CN214672499U

CN214672499U - 一种同位素丰度高精度检测飞行时间质谱探测器

Info

Publication number: CN214672499U
Application number: CN202120497479.XU
Authority: CN
Inventors: 刘艺琳; 王青; 李彬; 王劲; 张旻南
Original assignee: Beijing Zhong Tianfeng Security Protection Technologies Co ltd; First Research Institute of Ministry of Public Security
Current assignee: Beijing Zhong Tianfeng Security Protection Technologies Co ltd; First Research Institute of Ministry of Public Security
Priority date: 2021-03-09
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2031-03-09

Abstract

本实用新型公开了一种同位素丰度高精度检测飞行时间质谱探测器，通过在离子门衰减器中引入脉冲电压电极瞬时改变高丰度离子运动轨迹，然后通过栅网衰减器降低离子强度，高丰度离子衰减后使用环形探测器检测信号。低丰度离子通过时，离子门电压保持不变，离子保持原来的运动轨迹，被中心轴探测器检测。高丰度离子和低丰度离子分别采用不同放大倍数的探测器进行检测，结合前端的高丰度离子衰减系统降低采集系统饱和而引起浓度测量的误差，衰减倍数可以调节离子门衰减器和栅网衰减器在100到5之间调节，从而实现含量差别很大的同位素在飞行时间质谱仪实现高精度检测。

Description

一种同位素丰度高精度检测飞行时间质谱探测器

技术领域

本实用新型涉及同位素探测技术领域，具体涉及一种同位素丰度高精度检测飞行时间质谱探测器。

背景技术

飞行时间质谱仪(Time-of-Flight Mass Spectrometer，TOFMS) 的结构简单、单个谱图分析时间为微秒级，具有分辨本领和灵敏度高、全质量范围一次性检出等特点，在环境检测、生命科学等领域具有广泛的应用。通常TOFMS的检测器由两片到三片微通道板(micro channel plate，MCP)串联，并以一块法拉第盘作为电子接收电极。高速的数据采集卡可以将法拉第盘接收到的电流信号采集记录下来，最终形成质谱图。MCP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，每个空心纤维通道内壁上都涂有次级电子发射材料，当MCP两端加上一定直流电压(～1kV)后，高能离子撞击到MCP通道内壁涂层上，产生次级电子，次级电子通过链反应实现电子倍增。高速数据采集卡分为两种：模拟数字转换(ADC)采集卡和时间数字转换 (TDC)采集卡。ADC数据采集卡直接采集模拟信号转化成数字信号， ADC动态范围由AD芯片位数决定，位数越高可以检测离子流的动态范围更大。TDC时间数字转换卡连续把触发的时刻都记录到特定内存地址里，超过阈值的在内存地址中(对于飞行时间)记为“1”，反之记为“0”。这意味着当多个离子同一采集间隔内到达MCP，这时采集卡仍然只能纪录为一个“1”。当离子流很强时容易产生饱和问题。而且，在质谱系统中，当分析物浓度范围相差较大时，质谱的检测器会出现信号饱和的现象，从而导致较大的测量误差。

稳定同位素的测定在地球化学和宇宙化学定年研究中有重要作用，在毒品产地指纹谱研究、岩石、矿床成因学、地球环境和气候变化等资源方面是最有效的技术手段；在研究月球和行星的物质组成方面也是最重要的手段。同位素高丰度和低丰度元素有的相差3个数量级，高精度丰度测量要求精度控制在万分之五级别，这对于以微通道板(MCP)为检测器的质谱系统难度很大。单片MCP的放大效率为10³倍。双片MCP的放大效率可以提高到10⁶，但是MCP的动态精确度仅有两个数量级，高丰度信号容易导致饱和低丰度难以检出。

因此需要设计一种同位素丰度高精度检测飞行时间质谱探测器来满足测量的需求。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型旨在提供一种同位素丰度高精度检测飞行时间质谱探测器。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种同位素丰度高精度检测飞行时间质谱探测器，包括离子门衰减器、栅网衰减器、环形探测器和中心轴探测器；离子门衰减器、栅网衰减器、环形探测器和中心轴探测器依次设置，离子门衰减器、环形探测器和中心轴探测器同轴；所述栅网衰减器包括分设于两侧的致密金属栅网，两侧的致密金属栅网之间的间隔的中心轴和离子门衰减器同轴；所述环形探测器具有中心孔，并且环形探测器的中心孔和所述中心轴探测器对应；两侧的致密金属栅网分别和环形探测器的非中心孔部分对应，两侧的致密金属栅网之间的间隔和所述环形探测器的中心孔对应；离子门衰减器由Bradbury-Nielson型离子门、脉冲偏置电源和延时时序发生器组成；Bradbury－Nielson型离子门包括两组以叉指形式间隔分布的金属丝以及分别连接两组金属丝的脉冲电压电极和偏置电压电极；脉冲偏置电源包括一路脉冲电压和一路偏置电压，偏置电压连接于偏置电压电极，脉冲电压连接于脉冲电压电极；延时时序发生器用于输出脉冲TTL信号控制脉冲偏置电源向脉冲电压电极输出脉冲电压和向偏置电压电极输出偏置电压。

进一步地，所述环形探测器包括离子后加速电极一、微通道板一、电子加速电极一、环形接收极一和均匀电场栅网一，离子后加速电极一、微通道板一、电子加速电极一、环形接收极一均具有中心孔；均匀电场栅网一和离子后加速电极一同轴并固定在离子后加速电极一的中心孔处，均匀电场栅网一和离子后加速电极一被施加相同电压；电子加速电极一包括有多块并且平行放置，相邻的两块电子加速电极一之间夹设有微通道板一；所述环形接收极一的后端接高压电容一；均匀电场栅网一和离子后加速电极一构成的整体、微通道板一和电子加速电极一构成的整体以及环形接收极一沿远离栅网衰减器的方向依次设置，并且各中心孔均与离子门衰减器同轴；两侧的致密金属栅网均与均匀电场栅网一、微通道板一的非中心孔部分以及环形接收极一的非中心孔部分对应，两侧的致密金属栅网之间的间隔与均匀电场栅网一、微通道板一的中心孔以及环形接收极一的中心孔对应。

进一步地，所述中心轴探测器包括离子后加速电极二、微通道板二、电子加速电极二、中心轴接收极和均匀电场栅网二，微通道板二和中心轴接收极均不具有中心孔，离子后加速电极二和电子加速电极二均具有中心孔；均匀电场栅网二和离子后加速电极二同轴并固定在离子后加速电极二的中心孔处，均匀电场栅网二和离子后加速电极二被施加相同电压；电子加速电极二包括有多块并且平行放置，相邻的两块电子加速电极二之间夹设有微通道板二；所述中心轴接收极的后端接高压电容二；均匀电场栅网二和离子后加速电极二构成的整体、微通道板二和电子加速电极二构成的整体以及中心轴接收极沿远离环形探测器的方向依次设置，并与离子门衰减器同轴；两侧的致密金属栅网之间的间隔和均匀电场栅网二、微通道板二以及中心轴接收极对应。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型通过在离子门衰减器中引入脉冲电压电极瞬时改变高丰度离子运动轨迹，然后通过栅网衰减器以一定比例降低离子强度，高丰度离子衰减后使用一个环形探测器检测信号。低丰度离子通过时，离子门电压保持不变，离子保持原来的运动轨迹，被中心轴探测器检测。高丰度离子和低丰度离子分别采用不同放大倍数的探测器进行检测，结合前端的高丰度离子衰减系统降低采集系统饱和而引起浓度测量的误差，衰减倍数可以调节离子门衰减器和栅网衰减器在100到5之间调节，从而实现含量差别很大的同位素在飞行时间质谱仪实现高精度检测。本实用新型也可以用于混合样品中同时具有高浓度和痕量样品的同时检测，该技术能够扩大分析物浓度可检测的范围。

附图说明

图1为本实用新型实施例1中同位素丰度高精度检测飞行时间质谱探测器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1中离子门衰减器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例1中中心轴探测器的结构示意图；

图4为本实用新型实施例2中低丰度离子和高丰度离子通过离子门衰减器时的走向示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围并不限于本实施例。

实施例1

本实施例提供一种同位素丰度高精度检测飞行时间质谱探测器，如图1所示，包括离子门衰减器1、栅网衰减器2、环形探测器3和中心轴探测器9；离子门衰减器1、栅网衰减器2、环形探测器3和中心轴探测器9依次设置，离子门衰减器1、环形探测器3和中心轴探测器9同轴；所述栅网衰减器2包括分设于两侧的致密金属栅网，两侧的致密金属栅网之间的间隔的中心轴和离子门衰减器同轴；所述环形探测器3具有中心孔，并且环形探测器3的中心孔和所述中心轴探测器9对应；两侧的致密金属栅网分别和环形探测器3的非中心孔部分对应，两侧的致密金属栅网之间的间隔和所述环形探测器3的中心孔对应。

需要说明的是，高丰度离子依次经过离子门衰减器1、致密金属栅网后到达环形探测器3的非中心孔部分，由环形探测器3检测；低丰度离子依次经过离子门衰减器1、两侧的致密金属栅网之间的间隔、环形探测器3的中心孔后到达中心轴探测器9，由中心轴探测器9检测。

在本实施例中，如图2所示，离子门衰减器1由Bradbury-Nielson 型离子门、脉冲偏置电源14和延时时序发生器13组成；Bradbury－ Nielson型离子门包括两组以叉指形式间隔分布的金属丝以及分别连接两组金属丝的脉冲电压电极11和偏置电压电极12；脉冲偏置电源 14用于输出一路脉冲电压和一路偏置电压，偏置电压输出至偏置电压电极12，脉冲电压输出至脉冲电压电极11；延时时序发生器13用于输出脉冲TTL信号控制脉冲偏置电源14向脉冲电压电极11输出脉冲电压。

在本实施例中，如图1所示，两侧致密金属栅网之间的距离为1- 5mm，所述致密金属栅网具体根据设计的信号衰减倍数选择对应透过率的栅网。例如，如果需要衰减10倍，则选择透过率为10％栅网。

在本实施例中，如图1所示，所述环形探测器3包括离子后加速电极一4、微通道板一5、电子加速电极一6、环形接收极一7和均匀电场栅网一8，离子后加速电极一4、微通道板一5、电子加速电极一6、环形接收极一7均具有中心孔；均匀电场栅网一8和离子后加速电极一4同轴并固定在离子后加速电极一4的中心孔处，均匀电场栅网一8和离子后加速电极一4被施加相同电压；电子加速电极一6 包括有多块并且平行放置，相邻的两块电子加速电极一6之间夹设有微通道板一5；所述环形接收极一7的后端接高压电容一；均匀电场栅网一8和离子后加速电极一4构成的整体、微通道板一5和电子加速电极一6构成的整体以及环形接收极一7沿远离栅网衰减器2的方向依次设置，并且各中心孔均与离子门衰减器1同轴；两侧的致密金属栅网均与均匀电场栅网一8、微通道板一5的非中心孔部分以及环形接收极一7的非中心孔部分对应，两侧的致密金属栅网之间的间隔与均匀电场栅网一8、微通道板一5的中心孔以及环形接收极一7 的中心孔对应。

需要说明的是，如果离子从两侧的致密金属栅网经过，则之后会依次经过均匀电场栅网一8、微通道板一5的非中心孔部分和环形接收极一7的非中心孔部分，环形接收极一7接收微通道板一5放大后得到的电子，信号从高压电容一输出后使用数据采集卡进行采集。

在本实施例中，如图3所示，所述中心轴探测器9包括离子后加速电极二11、微通道板二12、电子加速电极二13、中心轴接收极10 和均匀电场栅网二14，微通道板二12和中心轴接收极10均不具有中心孔，离子后加速电极二11和电子加速电极二13均具有中心孔；均匀电场栅网二14和离子后加速电极二11同轴并固定在离子后加速电极二11的中心孔处，均匀电场栅网二14和离子后加速电极二 11被施加相同电压；电子加速电极二13包括有多块并且平行放置，相邻的两块电子加速电极二13之间夹设有微通道板二12；所述中心轴接收极10的后端接高压电容二；均匀电场栅网二14和离子后加速电极二11构成的整体、微通道板二12和电子加速电极二13构成的整体以及中心轴接收极10沿远离环形探测器3的方向依次设置，并与离子门衰减器1同轴；两侧的致密金属栅网之间的间隔和均匀电场栅网二14、微通道板二12以及中心轴接收极10对应。

需要说明的是，如果离子从两侧的致密金属栅之间的间隔经过，则之后会在经过环形探测器3的中心孔后依次经过均匀电场栅网二 14、微通道板二12，最后到达中心轴接收极10；中心轴接收极10接收微通道板二12放大后得到的电子，信号从高压电容二输出后使用数据采集卡进行采集。

需要说明的是，在本实施例中，探测器包括有环形探测器3和中心轴探测器9，环形探测器3采用了中心带孔的微通道板，低丰度离子通过环形探测器3中心孔(非探测部分)到达中心轴探测器9并有中心轴探测器9实现检测，高丰度离子则在通过两侧的致密金属栅网后到达环形探测器3的探测部分由环形探测器3实现检测。

需要说明的是，在本实施例中，环形探测器3与中心轴探测器9 的放大倍数可以通过微通道板上施加的电压U进行调控，环形探测器 3设置低放大倍数(10⁵倍)，减少高丰度离子的信号强度，中心轴探测器9设置高放大倍数(10⁶倍)，提高低丰度离子的信号强度。

实施例2

本实施例提供一种实施例1所述同位素丰度高精度检测飞行时间质谱探测器的工作方法，具体过程为：

当离子从飞行时间质谱的无场区中飞出，延时时序发生器13精确记录离子飞行时间，当高丰度离子进入离子门衰减器1时，延时时序发生器13瞬间输出脉冲TTL信号控制脉冲偏置电源14向脉冲电压电极11施加脉冲电压和向偏置电压电极12输出偏置电压；此时Bradbury-Nielson型离子门中相邻金属丝具有一定的电势差，该电势差所产生的垂直于轴向的电场使得高丰度离子运动方向发生改变并向两边进行扩散，高丰度离子经过两侧的致密金属栅网；经过两侧的致密金属栅网衰减后的离子进入环形探测器的非中心孔部分，由环形探测器接收并实现检测；如图4中的B所示；

如图4中的A所示，当低丰度离子进入离子门衰减器1时，延时时序发生器13不输出脉冲TTL信号，脉冲偏置电源14不向脉冲电压电极11施加脉冲电压以及不向偏置电压电极12输出偏置电压，此时脉冲电压电极11和偏置电压电极12具有相同电位，Bradbury-Nielson型离子门中相邻金属丝具有相同电压，低丰度离子保持原来运动轨迹，其穿过环形探测器3的中心孔后直接达到中心轴探测器9，由中心轴探测器9并实现检测。

需要说明的是，进行精确同位素分析之前，需要先做全谱分析，锁定需要分析的一定质荷比化合物，输入该质荷比化合物之后，可以根据质荷比计算高丰度离子的飞行时间，进而可以通过延时时序发生器施加相应的脉冲电压。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种同位素丰度高精度检测飞行时间质谱探测器，其特征在于，包括离子门衰减器、栅网衰减器、环形探测器和中心轴探测器；离子门衰减器、栅网衰减器、环形探测器和中心轴探测器依次设置，离子门衰减器、环形探测器和中心轴探测器同轴；所述栅网衰减器包括分设于两侧的致密金属栅网，两侧的致密金属栅网之间的间隔的中心轴和离子门衰减器同轴；所述环形探测器具有中心孔，并且环形探测器的中心孔和所述中心轴探测器对应；两侧的致密金属栅网分别和环形探测器的非中心孔部分对应，两侧的致密金属栅网之间的间隔和所述环形探测器的中心孔对应；离子门衰减器由Bradbury-Nielson型离子门、脉冲偏置电源和延时时序发生器组成；Bradbury－Nielson型离子门包括两组以叉指形式间隔分布的金属丝以及分别连接两组金属丝的脉冲电压电极和偏置电压电极；脉冲偏置电源包括一路脉冲电压和一路偏置电压，偏置电压连接于偏置电压电极，脉冲电压连接于脉冲电压电极；延时时序发生器用于输出脉冲TTL信号控制脉冲偏置电源向脉冲电压电极输出脉冲电压和向偏置电压电极输出偏置电压。

2.根据权利要求1所述的同位素丰度高精度检测飞行时间质谱探测器，其特征在于，所述环形探测器包括离子后加速电极一、微通道板一、电子加速电极一、环形接收极一和均匀电场栅网一，离子后加速电极一、微通道板一、电子加速电极一、环形接收极一均具有中心孔；均匀电场栅网一和离子后加速电极一同轴并固定在离子后加速电极一的中心孔处，均匀电场栅网一和离子后加速电极一被施加相同电压；电子加速电极一包括有多块并且平行放置，相邻的两块电子加速电极一之间夹设有微通道板一；所述环形接收极一的后端接高压电容一；均匀电场栅网一和离子后加速电极一构成的整体、微通道板一和电子加速电极一构成的整体以及环形接收极一沿远离栅网衰减器的方向依次设置，并且各中心孔均与离子门衰减器同轴；两侧的致密金属栅网均与均匀电场栅网一、微通道板一的非中心孔部分以及环形接收极一的非中心孔部分对应，两侧的致密金属栅网之间的间隔与均匀电场栅网一、微通道板一的中心孔以及环形接收极一的中心孔对应。

3.根据权利要求1所述的同位素丰度高精度检测飞行时间质谱探测器，其特征在于，所述中心轴探测器包括离子后加速电极二、微通道板二、电子加速电极二、中心轴接收极和均匀电场栅网二，微通道板二和中心轴接收极均不具有中心孔，离子后加速电极二和电子加速电极二均具有中心孔；均匀电场栅网二和离子后加速电极二同轴并固定在离子后加速电极二的中心孔处，均匀电场栅网二和离子后加速电极二被施加相同电压；电子加速电极二包括有多块并且平行放置，相邻的两块电子加速电极二之间夹设有微通道板二；所述中心轴接收极的后端接高压电容二；均匀电场栅网二和离子后加速电极二构成的整体、微通道板二和电子加速电极二构成的整体以及中心轴接收极沿远离环形探测器的方向依次设置，并与离子门衰减器同轴；两侧的致密金属栅网之间的间隔和均匀电场栅网二、微通道板二以及中心轴接收极对应。