CN116525405A - 一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，包括离子注入段，离子储存段和离子引出段；离子注入段，用于提供单一质量且窄动能分布的团簇离子束流；离子储存段，所述离子储存段由存储单元和控温单元构成；用于对注入至离子阱内的团簇离子束流进行控温和储存；离子引出段，用于将储存囚禁在离子阱内的团簇离子进行轴向的引出；本发明在与氦冷媒碰撞减速的前提下，通过径向射频场、轴向势阱的束缚实现对离子的控温和储存，并通过安装在离子阱内部的轴向透镜组和后端盖电极的共同作用下完成因碰撞冷却囚禁在离子阱中无场区的离子的高效轴向引出，从而满足下一级的注入要求，以提高后端质/能谱的精度和灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于射频离子阱的技术领域，具体涉及一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱。
背景技术
为了在较大的时间尺度上研究团簇的性质，可以通过物理手段(电磁场)将团簇运动限制在一个有限空间内实现离子储存。射频离子阱是通过射频电场将离子束缚在有限空间内，被囚禁的离子与中性缓冲气体碰撞交换能量后最终二者达到温度平衡，可以通过控制缓冲气体的温度来研究囚禁离子的相变过程。传统的射频离子阱为三维(3D)结构(paultrap)，通过径向和轴向形成的交变电场将离子束缚在中心附近，经碰撞冷却后的离子内部能量较低且具有很小的发射度，使得引出离子束的初始空间和时间分散较小，更满足后端高精度质谱的注入需求，但由于轴向的射频场影响导致三维离子阱在外部离子注入时效率较低，离子阱内部空间的限制和空间电荷效应的影响也导致其储存效率较低。
解决这个问题的可行办法就是提高离子云在某一个方向上的存储体积，射频线形离子阱是一种二维(2D)离子阱，由施加在多极杆上的射频电压产生对离子的径向束缚，轴向束缚由施加脉冲电压的前后片状端盖电极产生。由于线形离子阱轴向无射频电场分布，所以外部离子在注入时基本不受射频边缘场效应的影响，且相比于三维离子阱，线形离子阱类似将其沿轴线展开，所以空间电荷效应的影响大大减小，使得储存容量成几何倍增加。
碰撞冷却后的离子因束缚力作用囚禁在线形离子阱的无场区中，由于后端盖电极在无场区的电场穿透力有限，使得引出时离子在无场区的停滞时间过长，离子只能慢慢地扩散至下一级，导致引出的离子束很长且强度较低无法满足下一级的注入要求。射频线形离子阱的储存容量与其长度正相关，提高容量的同时增大了束流的轴向引出难度，为了有效提高束流的轴向引出效率，需要增大后端盖电极的电场穿透深度，这往往是通过提高后端盖电极电压实现，但同时会增大引出束流的能散，而且提高的引出效率不明显。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，通过安装在轴向的透镜组，对其施加电压后产生的轴向电场作用于碰撞冷却囚禁在无场区的离子，使其产生朝出口的运动趋势，实现轴向高效引出的目的。在轴向透镜组的作用下，离子有效地向出口方向积累以提高后端盖电极的作用效果，进而提高轴向引出束流强度并减小引出束流色散，从而满足后端高精度质谱/光谱的测量要求。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，包括：
离子注入段，用于提供单一质量且窄动能分布的团簇离子束流；
离子储存段，所述离子储存段由存储单元和控温单元构成；用于对注入至离子阱内的团簇离子束流进行控温和储存；
离子引出段，用于将储存囚禁在离子阱内的团簇离子进行轴向的引出；其中:
所述离子注入段在完成对离子的质量筛选和动能筛选后，通过聚焦和偏转透镜将团簇离子束流注入至离子储存段；
所述离子储存段通过提前通入冷却的氦气与注入的团簇离子束流碰撞后，将团簇离子束流存储在离子阱内部轴线的无场区内；
所述离子引出段通过控制施加脉冲电压将在离子阱内形成梯度电场，引出时减小氦气的阻碍并给予出射团簇离子束流动能。
进一步，所述存储单元包括前端盖电极、射频四极杆、后端盖电极和氦气通路；所述控温单元包括冷头，一级制冷、二级制冷、一级冷屏和二级冷屏机构；所述冷头分别依次与一级制冷和二级制冷连接；所述二级冷屏机构设置在所述离子储存段上，所述二级冷屏机构上通过金属连接件与所述二级制冷连接，所述一级冷屏设置在整个离子阱上；所述离子引出段包括轴向透镜组和后端盖电极，其中：
所述前端盖电极控制注入至离子阱的离子数目，射频四极杆和前/后端盖电极分别用于形成囚禁离子的径向和轴向束缚场，离子储存是通过团簇离子束流与氦气碰撞减速实现，当储存50-100ms后，团簇离子束流稳定在离子阱内无场区存储；
在无场区存储的团簇离子束流受到轴向透镜组施加电压后形成电场力作用产生朝出口方向运动的趋势，在后端盖电极的脉冲电压下实现高效引出。
进一步，所述离子储存段工作在低温环境下且温度在5-300K，±1K可调。
进一步，所述离子注入段设置有可产生团簇离子的离子源和用于质量筛选的的四极杆质量选择器以及用于动能筛选的静电四极偏转透镜和一系列用于团簇离子束流聚焦和偏转的离子光学元件。
进一步，所述轴向透镜组是由多个沿轴向排列的2mm以下薄片电极组成，所述电极片中心孔径沿轴向的组合分为两种，其中一种是顺梯度递增/递减，另一种是对称梯度递增/递减。
进一步，所述氦气通路由针阀、铜管、气管构成；所述气管一端与离子存储段连接，其另一端通过特氟龙管与铜管连接；其中：所述氦气通路将缓冲气体经针阀后通过四分之一气管进入离子阱腔室内，在离子阱腔室内部气体由四分之一气管转接至十六分之一气管再转接至十六分之一铜管，最终通过一段特氟龙管转接至十六分之一气管连接至离子阱存储段内。
进一步，所述前端盖电极上设置有氮化硼片的绝缘件；所述后端盖电极，轴向透镜组及射频四极杆间上设置有为蓝宝石片和蓝宝石棒的绝缘件。
进一步，所述一级制冷功率为45W，最低降温至50K，二级制冷功率为1.5W，最低降温至4.2K。
进一步，所述离子阱设置在真空腔室为不锈钢方形腔，真空环境为10-7Pa，当通入缓冲气体后，实验过程真空环境为10-1-10-2Pa。
有益效果
本专利所述一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，通过与温度精确可控的氦冷媒碰撞实现对注入离子的准确控温，通过径向射频四极场和轴向脉冲场实现对注入离子的有效囚禁，通过轴向安装的薄片透镜组在不影响离子储存的前提下，减小了引出时在无场区内与氦气碰撞减速产生的停滞时间，使得相比于无轴向电场时引出时间缩短近10倍且提高了单次轴向离子引出强度，大大提高了轴向引出效率。
本发明中薄片电极构成的轴向透镜组，具有更简单的几何结构设计，易于安装、组合和准直，同一极性电极部分仅需要一个供电电源，相比于电阻分压的方式，减小了额外的热源更适用于低温环境使用，且同时简化了接电设计，减小了接触点从而减小了寄生电容和接触电阻，使得脉冲升压和降压过程中振铃大幅降低。
本发明中设计的控温单元，其中核心部件离子阱被完全包裹在与一级制冷连接的铜质异形的一级冷屏内，减小了与外界室温的热交换。离子储存段与二级制冷直接连接，接触面均经过镀金处理以增大热传递。与二级制冷直接连接部分如接电线部分选用低热导的磷铜线，气管部分通过不锈钢管转接特氟龙管，且接电线和气管均在一级制冷端做缠绕，均是为了减小二级制冷和一级制冷的热传导，使得离子储存段的温度达到更低，更趋近于二级制冷的降温极限。
附图说明
下面将参考附图来描述本发明示例性实施方式的特征、优点和技术效果。
图1为本发明的整体布局图。
图2为本发明的低温制冷和屏蔽结构，以及气路结构的示意图。
图3为本发明的轴向透镜组的两种典型的组合结构图。
图4为本发明的添加轴向透镜组后离子阱注入、储存和引出时的时序控制图。
图5为本发明的添加轴向透镜组后两种组合结构下的轴向引出电场。
图6为对比未添加轴向电场和本发明添加轴向电场后的离子引出效率。
其中，附图标记说明如下：
10-离子注入段；
20-离子储存段；21-前端盖电极；22-后端盖电极；23-射频四极杆；
24-轴向透镜组；25-二级冷屏底座；26-二级冷屏上盖；
27-氦气气路；
30-离子引出段；
40-冷头；41-一级制冷；42-二级制冷；43-一级冷屏；
44-蓝宝石片；45-1/16铜管；46-特氟龙管；
47-1/16气管；48-氮化硼片；49-蓝宝石棒。
具体实施方式
以下结合附图1～6对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，包括离子注入段10，控制注入至离子阱内的离子质量和束流品质；离子储存段20，注入至阱内的离子经与缓冲气体碰撞冷却后储存在阱内无场区，离子引出段30，被囚禁的团簇离子在轴向透镜组和后端盖的联合作用下向下一级引出。具体的，本发明包括离子注入段10，离子储存段20，离子引出段30三部分，其中团簇离子由离子源产生，并通过宽质量范围和高质量精度的四极杆质量分析器后形成单一质量的团簇离子束流，再经过一系列聚集和偏转透镜整形后，注入至90度静电四极偏转透镜中进行初步动能筛选后注入至离子阱中。离子储存段20工作在低温环境，通过冷头进行二级降温后配合加热元件可达5-300K(±1K)的精确温度控制，内部离子光学元件由前端盖电极21，后端盖电极22，射频四极杆23，轴向透镜组24组成，其中前端盖电极21位于四极杆23前端用于离子注入和储存控制，后端盖电极22位于射频四极杆23后端用于离子储存和引出控制，射频四极杆23和轴向透镜组24平行安装在离子阱内，各部分均为电隔离，且以上整体包裹在由二级冷屏底座25和二级冷屏上盖26内，其中前端盖电极21，后端盖电极22和轴向透镜组24均施加脉冲电压，常态均为低电平。当需要离子注入时，对前端盖电极21施加高电平，通过调节高电平的开启时间控制注入至阱内的离子数目。储存过程中，后端盖电极22保持低电平抑制离子从后端引出，离子在阱内运动过程中，径向受到射频四极场的束缚，轴向在前端盖电极21和后端盖电极22形成的势阱内进行往复运动，且与经氦气气路27导入至离子阱内部的缓冲气体碰撞交换能量，完全碰撞冷却后将相对静止储存在离子阱的无场区处。当需要离子从阱内引出至下一级时，同时对后端盖电极22和轴向透镜组24施加高电平，轴向透镜组24由多个沿轴向排列的中心孔径不同的2mm以下薄片电极组成，包括单一梯度和对称梯度两种组合，对每组电极片施加相同电势后可以产生顺轴向梯度电场，被囚禁的离子首先受轴向透镜组24形成的电场力作用，产生向出口运动的趋势，控制轴向透镜组24和后端盖电极22的高电平开启时间影响从阱内引出的离子数目和束团宽度。
在一些实施例中，该装置按照系统功能分为真空系统、低温系统、电子光学系统。其中真空系统由真空获取及真空差分组成，通过多级罗茨泵和涡轮分子泵的组合方式在0.8米*0.4米*0.4米的不锈钢方形腔实现了10-7Pa的背景真空度，当通入缓冲气体后，实验过程真空度为10-1-10-2Pa。
控温单元由低温获取，低温传递，低温屏蔽和低温检测组成。整个装置运行在5-300K的温度环境，低温由冷头40的二级降温获得，其中一级制冷41功率为45W，最低降温至50K，二级制冷42功率为1.5W，最低降温至4.2K。与冷头连接部分元件的加工材质选择为无氧铜，且接触面做镀金处理。离子阱内前端盖电极21部分绝缘件为氮化硼片48，后端盖电极22，轴向透镜组24及射频四极杆23间主要绝缘件为蓝宝石片44和蓝宝石棒49，目的是一方面提高元件间热传递效率，另一方面防止溅射离子对阱内造成过度升温。由于二级制冷42功率较低，为实现离子阱的有效降温，二级制冷42连接部分需要与外界做良好的热隔离，且减小与高温端的热传递，为此一级制冷41连接端设计为异形铜外壳将整个离子阱包裹，以减小外界的热辐射。由于一级制冷41相对制冷功率较高，氦气管道和直流接线都在一级制冷41做缠绕进行预降温处理。且氦气气路27由室温腔外至二级制冷42连接方式设计为四分之一不锈钢管转十六分之一铜管45，盘绕在一级制冷41做预降温后经特氟龙管46与十六分之一不锈钢管47连接至离子阱内，低温下特氟龙形变量大于铜和不锈钢所以可以把二者良好包裹以防漏气，不锈钢的导热率低于铜。其余射频及脉冲电压接线选择为康铜/磷铜丝，保证良好导电的同时降低接电线的热传递。低温检测通过测量连接在一级冷屏43外壳和离子阱的硅二极管电压实现。
电子光学系统由离子注入控制，离子储存控制和离子引出控制组成。主要涉及到的离子光学元件有前端盖电极21，后端盖电极22，射频四极杆23，轴向透镜组24。从离子源产生并经质量和动能筛选后的离子束通过前端盖电极21施加脉冲电压控制注入至离子阱中，离子储存过程中的径向束缚通过射频四极杆23形成的四极场实现，轴向束缚通过与氦气碰撞减速、前端盖电极21和后端盖电极22形成的轴向势阱实现，由于氦气的有效减速使得进入至阱内离子的速度大于从阱内逃逸的速度，随着注入时间的增加阱被填满，离子相对运动静止被储存在阱内的无场区。当需要引出时对轴向透镜组24和后端盖电极22同时施加脉冲电压，停滞在无场区中的离子首先感受到轴向透镜组24形成的轴向电场力作用，产生向出口运动的趋势，通过控制二者的高电平开启时间可以对囚禁在无场区的离子进行高效的轴向引出以满足后端高精度质谱/能谱的测量要求。
具体地，离子引出过程中涉及的轴向透镜组24是由多个沿轴向排列的中心孔径不同的2mm以下薄片电极组成，其中，电极形状可以是任意的，电极片间的排列组合可以是任意的，每组电极片施加相同的电压，通过电极到轴线距离不同产生沿轴向的电场强度且通过不同中心孔径电极片间排列可以获得任意轴向梯度的电场，电极组沿轴向的组合分为单一递增/递减梯度和对称递增/递减梯度，对称梯度在相同施加电压下电场梯度为单一梯度的近两倍，所以需要更小的施加电势便可实现有效的引出，但相比于多了一组接线和脉冲电压控制。相比于电阻分压的方式，简化了接电设计，减小了接触点从而减小了寄生电容和接触电阻使得脉冲升压和降压过程中振铃大幅降低，且减小了额外的热源更适用于低温环境使用。
本发明控制经质量及动能筛选后的离子源产生的离子注入至阱中，离子与预导入并经过足够时间冷却的惰性缓冲气体原子碰撞后减速，由于径向存在射频四极场囚禁作用，离子只能沿轴向振荡运动，且在前后端盖电极形成的轴向势阱束缚下，离子只能沿轴向做往复运动。由于离子注入速度大于离子逃逸速度，随着注入和储存时间的增加，离子将填满阱内整个无场区实现了离子储存和控温的目的。当离子经过足够的冷却后，通过对轴向透镜组施加电压产生顺轴向梯度的电场使储存的离子产生朝出口运动的趋势，在轴向透镜组和后端盖电极形成的轴向电场作用下从离子阱出口引出。
包括离子注入段，通过一系列离子光学透镜实现离子源至四极杆质量选择器和离子阱间的离子传输和束流聚焦偏转，最终离子经前端盖电极注入至阱内；离子储存段，注入阱内的离子在射频场的径向束缚和前后端盖电极电场的轴向囚禁下，通过与缓冲气体碰撞冷却储存在阱内无场区；离子引出段，当注入离子与缓冲气体达到碰撞热平衡后，通过轴向透镜组和后端盖形成的轴向电场作用于因碰撞冷却囚禁在无场区的离子，实现轴向高效引出。
所述射频离子阱所处的真空腔室为不锈钢方形腔，真空环境为10-7Pa，当通入缓冲气体后，实验过程真空环境为10-1-10-2Pa。
所述控温单元为二级降温，其中一级制冷功率为45W，最低降温至50K，一级制冷功率为1.5W，最低降温至4.2K。包括一级冷屏，与冷头的一级制冷端连接，为铜制特殊尺寸屏蔽罩，将整个离子阱包裹以减小外界辐射对离子阱的升温影响，缓冲气体气路中的十六分之一铜气管和直流接电线盘绕在一级冷屏外端做预降温以减小热传导影响。离子阱与冷头的二级制冷端相连，离子阱外壳为无氧铜材质，接触面均经过镀金处理，内部透镜为316L不锈钢材质，透镜间及与四极杆间均通过蓝宝石材质异形加工件进行绝缘及传热，进入离子阱内的十六分之一不锈钢气管与十六分之一铜气管间通过特氟龙管相连，以减小一级与二级制冷端间的传热。
所述离子注入段中注入至阱内的离子是提前经过质量筛选和动能筛选的，用于减小阱内储存离子的空间电荷效应，满足后端高精度质谱/光谱的注入强度要求。
所述离子储存段中通入的惰性缓冲气体选择为氦，目的是氦原子的体积和表面积较小，减小对于尺寸较大的团簇离子碰撞冷却过程中碎片化。
所述离子储存段中通入离子阱内的缓冲气体的量是通过质量流量计搭配针阀做微控。其中，质量流量计为前级，气体最终通过针阀流入真空腔室。
所述离子储存段中的氦气经针阀后通过四分之一不锈钢气管进入真空腔室内，在腔室内部气体由四分之一不锈钢气管转接至十六分之一不锈钢气管再转接至十六分之一铜气管，最终通过一段特氟龙管转接至十六分之一不锈钢管连接至离子阱内部。
所述离子储存段是通过注入离子与缓冲气体碰撞减速实现，储存过程通过脉冲电压的高低电平控制前端盖电极的开闭状态，后端盖电极维持关闭，由于离子注入速度大于离子逃逸的速度，随着注入时间的增加，离子最终在阱内实现存储。
所述离子引出段是通过轴向透镜组和后端盖间形成的轴向电场作用于经碰撞减速冷却后囚禁在离子阱内无场区的离子，以减小其在无场区的停滞时间，在轴向透镜组的作用下，离子产生朝出口方向的运动趋势并向后端盖电极方向积累以提高后端盖电极的作用效果，实现束流的高效引出。
所述离子引出段是在离子与冷却后的缓冲气体充分碰撞减速后进行的，通常碰撞冷却时间为50-100ms。
所述轴向透镜组是由多个沿轴向排列的2mm以下薄片电极组成，其中电极的形状可以是任意的，且电极片的排列方式也是任意的。所述轴向透镜组中的电极片中心孔径沿轴向的组合分为两种，其中一种是顺梯度递增/递减，另一种是对称梯度递增/递减。
所述轴向透镜组施加相同电压后形成的沿轴向的梯度电场是通过改变透镜的中心孔径实现，中心孔径越小，中心电势越大，通过改变透镜组的中心孔径排列可实现各种类型的梯度电场，且相比于电阻分压获得梯度电场的方式，减小了额外的热源更利于低温环境使用。
参见图1所示，整个装置涉及离子注入段10，离子储存段20，离子引出段30三部分，其中离子注入段10部分包括离子源，用于产生带电团簇离子束流；四极杆质量选择器，筛选出单一质量的团簇离子；静电四极偏转透镜，用于团簇离子方向偏转和动能筛选及一系列聚焦和偏转透镜用于对束流整形。离子储存段20部分包括前端盖电极21，后端盖电极22，射频四极杆23，轴向透镜组24等离子光学元件，其中前端盖电极21位于四极杆23前端用于离子注入和储存控制，后端盖电极22位于射频四极杆23后端用于离子储存和引出控制，射频四极杆23和轴向透镜组24平行安装在离子阱内，各部分均为电隔离，且以上整体包裹在由二级冷屏底座25和二级冷屏上盖26内，单一质量且窄动能分布的离子经前端盖注入至离子阱内，通过控制施加到前端盖的高电平时间可以控制注入至离子阱内的离子数目，注入至阱内的离子径向运动受到射频四极场的束缚，轴向受到前后端盖形成的轴向势阱束缚，且运动过程中与由氦气气路27导入的氦气碰撞减速，最终相对运动静止地储存在离子阱的无场区，离子引出段30主要为轴向透镜组24和后端盖电极22的共同作用下实现束流的高效轴向引出。当需要离子引出时，通过对轴向透镜组24和后端盖电极22施加脉冲电压，停滞在无场区的离子首先受到轴向透镜组24产生的梯度电场力的作用朝向出口运动，最终通过施加在后端盖电极22的高电平电压引出，控制高电平的开启时间以控制引出离子的数目。
参见图2所示，离子阱控温单元包括两级低温制冷，其中一级制冷41功率为45W，最低降温至50K，二级制冷42功率为1.5W，最低降温至4.2K。与冷头40直接相连部分材质选择为无氧铜，且表面经镀金处理，离子光学元件间的绝缘件主要为蓝宝石片44和蓝宝石棒49，其中前端盖电极21与射频四极杆23间的绝缘件为氮化硼片48，以上设计的目的是尽可能增大热传递效率的同时，减小离子注入过程中对离子阱的加热。为防止环境的热辐射影响，二级制冷42接触部分整体包裹在与一级制冷41连接的异形铜制屏蔽外壳内，且电极的直流接线和氦气管都盘绕在一级制冷41端做预冷以减小对二级制冷42的加热。氦气气路27设计为室温腔外至二级制冷42连接方式为四分之一不锈钢管转十六分之一铜管45，盘绕在一级制冷做预降温后经特氟龙管46与十六分之一不锈钢管47连接至离子阱内，低温下特氟龙管变形量大于铜和不锈钢所以可以把二者良好包裹以防漏气，不锈钢的导热率低于铜。其余射频及脉冲电压接线选择为康铜/磷铜丝，保证良好导电的同时降低接电线的热传递。
参见图3所示，为两种可实现轴向线性梯度电场的透镜组组合的切向截面示意图，a)为由57片电极构成的单一递增梯度电极组，电极条形臂长度沿轴向类抛物线型分布，b)为由58片电极构成的两组对称梯度电极组，电极条形臂长度沿轴向类双曲线型分布。
参见图4所示，为添加轴向透镜组24后的离子阱注入、储存和引出的时序图，首先离子注入时通过控制前端盖电极21的高电平开启时间来控制注入至离子阱的离子数目，离子与氦气碰撞减速并在径向射频场和轴向势阱的束缚下，控制储存时间实现离子经足够碰撞冷却后储存在离子阱内的无场区。引出时同时对轴向透镜组24和后端盖电极22施加脉冲高电平，离子首先在轴向透镜组24施加电压后形成的轴向电场的作用下朝向出口方向运动，使得离子在后端盖电极22处实现有效积累，提高后端盖电极22的引出效果，控制引出时间，实现高效的轴向引出。
参见图5所示，为二种组合施加电压后的轴向梯度电场，其中单一梯度抛物线型电极组施加相同电压后形成的轴向梯度电场如上图所示，前端盖电极21施加电压为-30V，轴向透镜组24施加电压为30V，后端盖电极22施加电压为30V，形成电场强度为0.087V/mm的线性梯度电场。对称梯度双曲线型电极组施加相反电压后形成的轴向梯度电场如下图所示，前端盖电极21施加电压为-30V，轴向透镜组24施加电压为±30V，后端盖电极22施加电压为30V，形成电场强度0.18V/mm的线性梯度电场。相同施加电压下对称梯度电极组产生的轴向电场强度约为单一梯度的两倍。
参见图6所示，体现了添加轴向透镜组24后的轴向引出效果，对比左图无轴电场仅依靠扩散作用引出时，由于与氦冷媒热平衡后离子的扩散速度很小，且在引出时还受到氦气的碰撞减速及散射效果使得引出束流较长，图示为记录离子通过离子阱出口30mm处的时间，其中无轴向电场时需要900us，右图为对称梯度轴向透镜组施加±30V后引出时间为90us，同比减小为无轴向电场的十分之一。
Claims (9)
1.一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，其特征在于，包括：
离子注入段，用于提供单一质量且窄动能分布的团簇离子束流；
离子储存段，所述离子储存段由存储单元和控温单元构成；用于对注入至离子阱内的团簇离子束流进行控温和储存；
离子引出段，用于将储存囚禁在离子阱内的团簇离子进行轴向的引出；其中:
所述离子注入段在完成对离子的质量筛选和动能筛选后，通过聚焦和偏转透镜将团簇离子束流注入至离子储存段；
所述离子储存段通过提前通入冷却的氦气与注入的团簇离子束流碰撞后，将团簇离子束流存储在离子阱内部轴线的无场区内；
所述离子引出段通过控制施加脉冲电压将在离子阱内形成梯度电场，引出时减小氦气的阻碍并给予出射团簇离子束流动能。
2.如权利要求1所述一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，其特征在于：所述存储单元包括前端盖电极、射频四极杆、后端盖电极和氦气通路；所述控温单元包括冷头，一级制冷、二级制冷、一级冷屏和二级冷屏机构；所述冷头分别依次与一级制冷和二级制冷连接；所述二级冷屏机构设置在所述离子储存段上，所述二级冷屏机构上通过金属连接件与所述二级制冷连接，所述一级冷屏设置在整个离子阱上；所述离子引出段包括轴向透镜组和后端盖电极，其中：
所述前端盖电极控制注入至离子阱的离子数目，射频四极杆和前/后端盖电极分别用于形成囚禁离子的径向和轴向束缚场，离子储存是通过团簇离子束流与氦气碰撞减速实现，当储存50-100ms后，团簇离子束流稳定在离子阱内无场区存储；
在无场区存储的团簇离子束流受到轴向透镜组施加电压后形成电场力作用产生朝出口方向运动的趋势，在后端盖电极的脉冲电压下实现高效引出。
3.如权利要求1所述一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，其特征在于：所述离子储存段工作在低温环境下且温度在5-300K，±1K可调。
4.如权利要求1所述一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，其特征在于：所述离子注入段设置有可产生团簇离子的离子源和用于质量筛选的的四极杆质量选择器以及用于动能筛选的静电四极偏转透镜和一系列用于团簇离子束流聚焦和偏转的离子光学元件。
5.如权利要求1所述一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，其特征在于：所述轴向透镜组是由多个沿轴向排列的2mm以下薄片电极组成，所述电极片中心孔径沿轴向的组合分为两种，其中一种是顺梯度递增/递减，另一种是对称梯度递增/递减。
6.如权利要求2所述一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，其特征在于：所述氦气通路由针阀、铜管、气管构成；所述气管一端与离子存储段连接，其另一端通过特氟龙管与铜管连接；其中：所述氦气通路将缓冲气体经针阀后通过四分之一气管进入离子阱腔室内，在离子阱腔室内部气体由四分之一气管转接至十六分之一气管再转接至十六分之一铜管，最终通过一段特氟龙管转接至十六分之一气管连接至离子阱存储段内。
7.如权利要求2所述一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，其特征在于：所述前端盖电极上设置有氮化硼片的绝缘件；所述后端盖电极，轴向透镜组及射频四极杆间上设置有为蓝宝石片和蓝宝石棒的绝缘件。
8.如权利要求2所述一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，其特征在于：所述一级制冷功率为45W，最低降温至50K，二级制冷功率为1.5W，最低降温至4.2K。
9.如权利要求1-8任一项所述一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，其特征在于：所述离子阱设置在真空腔室为不锈钢方形腔，真空环境为10-7Pa，当通入缓冲气体后，实验过程真空环境为10-1-10-2Pa。
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