CN116130333A - 一种高分辨小型化同位素质谱计 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及仪器仪表技术领域，具体而言，涉及一种高分辨小型化同位素质谱计，包括离子源、电分析器、磁分析器以及离子检测器，其中：离子源为基于对称磁场和双灯丝结构的电子碰撞型电离源；电分析器由两个同轴圆筒形电极组成；磁分析器的磁场结构为直射非对称扇型磁场；电分析器和磁分析器采用反向串接的组合方式；离子检测器采用微通道板+荧光屏成像的方式。本申请的电分析器和磁分析器采用反向串接的方式，能够使得磁场和电场产生的能量色散相互抵消，从而使得磁偏转质谱计实现能量和方向双重聚焦，提高其分辨率，磁分析器的磁场采用直射非对称的扇形结构，使得结构较为紧凑，有效减少了仪器的质量和体积。
Description
技术领域
本申请涉及仪器仪表技术领域，具体而言，涉及一种高分辨小型化同位素质谱计。
背景技术
随着科技的发展，质谱计已广泛应用于食品、医药、环境监测等各个领域，磁偏转质谱计稳定性好，结构简单，定量性好，主要由离子源、磁分析器及离子检测器组成。
但由于离子源离子能量的发散和磁场分析器存在的能量色散，使得磁偏转质谱计的分辨本领无法得到本质性改善，从而影响质量数相近或同位素物质的分析，电子轰击离子源普遍采用70eV电离能，由此得到不同物质的分子离子和碎片离子可能存在重叠现象，从而影响分析结果的准确性。
发明内容
本申请提供了一种高分辨小型化同位素质谱计，内部的电分析器和磁分析器采用反向串接的方式，能够使得磁场和电场产生的能量色散相互抵消，提高其分辨率。
为了实现上述目的，本申请提供了一种高分辨小型化同位素质谱计，包括离子源、电分析器、磁分析器以及离子检测器，其中：离子源为基于对称磁场和双灯丝结构的电子碰撞型电离源；电分析器由两个同轴圆筒形电极组成；磁分析器的磁场结构为直射非对称扇型磁场；电分析器和磁分析器采用反向串接的组合方式；离子检测器采用微通道板+荧光屏成像的方式。
进一步的，离子源包括电离室、灯丝以及离子光学系统，其中：电离室的入射孔为栅网结构；灯丝为氧化钇铱丝；离子光学系统用于电离后气体离子的聚集引出。
进一步的，离子源的灯丝发射电子能量范围在10-100eV。
进一步的，电分析器的电极材料为不锈钢材料，绝缘支架的材料为陶瓷材料，电分析器的极板外部设置有外壳。
进一步的，磁分析器包括磁钢和极靴，极靴的材料为电工纯铁材料，磁钢的材料为钕铁硼永磁材料。
进一步的，离子源、电分析器、磁分析器以及离子检测器固定安装在同一个平板上。
本发明提供的一种高分辨小型化同位素质谱计，具有以下有益效果：
本申请的电分析器和磁分析器采用反向串接的方式，能够使得磁场和电场产生的能量色散相互抵消，从而使得磁偏转质谱计实现能量和方向双重聚焦，提高其分辨率，磁分析器的磁场采用直射非对称的扇形结构，使得结构较为紧凑，有效减少了仪器的质量和体积，同时离子束在焦平面上实现双聚焦，能够实现多质量离子的同步、实时探测。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例提供的高分辨小型化同位素质谱计的结构示意图；
图2是根据本申请实施例提供的电分析器的电离室入射孔的结构示意图；
图3是根据本申请实施例提供的磁分析器的结构示意图；
图中：1-离子源、2-电分析器、21-入射孔、3-磁分析器、31-磁钢、32-极靴、4-离子检测器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1所示，本申请提供了一种高分辨小型化同位素质谱计，包括离子源1、电分析器2、磁分析器3以及离子检测器4，其中：离子源1为基于对称磁场和双灯丝结构的电子碰撞型电离源；电分析器2由两个同轴圆筒形电极组成；磁分析器3的磁场结构为直射非对称扇型磁场；电分析器2和磁分析器3采用反向串接的组合方式；离子检测器4采用微通道板+荧光屏成像的方式。
具体的，本申请实施例提供的高分辨小型化同位素质谱计改善了质谱计的性能，不仅能够达到高分辨率，还能够同时检测多种物质成分。其中，离子源1为基于对称磁场和双灯丝结构的电子碰撞型电离源，优选采用小型尼尔型电子轰击离子源；电分析器2由两个同轴圆筒形电极组成，整体为圆弧状，离子在电场中受到径向力作用使得运动轨迹发生变化；磁分析器3的磁场结构为直射非对称扇型磁场，使得质谱计内部结构更加紧凑，有利于其小型化设计；电分析器2和磁分析器3采用反向串接的方式，能够使得磁场和电场产生的能量色散相互抵消，从而使得磁偏转质谱计实现能量和方向双重聚焦，提高其分辨率，进而改善质谱计性能；在传统使用倍增器方法测量离子信号强度的基础上，离子检测器4采用微通道板(MCP)+荧光屏成像的方式，来实现多质量离子的同步、实时探测，从而获取不同物质的具体位置，并通过图像处理对其信号强度进行分析。
进一步的，如图2所示，离子源1包括电离室、灯丝以及离子光学系统，其中：电离室的入射孔21为栅网结构；灯丝为氧化钇铱丝；离子光学系统用于电离后气体离子的聚集引出。离子源1电离室的入射孔21设计成栅网结构，能够提高电子的入射量，从而提高电离效率，降低灵敏度损失。灯丝采用氧化钇铱丝，该材料的电子发射性能稳定可靠。
进一步的，离子源1的灯丝发射电子能量范围在10-100eV。电子轰击离子源1的电子能量可根据所测试不同物质的电离能进行选择，可调范围为10～100eV，从而保证分析结果的准确性。
进一步的，电分析器2的电极材料为不锈钢材料，绝缘支架的材料为陶瓷材料，电分析器2的极板外部设置有外壳。电分析器2的极板外边设计有外壳来承载极板，以保证静电场内分析器的真空度，整个电分析器2置于不锈钢的真空系统中。
进一步的，如图3所示，磁分析器3包括磁钢31和极靴32，极靴32的材料为电工纯铁材料，磁钢31的材料为钕铁硼永磁材料。为有效减小磁分析器3的质量和体积，磁钢31设置在极靴32之间，极靴32选用电工纯铁(DT4C)材料，而磁钢31选用磁能积高的钕铁硼(N48M)永磁材料。
进一步的，离子源1、电分析器2、磁分析器3以及离子检测器4固定安装在同一个平板上。为了保证质谱计高装配精度以及小型化节约空间，各个部件安装在一个平板上，有利于各部件的对齐，使仪器坚固耐用。
具体的，本申请实施例提供的高分辨小型化同位素质谱计进行检测时，离子源1灯丝发射出的电子，在外磁场的作用下，电子由收集极和发射极之间的电位差加速，旋转经过电离室，加速电子碰撞电离室中的待检测气体分子而电离，最后电子束被相对电离室为正电位的离子收集极所收集，电离后的气体正离子被离子光学系统聚焦引出后垂直进入电分析器2，具有某一特定能量范围的离子将被筛选出来并垂直射出，进入磁分析器3，在此过程中，电分析器2与磁分析器3产生的能量色散相互抵消，而能量相同质荷比不同的离子在磁场中会实现分离，完成了能量聚焦和质量色散的样品离子通过质谱计的飞行通道，进入离子检测器4，通过微通道板(MCP)将离子流放大为电子流后，电子轰击磷光粉层并在荧光屏表面形成明暗不同的条纹状光斑，由于不同质荷比的离子在荧光屏上显示的位置不同，可根据理论计算的方式来初步确定待测气体的成分，后续再通过单一气体成分测试对结果进行校准，最终得出待测气体的成分。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高分辨小型化同位素质谱计，其特征在于，包括离子源、电分析器、磁分析器以及离子检测器，其中：
所述离子源为基于对称磁场和双灯丝结构的电子碰撞型电离源；
所述电分析器由两个同轴圆筒形电极组成；
所述磁分析器的磁场结构为直射非对称扇型磁场；
所述电分析器和所述磁分析器采用反向串接的组合方式；
所述离子检测器采用微通道板+荧光屏成像的方式。
2.根据权利要求1所述的高分辨小型化同位素质谱计，其特征在于，所述离子源包括电离室、灯丝以及离子光学系统，其中：
所述电离室的入射孔为栅网结构；
所述灯丝为氧化钇铱丝；
所述离子光学系统用于电离后气体离子的聚集引出。
3.根据权利要求2所述的高分辨小型化同位素质谱计，其特征在于，所述离子源的灯丝发射电子能量范围在10-100eV。
4.根据权利要求1所述的高分辨小型化同位素质谱计，其特征在于，所述电分析器的电极材料为不锈钢材料，绝缘支架的材料为陶瓷材料，所述电分析器的极板外部设置有外壳。
5.根据权利要求1所述的高分辨小型化同位素质谱计，其特征在于，所述磁分析器包括磁钢和极靴，所述极靴的材料为电工纯铁材料，所述磁钢的材料为钕铁硼永磁材料。
6.根据权利要求1所述的高分辨小型化同位素质谱计，其特征在于，所述离子源、所述电分析器、所述磁分析器以及所述离子检测器固定安装在同一个平板上。
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