用于飛行時(shí)間質(zhì)譜中離子束整形的靜電透鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及質(zhì)譜分析儀器，具體的說是一種用于飛行時(shí)間質(zhì)譜中離子束整形的靜電透鏡。
【背景技術(shù)】
[0002]飛行時(shí)間質(zhì)譜是利用電場(chǎng)加速使不同質(zhì)荷比的離子獲得相同的動(dòng)能，經(jīng)過相同長(zhǎng)度的飛行距離后，根據(jù)達(dá)到檢測(cè)器的飛行時(shí)間不同而完成相互分離的。離子在飛行時(shí)間質(zhì)量分析器中的初始能量發(fā)散和空間發(fā)散，會(huì)使相同質(zhì)荷比的離子到達(dá)檢測(cè)器的時(shí)間產(chǎn)生一定的差異，進(jìn)而影響質(zhì)譜的分辨率以及檢測(cè)靈敏度。在飛行時(shí)間質(zhì)譜中，采用離子垂直引入的方式，構(gòu)成垂直加速飛行時(shí)間質(zhì)譜，可有效減小離子在飛行時(shí)間質(zhì)量分析器中的初始能量發(fā)散和空間發(fā)散。在垂直加速飛行時(shí)間質(zhì)譜中，離子沿垂直于質(zhì)量分析器電場(chǎng)加速的方向，經(jīng)由一個(gè)狹縫進(jìn)入質(zhì)量分析器。垂直引入能夠在最大程度上減小離子在電場(chǎng)加速方向上的速度分量，從而降低離子的能量發(fā)散；而狹縫約束了離子束在電場(chǎng)加速方向的寬度，進(jìn)而減小離子的空間發(fā)散。
[0003]在離子進(jìn)入飛行時(shí)間質(zhì)量分析器之前，如何將其整形成為平行離子束，且沿垂直于離子加速方向高效的引入質(zhì)量分析器，是提高垂直加速飛行時(shí)間質(zhì)譜分析性能所需解決的重要問題。傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱單透鏡離子光學(xué)系統(tǒng)，能夠?qū)馁|(zhì)譜差分真空接口小孔處出射的發(fā)散離子束進(jìn)行準(zhǔn)直，使其成為橫截面為圓形的平行離子束。但是圓形橫截面的離子束在通過狹縫時(shí)會(huì)損失部分離子，影響檢測(cè)靈敏度；而且旋轉(zhuǎn)對(duì)稱單透鏡的離子束出射方向無(wú)法進(jìn)行精確控制，易受到機(jī)械加工精度和裝配誤差的影響，難以保證離子束進(jìn)入質(zhì)量分析器時(shí)入射方向的垂直度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種用于飛行時(shí)間質(zhì)譜中離子束整形的靜電透鏡裝置，用于將從小孔電極入射的發(fā)散離子束整形成為扁平狀橫截面的平行離子束，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)離子束出射方向的精確控制。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]一種用于飛行時(shí)間質(zhì)譜中離子束整形的靜電透鏡，包括依次平行設(shè)置的離子入射電極、聚焦環(huán)電極、單透鏡入口電極、離子偏轉(zhuǎn)電極和單透鏡出口電極，它們均為平板狀金屬電極；
[0007]于離子入射電極、聚焦環(huán)電極、單透鏡入口電極、離子偏轉(zhuǎn)電極和單透鏡出口電極的中部分別設(shè)置有用于離子通過的通孔，依次為離子入射電極小孔、聚焦環(huán)電極通孔、單透鏡入口電極通孔、離子偏轉(zhuǎn)電極通孔和單透鏡出口電極通孔；
[0008]離子入射電極、聚焦環(huán)電極、單透鏡入口電極、離子偏轉(zhuǎn)電極和單透鏡出口電極沿各個(gè)電極上通孔軸線(通孔軸線作為z軸)依次同軸、平行設(shè)置，相鄰電極間相互絕緣。
[0009]單透鏡入口電極通孔、離子偏轉(zhuǎn)電極通孔和單透鏡出口電極通孔形狀和大小相同，且在垂直于通孔軸線的平面(χ-y平面)上投影相互重合。
[0010]單透鏡入口電極通孔沿z軸所在的y-ζ平面呈面對(duì)稱；
[0011]離子偏轉(zhuǎn)電極由兩塊沿z軸所在的y-ζ平面呈面對(duì)稱的平板狀金屬電極構(gòu)成，兩塊平板狀金屬電極處于同一平面內(nèi)，兩塊平板狀金屬電極間相互絕緣。
[0012]單透鏡入口電極通孔、離子偏轉(zhuǎn)電極通孔和單透鏡出口電極通孔在垂直于通孔軸線的平面上投影形狀為下述形狀中的一種:橢圓形，矩形，及中間為矩形、相對(duì)的左右兩邊(垂直于y軸方向的兩邊)是以矩形的邊為直徑向遠(yuǎn)離矩形區(qū)域擴(kuò)張的半圓形。
[0013]離子入射電極小孔和聚焦環(huán)電極通孔均為圓形，其中離子入射電極小孔的直徑大小為0.01?5mm,聚焦環(huán)電極通孔的直徑大小為I?100mm。
[0014]于離子入射電極、聚焦環(huán)電極、單透鏡入口電極和單透鏡出口電極上施加直流電壓；其中單透鏡入口電極和單透鏡出口電極上電壓的幅值和極性相同。
[0015]于離子偏轉(zhuǎn)電極的兩塊電極上分別施加電壓(VQ+Vd/2)和(VQ_Vd/2);其中V。為兩塊電極的平均電壓，平均電壓V。與單透鏡入口電極上電壓的幅值或極性不同，實(shí)現(xiàn)離子束的準(zhǔn)直，Vd為兩塊電極的電位差，用于控制離子束沿X軸方向的偏轉(zhuǎn)。
[0016]單透鏡入口電極通孔、離子偏轉(zhuǎn)電極通孔和單透鏡出口電極通孔在X軸方向的高度為I?100mm，在y軸方向的寬度為2?200mm ;離子束沿z軸方向通過離子入射電極小孔入射，經(jīng)所述的靜電透鏡整形為扁平狀橫截面的平行離子束。
[0017]該透鏡系統(tǒng)工作在氣壓低于10 1Pa的高真空環(huán)境中；
[0018]所述的靜電透鏡用于垂直加速飛行時(shí)間質(zhì)譜中，在離子進(jìn)入飛行時(shí)間質(zhì)量分析器前的離子束整形。
[0019]相鄰電極間通過留有空隙相互絕緣，或在相鄰電極間設(shè)有絕緣材料使它們互相間隔相互絕緣；
[0020]兩塊平板狀金屬電極間通過留有空隙相互絕緣，或在兩塊平板狀金屬電極間設(shè)有絕緣材料使它們互相間隔相互絕緣。
[0021]本發(fā)明提供的靜電透鏡裝置，利用具有扁形離子通孔的單透鏡以及前置的聚焦環(huán)電極構(gòu)成組合離子透鏡，在高真空條件下，通過靜電場(chǎng)對(duì)離子束進(jìn)行整形。前置的聚焦環(huán)電極首先使從離子入射電極上小孔進(jìn)入的離子束聚焦，而后利用扁形離子通孔的單透鏡對(duì)聚焦成點(diǎn)狀的離子束進(jìn)行準(zhǔn)直。扁形離子通孔的使用，使點(diǎn)狀的發(fā)散離子束最終成為扁平狀橫截面的平行離子束。單透鏡的中間加入離子偏轉(zhuǎn)電極，通過施加適當(dāng)?shù)钠D(zhuǎn)電壓，可實(shí)現(xiàn)對(duì)扁平狀平行離子束出射方向的精確控制。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明用于飛行時(shí)間質(zhì)譜中離子束整形的靜電透鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中離子飛行軌跡的SHOON軟件模擬圖。
[0024]圖3為本發(fā)明實(shí)施例2中一種具有橢圓形離子通孔單透鏡的靜電透鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖4為本發(fā)明實(shí)施例3中一種具有矩形離子通孔單透鏡的靜電透鏡結(jié)構(gòu)示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0026]請(qǐng)參閱圖1，為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]以電極通孔的軸線方向?yàn)閦軸，y軸為與z軸處于同一水平面上的垂直于z軸的直線方向，X軸垂直于I軸和z軸所在水平面的直線方向。
[0028]本發(fā)明的靜電透鏡裝置，包括依次平行設(shè)置的離子入射電極1、聚焦環(huán)電極3、單透鏡入口電極5、離子偏轉(zhuǎn)電極7和單透鏡出口電極9，它們均為平板狀金屬電極；
[0029]于離子入射電極1、聚焦環(huán)電極3、單透鏡入口電極5、離子偏轉(zhuǎn)電極7和單透鏡出口電極9的中部分別設(shè)置有用于離子通過的通孔，依次為離子入射電極小孔2、聚焦環(huán)電極通孔4、單透鏡入口電極通孔6、離子偏轉(zhuǎn)電極通孔8和單透鏡出口電極通孔10 ；
[0030]離子入射電極1、聚焦環(huán)電極3、單透鏡入口電極5、離子偏轉(zhuǎn)電極7和單透鏡出口電極9沿各個(gè)電極上通孔軸線(z軸)依次同軸、平行設(shè)置，相鄰電極間相互絕緣。
[0031]單透鏡入口電極通孔6、離子偏轉(zhuǎn)電極通孔8和單透鏡出口電極通孔10形狀和大小相同，且在垂直于通孔軸線的平面(χ-y平面)上投影相互重合。
[0032]單透鏡入口電極通孔6沿z軸所在的y-z平面呈面對(duì)稱；
[0033]離子偏轉(zhuǎn)電極7由兩塊沿z軸所在的y-z平面呈面對(duì)稱的平板狀金屬電極構(gòu)成，兩塊平板狀金屬電極處于同一平面內(nèi)，兩塊平板狀金屬電極間相互絕緣。
[0034]單透鏡入口電極通孔6、離子偏轉(zhuǎn)電極通孔8和單透鏡出口電極通孔10在垂直于通孔軸線的平面上投影形狀為下述形狀中的一種:橢圓形，矩形，及中間為矩形、相對(duì)的左右兩邊(垂直于y軸方向的兩邊)是以矩形的邊為直徑向遠(yuǎn)離矩形區(qū)域擴(kuò)張的半圓形。
[0035]離子入射電極小孔2和聚焦環(huán)電極通孔4均為圓形，其中離子入射電極小孔2的直徑大小為0.01?5mm,聚焦環(huán)電極通孔4的直徑大小為I?100mm。
[0036]單透鏡入口電極通孔6、離子偏轉(zhuǎn)電極通孔8和單透鏡