CN103165395B - 一种离子束运动截面的调整装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离子束运动截面的调整装置，主要由前置电极、对电极a和b、后置电极组成。前置和后置电极用于减少对电极a、b的电场向外渗透。对电极a和对电极b上添加不同的电压。当离子束在对电极a、b运动的过程中，各个离子经过的路程相同，但因为对电极a、b的电压不同，离子在对电极a和b的运动时间不同，导致离子束离开对电极b时的截面发生变化。通过改变对电极a和b的接口形状和电压，使得离子束在离开对电极b时可以形成特定的形状。此外，根据需要可多级串联使用，对离子束进行多维度调节。

Description

一种离子束运动截面的调整装置
技术领域
本发明主要涉及质谱领域，尤其是飞行时间质谱。
提供一种离子束运动截面的调整装置，置于飞行时间质谱的无场飞行区中，减弱仪器的装配误差，使得离子尽量能够同时到达检测器，提高质谱的分辨率。
背景技术
质谱是一种在现代物理、生物和化学领域极为重要的一种分析工具。目前广泛的应用在元素分析、食品安全、石油化工、医药、真空探索等行业。飞行时间质谱飞行时间质谱具有结构简单、分析速度快、质量检测上限只受离子检测器限制等优点，使之成为当今最具有发展前景的质谱之一。
这种质谱仪的质量分析器是一个离子漂移管。由离子源产生的离子加速后进入无场漂移管，并以恒定速度飞向离子接收器。离子质量越大，到达接收器所用时间越长，离子质量越小，到达接收器所用时间越短，根据这一原理，可以把不同质量的离子按m/z值大小进行分离。这种飞行时间质谱仪的主要缺点是分辨率较低，因为离子在离开在离子源时初始能量不同，使得具有相同质荷比的离子达到检测器的时间有一定分布，造成分辨能力下降。
同时在质谱领域，仪器装配误差的存在，尤其是检测器的加工和装配误差，会导致相同质荷比的离子不能同时到达检测器，造成谱图的展宽和分辨率的降低，且越是高分辨的质谱，装配误差对分辨率的影响越明显。因此需要对离子束进行调制，使得离子尽量能够同时到达检测器，提高质谱的分辨率。为了使离子同时到达检测器，传统的方法是对仪器的重要部件进行高精度加工，减小误差。但存在一定的不足，首先高精度的器件加工，对加工技术有很高的要求，加工过程费时费力，且容易造成精度不达标的资源浪费；其次，单纯高精度的器件并不能保证仪器的分辨率，还需要有高精度的装配，这对传统的手工安装又是一项巨大的挑战。
发明内容
本发明的目的是提供一种离子束运动截面的调整装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种离子束运动截面的调整装置，包括前置电极、对电极a、对电极b和后置电极；
所述的前置电极和后置电极为平行、相对设置的金属板状电极，金属板状电极中部设置有贯穿电极板体的通孔；对电极a和对电极b为同轴设置的、二端开口的金属圆筒状电极，对电极a和对电极b置于前置电极和后置电极之间，且对电极a和对电极b与前置电极和后置电极上的通孔同轴；
所述的靠近前置电极的对电极a的端面和靠近后置电极的对电极b的端面平行于前置电极的平面；对电极a和对电极b直径相等、相互间隔设置，对电极a和对电极b间相靠近的端面为椭圆面，它们的椭圆面相平行，椭圆面所处的平面与前置电极所处的平面相交。对电极a和对电极b间相靠近的端面的对应点间距相等；
所述的后置电极远离对电极b的一侧设置有离子探测器，离子探测器通过导线与外部的信号分析仪相连接；
所述的前置电极远离对电极a的一侧设置有离子源，离子源产生的离子从前置电极上的孔穿过。对电极a和对电极b施加有不同的电势，施加的电势均不高于离子自身的能量；前置电极和后置电极施加相同或相近的电势，施加的电势与两电极外侧的电势相关；
所述对电极a和对电极b的中间接口的两个椭圆面相互平行；两者上对应点的间距在0.1mm～100mm；
所述的对电极a和对电极b于前置电极和后置电极之间成对同轴设置，同轴设置的对数为1个、2个或3个以上；它们2个以上的多级串联，实现离子束的的多维调节；
本实用发明的优点在于：
1.降低对高精度加工和装配的要求。
2.采用无栅网结构，离子损失少。
3.结构简单，拆卸方便。
4.多级串联使用，对离子束进行多重调节。
附图说明
图1一种离子束运动截面的调整装置的示意图：1-前置电极；2-对电极a；3-对电极b；4-后置电极；
图2上述装置放置于检测器前的示意图：5-检测器；
图3上述装置不加电压时离子到达检测器前的示意图：6-离子源；
图4上述装置加电压时离子到达检测器前的示意图。
具体实施方式
本发明用于离子束某一时刻运动截面的调整，离子从前置电极(1)进入，经对电极a2和对电极b3后，从后置电极4离开。
前置电极1和后置电极4用于减少对电极a2和对电极b3电场向外渗透。靠近前置电极1的对电极a2的端面和靠近后置电极4的 对电极b3的端面平行于前置电极1的平面；对电极a2和对电极b3直径相等、相互间隔设置，对电极a2和对电极b3间相靠近的端面为椭圆面，它们的椭圆面相平行，椭圆面所处的平面与前置电极1所处的平面相交。对电极a2和对电极b3间相靠近的端面的对应点间距相等。接口的间距在0.1mm～100mm。此外，对电极a2和对电极b 3的接口可以是特定形状，用于使离子束形成特定的形状。
离子通过对电极a2和对电极b3所用的时间为：
t＝La/Va+Lb/Vb
La+Lb＝定值
对电极a 2和对电极b 3所加不同的电压，用于调节离子在对电极中的运动的速度。离子虽然都是从前置电极1进入，从后置电极4离开，经历的路程相同，但由于离子在对电极a2和对电极b3的运动速度不同，离子走过对电极所用的时间不同。同一时刻不同位置进入装置的相同质荷比的离子，其通过对电极a2和对电极b3所需的时间不相同，通过改变对电极a2、b3的电压，可以调节不同位置的离子的飞行时间，使其以特定时间间隔离开对电极b3。通过改变对电极的形状使不同轨迹的离子在对电极a2和b3中的运动时间不同，从而对离子束达到对离子束进行调形的目的。
对电极a2和对电极b3于前置电极1和后置电极4之间成对同轴设置，同轴设置的对数为1个、2个或3个以上；它们2个以上的多级串联，实现离子束的的多维调节。
实施例1
由于MCP检测器在装配过程中产生误差而导致MCP检测器实际的位置和理想的位置存在一些偏差，将调整装置放置于飞行时间的检测器前，用于校正装配误差的影响。整体仪器如图2所示：当对调整装置不加任何电压时，一束速度为200eV的离子飞向检测器，如图3所示，虽然离子在同一平面上向检测器飞，但由于MCP检测器的装配误差，造成离子依次到达检测器，从而使产生飞行时间质谱的信号峰展宽，分辨率的下降。
假设检测器由于装配误差导致其与水平面轴x有0.2°夹角，对电极的椭圆面与检测器的交面与水平的面的x轴相平行。检测器的直径为50mm，则的误差会导致检测器最上面和最下面的离子产生的时间间隔是Δt＝ΔS/V＝2～5ns左右。这对高分辨质谱来说影响是十分大的。在对电极b上加25V的正电压，通过Simion模拟可以看出，离子束到达检测器时的截面形状发生了变化，离子可以同时到达了检测器。如图4所示，在对电极b上加25V的正电压后，离子即将到达检测器时某一时刻离子所处的空间位置示意图，虽然MCP装配存在误差但离子同时达到了检测器，从而有效地减小了原本由于装配 误差造成离子不能同时到达检测器造成的影响，提高了仪器的分辨率。
同样的道理，假设检测器由于装配误差导致其与垂直平面轴y有夹角，如果对电极的椭圆面与检测器的交面与垂直面的y轴相平行。则可调检测器装配过程中产生垂直方向误差。
实施例2
检测器的位置和其方向可用与x轴的夹角，y轴的夹角，和距离离子源的位置表示。三个量确定时，检测器的位置和方向就确定。检测器的方向与理想的存在误差会造成初始同一平面的离子不能同时到达检测器。
检测器的方向误差可以分解为水平平面的和垂直平面。当在前置电极1和后置电极4之间同轴设置将对电极a和对电极b两对时，分别调节检测器水平平面的和垂直平面误差，就能实现校正检测器装配时产生的任意方向的误差。

Claims (7)

1.一种离子束运动截面的调整装置，其特征在于：包括前置电极(1)、对电极a(2)、对电极b(3)和后置电极(4)；
前置电极(1)和后置电极(4)为平行、相对设置的金属板状电极，金属板状电极中部设置有贯穿电极板体的通孔；
对电极a(2)和对电极b(3)为同轴设置的、二端开口的金属圆筒状电极，对电极a(2)和对电极b(3)置于前置电极(1)和后置电极(4)之间，且对电极a(2)和对电极b(3)与前置电极(1)和后置电极(4)上的通孔同轴；
靠近前置电极(1)的对电极a(2)的端面和靠近后置电极(4)的对电极b(3)的端面平行于前置电极(1)的平面；
对电极a(2)和对电极b(3)直径相等、相互间隔设置，对电极a(2)和对电极b(3)间相靠近的端面为椭圆面，它们的椭圆面相平行，椭圆面所处的平面与前置电极(1)所处的平面相交。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：对电极a(2)和对电极b(3)间相靠近的端面的对应点间距相等。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：后置电极(4)远离对电极b(3)的一侧设置有离子探测器，离子探测器通过导线与外部的信号分析仪相连接。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：前置电极(1)远离对电极a(2)的一侧设置有离子源，离子源产生的离子从前置电极(1)上的孔穿过。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：对电极a(2)和对电极b(3)施加有不同的电势，施加的电势均不高于离子自身的能量；
前置电极(1)和后置电极(4)施加相同或相近的电势，施加的电势与两电极外侧的电势相关。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：对电极a(2)和对电极b(3)的中间接口的两个椭圆面相互平行；两者上对应点的间距在0.1mm～100mm。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述的对电极a(2)和对电极b(3)于前置电极(1)和后置电极(4)之间成对组成同轴设置，同轴设置的对数为1个、2个或3个以上；它们2个以上的多级串联，实现离子束的的多维调节。
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