CN116053111A - 基于ecr离子源的质谱检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于ECR离子源的质谱检测装置和方法，所述基于ECR离子源的质谱检测装置包括ECR离子源、多极杆质量分析器、检测器和电源；还包括第一离子聚焦透镜和离子减速透镜，所述第一离子聚焦透镜设置在所述ECR离子源和多极杆质量分析器之间的离子传输路径上；所述离子减速透镜设置在所述离子传输路径上，且处于所述第一离子聚焦透镜和多极杆质量分析器之间；所述电源为所述第一离子聚焦透镜和离子减速透镜施加电压。本发明具有灵敏度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及质谱分析，特别涉及基于ECR离子源的质谱检测装置和方法。
背景技术
随着核技术的发展应用，核站对仪器同位素精度以及灵敏度的日益增长的需求，原有的质谱仪器设备面临挑战。比如ICP-MS，ICP离子源电离样品后离子束流的强度大约在uA量级，再经过离子传输过程中的衰减，到达四极杆时离子流强度约在pA量级，同时引入背景干扰大，因此灵敏度普遍不高，无法精确定量样品中的痕量元素；比如AMS不能够测定气体样品，尤其惰性气体，同时仪器太大、结构复杂、操作难等；比如磁质谱，虽然分辨率高些，但是制作难度大，成本高。因此可以将磁质谱中的离子源ECR源与普通四极杆质谱仪的分析器部分串联组成系统，这样不仅可以发挥ECR离子源引出束流很强(mA量级)，多电荷态无分子本底干扰的优势，同时也可以发挥四极杆质谱高分辨测量，高同位素精度比的优势，这样可以在灵敏度上提高2-3个数量级，并且进一步提高测试的精度。
ECR离子源由于其区别于ICP的工作原理，会产生高束流强度的离子束，在经由后端引出电极的高压引出得到高能量的离子束，这些离子束的流强往往在mA量级，同时动能也达到上千eV甚至几十几百eV。而对于四极杆质谱仪来说，要想能够成功分析目标离子，实现单位分辨，进入四极杆的离子束动能大约在10eV左右并且束斑大小要呈现圆形，这样才能保证离子能够延续此能量到达后续第二级四极杆以及检测器。因此如何将高能量的离子束进行减速并耦合到四极杆中实现筛选是十分重要的。
发明内容
为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种基于ECR离子源的质谱检测装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
基于ECR离子源的质谱检测装置，所述基于ECR离子源的质谱检测装置包括ECR离子源、多极杆质量分析器、检测器和电源；所述基于ECR离子源的质谱检测装置还包括：
第一离子聚焦透镜，所述第一离子聚焦透镜设置在所述ECR离子源和多极杆质量分析器之间的离子传输路径上；
离子减速透镜，所述离子减速透镜设置在所述离子传输路径上，且处于所述第一离子聚焦透镜和多极杆质量分析器之间；所述电源为所述第一离子聚焦透镜和离子减速透镜施加电压。
本发明还提供了基于ECR离子源的质谱检测方法，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
基于ECR离子源的质谱检测方法，所述基于ECR离子源的质谱检测方法为：
提供本发明基于ECR离子源的质谱检测装置；
从所述ECR离子源出射的离子依次穿过所述第一离子聚焦透镜、减速透镜和多极杆质量分析器，进入所述检测器。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1.灵敏度高；
通过设置减速透镜，使得离子束能够从几千电子伏特迅速减少至10eV左右，并保持离子束的截面形状仍为圆形，离子束在内部可以进行一次或者二次聚焦减少光斑半径；
通过设置聚焦透镜，对发散的离子束进一步聚焦束型，降低了离子束的发散，并且减少了空间电荷效应的影响，提高了离子传输的效率，从而提高了灵敏度；
2.安全性好；
调节引出电极的电势采用负高压引出的方式，保证离子减速后到达四极杆时，四极杆整体电势在地电势附近，确保了后端仪器的安全性，整体电路设计更加简单。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是根据本发明实施例的基于ECR离子源的质谱检测装置的结构示意图。
具体实施方式
图1和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了解释本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1：
图1给出了本发明实施例的基于ECR离子源的质谱检测装置的结构示意图，如图1所示，所述基于ECR离子源的质谱检测装置包括：
ECR离子源、多极杆质量分析器30、检测器和电源；这些器件均是本领域的现有技术；
第一离子聚焦透镜10，所述第一离子聚焦透镜10设置在所述ECR离子源和多极杆质量分析器30之间的离子传输路径上；
离子减速透镜20，所述离子减速透镜20设置在所述离子传输路径上，且处于所述第一离子聚焦透镜10和多极杆质量分析器30之间；所述电源为所述第一离子聚焦透镜10和离子减速透镜20施加电压。
为了更好地聚焦离子，进一步地，所述第一离子聚焦透镜10包括多个依次设置的筒状电极11。
为了降低离子的动能，进一步地，所述减速透镜包括平板电极和筒状电极23，所述筒状电极23设置在二个平板电极之间，所述平板电极具有允许离子通过的通孔。
为了降低离子的动能，进一步地，平板电极为依次设置的第一平板电极21、第二平板电极22和第三平板电极24，所述筒状电极23设置在所述第二平板电极22和第三平板电极24之间的离子传输路径上。
为了降低离子的动能，进一步地，所述第二平板电极22的通孔直径大于所述第一平板电极21的通孔直径。
为了进一步聚焦离子，进一步地，所述基于ECR离子源的质谱检测装置还包括：
第二离子聚焦透镜，所述第二离子聚焦透镜设置在所述多极杆质量分析器30和检测器之间的离子传输路径上，所述电源为所述第二离子聚焦透镜施加聚焦电压。
本发明实施例的基于ECR离子源的质谱检测方法，所述基于ECR离子源的质谱检测方法为：
提供本实施例的基于ECR离子源的质谱检测装置；
从所述ECR离子源出射的离子依次穿过所述第一离子聚焦透镜10、减速透镜20和多极杆质量分析器30，进入所述检测器。
为了进一步聚焦离子，进一步地，离子依次穿过所述多极杆质量分析器30和第二离子聚焦透镜，进入所述检测器。
实施例2：
根据本发明实施例1的基于ECR离子源的质谱检测装置和方法的应用例。
在该应用例中，如图1所示，第一聚焦透镜10、减速透镜20和四极杆质量分析器30依次设置；减速透镜20和第一聚焦透镜10间距离100mm；
所述第一离子聚焦透镜包括三个依次设置的(第一-第三)筒状电极11，每个筒状电极11长12mm，内径35mm，厚度2mm，电极间距5mm；
所述减速透镜20包括三个平板电极和筒状电极23，包括依次设置的平板电极，第一平板电极21厚度2mm，外径40mm，通孔内径6mm；第二平板电极22，厚度2mm，外径40mm，通孔内径10mm；第三平板电极24厚度2mm，外径40mm，内径10mm；每片透镜间距15mm；筒状电极23长度20mm，厚度2mm，内径10mm，设置在第二平板电极22和第三平板电极24之间的离子传输路径上。
上述各个筒状电极的中心轴线与各个平板电极的通孔的中心轴线共轴。
电源为各电极施加的电压如下：
仿真结果(不加引出电极)如下：
入射离子质量范围从5-250amu，离子束半发散角为2.0°，离子入射动能500eV，出射动能7.52ev，此时出射离子束接近平行，截面形状为圆形，480mm处离子束直径为4.8mm。
实施例3：
根据本发明实施例1的基于ECR离子源的质谱检测装置和方法的应用例，与实施例2不同的是：
离子初始动能10eV，引出前离子束的光斑直径为1mm，经过引出电极引出后，动能约为1000eV，各电极片设置的电压如下：
仿真结果(加引出电极)如下：
离子束通过减速透镜后能够进行聚焦，并且经过减速透镜之后离子束的动能衰减到16.52eV，同时在后端可以进行有效的聚焦。此时可以通过改变减速电极的电压，改变离子束的聚焦位置以及出射光斑大小，离子通过率100％。
实施例4：
根据本发明实施例1的基于ECR离子源的质谱检测装置和方法的应用例，与实施例2不同的是：
在减速透镜和四极杆质量分析器之间的离子传输路径上设置第二聚焦透镜，具体和第一聚焦透镜相同。
实施例5：
根据本发明实施例1的基于ECR离子源的质谱检测装置和方法的应用例，与实施例2不同的是：
在减速透镜和四极杆质量分析器之间的离子传输路径上设置离子偏转透镜。
Claims (10)
1.基于ECR离子源的质谱检测装置，所述基于ECR离子源的质谱检测装置包括ECR离子源、多极杆质量分析器、检测器和电源；其特征在于，所述基于ECR离子源的质谱检测装置还包括：
第一离子聚焦透镜，所述第一离子聚焦透镜设置在所述ECR离子源和多极杆质量分析器之间的离子传输路径上；
离子减速透镜，所述离子减速透镜设置在所述离子传输路径上，且处于所述第一离子聚焦透镜和多极杆质量分析器之间；所述电源为所述第一离子聚焦透镜和离子减速透镜施加电压。
2.根据权利要求1所述的基于ECR离子源的质谱检测装置，其特征在于，所述第一离子聚焦透镜包括多个依次设置的筒状电极。
3.根据权利要求1所述的基于ECR离子源的质谱检测装置，其特征在于，所述减速透镜包括平板电极和筒状电极，所述筒状电极设置在二个平板电极之间，所述平板电极具有允许离子通过的通孔。
4.根据权利要求3所述的基于ECR离子源的质谱检测装置，其特征在于，平板电极为依次设置的第一平板电极、第二平板电极和第三平板电极，所述筒状电极设置在所述第二平板电极和第三平板电极之间的离子传输路径上。
5.根据权利要求4所述的基于ECR离子源的质谱检测装置，其特征在于，所述第二平板电极的通孔直径大于所述第一平板电极的通孔直径。
6.根据权利要求1所述的基于ECR离子源的质谱检测装置，其特征在于，所述基于ECR离子源的质谱检测装置还包括：
第二离子聚焦透镜，所述第二离子聚焦透镜设置在所述多极杆质量分析器和检测器之间的离子传输路径上，所述电源为所述第二离子聚焦透镜施加聚焦电压。
7.根据权利要求1所述的基于ECR离子源的质谱检测装置，其特征在于，所述基于ECR离子源的质谱检测装置还包括：
引出电极，所述引出电极设置在所述ECR离子源和第一聚焦透镜之间的离子传输路径上。
8.根据权利要求1所述的基于ECR离子源的质谱检测装置，其特征在于，所述基于ECR离子源的质谱检测装置还包括：
偏转电极，所述偏转电极设置在所述多极杆质量分析器和检测器之间。
9.基于ECR离子源的质谱检测方法，所述基于ECR离子源的质谱检测方法为：
提供权利要求1-5中任一项所述的基于ECR离子源的质谱检测装置；
从所述ECR离子源出射的离子依次穿过所述第一离子聚焦透镜、减速透镜和多极杆质量分析器，进入所述检测器。
10.根据权利要求9所述的基于ECR离子源的质谱检测方法，其特征在于，离子依次穿过所述多极杆质量分析器和第二离子聚焦透镜，进入所述检测器。
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