧连接螺钉（16）；

S2：定位夹持，利用夹持机构（3）将壳体（11）夹紧；

S3：拧紧，两侧的拧紧组件（4）同时向夹持机构（3）移动，首先，圆锥头（421）与对应侧端盖电极（13）的圆锥孔（131）配合，以使两块端盖电极（13）的离子通道（132）处于同一轴线；其次，拧紧头（44）在旋转过程中与连接螺钉（16）头部配合，开始对连接螺钉进行拧紧，拧紧的同时两侧的拧紧组件（4）继续向夹持机构（3）移动。

10.根据权利要求9所述的一种离子阱组装方法，其特征在于，在步骤S1中，壳体（11）设置在夹持机构（3）上完成预装。

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