CN209515603U - 二维离子束偏转装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种二维离子束偏转装置，其包括：x轴偏转极板、透镜极板组件、y轴偏转极板；所述x轴偏转极板、透镜极板组件、y轴偏转极板沿离子束传输方向依次设置，所述x轴偏转极板和y轴偏转极板上施加有偏转电压，所述透镜极板组件接地设置，所述x轴偏转极板和y轴偏转极板的长度与间隙比大于等于4。本实用新型通过在x、y轴偏转板间增加接地的透镜极板，增加偏转装置的长度的同时减小场效应，通过施加合适的静电场强度可以减小离子的横向速度分散；并通过最大限度的提高偏转器的长度与间隙比，以减少电场渗透，从而减小离子束的畸变和色散大的问题。

Description

二维离子束偏转装置

技术领域

本实用新型涉及质谱分析仪器技术领域，尤其涉及一种用于飞行时间质谱的二维离子束偏转装置。

背景技术

在垂直引入飞行时间质谱中，离子沿处置于质量分析器电场加速的方向，经过一个狭缝后进入质量分析器。垂直引入能够在最大程度上减小离子在电场加速方向上的速度分量，从而降低离子的能量发散；而狭缝约束了离子束在电场加速方向的宽度，进而减小离子的空间发散。将四极杆、离子阱等其他分析器与飞行时间分析器联用时，需要将进入飞行时间分析器的离子束调制成扁平状并高效通过入口狭缝。在质谱中，可调节的静电离子束偏转装置被广泛用于离子束的偏转和汇聚。离子束偏转装置通过在离子束横向上施加一个线性的静电场可以实现离子偏转，且离子产生横向速度与离子的轴向速度分量的比值为固定值，如式(1)所示。

式中，VT是离子的横向偏转速速，VA是离子的轴向速度，E是偏转装置的电场强度(eV/m)，L是横向电场的轴向长度，ke是离子的动能(eV)。

最简单的静电偏转装置只需两个或四个具有不同静电势的平板电极就能实现一维或二维的离子束偏转效果，但是这种结构由于受到入口及出口处的场效应的影响，在入口过渡场，不同横向位置离子的势能不同，得到的动能也不同，有的离子减速，有的离子加速，导致偏转后离子束畸变。另外减速的离子通过的慢，需要更长的时间来通过偏转装置，从而产生更大的横向速度分量；相反的，加速的离子更快的通过偏转装置，得到的横向速度分量相对更小。最终，横向速度的差异导致聚焦点回移，色散增大，影响质谱仪的灵敏度和分辨率。因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种二维离子束偏转装置，以克服现有技术中存在的不足。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：

一种二维离子束偏转装置，其包括：x轴偏转极板、透镜极板组件、y轴偏转极板；

所述x轴偏转极板、透镜极板组件、y轴偏转极板沿离子束传输方向依次设置，所述x轴偏转极板和y轴偏转极板上施加有偏转电压，所述透镜极板组件接地设置，所述x轴偏转极板和y轴偏转极板的长度与间隙比大于等于4。

优选地，所述x轴偏转极板包括y方向对称、相向设置的两块槽型电极，两块槽型电极的端面相结合，且两块槽型电极上的槽结构形成所述x轴偏转极板上沿x方向布置的腰形通孔。

优选地，所述透镜极板组件包括依次设置的第一透镜极板和第二透镜极板。

优选地，所述第一透镜极板上设置有沿x方向布置的腰形通孔，所述第二透镜极板上设置有沿y方向布置的腰形通孔。

优选地，所述y轴偏转极板包括x方向对称、相向设置的两块槽型电极，两块槽型电极的端面相结合，且两块槽型电极上的槽结构形成所述y轴偏转极板上沿y方向布置的腰形通孔。

优选地，所述x轴偏转极板、透镜极板组件、y轴偏转极板的中心轴线同轴设置。

优选地，所述二维离子束偏转装置还包括第三透镜极板和第四透镜极板，所述第三透镜极板位于所述x轴偏转极板的上游，所述第四透镜极板位于所述y轴偏转极板的下游。

优选地，所述第三透镜极板上设置有沿x方向布置的腰形通孔，所述第四透镜极板上设置有沿y方向布置的腰形通孔。

优选地，所述二维离子束偏转装置还包括截取锥和透镜底座，所述截取锥安装于所述透镜底座的上游，所述第三透镜极板、x轴偏转极板、透镜极板组件、y轴偏转极板、第四透镜极板依次安装于所述透镜底座的下游，且所述截取锥、透镜底座、第三透镜极板、x轴偏转极板、透镜极板组件、y轴偏转极板、第四透镜极板同轴设置。

优选地，所述截取锥的中心开有直径1mm～5mm的圆形通孔，所述透镜底座的中心开有长度为1mm～5mmm的正方形通孔。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型通过在x、y轴偏转板间增加接地的透镜极板，增加偏转装置的长度的同时减小场效应，通过施加合适的静电场强度可以减小离子的横向速度分散；并通过最大限度的提高偏转器的长度与间隙比，以减少电场渗透，从而减小离子束的畸变和色散大的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的二维离子束偏转装置的立体分解示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型用于飞行时间分析器与四极杆、离子阱等其他分析器联用的接口，利用静电场将从碰撞池、离子阱等引出的离子束调制成扁平的离子束引入飞行时间分析器，可减少角度分散，相较于静电四极杆、圆孔透镜等具有离子束畸变小、色散小等优势，且在x、y二维方向上可调整机械误差。

本实用新型的技术构思为：减少偏转装置离子畸变的关键是降低离子的横向速度差异。由式(1)推导可以得到离子的横向速度变化的计算公式如式(2)所示，其中ΔVT为横向速度变化值，ΔVT0为横向速度初始值，Δke为离子动能变化值，ke0为离子动能初始值，E为横向静电场强，r为离子距离子束中心轴的距离。简化可得到式(3)，从式(3)可以看出，当偏转场内离子动能分散减小时，离子的横向速度差异也减小，进而偏转装置引起的离子畸变也会随着变小。

其中，假设r必须保持不变，那么降低偏转装置畸变最简单的办法就是减小静电场强度E。但是降低场强后必须增加偏转装置的长度L以保证相同的离子束偏转角度(VT/VA)。从而，本实用新型装置通过在x、y轴偏转板间增加接地的透镜极板，增加偏转装置的长度的同时减小场效应。

具体地，本实用新型提供一种二维离子束偏转装置，其包括：截取锥8、透镜底座7、第三透镜极板6、x轴偏转极板5、透镜极板组件、y轴偏转极板2、第四透镜极板1。

上述截取锥8、透镜底座7、第三透镜极板6、x轴偏转极板5、透镜极板组件、y轴偏转极板2、第四透镜极板1沿离子束传输方向依次设置。优选地，各结构的中心轴线保持同轴设置。

相邻电极间以精密陶瓷绝缘垫相互绝缘。同时，上述部件结构简单，能够实现模块化组装，截取锥8、x轴偏转板和y轴偏转板上依次施加有不同电压，四个透镜极板均接地设置。

所述截取锥8用于实现离子束的二次截取，所述截取锥8的中心开有直径1mm～5mm的圆形通孔，该圆形通孔用于供离子束通过。

所述透镜底座7用于各部件的安装固定，具体地，所述截取锥8安装于所述透镜底座7的上游，所述第三透镜极板6、x轴偏转极板5、透镜极板组件、y轴偏转极板2、第四透镜极1板依次安装于所述透镜底座7的下游。此外，所述透镜底座7的中心开有长度为1mm～5mmm的正方形通孔，该正方形通孔用于供离子束通过。

所述第三透镜极板6、透镜极板组件、第四透镜极板1的作用在于离子束聚焦，所述第三透镜极板6、透镜极板组件、第四透镜极板1接地设置。

其中，所述第三透镜极板6上设置有沿x方向布置的腰形通孔。所述透镜极板组件包括依次设置的第一透镜极板4和第二透镜极板3。所述第一透镜极板4的中心开设有上设置有沿x方向布置的腰形通孔，所述第二透镜极板3上设置有沿y方向布置的腰形通孔。所述第四透镜极板上设置有沿y方向布置的腰形通孔。所述第一、第二、第三、第四透镜极板上的腰形通孔的尺寸保持一致。

所述x轴偏转极板5和y轴偏转极板2用于实现离子束的偏转，具体地，所述x轴偏转极板5和y轴偏转极板2上施加有偏转电压。从而，经过x、y轴偏转极板2后，离子束的运动方向进行偏转，且在径向方向产生聚焦，偏转角度及聚焦的焦点由偏转极板的施加电压调节。

具体地，所述x轴偏转极板5包括y方向对称、相向设置的两块槽型电极，两块槽型电极的端面相结合，且两块槽型电极上的槽结构形成所述x轴偏转极板5上沿x方向布置的腰形通孔。

进一步地，所述y轴偏转极板2包括x方向对称、相向设置的两块槽型电极，两块槽型电极的端面相结合，且两块槽型电极上的槽结构形成所述y轴偏转极板2上沿y方向布置的腰形通孔。

为了最大限度的提高偏转极板的长度与间隙比，以减少电场渗透，从而减小离子束的畸变和色散大的问题，考虑到：在保证r不变的情况下，通过增加偏转板的长度L，来降低电场强度E，从而减小ΔVT/VT0。所述x轴偏转极板5和y轴偏转极板2的长度a与间隙b比大于等于4。偏转极板和透镜极板的z长度(边缘到中心)到间隙c比大约为2。其中，长度a与间隙b比、z长度(边缘到中心)到间隙c比为根据电场模拟的结果，得到了一个可以接受误差的一个值。

综上所述，本实用新型通过在x、y轴偏转板间增加接地的透镜极板，增加偏转装置的长度的同时减小场效应，通过施加合适的静电场强度可以减小离子的横向速度分散；并通过最大限度的提高偏转器的长度与间隙比，以减少电场渗透，从而减小离子束的畸变和色散大的问题。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种二维离子束偏转装置，其特征在于，所述二维离子束偏转装置包括：x轴偏转极板、透镜极板组件、y轴偏转极板；

所述x轴偏转极板、透镜极板组件、y轴偏转极板沿离子束传输方向依次设置，所述x轴偏转极板和y轴偏转极板上施加有偏转电压，所述透镜极板组件接地设置，所述x轴偏转极板和y轴偏转极板的长度与间隙比大于等于4。

2.根据权利要求1所述的二维离子束偏转装置，其特征在于，所述x轴偏转极板包括y方向对称、相向设置的两块槽型电极，两块槽型电极的端面相结合，且两块槽型电极上的槽结构形成所述x轴偏转极板上沿x方向布置的腰形通孔。

3.根据权利要求1所述的二维离子束偏转装置，其特征在于，所述透镜极板组件包括依次设置的第一透镜极板和第二透镜极板。

4.根据权利要求3所述的二维离子束偏转装置，其特征在于，所述第一透镜极板上设置有沿x方向布置的腰形通孔，所述第二透镜极板上设置有沿y方向布置的腰形通孔。

5.根据权利要求1所述的二维离子束偏转装置，其特征在于，所述y轴偏转极板包括x方向对称、相向设置的两块槽型电极，两块槽型电极的端面相结合，且两块槽型电极上的槽结构形成所述y轴偏转极板上沿y方向布置的腰形通孔。

6.根据权利要求1所述的二维离子束偏转装置，其特征在于，所述x轴偏转极板、透镜极板组件、y轴偏转极板的中心轴线同轴设置。

7.根据权利要求1所述的二维离子束偏转装置，其特征在于，所述二维离子束偏转装置还包括第三透镜极板和第四透镜极板，所述第三透镜极板位于所述x轴偏转极板的上游，所述第四透镜极板位于所述y轴偏转极板的下游。

8.根据权利要求7所述的二维离子束偏转装置，其特征在于，所述第三透镜极板上设置有沿x方向布置的腰形通孔，所述第四透镜极板上设置有沿y方向布置的腰形通孔。

9.根据权利要求7所述的二维离子束偏转装置，其特征在于，所述二维离子束偏转装置还包括截取锥和透镜底座，所述截取锥安装于所述透镜底座的上游，所述第三透镜极板、x轴偏转极板、透镜极板组件、y轴偏转极板、第四透镜极板依次安装于所述透镜底座的下游，且所述截取锥、透镜底座、第三透镜极板、x轴偏转极板、透镜极板组件、y轴偏转极板、第四透镜极板同轴设置。

10.根据权利要求9所述的二维离子束偏转装置，其特征在于，所述截取锥的中心开有直径1mm～5mm的圆形通孔，所述透镜底座的中心开有长度为1mm～5mmm的正方形通孔。