[發明專利]一種具有寬能量聚焦反射器的飛行時間質譜儀

有效

• 申請號: 201611028303.X
• 申請日: 2016-11-18
• 公開（公告）號: CN106653559B
• 公開（公告）日: 2018-06-26
• 發明（設計）人: 袁祥龍;李志明;翟利華;韋冠一;徐江;沈小攀;李靜雅
• 申請（專利權）人: 西北核技術研究所
• 主分類號: H01J49/40
• 分類號: H01J49/40
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 汪海艷

本發明提出了一種針對飛行時間質譜的寬能量聚焦反射器設計方法。針對具有較寬能量分布的離子，采用數值計算方法設計了由多級電場組成的反射器的各級電場尺寸與各極板需要加載的電壓，實現離子的飛行時間聚焦，從而提高飛行時間質譜的分辨率。該反射器對機械加工和裝配精度的要求較低。該反射器不必在每兩級電場之間都設計柵網，只需保留前兩級柵網即可，這樣可以保證反射器具有較高的離子傳輸效率，此時，可以通過微調電壓補償電場滲透帶來的影響。

技術領域

本發明屬于質譜儀器技術領域，可應用于反射式飛行時間質譜儀設計，尤其涉及一種飛行時間質譜儀中的反射器，該反射器能夠實現寬能量分布的離子的飛行時間聚焦。

背景技術

飛行時間質譜的分辨率R＝t/2Δt，其中，t是離子飛行的平均時間，Δt是離子飛行的時間差。離子的飛行時間差會隨著離子的能量色散的增大而增大，因此離子的能量色散是影響飛行時間質譜儀分辨的一個主要因素。

在飛行時間質譜儀中采用反射器可以實現能量時間聚焦，從而提高飛行時間質譜儀的分辨率。目前，飛行時間質譜儀中反射器的設計方法主要是通過使飛行時間對離子能量色散的一階導數和二階導數甚至更高階導數為零，從而設計反射器的尺寸、電壓等。當飛行時間對離子能量色散的一階導數為零時，就可稱為一階聚焦；當飛行時間對離子能量色散的一階和二階導數同時為零時，就可稱為二階聚焦。如圖4和圖5分別是一階聚焦和二階聚焦時，離子飛行時間與離子能量的關系示意圖。其特點是在該中心離子能量附近，飛行時間相對于離子能量的變化率非常小，因此在較小能量范圍內，離子的飛行時間差很小，因此能夠實現很高的分辨率。但由于在該中心能量之前或之后，飛行時間相對于能量的變化是單調的，因此，在離子能量進一步偏離中心能量的時候，總的飛行時間差將迅速增大，致使分辨率迅速降低。

發明內容

為了解決離子在較大能量色散下的飛行時間聚焦，提高飛行時間質譜的分辨率，本發明提供了一種具有寬能量聚焦反射器的飛行時間質譜儀。該飛行時間質譜儀可以在相對能量色散很高的情況下，實現較高的分辨率。

本發明的技術解決方案是提供一種具有寬能量聚焦反射器的飛行時間質譜儀，包括離子源、加速區、自由漂移區、反射器及探測器，其特征在于：所述反射器包括依次間隔距離放置的多片電極，每兩片電極組成一級電場；

通過下述步驟計算每一級電場的長度和電壓：

1)確定基本參數

確定自由漂移區長度為L，確定離子能量范圍為[U_minq,U_maxq]，確定要實現的分辨率為R；其中q為元電荷，U_min＝U+U_{ini_min}，U_max＝U+U_{ini_max}，U為加速場的加速電壓，U_{ini_min}為離子的最小初始能量，U_{ini_max}為離子的最大初始能量；

2)設反射器的初始級數i＝2；

3)通過使離子飛行時間對離子能量色散的二階導數為零，確定反射器前兩級電場的長度D₁和D₂、電勢差U₁和U₂、電場強度E₁和E₂以及能量為U_min的離子的飛行時間t₀；

具體通過下述步驟計算：

3.1)確定反射器第一級長度(即第一級電場的長度)D₁＝αL，其中α＜0.25，本方法取0.01；

3.2)根據公式(1)計算反射器的第一級電勢差

3.3)根據公式(2)計算反射器的第二級電場強度