CN1529898A - 射频离子源 - Google Patents

Abstract

在空气压力范围内适合低功率工作的射频离子源，该离子源包含放电电极，一个阴极和一个阳极，该阴极通过相关的连接装置连接到射频信号源，调节该阳极以提供等离子放电可能发生的表面区域，该区域不大于放电可能发生的阴极区域。该阳极和阴极被做成相对另一个是可操纵的，以便减少系统的功率需求，并提供控制射频放电和电离的手段。扩展射频电离源，包含一组电极对，为不同环境下的使用提供灵活性。

Description

射频离子源

本发明涉及射频(rf)离子源，特别是在空气压力范围内，包括大气压，能够低功率工作的辉光放电源。

对离子源的发展一直有相当的兴趣，该离子源能够在与大家知道的商业上可得到的电子碰撞(EI)电离源相似的条件下工作，但是该离子源更鲁棒。

EI源广泛用于需要电离的分析系统。可是，EI源有几个缺点。具体来说，它们不能工作在富氧环境下(因此不能用空气)，并缺乏多功能性，因为在相对高能电离过程中它们限于产生阳离子。

因此，在大气压下和在富氧环境中能够有效工作的离子源对于商业上可得到的用于直接空气取样的质谱仪有重要作用。

在我们的国际申请PCT/GB95/02918中描述了克服以上一些问题的射频离子源。该离子源构成了能够在大范围的射频工作频率、射频峰-峰幅值和源压下产生稳定的等离子体的正负生产离子源。该离子源包含一个阳极和一个或多个阴极和用于连接阴极和射频信号源的连接装置(注意，接地电极通常称作阳极，驱动电极称作阴极)。限制可能发生放电的电极表面区域，以提高放电稳定性。阴极的形状也设计为使阳极和阴极之间的电场充分畸变，促使形成最多的离子和电子。

以上描述的射频源能够在从1托下的0.1W到大气压下的1W的低功率范围工作。改变射频功率(峰-峰值)和射频频率的能力导致了灵活的电离源，该电离源的强度可以变化，并可适应各种压力。

发明PCT/GB95/02918设想阳极和阴极之间的间隔可被设定在0.5mm到5mm范围内，以允许优化的等离子放电。

为产生阳极/阴极大间隔的等离子放电，需要系统的总功率需求足以启动该距离下的放电。这比维持放电需要更大的功率。在便携式(如电池驱动的)装置和其它应用的发展过程中，即保持尽可能小的功率需求是有利的情况下，最好将启动放电的功率减少到维持放电需要的功率。通过在放电启动过程中减小电极间隔，然后在维持恒定的功率需求时增加电极间隔，可以获得这种结果。可是上述射频源在阳极和阴极间隔改变之前需要关断电源并打开该设备。这在现场使用时不合适，而且有健康和安全隐患。

因此，该发明的一个目的是提供正负离子源，该离子源产生稳定的等离子，并在电极间隔方面提供更大程度的控制，以克服上述问题。

依照本发明，提供一种射频离子源，该离子源包含有一个阴极和一个阳极的一对放电电极，阳极用于提供等离子放电可能发生的表面区域，该区域基本不大于放电可能发生的阴极区域，以及可操作地连接到阴极以连接阴极和射频信号源的连接装置，其中该离子源还包含操纵一个或两个电极以调整电极间隔，使得在工作中可控制等离子放电的装置。

通过减小电极间隔可以帮助放电的最初触发，这由于可操纵的电极而变得方便。一旦形成放电，可以增加电极间隔直至达到期望的间隔。而没有这种在使用中操纵电极能力的离子源则需要增加电源供电，以便在更大的间隔产生放电。已经发现该离子源可以容易地实现0-5mm的间隔。

该可操纵电极射频离子源的另一优点在于，不需停止工作和打开设备，就允许优化等离子放电。另外，可以很容易地纠正意外发生的电极间隔的任何变化，如在设备运输过程中或由于设备震动，电极腐蚀，湿度变化等等所引起的变化。

当放电功率，源压，放电气体或射频频率变化时，形成稳定放电的电极间隔也会改变。可操纵电极离子源允许通过控制电极间隔补偿放电特性的变化。

本发明的另一优点来自于可操纵电极装置提供的功率需求的减少。这使得通过使用小型化元件给该离子源供电成为可能，也使得该离子源容易和手持的或其它便携设备如离子移动能谱仪连接。

因为设计的原因，通常两个电极(阳极/阴极)中只有一个电极是可操纵的，而另一个位置是固定的。可是如果希望的话，两个电极都可以做成可操纵的。

假如连接两个电极的轴被看成是z轴，那么为了提供对等离子放电最大程度的控制，一个(或两个)电极被做成在横向的x-y平面和z方向都是可操纵的。

可操纵电极系统可以容易地连接至反馈装置，该反馈装置用以提供一种完全自动的，稳定不变的离子源。射频正向功率是判断产生放电的标准。因此，为了得到恒定的离子源，反馈装置可以使用合适的功率表监控射频正向输出功率，并相应调整电极间隔。

电极材料的选择非常重要，因为电极需要保持稳定，并在放电产生的局部高温下提供稳定的放电。相应地，选择的构成电极的材料应该有高的熔点，好的导热性和在空气中最小的腐蚀性。一个合适材料的例子是钽。

通过确保电极形状为针尖形，可以很容易地进一步减小功率需求。这引起表面曲率和电场畸变的增加，这反过来又会增加放电强度，增加离子形成。

本发明的射频离子源将在从大气压到大约400毫托的压力范围内工作。

现已发现，因为该系统的功率需求比较小(在大气压下2W，1托下0.1W)，可以使用电极对(一个阴极和一个阳极组成每一对)串联来形成扩展离子源。

电极对可以做成线性结构和环形结构。在需要流过大横截面区的气体电离的情况下，环形结构将会很有用。

在将该离子源和快速气流系统如分子/超声波束联合的情况下，在单一离子源电离机会不可靠，而一组电离源可以保证高的电离概率的情况下，线性结构扩展装置是很有用的。在这样的装置里，每一电极对可以有自己的射频信号源和连接装置。

在线性和环形结构中，电极对都可以是固定的或可以更方便地拥有可操纵电极。

线性结构扩展装置的另一优点在于，不同的电极对可以设定成提供不同的放电特性，并且该系统可快速地从一种模式转换到另一种。当该系统连接到如离子移动能谱仪的设备时，这是有好处的。例如，它可以提供灵活性以便为正负离子的产生提供最适宜的条件，或者在更具体的需要一组特定的条件(如射频频率，射频幅度或者甚至电极材料)的情况下，选择性地增强特定组合或类别的混合物的产生。

射频频率/幅度的变化往往需要复杂的电子器件，而这又可能增加费用和复杂程度。一种固定的幅度/频率系统，例如扩展源，需要简单的电子器件，并将更便宜，易于使用，维护，制造。

因为本发明的射频离子源有如此广的压力范围和灵活性，所以它可以方便地连接到各种系统，如离子移动能谱仪，经过选择的离子流管或场离子能谱仪，质谱仪和分析系统如LC装置。

PCT专利申请WO97/28444(Graseby)描述了DC直流电晕放电离子源的使用，该离子源产生搀杂离子。一般说来，该搀杂离子成份成为电离区域中主要的反应离子，如果一种引入样本要被电离，它必须经历和搀杂离子的离子-分子反应。如果产生的搀杂离子只能使一些类型的样本蒸汽能经历有效的电离，那么这将增加电离源的选择性。

本申请的射频离子源也可方便地用作搀杂源，并在Graseby源上提供额外的优势，该优势在于作为选择地或最优地产生特定搀杂成份的方法，其频率，幅度，直流偏置，波形和偏压都可被控制。

现在将参考附图以作为例子来描述本发明的实施例，其中

图1示出了可操纵电极离子源和反馈装置。

图2示出了连接到离子移动能谱仪时的图1中的放电源。

图3示出了使用射频电离源的RDX和PETN的离子移动光谱。

图4示出了从射频源和⁶³Ni放射源获得的RDX和PETN源的比较关系。

图5示出了扩展源装置。

图6示出可扩展源装置的不同结构。

图1中所示的射频离子源包含阴极1和可操纵阳极2。该放电电极(1，2)由1mm直径的钽线(可从Goodfellow Cambridge Ltd买到)构成，但是应该理解，任何合适直径的电导体都可以代替，该电极(1，2)的顶端被加工成针尖状。

电极2(接地端)连接到装置3，用于在相对电极1的任意方向上操纵电极2。反馈装置4通过合适的功率表监控正向功率，并相对电极1自动调整电极2的位置，以便提供不变的等离子放电。(注意：在可选的装置中，电极1可以相对电极2移动。)

连接装置5提供给电极1，并可操作地连接到射频信号源6。除了其射频放大器(未示出)用于为从1托下0.1W到1大气压下1W的范围内的特定系统提供放大以外，该连接装置5和现有技术离子源中使用的基本上相似。

该射频离子源位于电离室7内，该电离室有入口8和出口9。

图2中示出了一种图1的离子源适用的应用的例子。这里，射频离子源可操作地连接到离子移动能谱仪(IMS)。离子移动能谱仪是一种用于轨迹探测，特别是爆炸物和毒品探测的很有用的技术(注意：在IMS中，放射源传统上被用作电离源)。图2中示出的IMS包含三个主要区域：射频离子源20，漂移空间30和气流系统(38，39，46)。

待测试的样本放置在伸入射频源区域的样本探针40上。连接到电源43的加热导线42用于快速蒸发样本。气流系统的一个臂44穿过空气进入射频源室7，以便将蒸发的样本传输进电离源20的区域。(注意：图2中示出的射频离子源和图1中示出的一样，同样的数字用于描述同样的特征。)

射频放电源位于离选通栅32大约15mm的位置，该选通栅将射频源20和漂移空间30隔开。在使用中，该选通栅32阻止离子进入漂移空间30，除非当施加电压脉冲以打开该选通栅很短的一段时间(＜1ms)时，才允许射频源内形成的离子样本进入漂移空间。

漂移空间30包含一组在漂移空间30内产生电场梯度的环形电极34。在工作中，该电场梯度将吸引离子通过该空间到达探测器36(法拉第杯状探测器)。空气通过入口38和46进入漂移空间，并通过出口39出去。反气流38对电场提供了反作用力，加强了离子移动识别力。

图3示出了用射频离子源产生的一组RDX和PETN样本的负移动IMS光谱(对应不同数量-图中标出)。表示RDX的峰值(50a，50b，50c，50d)和表示PETN的峰值(52a，52b)的区别很清楚。

图4示出了射频源和⁶³Ni放射源的结果比较(用1mg样本获得的结果)。很明显，两种光谱记录的峰值在同样的电离形式中产生(峰值54a和54b表示RDX，峰值56a和56b表示PETN)，对于放射源来说射频离子源是一种可行的选择。

图5示出了一组三阳/阴电极对(60，61；62，63；64，65)，该电极对串联建立，以便产生扩展电离区(用虚线66表示)。这种扩展电离区对于快速流动或快速取样系统，甚至探测超声波气流都是合适的。其用途的一个例子是在使用商业质谱仪分析之前，用快速气体取样系统如大气取样。有经验人士可以理解任意数量的电极对可以被连接在一起。在快速流动系统中，每对电极将被相类似配置并且可能只需要一个射频源，放大器和匹配电路。当作另一种使用时，该多电极对系统将有为不同的电离形式建立的相邻的电极对，不同的电离形式提供多功能性，能快速地从一种形式转换到另一种形式。例如，这允许快速地从阳离子形成模式转换到阴离子形成模式。在实践中，对于每对电极，这需要不同的射频源，射频放大器和匹配电路，每对电极也可由不同的材料制成，有不同的尺寸。

图6示出了另一种多阳/阴电极对(70，71；72，73；74，75；76，77)排列，该电极对被放置成环形排列。对于特定的情况，如需要电离流过大横截面区的气体或者电离需要相对温和，因此只包含很小区域的情况，这种排列将提供更大的放电区域。

Claims (16)

1.射频离子源，该离子源包含拥有一个阴极和一个阳极的一对放电电极，该阳极用于提供等离子放电可能发生的表面区域，该区域基本不大于放电可能发生的阴极区域，以及可操作地连接到阴极以连接阴极和射频信号源的连接装置，其中该离子源还包含操纵一个或两个电极以调整电极间隔，使得在工作中可控制等离子放电的装置。

2.如权利要求1中所要求保护的射频离子源，其中用于操纵一个或两个电极的装置能够在三个垂直的运动方向操纵一个或两个电极。

3.如权利要求1或2中所要求保护的射频离子源，其中该电极是可移动的，以便限定两者之间的间隔为0-5mm。

4.如上述任何一项权利要求中所要求保护的射频离子源，其中用于操纵一个或两个电极的装置可操作地连接到反馈装置，以便提供稳定不变的离子源。

5.如上述任何一项权利要求中所要求保护的射频离子源，其中该电极由具有高熔点，良好热导性和在空气中最小腐蚀性的材料制成。

6.如权利要求5中所要求保护的射频离子源，其中该材料是钽。

7.如上述任何一项权利要求中要求保护的射频离子源，其中该电极被做成针尖状。

8.扩展射频离子源，该离子源包含一组依照上述权利要求中任何一项的放电电极对，和用于连接每个阴极和射频信号源的连接装置，其中该组电极对排列成线性结构。

9.扩展射频离子源，该离子源包含一组依照权利要求1到7中任何一项的放电电极对，和用于连接每个阴极和射频信号源的连接装置，其中该组电极对排列成环形结构。

10.如权利要求8或9所要求保护的扩展射频离子源，其中每个电极对有自己的射频信号源和连接装置。

11.如权利要求8到10中的任一项所要求保护的扩展射频离子源，其中该组电极对中的不同电极对被用于提供不同的放电特性。

12.如权利要求8到11中的任一项所要求保护的扩展射频离子源，其中射频频率是固定的。

13.如权利要求8到12中的任一项所要求的扩展射频离子源，其中该离子源还包含用于操纵一些或所有电极的装置。

14.如上述任何一项权利要求中所要求保护的射频离子源或扩展射频离子源，其中该离子源可操作地连接到另一系统，如离子移动光谱仪或选定的离子流管或场离子流管或质谱仪。

15.如上述任何一项权利要求中所要求保护的射频离子源或扩展射频离子源，其中该离子源被用作搀杂源。

16.基本上如前面参考附图中的图1到图6描述的射频离子源。

Images