CN202694819U - 切分离子束的装置和质谱仪系统 - Google Patents

切分离子束的装置和质谱仪系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及切分离子束的装置和质谱仪系统，并公开了带有加速和减速光学器件的离子切分器，该离子切分器：a)向包括离子入口狭缝的第一电极加速离子束，第一电极阻碍一部分相对于离子束的轴具有高位移的离子，从而切分离子束；并且b)在离子束被切分后减速所述离子束。

Description

切分离子束的装置和质谱仪系统
技术领域
本申请涉及离子切分器(ion slicer)。 
本申请要求2012年2月28日提交的美国临时申请No.61/447,624的优先权，该临时申请通过引用方式合并于此。 
背景技术
质谱仪被用于测定物质的化学组成和分子结构。质谱仪由产生离子(如产生离子化的中性分子)的离子源、质量分析仪及离子检测器组成。举例来说，质量分析仪可以是飞行时间(TOF)质量分析仪。TOF质量分析仪可通过测量化合物的分子和/或碎片离子通过一定的距离所用的时间来用于记录化合物或者化合物的混合物的质谱。 
在正交飞行时间质谱仪器中，有时有必要控制正在接近正交加速区的离子束的能量。在这种情况下，离子束的轴向能量可被控制以保证离子在通过自由飞行区之后撞击检测器，并获得良好的分辨率。虽然飞行时间质谱仪的脉冲发生器(pulser)中的离子的垂向(vertical)位置能够用空间聚焦技术来补偿，但是垂向的能量导致了引起低分辨率的回转时间(turn-around-time)问题。因此典型地，为了实现高分辨率，离子束被“切分(slice)”以去除那些向上和向下具有过度的垂向速率的离子。这通过让离子束经过板中的狭缝以使这些离子撞击板并失去其电荷来实现。 
实用新型内容
[技术问题] 
飞行时间测定对包括离子束尺寸和发散的离子束相空间尤其敏感。为了提高离子束的质量，通常使用离子切分器阻碍相对于离子束的轴具有特别高发散度和/或高位移的离子。这种离子切分器从而限定了正在进入质谱仪的离子束的相空间。切分之后，被切分的离子束(在一定距离内类似于概念上的离子“带 (ribbon)”，因为离子束的顶部和底部已经被去除了)进入飞行时间谱仪，并且离子被脉冲输送(pulse)至TOF谱仪的飞行管。在一些实施例中，离子在正交方向上(例如相对于带的平面向上)被脉冲输送至飞行管。切分从离子束中去除了在脉冲方向上具有显著能量的离子，并且允许更多的离子的部分从飞行管中同样的起点被脉冲输送。这些特点导致了质谱仪分辨率的增加。 
质谱仪的性能的另一个特性是操作的稳定性，切分器的工作表面上待分析分子的堆积可能潜在地损害操作的稳定性。这种堆积随后导致这些表面累积电荷，而这将引起离子束偏转。例如，如果切分器的工作表面变脏并且累积电荷，离子束将被偏转或散焦。离子的低速增强了这种效应。 
相对于在下游的飞行时间质谱仪的脉冲发生器区域内使用的电压，传统的切分器的电位典型地在范围0至10V，而脉冲发生器区域内的离子的轴向动能典型地低于40eV。结果，离子的速率相对偏低，这将导致上面描述的一些问题。 
[技术方案] 
在第一方面，本实用新型提供了一种切分离子束的装置，其特征在于包括：a)具有离子入口狭缝的第一电极，设置为工作于使正在接近所述狭缝的初始离子束中的离子加速的电压下；其中所述狭缝的宽度选择为阻碍一部分相对于该离子束的轴具有高位移的离子；以及b)所述第一电极下游的一个或多个透镜，设置为工作于使离子减速的一个或多个电压下，其中所述一个或多个透镜的几何构成和电位分布提供相对于所述轴具有低发散度的离子束。 
其中，第一电极具有把所述初始离子束中的离子的能量增加2倍至50倍的电压，并且所述一个或多个透镜把被加速的离子的能量减少到1/2至1/50。 
其中，所述初始离子束的能量范围为1eV至50eV的范围内。 
其中，当离子穿过所述一个或多个透镜时，所述离子在离子束的包含纵轴的平面中交叉。 
其中，所述第一电极的离子入口狭缝的宽度在0.6mm至1.2mm范围内。 
其中，所述第一电极的离子入口狭缝的宽度在0.1mm至10mm范围内。 
其中，所述一个或多个透镜包括：i第一透镜，设置为工作于使进入所述第一透镜的离子减速的电压下；ii第二透镜，设置为工作于使进入所述第二透镜的离子加速的电压下；并且其中该装置进一步包括具有离子出口狭缝的第二电极，所述第二电极工作于使离子减速的电压下；其中所述装置被设置为使初始 离子束被所述第一电极切分以产生被切分的离子束，并且所述被切分的离子束在经过所述离子出口狭缝离开所述装置之前通过所述第一和第二透镜。 
其中，所述第一电极带有刃片并且包括：a)本体；b)与本体相接的第一延伸刃片；以及c)与本体相接的第二延伸刃片；其中，该离子切分仪包括延伸入所述本体的、供离子通过的狭缝，并且其中，所述第一和第二延伸刃片的边缘限定了所述狭缝的入口，这些边缘朝向所述离子束。 
在第二方面，本实用新型提供了一种质谱仪系统，其特征在于包括：a)用于产生离子的离子源；b)用于引导所述离子的离子束的离子导管；c)用于对离子进行分析的飞行时间质量分析仪，其中所述飞行时间质量分析仪包括用于在与所述离子束的纵轴正交的方向上脉冲输送离子的脉冲发生器；以及d)在所述离子导管和所述飞行时间质量分析仪之间的、如本实用新型第一方面所述的切分离子束的装置，所述装置阻碍一部分相对于所述脉冲方向上的离子束的轴具有高位移的离子。 
[技术效果] 
此处描述了一种“快速狭缝”切分器，也就是，含有离子高速通过的狭缝的离子切分器。离子以相对于穿过传统离子切分器的离子的10倍或更高的能量通过快速离子切分器的狭缝。结果，离子切分器的寿命可以增加至10倍，因为充电的效应与离子的动能大致成反比。 
附图说明
附图被合并于此，作为说明书的一部分。连同下述描述，附图进一步用于解释所要求保护的系统和方法的原理，并使本领域技术人员能够制造和使用所要求保护的系统和方法。 
图1示意性地图示了一种典型的快速狭缝离子切分器的光学组成部分。 
图2示意性地图示了另一种典型的快速狭缝离子切分器的光学组成部分。 
图3示意性地图示了一种带有快速狭缝切分器的质谱系统。 
图4示意性地图示了一种带有刃片的切分器的一个实施例。 
图5示意性地图示了带有刃片的切分器的另一个实施例。 
图6示出了一种示例性的带有刃片的切分器的透视图。 
具体实施方式
本申请中描述了一种“快速狭缝(fast slit)”离子切分器。该装置大体包括：a)包含离子入口狭缝的第一电极，该狭缝处于使正在接近该狭缝的初始离子束加速的电压下；其中该狭缝的宽度选择为阻碍一部分相对于离子束的轴具有高位移的离子；b)位于该第一电极之后的一个或多个透镜，处于一个或多个使离开该一个或多个透镜的离子减速的电压下。该一个或多个透镜的几何构造和电位分布提供在所述轴的方向上具有低发散度的离子束。 
还提供一种质谱系统，在特定的实施例中，该质谱仪系统包括：产生离子的离子源；引导离子束的离子导向器；快速狭缝离子切分器；和用于分析离子的正交飞行时间(TOF)质量分析仪。 
最后，提供一种切分低能量离子束的方法。概括地，该方法包括：把低能量离子束向包括离子入口狭缝的第一电极加速，其中该第一电极阻碍一部分相对于离子束的轴具有高位移的离子，从而切分该离子束；以及，把切分之后的离子束减速。 
本申请中，术语“垂向”和“横向(transverse)”可互换地用于表示质量分析仪的离子在下游的正交飞行时间内飞行的方向。术语“水平”指与离子束的垂向轴和纵向轴都垂直。 
通过向包含狭缝的电极提供高电位，离子能够被朝向狭缝加速。该电位可以高达500V，但是典型地在100V至300V的范围内。快速狭缝能够被安装在距TOF质谱仪的脉冲发生器区域一个选定的距离。快速狭缝和脉冲发生器之间的距离应当足以容纳下述光学元件：这些光学元件用于使离子减速至适于飞行时间分析器分析的较低能量。飞行时间质谱仪的脉冲发生器中离子的轴向动能通常在10eV至50eV范围内。在一个具体的实施方式中，该距离在30至60mm的量级，但这个范围之外的距离在许多情况下也是可以的。该减速光学元件不仅向飞行时间分析仪提供较慢的离子束，还重建低横截面积和在“垂向”轴向上具有低的角发散度的合适的离子束相空间，也就是，在与脉冲输送至后面的正交飞行时间分析仪的同一个方向上。 
在特定实施例中，快速狭缝离子切分器包括：a)包含离子入口狭缝的第一电极，该狭缝处于使正在接近该狭缝的相对低能量的初始离子束加速的电压下。如上所述，该狭缝的宽度选择为阻碍一部分相对于离子束的轴具有高位移的离 子。快速狭缝离子切分器还包括：b)位于该第一电极下游的一个或多个透镜，提供使离子减速的电场。该一个或多个透镜的几何构造和电位分布提供在垂向轴向上低发散的离子束，从而提供被切分的离子束。切分的离子束可以是带状。在特定的实施例中，第一电极(也就是，含有快速狭缝的第一电极)可以具有把初始离子束的离子的能量增加2倍至50倍的电压，并且该一个或多个透镜处于一个或多个使加速的离子的能量减少至1/2至1/50的电压下，由此产生具有低能量和适于飞行时间分析的几何形状的离子束。初始离子束具有范围为10eV至50eV的能量。 
在一个实施例中，当朝向第一电极加速时阴离子束被允许扩张，并且离子束中只有含有与轴有较短距离的离子的部分通过快速狭缝。在此种配置中，快速狭缝可以比通常用于传统切分器的狭缝更宽(也就是说，其可以具有例如0.6mm至1.2mm的宽度范围)，这通过把污染分布到更大的面积上并减小离子束附近由电荷导致的电场，而进一步地提高了切分器的寿命。在一些实施例中，第一电极的离子入口狭缝的宽度可以在0.1mm至10mm范围内，例如，在0.5mm至2mm范围内。通过快速狭缝之后，可以利用多种多样的透镜构造来恢复低能量和平行度。在特定实施例中，快速狭缝下游的这一个或多个透镜包括一对相对设置的平板电极(这些平板电极的表面相对于飞行管方向设置在x-y平面上)。相对设置的平板电极之间的距离在某些情况下可以在0.2mm至2cm的范围内，但这一距离可以显著地改变。并且，这些透镜的数量也是可以改变的。 
图1示出了一种快速狭缝离子切分器的例子。如图1所示，该装置的一种实施方式可以包括：a)第一电极20，包括处于使初始的、低能量的离子束24(例如，脱离离子导管(ion guide)26的离子束)加速的电压下的离子入口狭缝22，如上所述，该狭缝的宽度被选择为阻碍一部分相对于离子束的轴具有高位移的离子。本实用新型装置的实施方式还包括：i.第一透镜28，例如，包括第一对相对设置的平板电极，其处于使进入该第一透镜的离子减速的电压下；ii.第二透镜30，例如，包括第二对相对设置的平板电极，其处于使进入该第二透镜的离子加速的电压下。该装置可以包含具有离子出口狭缝34的第二电极32，该电极处于使离子减速的电压下。该装置被设置为使离子束被该第一电极切分以产生切分的离子束，并且该被切分的离子束在以相对低的能量通过该离子出口狭缝脱离该装置之前通过第一和第二透镜。在一个实施例中，该入口狭缝22被保 持在高电压下(例如，在100V至500V范围内，例如，200V)以提供高离子速率，第一透镜28处于使离子减速的较低电压下(例如，在0V至200V范围内，例如，70V)。第二透镜30被保持在高电位(100V至500V范围内，例如，200V)，并且，最终，切分器出口电极32处于与下游的正交飞行时间质谱仪的离子脉冲发生器平板的电压相似的低电位(可以在0V至15V范围内)。所有电压具有与被分析离子的符号相反的符号。 
出口狭缝34的宽度在某些情况下可以大于传统离子切分器的狭缝的宽度，目的是防止任何显著量的离子与透镜相撞。在这种配置中，出口狭缝的污染和充电可以较少或没有。作为优选，出口狭缝可以被去除，只要切分器的气体电导足够低以至于防止了TOF MS分析仪内的高压。 
SIMION模拟(未示出)显示了所需的离子束的低横截面和发散能够通过选择合适的透镜元件的电压来重建。模拟表明离子束的相空间与包括两个相似尺寸的狭缝的传统切分器一样好。另外，第一狭缝的设计在总体传输方面提供了改进，并且没有损害TOF MS分析的分辨率。 
在某些情况下，并且如图1所示，在离子束通过本实用新型的装置时，离子的轨迹在某些情况下可以在离子束的水平维度交叉(cross-over)。特别地，如果离子束行进的方向是x方向，离子束的宽度是y方向，那么离子可以沿z方向即垂向(向上和向下)与包含该离子束纵轴的水平面交叉，而不与包含该离子束纵轴的垂向平面交叉。换句话说，离子可以从经过切分的离子束的上半部的位置移动至切分的离子束的底部的同等位置，而没有显著的侧向移动(例如，没有从离子束的一侧移动到另一侧)。如果离子束具有狭窄的交叉，可能有空间电荷引起的问题。但是在通常的操作条件下这是不可能的。而且，任何交叉将会发生在高离子速率和低离子密度的区域，这也减少了空间电荷效应的可能性。 
为了解决这种可能的交叉问题(如果它成为问题的话)并提供所希望的离子束形状，一个或多个下游的透镜形状将被设计成使得水平方向上没有交叉。例如，模拟表明使用具有相对设置的平行电极的透镜使离子束仅在一个方向上交叉，这显著地减少了空间电荷问题。同时，所造成的离子束在水平方向上的发散仍然足以保持灵敏度。 
图2表示了一种更详细的光学元件的结构，它不仅提供如上所描述的部件(也就是，离子导管26，第一电极20，包括处于使离子加速的电压下的离子入 口狭缝22，包括处于使进入第一透镜的离子减速的电压下的第一透镜28；处于使进入第二透镜的离子加速的电压下的第二透镜30；包括离子出口狭缝34的第三透镜32)，还加入了包括前狭缝42的“前”电极40。在一个实施例中，前狭缝的两侧可以被设置在稍微不同的电压，这提供了在垂向上操纵离子束的可能性。这提供了一种方式来补偿任何可能的光学元件机械失准，并且在离子束进入TOF提取区域之前实现了离子束的优化的方向。前狭缝的尺寸可以足够大，使很少或没有离子的轨迹与前电极相撞。 
另外，两个另外的DC电压元件可以被紧接着定位在离子导管之后和前狭缝之前，例如，小直径的圆形透镜电极44和较大的圆柱形元件46。它们的作用可以是提供对RF场的屏蔽，以及初始离子束的形状。 
前狭缝的形状可以被用于控制离子束的几何形状。模拟表明水平和垂向维度(孔的“水平”维度是指与第一电极的狭缝相同方向上)上具有大约2∶1比例的狭缝提供改进的离子束几何形状，并且导致满意的传输。还发现，与相对更接近方形的开口(例如，比例为5∶4或4∶4)相反，这种配置对切分器的元件的水平失准具有低敏感性。 
表1概括了在一种配置中，一系列可能的针对不同光学元件的电压设置，它们可以提供足够的性能。这些电压仅仅举例说明了一系列可能的电压。人们利用的实际的电压可以依赖于使用目的和光学系统的具体形态而非常不同。作为例子，使用的快速狭缝的宽度可以为0.6mm至1.2mm，前狭缝尺寸能够在很大的数值范围被优化(例如包括8mm×4mm，但更大或更小的尺寸也可以使用)。在该系统中离子的速率可以被离子导管中的电压限制，因为这是它们经历与气体的多重撞击之处的最后元件。所有电压是相对于离子脉冲发生器的基准板的。显而易见，此处所述的电压的极性(也就是，电压是正还是负)可以依赖于被分析离子的电荷而变化。 
Figure DEST_PATH_GSB00000926848700071
在一个实施例中，可以对切分器的光学器件上的电压设置进行调节，使得在狭缝之前离子束的发散被修正，并且被阻碍的离子束的量可以改变。这提供了一种改变下游的质谱仪的分辨率和灵敏度的方式。特别地，如果离子束在狭 缝之前被发散的越多，传输的空间相的部分越小。结果，高分辨率得以实现，尽管损失了一些灵敏度。相反地，在狭缝之前更高的校准将会提供高灵敏度而降低分辨率。作为一个例子，离子束的较小的发散能够通过设置前狭缝更低的绝对值(30-40V)来实现。 
在另一个实施例中，调节切分器的特定的性能能够通过改变快速狭的尺寸实现。如果狭缝的宽度被改变(例如，机械地)，分辨率和灵敏度之间的关系能够被调整。在一个特定的实施例中，该装置具有两个或多个可依赖于特定应用目标来选择的“操作模式”。 
在一个实施例中，快速狭缝，即第一电极，可以具有刃片并可以包括：本体；第一延伸刃片；第二延伸刃片；其中，带有刃片的离子切分器包括延伸入该本体的、使离子经过的狭缝，第一和第二延伸刃片的边缘限定了狭缝入口且指向离子束，如图4示例性所示。 
带有刃片的第一电极的一个例子的横截面如图4所示。带有刃片的第一电极209大体包括：a)本体210；b)第一延伸刃片212；和c)第二延伸刃片214；其中带有刃片的离子切分器包括延伸入本体210的、使离子经过的狭缝214。如图所示，第一和第二延伸刃片216和218的边缘(也就是，尖锐的切割边缘)，各自限定了狭缝的入口220并朝向离子束的方向(也就是，边缘指向离子束的流动反方向)。在如图4所示的特定的实施例中，第一和第二延伸刃片的边缘可以相互平行。在其它实施例中，第一和第二延伸刃片之间的间隔可以变化，在某些情况下可以从狭缝的一端到另一端以渐变或步进的方式增加或减少。通过把刃片从一端到另一端移位，可以向离子束呈现不同的狭缝尺寸以方便灵敏度和分辨率之间的折衷。相似地，使刃片向侧面移位可以用于为离子束提供新的表面以减少充电。在一些情况下，如图4所示，狭缝具有离子入口端和离子出口端，离子出口端宽于离子入口端。在具体情况下，狭缝的壁之间可以具有例如1°-15°的角，使离子出口端宽于离子入口端，这将防止粒子与狭缝的壁撞击。狭缝的宽度可以在0.1mm至10mm之间，可以为了许多目的而使用0.5mm至2mm范围的宽度。带有刃片的离子切分器可以利用导电材料制造，例如，不锈钢或导电陶瓷。带有刃片的切分器可以受到电连接，以提供使进入切分器的离子加速的电压电位，如上文所述。在某些实施例中，至少切分器的刃片具有薄的材料涂层，以改进切分器的表面属性，例如，夹持边缘和/或防腐蚀、硬度或 稳定性。氮化钛是这种涂层的一个例子，其它涂层也可以使用。在某些情况下，这种装置可以是一种利用电火花线切割方法制造的一体结构。刃片的边缘在某些情况下可以具有在0mm至0.1mm之间的半径或倒角。 
在某些实施例中，如图5所示，带刃片的第一电极可以包括第三延伸刃片230和第四延伸刃片232，此处，如图所示，第三和第四延伸刃片的边缘直接朝向离子束，并且各自平行于和最接近于第一和第二延伸刃片。在某些情况下，第三和第四刃片的边缘分别与第一和第二刃片的边缘隔开一定距离，例如，0.05mm至1mm之间，尽管这一距离可以依赖于所希望的应用目的而显著的改变。在特定实施例中，如图5所示，第一和第二延伸刃片的边缘可以相对第三和第四延伸刃片凹进。 
在一些实施例中，带有刃片的第一电极包括至少三个沿着延伸狭缝的两个边延伸的刃片，其中刃片的边缘朝向离子束，并且刃片逐渐向延伸狭缝凹进。图5表示了狭缝的每边包含四个刃片的带有刃片的切分器(刃片232，234，236和238位于狭缝上方，刃片230，240，242和244位于狭缝下方)，刃片均逐渐向狭缝凹进。 
刃片相对于离子束的轴的角可以依赖于实际需要显著改变，每个单独的刃片的边缘的相应的角均可变化。在一个特定的实施例中，刃片的更接近于离子束的纵轴的一边(也就是，刃片的更接近狭缝的边)相对于离子束的纵轴呈10°至30°范围的角。在某些情况下，距离子束的纵轴更远刃片的一边(也就是，刃片的距狭缝更远的一边)可以在某些情况下相对于纵轴具有1°至60°范围的角。 
图6为包含多个刃片的带有刃片的第一电极的一个例子，从离子出口边(顶部)至离子入口边(底部)。如图6所示，狭缝214延伸入本体210，切分器的离子入口端的狭缝的入口由延伸刃片216和218限定。从图6还可看出，带刃片的狭缝，刃的边缘的长度，远宽于粒子束的宽度，因此允许狭缝周期性侧向移动，将新的带刃片的表面面向离子束。 
还提供质谱仪系统。在某些实施例中，该系统包括：用于产生离子的离子源；用于引导离子束的离子导管；包括如上所述的快速狭缝的用于切分离子束的切分器。如上所述，该切分器可以包括：a)包含离子入口狭缝的第一电极，该狭缝处于使正在接近该狭缝的初始离子束加速的电压下；其中该狭缝的宽度选择为阻碍一部分相对于离子束的轴具有高位移的离子；以及，b)位于该第一电 极下游的一个或多个透镜，处于一个或多个使离开该一个或多个透镜的离子减速的电压下；其中该一个或多个透镜的几何构造和电位分布提供垂向轴上低发散的离子束，由此保持被切分的离子束的带状形态。该质谱仪系统还包括用于分析离子的正交飞行时间(TOF)质量分析仪。在某些情况下，至少切分器的电压中的一个可以被调节以提供该TOF质量分析仪的较高的灵敏度和较低的分辨率，或者较低的灵敏度和较高的分辨率。在特定的情况下，离子导管的离子出口端与该装置的离子入口狭缝间隔一定距离，以提供对离子束轴向上具有限定的发散的离子的阻碍。当利用不同的电压时，在某些实施例中，离子导管可以处在5V至50V范围的电压下；第一电极可以处在100V至500V范围的电压下；并且一个或多个透镜可以处在0V至200V范围的电压下。该系统在某些实施例中还可以具有位于离子导管和第一电极之间的，具有孔的用于成型和/或引导离子束的第二电极。该孔在某些情况下在水平轴上的宽度可以宽于垂向轴上的宽度。该质谱仪系统可以进一步包括在离子导管和第二电极之间的环形电极和圆柱电极，以提供RF屏蔽和/或修正初始离子发散。 
如上所述的快速狭缝离子切分器能够用于任何质谱仪系统，尤其是正交飞行时间质谱仪。这种系统的得很多例子是广为人知的。图3示出一种串联质谱仪100(四极/飞行时间或q-TOF)，其包括飞行时间(TOF)质量分析器和如上所述的快速狭缝切分器。图3示出了本实用新型快速狭缝切分器在一个单独的示例性的装置中相对于其它器件的位置。图3中所示的元件的其它结构对本领域技术人员来说是显而易见的。 
如图3所示，串联质谱仪100包括离子源110，其在下游的末端具有过滤器115，用于过滤引入到质谱仪的真空室中的离子。在第一真空室120，待分析离子被引导穿过八极杆，离子透镜123和第一质量分析仪124。在第一质量分析仪124未被去除的离子通过一个孔进入第二真空室130。第二真空室130顺序包括，碰撞室132，待分析离子可以在其中被破碎为更小的离子和中性粒子，八极杆离子导管134和进一步的处于DC电压下的四级杆离子导管136。 
碰撞室输出的离子在进入TOF质量分析仪140的正交加速室之前，被引导通过八级杆离子导管134和四级杆离子导管136进入用于阻碍高横向位移(如上所述的飞行管方向上的位移)的粒子中的一些的快速狭缝切分器135。由快速夹缝切分器135阻碍的离子在其表面积累。 
通过快速狭缝切分器135的离子进入具有背板和加速柱的离子脉冲发生器142。为了启动离子飞入飞行管143，高脉冲电压被加至该背板以加速离子使其通过加速柱中一叠金属板。离子然后穿过“下游”方向的飞行管，飞向静电离子反射镜145。离子反射镜145向飞行管的“上游”方向反射离子流。被离子反射镜返回的离子飞向记录离子撞击和在飞行管143中的飞行时间的检测器148。 
一种切分低能量离子束的方法，还提供飞出离子导管的离子束。在某些实施例中，该方法可以包括向包括离子入口狭缝的第一电极加速离子束，其中第一电极阻碍一部分相对于离子束的轴具有高位移的离子，由此切分离子束；并且减速被切分后的离子束。离子束被切分之后可以被脉冲送至正交飞行时间质谱仪。在一个实施例中，该方法包括在一个装置中导向离子束，该装置包括：a)具有离子入口狭缝的第一电极；b)具有第一对相对设置的平板电极的第一透镜；c)具有第二对相对设置的平板电极的第二透镜；d)具有离子出口狭缝的第二电极；其中该离子束被第一电极切分以产生在经过离子出口狭缝离开该装置之前通过第一和第二透镜的离子带，并且其中第一电极加速离子，第一透镜减速离子，第二透镜加速离子，第二电极减速离子。 
实施例 
实施例1一种切分离子束的装置，包括a)具有离子入口狭缝的第一电极，该电极设置为工作于使正在接近所述狭缝的初始离子束加速的电压下；其中所述狭缝的宽度选择为阻碍一部分相对于离子束的轴具有高位移的离子；以及，b)在所述第一电极下游的一个或多个透镜，设置为工作于使离子减速的电压下，其中所述一个或多个透镜的几何构造和电位分布提供轴向上低发散的离子束。 
实施例2根据实施例1的装置，其中第一电极具有将所述初始离子束中的离子的能量增加2倍至50倍的电压，并且所述一个或多个透镜将被加速的离子的能量减少至1/2至1/50。 
实施例3根据前述任一装置，其中所述初始离子束的能量范围为1eV至50eV。 
实施例4根据前述任一装置，其中当离子穿过所述一个或多个透镜时，所述离子在离子束的包含纵轴的平面中交叉。 
实施例5根据前述任一装置，其中所述第一电极的离子入口狭缝的宽度在0.6mm至1.2mm范围内。 
实施例6根据前述任一装置，其中所述第一电极的离子入口狭缝的宽度在0.1mm至10mm范围内。 
实施例7根据前述任一装置，其中所述一个或多个透镜包括一对相对设置的平板电极。 
实施例8根据实施例7的装置，其中所述相对设置的平板电极之间的距离在0.2mm至2cm的范围之间。 
实施例9根据前述任一装置，其中所述一个或多个透镜包括：i第一透镜，设置为工作于使进入所述第一透镜的离子减速的电压下；ii第二透镜，设置为工作于使进入所述第二透镜的离子加速的电压下；该装置进一步包括具有离子出口狭缝的工作于使离子减速的电压下的第二电极；其中所述装置被设置为使初始离子束被所述第一电极切分以产生被切分的离子束，所述被切分的离子束在经过所述离子出口狭缝离开所述装置之前通过所述第一和第二透镜。 
实施例10根据前述任一装置，其中所述第一电极带有刃片，并且包括：a)本体；b)与本体相接的第一延伸刃片；以及c)与本体相接的第二延伸刃片；其中该离子切分仪包括延伸入所述本体的供离子通过的狭缝，并且其中所述第一和第二延伸刃片的边缘限定了所述狭缝的入口，且朝向所述离子束。 
实施例11根据实施例10的装置，其中所述第一和第二延伸刃片相互平行。 
实施例12根据实施例10或11的装置，进一步包括第三延伸刃片和第四延伸刃片，其中所述第三和第四延伸刃片的边缘朝向所述离子束，且各自平行于和最接近于所述第一和第二延伸刃片。 
实施例13根据实施例12的装置，其中所述第一和第二延伸刃片相对于所述第三和第四延伸刃片凹进。 
实施例14根据实施例12的装置，其中所述离子切分器包括至少三个沿着所述延伸狭缝的每一边延伸的刃片，其中所述刃片的边缘朝向所述离子束并且所述刃片逐渐向所属延伸狭缝凹进。 
实施例15根据实施例10-14中任一装置，其中所述刃片的距离子束纵轴较远的一边与离子束的纵轴呈10°至60°范围的角。 
实施例16根据实施例15的装置，其中所述刃片的更接近于离子束的纵轴的一边与离子束的纵轴呈1°至30°范围的角。 
实施例17根据实施例10-16中任一装置，其中狭缝具有离子入口端和离 子出口端，从离子入口端和离子出口端延伸的壁相互间呈1°至15°范围的角，从而使所述狭缝的所述离子出口端大于所述狭缝的所述离子入口端。 
实施例18根据实施例10-17中任一装置，其中所述狭缝的宽度范围为0.1mm至10mm。 
实施例19根据实施例10-18中任一装置，其中所述离子切分器为利用电火花线切割方法制造的独立结构 
实施例20根据实施例10-19中任一装置，其中所述离子切分器由导电陶瓷制成。 
实施例21根据实施例10-21中任一装置，其中刃片边缘具有0mm至0.1mm之间的半径或倒角。 
实施例22一种质谱仪系统，包括：a)产生离子的离子源；b)引导所述离子的离子束的离子导管；c)用于分析离子的飞行时间(TOF)质量分析仪，其中所述TOF质量分析仪包括用于向正交于所述离子束的纵轴方向上脉冲输送离子的脉冲发生器；以及d)在所述离子导管和所述TOF质量分析仪之间的如权利要求1所述的装置，其中所述装置阻碍一部分相对于所述脉冲方向上的离子束的轴具有高位移的离子。 
实施例23根据实施例22的质谱仪系统，其中至少所述电压中的一个可以调节以使所述TOF质量分析仪产生较高的灵敏度和较低的分辨率，或者较低的灵敏度和较高的分辨率。 
实施例24根据实施例22或23的质谱仪系统，其中所述离子导管的离子出口与所述离子入口狭缝隔开一个距离以阻碍与离子束的轴有限定距离的离子。 
实施例25根据实施例22-24中的任一质谱仪系统：其中 
所述离子导管设置为工作于5V至50V范围内的电压下； 
所述第一电极设置为工作于100V至500V范围内的电压下； 
包括减速透镜的所述一个或多个透镜设置为工作于0V至200V范围内的电压下。 
实施例26根据实施例22-25中任一质谱仪系统，进一步包括具有孔的、在所述离子导管和所述第一电极之间的、用于定形和/或引导离子束的第二电极。 
实施例27根据实施例26的质谱仪系统，其中所述孔在水平方向的宽度大 于垂向上的宽度。 
实施例28根据实施例26的质谱仪系统，进一步包括位于所述离子导管和所述第二电极之间的环形电极和圆柱电极，用于向离子束提供RF屏蔽。 
实施例29根据实施例22-28中任一质谱仪系统，其中所述第一电极具有刃片，并包括：a)本体；b)与本体相接的第一延伸刃片；以及c)与本体相接的第二延伸刃片；其中该离子切分器包括离子通过的延伸入所述本体的狭缝，并且其中所述第一和第二延伸刃片限定了所述狭缝的入口且朝向所述离子束。 
实施例30一种切分离子束的方法，包括：向具有离子入口狭缝的第一电极加速离子束，其中所述第一电极阻碍一部分相对于离子束的轴具有高位移的离子，由此切分所述离子束，并且在粒子束被切分后，使离子束减速。 
实施例31根据实施例30的方法，其中所述加速是指将离子束中的离子的能量增加2倍至50倍，所述减速是指将加速后的离子的能量减少1/2倍至1/50。 
实施例32根据实施例30或31的方法，其中该离子束被切分后被脉冲输送至正交飞行时间质谱仪。 
实施例33根据实施例30-32中任一方法，其中所述方法中加速和减速由下述装置执行，该装置包括：a)具有离子入口狭缝的第一电极；b)具有第一对相对设置的平板电极的第一透镜；c)具有第二对相对设置的平板电极的第二透镜；以及d)包括离子出口狭缝的第二电极；其中所述离子束被所述第一电极切分以产生在经过离子出口狭缝离开所述装置前通过所述第一和第二透镜的离子带；并且其中第一电极加速所述离子，所述第一透镜减速所述离子，所述第二透镜加速所述离子以及所述第二电极减速所述离子。 
本实用新型之前的描述的目的为解释说明。并不意味着穷举或将本实用新型限制在所披露的严格的形式内。可以根据上述教导进行其它修改或变化。所选择并被详细描述的实施例是为了更好地解释本实用新型的原理及其实际应用，并由此使本领域技术人员更好的以变化的和各种修改的方式利用本实用新型以适用于不同的目的。附加的权利要求用于限定包括本实用新型其它等同替代的实施方式，包括等价的结构，组成，方法和手段。 
除非另有限定，否则本实用新型中所有技术和科学术语的含义均与本领域技术人员通常熟知的含义相同。 
本实用新型中为了清楚地说明而以分开方式描述的实施例还可以组合为一 个单独的实施例。相反地，本实用新型中为了简洁地说明而在全文中描述的单独的实施例各种技术特征还可以被分开或以任意合适的方式进行拆分。实施例的所有组合方式都被由本实用新型涵盖并被披露于此，即，每种组合方式都单独地且明确地公开，这些组合方式涵盖了可操作的方法和/或装置/系统/套件。 
本领域技术人员可以理解，本实用新型所描述和解释的每个单独的实施例包括分立的要素和特征，这些要素和特征可以容易地与其它几个实施例中的任一者分开或组合而不脱离本实用新型的范围或违背本实用新型的精神。所记载的任何方法可以按照所陈述的顺序或逻辑上可能的任何其他顺序来执行。 

Claims (23)

1.一种切分离子束的装置，其特征在于包括：
a)具有离子入口狭缝的第一电极，设置为工作于使正在接近所述狭缝的初始离子束中的离子加速的电压下；其中所述狭缝的宽度选择为阻碍一部分相对于该离子束的轴具有高位移的离子；以及
b)所述第一电极下游的一个或多个透镜，设置为工作于使离子减速的一个或多个电压下，其中所述一个或多个透镜的几何构成和电位分布提供相对于所述轴具有低发散度的离子束。
2.根据权利要求1的装置，其中第一电极具有把所述初始离子束中的离子的能量增加2倍至50倍的电压，并且所述一个或多个透镜把被加速的离子的能量减少到1/2至1/50。
3.根据权利要求1或2的装置，其中所述初始离子束的能量范围为1eV至50eV的范围内。
4.根据权利要求1或2的装置，其中当离子穿过所述一个或多个透镜时，所述离子在离子束的包含纵轴的平面中交叉。
5.根据权利要求3的装置，其中当离子穿过所述一个或多个透镜时，所述离子在离子束的包含纵轴的平面中交叉。
6.根据权利要求1或2的装置，其中所述第一电极的离子入口狭缝的宽度在0.6mm至1.2mm范围内。
7.根据权利要求3的装置，其中所述第一电极的离子入口狭缝的宽度在0.6mm至1.2mm范围内。
8.根据权利要求4的装置，其中所述第一电极的离子入口狭缝的宽度在0.6mm至1.2mm范围内。
9.根据权利要求1或2的装置，其中所述第一电极的离子入口狭缝的宽度在0.1mm至10mm范围内。
10.根据权利要求3的装置，其中所述第一电极的离子入口狭缝的宽度在0.1mm至10mm范围内。
11.根据权利要求4的装置，其中所述第一电极的离子入口狭缝的宽度在0.1mm至10mm范围内。 
12.根据权利要求1或2的装置，其中所述一个或多个透镜包括：
i第一透镜，设置为工作于使进入所述第一透镜的离子减速的电压下；
ii第二透镜，设置为工作于使进入所述第二透镜的离子加速的电压下；并且
其中该装置进一步包括具有离子出口狭缝的第二电极，所述第二电极工作于使离子减速的电压下；
其中所述装置被设置为使初始离子束被所述第一电极切分以产生被切分的离子束，并且所述被切分的离子束在经过所述离子出口狭缝离开所述装置之前通过所述第一和第二透镜。
13.根据权利要求3的装置，其中所述一个或多个透镜包括：
i第一透镜，设置为工作于使进入所述第一透镜的离子减速的电压下；
ii第二透镜，设置为工作于使进入所述第二透镜的离子加速的电压下；并且
其中该装置进一步包括具有离子出口狭缝的第二电极，所述第二电极工作于使离子减速的电压下；
其中所述装置被设置为使初始离子束被所述第一电极切分以产生被切分的离子束，并且所述被切分的离子束在经过所述离子出口狭缝离开所述装置之前通过所述第一和第二透镜。
14.根据权利要求4的装置，其中所述一个或多个透镜包括：
i第一透镜，设置为工作于使进入所述第一透镜的离子减速的电压下；
ii第二透镜，设置为工作于使进入所述第二透镜的离子加速的电压下；并且
其中该装置进一步包括具有离子出口狭缝的第二电极，所述第二电极工作于使离子减速的电压下；
其中所述装置被设置为使初始离子束被所述第一电极切分以产生被切分的离子束，并且所述被切分的离子束在经过所述离子出口狭缝离开所述装置之前通过所述第一和第二透镜。
15.根据权利要求5的装置，其中所述一个或多个透镜包括：
i第一透镜，设置为工作于使进入所述第一透镜的离子减速的电压下；
ii第二透镜，设置为工作于使进入所述第二透镜的离子加速的电压下；并 且
其中该装置进一步包括具有离子出口狭缝的第二电极，所述第二电极工作于使离子减速的电压下；
其中所述装置被设置为使初始离子束被所述第一电极切分以产生被切分的离子束，并且所述被切分的离子束在经过所述离子出口狭缝离开所述装置之前通过所述第一和第二透镜。
16.根据权利要求6的装置，其中所述一个或多个透镜包括：
i第一透镜，设置为工作于使进入所述第一透镜的离子减速的电压下；
ii第二透镜，设置为工作于使进入所述第二透镜的离子加速的电压下；并且
其中该装置进一步包括具有离子出口狭缝的第二电极，所述第二电极工作于使离子减速的电压下；
其中所述装置被设置为使初始离子束被所述第一电极切分以产生被切分的离子束，并且所述被切分的离子束在经过所述离子出口狭缝离开所述装置之前通过所述第一和第二透镜。
17.根据权利要求1或2的装置，其中所述第一电极带有刃片并且包括：
a)本体；
b)与本体相接的第一延伸刃片；以及
c)与本体相接的第二延伸刃片；
其中该离子切分仪包括延伸入所述本体的、供离子通过的狭缝，并且其中，所述第一和第二延伸刃片的边缘限定了所述狭缝的入口，这些边缘朝向所述离子束。
18.根据权利要求3的装置，其中所述第一电极带有刃片并且包括：
a)本体；
b)与本体相接的第一延伸刃片；以及
c)与本体相接的第二延伸刃片；
其中该离子切分仪包括延伸入所述本体的、供离子通过的狭缝，并且其中，所述第一和第二延伸刃片的边缘限定了所述狭缝的入口，这些边缘朝向所述离子束。
19.根据权利要求4的装置，其中所述第一电极带有刃片并且包括： 
a)本体；
b)与本体相接的第一延伸刃片；以及
c)与本体相接的第二延伸刃片；
其中该离子切分仪包括延伸入所述本体的、供离子通过的狭缝，并且其中，所述第一和第二延伸刃片的边缘限定了所述狭缝的入口，这些边缘朝向所述离子束。
20.根据权利要求5的装置，其中所述第一电极带有刃片并且包括：
a)本体；
b)与本体相接的第一延伸刃片；以及
c)与本体相接的第二延伸刃片；
其中该离子切分仪包括延伸入所述本体的、供离子通过的狭缝，并且其中，所述第一和第二延伸刃片的边缘限定了所述狭缝的入口，这些边缘朝向所述离子束。
21.根据权利要求6的装置，其中所述第一电极带有刃片并且包括：
a)本体；
b)与本体相接的第一延伸刃片；以及
c)与本体相接的第二延伸刃片；
其中该离子切分仪包括延伸入所述本体的、供离子通过的狭缝，并且其中，所述第一和第二延伸刃片的边缘限定了所述狭缝的入口，这些边缘朝向所述离子束。
22.根据权利要求7的装置，其中所述第一电极带有刃片并且包括：
a)本体；
b)与本体相接的第一延伸刃片；以及
c)与本体相接的第二延伸刃片；
其中该离子切分仪包括延伸入所述本体的、供离子通过的狭缝，并且其中，所述第一和第二延伸刃片的边缘限定了所述狭缝的入口，这些边缘朝向所述离子束。
23.一种质谱仪系统，其特征在于包括：
a)用于产生离子的离子源；
b)用于引导所述离子的离子束的离子导管； 
c)用于对离子进行分析的飞行时间质量分析仪，其中所述飞行时间质量分析仪包括用于在与所述离子束的纵轴正交的方向上脉冲输送离子的脉冲发生器；以及
d)在所述离子导管和所述飞行时间质量分析仪之间的、如权利要求1所述的装置，所述装置阻碍一部分相对于所述脉冲方向上的离子束的轴具有高位移的离子。 
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