CN203325835U - 一种用于正、负离子检测的飞行时间质谱仪检测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及质谱分析仪器，具体的说是一种用于正、负离子检测的飞行时间质谱仪检测器，其包括第一片微通道板、第二片微通道板、平板法拉第盘、绝缘薄片、锥体法拉第盘、法拉第盘屏蔽筒。第一片微通道板、第二片微通道板、平板法拉第盘依次相互间隔、同轴、平行设置；于平板法拉第盘远离第二片微通道板的一侧设有锥体法拉第盘；锥体法拉第盘的锥底平面面向平板法拉第盘一侧；法拉第盘屏蔽筒套置于锥体法拉第盘的外部，并与锥体法拉第盘同轴设置；锥体法拉第盘与法拉第盘屏蔽筒间的输出阻抗为50Ω，与连接信号接收装置及锥体法拉第盘的50Ω同轴信号线相匹配。
Description
技术领域
本实用新型涉及质谱分析仪器，具体的说是一种用于正、负离子检测的飞行时间质谱仪检测器。本检测器结构紧凑、使用方便，可有效提高飞行时间质谱仪的响应速度，减小质谱图中的背景噪声，提高质量测定精度，改善仪器的分辨率。
背景技术
微通道板（Microchannel Plate，MCP）是现行飞行时间质谱仪中最常用到的检测器，它是由许多特殊的空心玻璃纤维压制而成的平板状电子倍增器，空心玻璃纤维内壁材料具有较大的次级电子发射系数。当具有一定能量的离子飞向MCP表面时，离子与空心玻璃纤维发生碰撞，从而在玻璃纤维内壁上产生大量的次级电子，这些电子在MCP间加速电场的作用下向前加速运动，继续与内壁碰撞产生更多的电子，如此反复，从而实现了离子信号的放大。在传统的仅适用于正离子的飞行时间质谱仪检测器中，接收离子的法拉第盘通常接地或者加载较低幅值的电压。但是对于负离子检测而言，通常需要在MCP片后的离子接收法拉第盘上施加+5kV以上的高电压才能有效接收到经MCP放大后的电子流信号。而高速数据采集卡的信号输入端都要求输入信号的幅值不超过5V，因此，如何将法拉第盘上的质谱信号安全的输出至数据采集卡是负离子飞行时间质谱仪检测器设计上的一个关键问题。
据此，本实用新型将传统正离子飞行时间质谱仪检测器中接收离子的法拉第盘改进为平板法拉第盘、绝缘薄片、锥体法拉第盘的组合结构。这三者构成了一个平行板耦合电容，从而将直流高压可靠的阻隔在平板法拉第盘一端，而将交流的质谱信号传导到锥体法拉第盘，进而到达高速采集卡。这种结构不仅通过电容的“隔直流阻交流”作用，实现了对于负离子信号的检测，而且提高了整台质谱仪的质量测定精度，改善了仪器的分辨率。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种用于正、负离子检测的飞行时间质谱仪检测器。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
一种用于正、负离子检测的飞行时间质谱仪检测器，包括第一片微通道板、第二片微通道板、平板法拉第盘、绝缘薄片、锥体法拉第盘、法拉第盘屏蔽筒；
第一片微通道板、第二片微通道板、平板法拉第盘依次相互间隔、同轴、平行设置；
于平板法拉第盘远离第二片微通道板的一侧设有锥体法拉第盘；锥体法拉第盘的锥底平面面向平板法拉第盘一侧；
于平板法拉第盘和锥体法拉第盘之间设置有绝缘薄片；
平板法拉第盘、绝缘薄片、锥体法拉第盘同轴设置；
法拉第盘屏蔽筒套置于锥体法拉第盘的外部，并与锥体法拉第盘同轴设置；
锥体法拉第盘经同轴信号线与信号接收装置相连；
锥体法拉第盘与同轴信号线的线芯相连，法拉第盘屏蔽筒与同轴信号线的屏蔽层相连。
所述信号接收装置为时间-数字转换器（TDC）采集卡或者模拟-数字转换器（ADC）采集卡。
锥体法拉第盘与法拉第盘屏蔽筒间的输出阻抗为50Ω，与连接信号接收装置及锥体法拉第盘的50Ω同轴信号线相匹配。
第一片微通道板、第二片微通道板和平板法拉第盘分别与直流电源相连；
在第一片微通道板和第二片微通道板之间以及第二片微通道板和平板法拉第盘之间分别设有板间离子加速电压和板后离子加速电压。
加载于第一片微通道板和第二片微通道板之间，以及第二片微通道板和平板法拉第盘之间的板间离子加速电压和板后离子加速电压，当检测离子为正离子时，大小均为-20～-2000V，当检测离子为负离子时，大小均为20～2000V。
第一片微通道板和第二片微通道板相距0.1～20mm，放置于质谱仪的无场飞行区栅网的外部，平行于栅网；
第二片微通道板与平板法拉第盘之间的距离为0.1～20mm。
第一片微通道板和第二片微通道板上的微通道均为与板面成大于0度至小于90度夹角的条状微通道，同一微通道板上的微通道相互平行；且第一片微通道板和第二片微通道板上的微通道相互不平行；
分别于第一片微通道板和第二片微通道板的二个表面间加载有微通道板工作电压，微通道板工作电压大小为500～1500V；
所述第一片微通道板和第二片微通道板上的微通道相互不平行是指：第一片微通道板上的微通道和第二片微通道板上的微通道与任一垂直于第一片微通道板的平面上的投影的沿长线相交。
平板法拉第盘、绝缘薄片以及锥体法拉第盘之间相互贴合，构成平行板耦合电容，绝缘薄片的厚度为0.01～10mm
平板法拉第盘的径向截面积是绝缘薄片面积的70%～100%，平板法拉第盘的径向截面积是锥体法拉第盘锥底平面面积的50%～200%。
法拉第盘屏蔽筒为二端开口、或一端开口另一端密闭的中空筒状结构；法拉第盘屏蔽筒与锥体法拉第盘以及同轴信号线之间设置有绝缘介质，整个屏蔽筒接地。
本实用新型提供的飞行时间质谱仪检测器，采用两片微通道板串接的级联方式和平板法拉第盘、绝缘薄片、锥体法拉第盘组合而成的准平行板耦合电容结构。一方面，在串接的两片微通道板之间施加板间离子加速电压，加快了两片微通道板之间的离子的运动速度，这不仅缩短了其飞行时间，有效地减小了质谱峰的半峰宽，而且使得打在第二片微通道板入射面的离子的初动能明显增强，显著提高了质谱峰的信号强度；另一方面，接收离子的法拉第盘，既通过平行板耦合电容结构实现了隔离高压直流，传导高频交流信号的作用，又利用50欧姆阻抗匹配的锥体结构，大大减少了振铃噪声的产生。整套检测器装置结构紧凑、使用方便，可有效提高飞行时间质谱仪的响应速度，减小质谱图中的背景噪声，提高质量测定精度，改善仪器的分辨率。
附图说明
图1为本实用新型的飞行时间质谱仪检测器的结构示意图。
图2为本实用新型中不同MCP板间离子加速电压下质谱峰宽的对比图。
图3为利用本实用新型对浓度为1%的SO2样品气体进行检测得到的负离子质谱图。
图4为利用本实用新型对浓度为50ppm的丙酮样品气体进行检测得到的正离子质谱图。
具体实施方式
请参阅图1，为本实用新型的结构示意图，图中3为入射离子，10为第一片微通道板出射电子，11为第二片微通道板出射电子。本实用新型的飞行时间质谱仪检测器，由第一片微通道板4、第二片微通道板5、平板法拉第盘6、绝缘薄片7、锥体法拉第盘8、法拉第盘屏蔽筒9构成。
第一片微通道板4、第二片微通道板5、平板法拉第盘6依次相互间隔、同轴、平行设置；
于平板法拉第盘6远离第二片微通道板5的一侧设有锥体法拉第盘8；锥体法拉第盘8的锥底平面面向平板法拉第盘6一侧；
于平板法拉第盘6和锥体法拉第盘8之间设置有绝缘薄片7；
平板法拉第盘6、绝缘薄片7、锥体法拉第盘8同轴设置；
法拉第盘屏蔽筒9套置于锥体法拉第盘8的外部，并与锥体法拉第盘8同轴设置；
锥体法拉第盘8经同轴信号线12与信号接收装置相连；
锥体法拉第盘8与同轴信号线12的线芯相连，从而将打到平板法拉第盘6上的交流离子信号，传导到信号接收装置中；法拉第盘屏蔽筒9与同轴信号线12的屏蔽层相连，以保证交流离子信号在传导中受到最小程度的干扰。
所述信号接收装置为时间-数字转换器（TDC）采集卡。
锥体法拉第盘8与法拉第盘屏蔽筒9间的输出阻抗为50Ω，与连接信号接收装置及锥体法拉第盘8的50Ω同轴信号线12相匹配。为的是达到将所有高频信号都能传输至负载点的目的，从而减少由于信号振铃在高频信号后端造成的振荡拖尾现象，实现高频信号的不失真传输。
第一片微通道板4、第二片微通道板5和平板法拉第盘6分别与直流电源相连；
在第一片微通道板4和第二片微通道板5之间以及第二片微通道板5和平板法拉第盘6之间分别设有板间离子加速电压14和板后离子加速电压15。
加载于第一片微通道板4和第二片微通道板5之间，以及第二片微通道板5和平板法拉第盘6之间的板间离子加速电压14和板后离子加速电压15，当检测离子为正离子时，板间离子加速电压14的大小为-10～-1990V，板后离子加速电压15的大小为-20～-2000V，当检测离子为负离子时，板间离子加速电压14的大小为10～1990V，板后离子加速电压15的大小为20～2000V。
第一片微通道板4和第二片微通道板5相距5mm，放置于质谱仪的无场飞行区1栅网2的外部，平行于栅网2；一般的，无场飞行区1与第一片微通道板4之间，会根据检测离子的不同，设置一个20～2000V或者-20～-2000V的压差，以保证经过栅网2飞出的离子，加速打到第一片MCP的入射面上。
第二片微通道板5与平板法拉第盘6之间的距离为4mm。
第一片微通道板4和第二片微通道板5上的微通道均为与板面成大于0度至小于90度夹角的条状微通道，同一微通道板上的微通道相互平行；且为了将离子信号最大程度的放大，第一片微通道板4和第二片微通道板5上的微通道相互不平行；
分别于第一片微通道板4和第二片微通道板5的二个表面间加载有微通道板工作电压13，微通道板工作电压13大小为500～1500V；
所述第一片微通道板4和第二片微通道板5上的微通道相互不平行是指：第一片微通道板4上的微通道和第二片微通道板5上的微通道与任一垂直于第一片微通道板4的平面上的投影的沿长线相交。
平板法拉第盘6、绝缘薄片7以及锥体法拉第盘8之间相互贴合，构成平行板耦合电容，绝缘薄片7的厚度为2mm。
平板法拉第盘6的径向截面积是绝缘薄片7面积的70%～100%，平板法拉第盘6的径向截面积是锥体法拉第盘8锥底平面面积的50%～200%。
法拉第盘屏蔽筒9为二端开口、或一端开口另一端密闭的中空筒状结构；法拉第盘屏蔽筒9与锥体法拉第盘8以及同轴信号线12之间设置有绝缘介质，整个屏蔽筒接地。
当将本实用新型用于正离子检测模式时，无场飞行区1与平板法拉第盘6之间所加的电压均为负电压，且所加电压的幅值逐渐减小，一般在平板法拉第盘6上所加载的电压幅值很低甚至接地；然而，当将本实用新型用于负离子检测模式时，无场飞行区1与平板法拉第盘6之间所加的电压均为正电压，且所加电压的幅值逐渐增加，一般在平板法拉第盘6上所加载的电压幅值均在+5kV以上。这样设置电压，可以确保无论是正离子还是负离子，在无场飞行区1到平板法拉第盘6之间的每个阶段都保持加速运动。
本实用新型在两片微通道板之间设置了板间离子加速电压，既缩短了离子在两片微通道板之间运动的时间，抑制了峰拖尾现象，改善了仪器的分辨率；又增大了离子在第二片微通道板内部的电子倍增，提高了仪器的信号强度。图2所示为MCP板间离子加速电压对质谱峰宽的影响，实验所测为单光子电离模式下100ppm的苯样品产生的飞行时间质谱信号。可见，当板间离子加速电压为-893V时，MCP检测器采集到的振荡干扰较小，且信号峰较窄，可使信号半峰宽减小40%以上。所以，利用本实用新型可有效提高仪器检测的动态范围，大大增强飞行时间质谱仪器的分辨率水平。
针对本实用新型所述飞行时间质谱仪检测器对负离子检测能力的考察，将浓度为1%的SO2样品气体通入Ni63源中，得到如图3所示的质谱图。
针对本实用新型所述飞行时间质谱仪检测器对正离子检测能力的考察，将浓度为50ppm的丙酮样品气体经真空紫外（VUV）灯电离，得到如图4所示的质谱图。
Claims (10)
1.一种用于正、负离子检测的飞行时间质谱仪检测器，包括第一片微通道板（4）、第二片微通道板（5）、平板法拉第盘（6）、绝缘薄片（7）、锥体法拉第盘（8）、法拉第盘屏蔽筒（9），其特征在于：
第一片微通道板（4）、第二片微通道板（5）、平板法拉第盘（6）依次相互间隔、同轴、平行设置；
于平板法拉第盘（6）远离第二片微通道板（5）的一侧设有锥体法拉第盘（8）；锥体法拉第盘（8）的锥底平面面向平板法拉第盘（6）一侧；
于平板法拉第盘（6）和锥体法拉第盘（8）之间设置有绝缘薄片（7）；
平板法拉第盘（6）、绝缘薄片（7）、锥体法拉第盘（8）同轴设置；
法拉第盘屏蔽筒（9）套置于锥体法拉第盘（8）的外部，并与锥体法拉第盘（8）同轴设置；
锥体法拉第盘（8）经同轴信号线（12）与信号接收装置相连；
锥体法拉第盘（8）与同轴信号线（12）的线芯相连，法拉第盘屏蔽筒（9）与同轴信号线（12）的屏蔽层相连。
2.根据权利要求1所述的飞行时间质谱仪检测器，其特征在于：
所述信号接收装置为时间-数字转换器（TDC）采集卡或者模拟-数字转换器（ADC）采集卡。
3.根据权利要求1或2所述的飞行时间质谱仪检测器，其特征在于：
锥体法拉第盘（8）与法拉第盘屏蔽筒（9）间的输出阻抗为50Ω，与连接信号接收装置及锥体法拉第盘（8）的50Ω同轴信号线（12）相匹配。
4.根据权利要求1所述的飞行时间质谱仪检测器，其特征在于：
第一片微通道板（4）、第二片微通道板（5）和平板法拉第盘（6）分别与直流电源相连；
在第一片微通道板（4）和第二片微通道板（5）之间以及第二片微通道板（5）和平板法拉第盘（6）之间分别设有板间离子加速电压（14）和板后离子加速电压（15）。
5.根据权利要求4所述的飞行时间质谱仪检测器，其特征在于：
加载于第一片微通道板（4）和第二片微通道板（5）之间，以及第二片微通道板（5）和平板法拉第盘（6）之间的板间离子加速电压（14）和板后离子加速电压（15），当检测离子为正离子时，大小均为-20～-2000V，当检测离子为负离子时，大小均为20～2000V。
6.根据权利要求1所述的飞行时间质谱仪检测器，其特征在于：
第一片微通道板（4）和第二片微通道板（5）相距0.1～20mm，放置于质谱仪的无场飞行区（1）栅网（2）的外部，平行于栅网（2）；
第二片微通道板（5）与平板法拉第盘（6）之间的距离为0.1～20mm。
7.根据权利要求1所述的飞行时间质谱仪检测器，其特征在于：
第一片微通道板（4）和第二片微通道板（5）上的微通道均为与板面成大于0度至小于90度夹角的条状微通道，同一微通道板上的微通道相互平行；且第一片微通道板（4）和第二片微通道板（5）上的微通道相互不平行；
分别于第一片微通道板（4）和第二片微通道板（5）的二个表面间加载有微通道板工作电压（13），微通道板工作电压（13）大小为500～1500V。
8.根据权利要求7所述的飞行时间质谱仪检测器，其特征在于：
所述第一片微通道板（4）和第二片微通道板（5）上的微通道相互不平行是指：第一片微通道板（4）上的微通道和第二片微通道板（5）上的微通道与任一垂直于第一片微通道板（4）的平面上的投影的沿长线相交。
9.根据权利要求1所述的飞行时间质谱仪检测器，其特征在于：
平板法拉第盘（6）、绝缘薄片（7）以及锥体法拉第盘（8）之间相互贴合，构成平行板耦合电容，绝缘薄片（7）的厚度为0.01～10mm
平板法拉第盘（6）的径向截面积是绝缘薄片（7）面积的70%～100%，平板法拉第盘（6）的径向截面积是锥体法拉第盘（8）锥底平面面积的50%～200%。
10.根据权利要求1所述的飞行时间质谱仪检测器，其特征在于
法拉第盘屏蔽筒（9）为二端开口、或一端开口另一端密闭的中空筒状结构；法拉第盘屏蔽筒（9）与锥体法拉第盘（8）以及同轴信号线（12）之间设置有绝缘介质，整个屏蔽筒接地。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term | ||
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| CU01 | Correction of utility model | ||
| CU01 | Correction of utility model |
Correction item: Termination upon expiration of patent Correct: Revocation of Patent Expiration and Termination False: Expiration and Termination of 39 Volume 2901 Patent on July 18, 2023 Number: 29-01 Volume: 39 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131204 |