[發明專利]用于飛行時間質譜中離子束整形的靜電透鏡

有效

• 申請號: 201410264489.3
• 申請日: 2014-06-13
• 公開（公告）號: CN105225918B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發明（設計）人: 李海洋;花磊;陳平;謝園園;蔣吉春
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01J49/06
• 分類號: H01J49/06;H01J49/40
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明涉及質譜分析儀器，具體的說是一種用于飛行時間質譜中離子束整形的靜電透鏡。

背景技術

飛行時間質譜是利用電場加速使不同質荷比的離子獲得相同的動能，經過相同長度的飛行距離后，根據達到檢測器的飛行時間不同而完成相互分離的。離子在飛行時間質量分析器中的初始能量發散和空間發散，會使相同質荷比的離子到達檢測器的時間產生一定的差異，進而影響質譜的分辨率以及檢測靈敏度。在飛行時間質譜中，采用離子垂直引入的方式，構成垂直加速飛行時間質譜，可有效減小離子在飛行時間質量分析器中的初始能量發散和空間發散。在垂直加速飛行時間質譜中，離子沿垂直于質量分析器電場加速的方向，經由一個狹縫進入質量分析器。垂直引入能夠在最大程度上減小離子在電場加速方向上的速度分量，從而降低離子的能量發散；而狹縫約束了離子束在電場加速方向的寬度，進而減小離子的空間發散。

在離子進入飛行時間質量分析器之前，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量分析器，是提高垂直加速飛行時間質譜分析性能所需解決的重要問題。傳統的旋轉對稱單透鏡離子光學系統，能夠將從質譜差分真空接口小孔處出射的發散離子束進行準直，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會損失部分離子，影響檢測靈敏度；而且旋轉對稱單透鏡的離子束出射方向無法進行精確控制，易受到機械加工精度和裝配誤差的影響，難以保證離子束進入質量分析器時入射方向的垂直度。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于飛行時間質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散離子束整形成為扁平狀橫截面的平行離子束，同時實現對離子束出射方向的精確控制。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種用于飛行時間質譜中離子束整形的靜電透鏡，包括依次平行設置的離子入射電極、聚焦環電極、單透鏡入口電極、離子偏轉電極和單透鏡出口電極，它們均為平板狀金屬電極；

于離子入射電極、聚焦環電極、單透鏡入口電極、離子偏轉電極和單透鏡出口電極的中部分別設置有用于離子通過的通孔，依次為離子入射電極小孔、聚焦環電極通孔、單透鏡入口電極通孔、離子偏轉電極通孔和單透鏡出口電極通孔；

離子入射電極、聚焦環電極、單透鏡入口電極、離子偏轉電極和單透鏡出口電極沿各個電極上通孔軸線(通孔軸線作為z軸)依次同軸、平行設置，相鄰電極間相互絕緣。

單透鏡入口電極通孔、離子偏轉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(x-y平面)上投影相互重合。

單透鏡入口電極通孔沿z軸所在的y-z平面呈面對稱；

離子偏轉電極由兩塊沿z軸所在的y-z平面呈面對稱的平板狀金屬電極構成，兩塊平板狀金屬電極處于同一平面內，兩塊平板狀金屬電極間相互絕緣。

單透鏡入口電極通孔、離子偏轉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離矩形區域擴張的半圓形。

離子入射電極小孔和聚焦環電極通孔均為圓形，其中離子入射電極小孔的直徑大小為0.01～5mm，聚焦環電極通孔的直徑大小為1～100mm。

于離子入射電極、聚焦環電極、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。

于離子偏轉電極的兩塊電極上分別施加電壓(V₀+V_d/2)和(V₀-V_d/2)；其中V₀為兩塊電極的平均電壓，平均電壓V₀與單透鏡入口電極上電壓的幅值或極性不同，實現離子束的準直，V_d為兩塊電極的電位差，用于控制離子束沿x軸方向的偏轉。

單透鏡入口電極通孔、離子偏轉電極通孔和單透鏡出口電極通孔在x軸方向的高度為1～100mm，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，經所述的靜電透鏡整形為扁平狀橫截面的平行離子束。

該透鏡系統工作在氣壓低于10^-1Pa的高真空環境中；

所述的靜電透鏡用于垂直加速飛行時間質譜中，在離子進入飛行時間質量分析器前的離子束整形。

相鄰電極間通過留有空隙相互絕緣，或在相鄰電極間設有絕緣材料使它們互相間隔相互絕緣；