CN1925103B - 优化场形多极杆系 - Google Patents

Abstract

本发明提出的优化场形多极杆系包括一个多极杆和一组连接到多极杆各极杆的电源，其中，各极杆为柱面体结构，其柱面为由平行于z轴并沿电极准线f(x，y)＝0移动的直线段L所描绘出的轨迹，电极准线f(x，y)＝0具有分段函数的形式，利用一组通过分段函数各分界点的平行平面可将电极解析为至少三个薄层单元。通过采用此类可解析为多个薄层单元的电极，可提供一种具有优化场形、结构灵活、易于加工、生产成本低廉的多极杆系。本发明所提出的多极杆系可用于四极质量分析器区域，如，四极杆质量分析器的四极杆，也可用于质谱仪器的其他离子光学系统，如作为离子透镜或离子导引系统的四极杆、六极杆、八极杆等。

Description

优化场形多极杆系

技术领域

本发明涉及质谱分析技术领域，特别是质谱仪器的离子聚焦系统和离子导引系统中的一种具有优化场形且易于加工的多极杆系。

背景技术

质谱仪器中还常常涉及到离子光学系统中的多极杆系。四极质量分析器通常包括四极杆质量分析器和离子阱质量分析器，以四极场为基本工作条件。此外，在质谱技术领域中，还常采用多极杆系作为离子光学系统，如采用二极杆、四极杆、六极杆、八极杆等作为离子透镜或离子导引系统，此类多极杆区域内的场形对于离子传输和聚焦等都具有重要意义。

已有的多极杆系的极杆多为圆柱杆或双曲杆。双曲杆是公认的难以实现高精度的加工与装配的极杆。圆柱杆虽可实现高精度的加工，但却难以实现高精度的装配。多极杆的加工与装配成为了限制其性能的重要因素。

美国专利6441370B1提出了一种矩形线性多极杆，可用作离子导引、离子阱。该多极杆采用截面为矩形的极杆，矩形极杆的表面叠加了一个表面层，该表面层起到改善场形的作用。采用矩形极杆，多极杆的加工与装配将大大简化，但该专利并未给出改善场形的具体实现方式，表面层只能定性改善场形，无法实现有效定量改善场形。

早期的场形研究结果认为高阶场的引入将会破坏四极质量分析器的质量分辨率，而最新的研究成果表明，恰当的引入高阶场分量，可有效改善四极质量分析器的分辨率。如，美国专利6897438 B2中通过改变四极杆系参数，如，两对极杆的杆半径或场半径之比，在四极场中引入八极场，改善了质量分辨率。该专利只给出了在四极场中引入八极场的一种方法，即改变极杆半径或场半径，并未给出适用于引入其他高阶场的实现方法。

无法实现所需的多极场形，无法实现多极杆系的高精度机械加工，包括高精度的加工和装配，将会严重影响多极杆系的性能，从而影响质谱仪器的离子光学系统。因此，有必要探索一种具有优化场形、结构灵活、易于加工、生产成本低廉的多极杆系，以构建性能稳定、可准确控制离子轨迹的离子光学系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有优化场形、结构灵活、易于加工、生产成本低廉的多极杆系，以构建性能稳定、可准确控制离子轨迹的离子光学系统。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种优化场形多极杆系。

该优化场形多极杆系包括：一个多极杆，各个极杆平行于中心轴z轴；一组连接到多极杆各极杆的电源，提供多极杆系所需的电压，实现离子的聚焦或导引。

优化场形多极杆系与已有多极杆系的区别在于：各极杆为柱面体结构，其柱面为由平行于z轴并沿电极准线f(x，y)＝0移动的直线段L所描绘出的轨迹，电极准线f(x，y)＝0具有分段函数的形式，利用一组通过分段函数各分界点的平行平面可将电极解析为至少三个薄层单元。此类电极称为“可解析为多个薄层单元的电极”。本申请中所提的“多”个薄层单元均指至少三个薄层单元。

优化场形多极杆系各极杆的布局可以采用对称方式：在xy平面内以z轴为圆心，各间隔相同圆心角固定在同一圆周上；也可以采用非对称的方式。

优化场形多极杆系的电源连接到各极杆，可提供直流信号，或射频信号，或其他波形信号，或多种信号的组合，以实现离子的聚焦和传输等。

优化场形多极杆系极杆的薄层单元的表面可以包括平面、圆柱面、双曲面或椭圆面，或这些曲面的组合。薄层单元可以是矩形平板、矩形块等规则形状体，也可以是柱面由一对平行平面与圆柱面、双曲面、椭圆面或其他曲面组合而成的柱面体。电极准线可以构造出多种柱面形状，通过选择适当的分段函数，即采用适当的薄层单元，可组合得到生成优化电场场形所需的多极杆电场边界条件。

优化场形多极杆系的极杆可以采用分别加工各个薄层单元，然后将各薄层组合起来的加工方式；也可以采用整体加工的方式一次加工各薄层单元组合而成的电极表面，即所加工的电极为具有所需表面的一体式电极。

本申请中的优化场形多极杆系可以是由四个极杆组成的四极杆系，六个极杆组成的六极杆系，或八个极杆组成的八极杆系。

本申请所提出的由多个可解析为多个薄层单元的电极组成的优化场形多极杆系既可用于四极质量分析器区域，也可用于质谱仪器的其他离子光学系统。

本申请提出的优化场形多极杆系采用了可解析为多个薄层单元的电极。可解析为多个薄层单元的电极的设计过程可以是：根据所需场形，确定薄层单元的类型并据此建立计算模型，通过改变薄层单元的尺寸参数、层数等条件获得优化场形，并由此确定电极的边界条件和最佳组合方案。薄层单元可具有任意表面形状，从获得好的加工与装配精密度方面考虑，可采用形状简单、易于加工装配的薄层单元，如表面由平面、圆柱面等组合而成的电极。

采用易于加工的可解析为多个薄层单元的电极，可灵活、便利的实现所需的优化场形。薄层单元可具有任意表面形状，通过改变电极的层数和各薄层的参数，可便利的改变电极的表面形状，即改变电场的边界条件，从而实现场形的优化。该方法不仅适用于质量分析器内的四极杆系，还适用于质谱仪器其他离子光学系统所涉及的多极杆系，如离子聚焦和离子导引系统中常用的四极杆系、六极杆系、八极杆系等多极杆系。

总之，采用薄层单元组合而成的电极，可解决已有多极杆系的理想场形与极杆加工装配之间的矛盾，同时，还可根据多极场理论研究的成果，方便、灵活地实现所需场形的电极边界条件，将多极场理论成果有效地转化为实际装置。本申请提出的优化场形多极杆系为四极质量分析器和质谱仪器其他离子光学系统提供了一种可实现场形优化、易于加工、成本低廉的切实可行的实施方案。

附图说明

图1：利用可解析为多个薄层单元的电极组成的优化场形四极杆系的示意图。

图2：利用可解析为多个薄层单元的电极组成的优化场形六极杆系的示意图。

图3：利用可解析为多个薄层单元的电极组成的优化场形八极杆系的示意图。

图4：可解析为多个薄层单元的电极的示意图。

图5：典型薄层单元组合示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细说明。

图1、2和3分别为利用可解析为多个薄层单元的电极组成的优化场形四极杆系、六极杆和八极杆的示意图。

可解析为多个薄层单元的电极为柱面体结构，如图4所示，其柱面是由平行于定直线并沿电极准线f(x，y)＝0移动的电极母线L所描绘出的轨迹。电极准线f(x，y)＝0具有分段函数的形式，利用一组通过各分界点的平行平面可将电极解析为至少三个薄层单元。

电极准线具有分段函数的形式，相邻两个分界点之间的曲线可以是任意函数，即沿分界点解析而成的薄层单元其柱面可包含任意曲面，如平面、圆柱面、双曲面、椭圆面，等等。如图5所示，薄层单元可以是矩形平板、矩形块等规则形状体，也可以是柱面由一对平行平面与圆柱面、双曲面、椭圆面或其他曲面组合而成的柱面体。电极准线f(x，y)＝0可以构造出多种柱面形状，通过选择适当的分段函数，即采用适当的薄层单元，可组合得到生成优化电场场形所需的电场边界条件。可解析为多个薄层单元的电极的加工可采用分别加工各个薄层单元然后将个薄层组合起来的方式，也可以根据电极准线和电极母线所确定的电极参数采用整体加工的方式。

在实际加工中，要获得理想的双曲表面是相当困难的，这就大大限制了四极杆质量分析器的分析性能。利用多个薄层单元可组合得到所需的RF电极。通过增加薄层单元的层数，调整各薄层单元的尺寸参数，可实现场形的优化。从理论上，当薄层单元的厚度趋于无限小时，可组合得到具有理想双曲截面的RF电极。在实际加工中，薄层单元将具有确定的厚度，当各薄层单元具有确定的形状和参数时，利用数值模拟的方法，可计算出可解析为多个薄层单元的电极组成的四极杆内的场形。反之，通过数值模拟的方法可获得最佳场形所对应的极杆参数，如层数、薄层尺寸等，由此可加工出具有优化场形的RF电极。RF可解析为多个薄层单元的电极可采用形状简单、易于加工装配的薄层单元，如表面由平面、圆柱面等组合而成电极，从而大大提高加工与装配的精度，同时也可大大降低离子阱的生产成本。

本发明所涉及的多极杆系可用于四极质量分析器区域，如，四极杆质量分析器的四极杆，也可用于质谱仪器的其他离子光学系统，如作为离子透镜或离子导引系统的四极杆、六极杆、八极杆等。

优化场形多极杆系作为离子聚焦或离子导引等光学系统时，可在极杆上接入DC直流电压、RF射频电压或其他波形的电压，实现离子的聚焦和传输。

本发明所提的优化场形多极杆系采用可解析为多个薄层单元的电极。电极的设计过程可以是：根据所需场形，确定薄层单元的类型并据此建立计算模型，通过改变薄层单元的尺寸参数、电极层数等条件可获得具有确定贡献分量的多极场的混合场，即所需的优化场形，并由此确定电极的边界条件和最佳组合方案。

薄层单元可具有任意表面形状，从获得好的加工与装配精密度方面考虑，可采用形状简单、易于加工装配的薄层单元，如表面由平面、圆柱面等组合而成的电极。采用薄层单元组合而成的电极，可解决已有多极杆系的理想场形与极杆加工装配之间的矛盾，同时，还可根据多极场理论研究的成果，方便、灵活地实现所需场形的电极边界条件，将多极场理论成果有效地转化为实际装置。

从上述对具体实施方式的说明可知，可解析为多个薄层单元的电极组成的多极杆系可方便、灵活地实现电极边界条件的优化，并由此优化多极杆系内的电场场形，将多极场理论研究成果有效转化为实际装置，从而为四极质量分析器和质谱仪器其他离子光学系统提供了一种可实现场形优化、易于加工、成本低廉的切实可行的实施方案。

Claims (7)

1.一种优化场形多极杆系，包括：一个多极杆，一组电源；所述多极杆各极杆平行于中心轴Z轴；所述电源连接到多极杆上，提供多极杆系所需的电压；

其特征在于：所述各极杆为柱面体结构，其柱面为由平行于Z轴并沿电极准线f(x，y)＝0移动的电极母线L所描绘出的轨迹，电极准线f(x，y)＝0具有分段函数的形式，相邻两个分界点之间的曲线是任意函数，即沿分界点解析而成的薄层单元其柱面形状至少包含平面、圆柱面、双曲面、椭圆面或其组合，利用一组通过分段函数各分界点的平行平面将电极解析为至少三个薄层单元；

其中，所述的解析为至少三个薄层单元的电极的加工方式为，分别加工各个薄层单元然后将各薄层组合起来，或采用整体加工的方式加工薄层单元组合而成。

2.根据权利要求1所述的优化场形多极杆系，其特征在于：所述各极杆在XY平面内以Z轴为圆心，各间隔相同圆心角固定在同一圆周上。

3.根据权利要求1所述的优化场形多极杆系，其特征在于：所述电源提供直流信号或射频信号，或二者的组合。

4.根据权利要求1所述的优化场形多极杆系，其特征在于：通过改变薄层单元的参数可获得具有确定贡献分量的多极场的混合场。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的优化场形多极杆系，其特征在于：所述多极杆包括四个极杆，组成四极杆。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的优化场形多极杆系，其特征在于：所述多极杆包括六个极杆，组成六极杆。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的优化场形多极杆系，其特征在于：所述多极杆包括八个极杆，组成八极杆。

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