切分離子束的裝置和質譜儀系統制造方法及圖紙

本實用新型專利技術涉及切分離子束的裝置和質譜儀系統，并公開了帶有加速和減速光學器件的離子切分器，該離子切分器：a)向包括離子入口狹縫的第一電極加速離子束，第一電極阻礙一部分相對于離子束的軸具有高位移的離子，從而切分離子束；并且b)在離子束被切分后減速所述離子束。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本申請涉及離子切分器(ion slicer)。本申請要求2012年2月28日提交的美國臨時申請No. 61/447，624的優先權，該臨時申請通過引用方式合并于此。
技術介紹
質譜儀被用于測定物質的化學組成和分子結構。質譜儀由產生離子(如產生離子化的中性分子)的離子源、質量分析儀及離子檢測器組成。舉例來說，質量分析儀可以是飛行時間(TOF)質量分析儀。TOF質量分析儀可通過測量化合物的分子和/或碎片離子通過一定的距離所用的時間來用于記錄化合物或者化合物的混合物的質譜。 在正交飛行時間質譜儀器中，有時有必要控制正在接近正交加速區的離子束的能量。在這種情況下，離子束的軸向能量可被控制以保證離子在通過自由飛行區之后撞擊檢測器，并獲得良好的分辨率。雖然飛行時間質譜儀的脈沖發生器(pulser)中的離子的垂向(vertical)位置能夠用空間聚焦技術來補償，但是垂向的能量導致了引起低分辨率的回轉時間(turn-around-time)問題。因此典型地，為了實現高分辨率，離子束被“切分(slice)”以去除那些向上和向下具有過度的垂向速率的離子。這通過讓離子束經過板中的狹縫以使這些離子撞擊板并失去其電荷來實現。
技術實現思路
[技術問題]飛行時間測定對包括離子束尺寸和發散的離子束相空間尤其敏感。為了提高離子束的質量，通常使用離子切分器阻礙相對于離子束的軸具有特別高發散度和/或高位移的離子。這種離子切分器從而限定了正在進入質譜儀的離子束的相空間。切分之后，被切分的離子束(在一定距離內類似于概念上的離子“帶(ribbon) ”，因為離子束的頂部和底部已經被去除了)進入飛行時間譜儀，并且離子被脈沖輸送(pulse)至TOF譜儀的飛行管。在一些實施例中，離子在正交方向上(例如相對于帶的平面向上)被脈沖輸送至飛行管。切分從離子束中去除了在脈沖方向上具有顯著能量的離子，并且允許更多的離子的部分從飛行管中同樣的起點被脈沖輸送。這些特點導致了質譜儀分辨率的增加。質譜儀的性能的另一個特性是操作的穩定性，切分器的工作表面上待分析分子的堆積可能潛在地損害操作的穩定性。這種堆積隨后導致這些表面累積電荷，而這將引起離子束偏轉。例如，如果切分器的工作表面變臟并且累積電荷，離子束將被偏轉或散焦。離子的低速增強了這種效應。相對于在下游的飛行時間質譜儀的脈沖發生器區域內使用的電壓，傳統的切分器的電位典型地在范圍O至10V，而脈沖發生器區域內的離子的軸向動能典型地低于40eV。結果，離子的速率相對偏低，這將導致上面描述的一些問題。[技術方案]在第一方面，本技術提供了一種切分離子束的裝置，其特征在于包括a)具有離子入口狹縫的第一電極，設置為工作于使正在接近所述狹縫的初始離子束中的離子加速的電壓下；其中所述狹縫的寬度選擇為阻礙一部分相對于該離子束的軸具有高位移的離子；以及b)所述第一電極下游的一個或多個透鏡，設置為工作于使離子減速的一個或多個電壓下，其中所述一個或多個透鏡的幾何構成和電位分布提供相對于所述軸具有低發散度的離子束。其中，第一電極具有把所述初始離子束中的離子的能量增加2倍至50倍的電壓，并且所述一個或多個透鏡把被加速的離子的能量減少到1/2至1/50。其中，所述初始離子束的能量范圍為IeV至50eV的范圍內。其中，當離子穿過所述一個或多個透鏡時，所述離子在離子束的包含縱軸的平面中交叉。其中，所述第一電極的離子入口狹縫的寬度在O. 6mm至I. 2mm范圍內。其中，所述第一電極的離子入口狹縫的寬度在O. Imm至IOmm范圍內。其中，所述一個或多個透鏡包括i第一透鏡，設置為工作于使進入所述第一透鏡的離子減速的電壓下第二透鏡，設置為工作于使進入所述第二透鏡的離子加速的電壓下；并且其中該裝置進一步包括具有離子出口狹縫的第二電極，所述第二電極工作于使離子減速的電壓下；其中所述裝置被設置為使初始離子束被所述第一電極切分以產生被切分的離子束，并且所述被切分的離子束在經過所述離子出口狹縫離開所述裝置之前通過所述第一和第二透鏡。其中，所述第一電極帶有刃片并且包括a)本體；b)與本體相接的第一延伸刃片；以及c)與本體相接的第二延伸刃片；其中，該離子切分儀包括延伸入所述本體的、供離子通過的狹縫，并且其中，所述第一和第二延伸刃片的邊緣限定了所述狹縫的入口，這些邊緣朝向所述離子束。在第二方面，本技術提供了一種質譜儀系統，其特征在于包括a)用于產生離子的離子源山)用于引導所述離子的離子束的離子導管；c)用于對離子進行分析的飛行時間質量分析儀，其中所述飛行時間質量分析儀包括用于在與所述離子束的縱軸正交的方向上脈沖輸送離子的脈沖發生器；以及d)在所述離子導管和所述飛行時間質量分析儀之間的、如本技術第一方面所述的切分離子束的裝置，所述裝置阻礙一部分相對于所述脈沖方向上的離子束的軸具有高位移的離子。[技術效果]此處描述了一種“快速狹縫”切分器，也就是，含有離子高速通過的狹縫的離子切分器。離子以相對于穿過傳統離子切分器的離子的10倍或更高的能量通過快速離子切分器的狹縫。結果，離子切分器的壽命可以增加至10倍，因為充電的效應與離子的動能大致成反比。附圖說明附圖被合并于此，作為說明書的一部分。連同下述描述，附圖進一步用于解釋所要求保護的系統和方法的原理，并使本領域技術人員能夠制造和使用所要求保護的系統和方法。圖I示意性地圖示了一種典型的快速狹縫離子切分器的光學組成部分。圖2示意性地圖示了另一種典型的快速狹縫離子切分器的光學組成部分。圖3示意性地圖示了一種帶有快速狹縫切分器的質譜系統。圖4示意性地圖示了一種帶有刃片的切分器的一個實施例。圖5示意性地圖示了帶有刃片的切分器的另一個實施例。 圖6示出了一種示例性的帶有刃片的切分器的透視圖。具體實施方式本申請中描述了一種“快速狹縫(fast slit)”離子切分器。該裝置大體包括a)包含離子入口狹縫的第一電極，該狹縫處于使正在接近該狹縫的初始離子束加速的電壓下；其中該狹縫的寬度選擇為阻礙一部分相對于離子束的軸具有高位移的離子；b)位于該第一電極之后的一個或多個透鏡，處于一個或多個使離開該一個或多個透鏡的離子減速的電壓下。該一個或多個透鏡的幾何構造和電位分布提供在所述軸的方向上具有低發散度的離子束。還提供一種質譜系統，在特定的實施例中，該質譜儀系統包括產生離子的離子源；引導離子束的離子導向器；快速狹縫離子切分器；和用于分析離子的正交飛行時間(TOF)質量分析儀。最后，提供一種切分低能量離子束的方法。概括地，該方法包括把低能量離子束向包括離子入口狹縫的第一電極加速，其中該第一電極阻礙一部分相對于離子束的軸具有高位移的離子，從而切分該離子束；以及，把切分之后的離子束減速。本申請中，術語“垂向”和“橫向(transverse) ”可互換地用于表示質量分析儀的離子在下游的正交飛行時間內飛行的方向。術語“水平”指與離子束的垂向軸和縱向軸都垂直。通過向包含狹縫的電極提供高電位，離子能夠被朝向狹縫加速。該電位可以高達500V，但是典型地在100V至300V的范圍內?？焖侏M縫能夠被安裝在距TOF質譜儀的脈沖發生器區域一個選定的距離。快速狹縫和脈沖發生器之間的距離應當足以容納下述光學元件這些光學元件用于使離子減速至適于飛行時間分析本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種切分離子束的裝置，其特征在于包括：a)具有離子入口狹縫的第一電極，設置為工作于使正在接近所述狹縫的初始離子束中的離子加速的電壓下；其中所述狹縫的寬度選擇為阻礙一部分相對于該離子束的軸具有高位移的離子；以及b)所述第一電極下游的一個或多個透鏡，設置為工作于使離子減速的一個或多個電壓下，其中所述一個或多個透鏡的幾何構成和電位分布提供相對于所述軸具有低發散度的離子束。

【技術特征摘要】
2011.02.28 US 61/447,621I所述的裝置，其中所述裝置阻礙一部分相對于所述脈沖方向上的離子束的軸具有高位移的離子。實施例23根據實施例22的質譜儀系統，其中至少所述電壓中的一個可以調節以使所述TOF質量分析儀產生較高的靈敏度和較低的分辨率，或者較低的靈敏度和較高的分辨率。實施例24根據實施例22或23的質譜儀系統，其中所述離子導管的離子出口與所述離子入口狹縫隔開一個距離以阻礙與離子束的軸有限定距離的離子。[0084]實施例25根據實施例22-24中的任一質譜儀系統其中所述離子導管設置為工作于5V至50V范圍內的電壓下；所述第一電極設置為工作于100V至500V范圍內的電壓下；包括減速透鏡的所述一個或多個透鏡設置為工作于OV至200V范圍內的電壓下。實施例26根據實施例22-25中任一質譜儀系統，進一步包括具有孔的、在所述離子導管和所述第一電極之間的、用于定形和/或引導離子束的第二電極。實施例27根據實施例26的質譜儀系統，其中所述孔在水平方向的寬度大于垂向上的寬度。實施例28根據實施例26的質譜儀系統，進一步包括位于所述離子導管和所述第二電極之間的環形電極和圓柱電極，用于向離子束提供RF屏蔽?！嵤├?9根據實施例22-28中任一質譜儀系統，其中所述第一電極具有刃片，并包括a)本體；b)與本體相接的第一延伸刃片；以及c)與本體相接的第二延伸刃片；其中該離子切分器包括離子通過的延伸入所述本體的狹縫，并且其中所述第一和第二延伸刃片限定了所述狹縫的入口且朝向所述離子束。實施例30 —種切分離子束的方法，包括向具有離子入口狹縫的第一電極加速離子束，其中所述第一電極阻礙一部分相對于離子束的軸具有高位移的離子，由此切分所述離子束，并且在粒子束被切分后，使離子束減速。實施例31根據實施例30的方法，其中所述加速是指將離子束中的離子的能量增加2倍至50倍，所述減速是指將加速后的離子的能量減少1/2倍至1/50。實施例32根據實施例30或31的方法，其中該離子束被切分后被脈沖輸送至正交飛行時間質譜儀。實施例33根據實施例30-32中任一方法，其中所述方法中加速和減速由下述裝置執行，該裝置包括a)具有離子入口狹縫的第一電極；b)具有第一對相對設置的平板電極的第一透鏡；c)具有第二對相對設置的平板電極的第二透鏡；以及d)包括離子出口狹縫的第二電極；其中所述離子束被所述第一電極切分以產生在經過離子出口狹縫離開所述裝置前通過所述第一和第二透鏡的離子帶；并且其中第一電極加速所述離子，所述第一透鏡減速所述離子，所述第二透鏡加速所述離子以及所述第二電極減速所述離子。本實用新型之前的描述的目的為解釋說明。并不意味著窮舉或將本實用新型限制在所披露的嚴格的形式內?？梢愿鶕鲜鼋虒нM行其它修改或變化。所選擇并被詳細描述的實施例是為了更好地解釋本實用新型的原理及其實際應用，并由此使本領域技術人員更好的以變化的和各種修改的方式利用本實用新型以適用于不同的目的。附加的權利要求用于限定包括本實用新型其它等同替代的實施方式，包括等價的結構，組成，方法和手段。除非另有限定，否則本實用新型中所有技術和科學術語的含義均與本領域技術人員通常熟知的含義相同。本實用新型中為了清楚地說明而以分開方式描述的實施例還可以組合為一個單獨的實施例。相反地，本實用新型中為了簡潔地說明而在全文中描述的單獨的實施例各種技術特征還可以被分開或以任意合適的方式進行拆分。實施例的所有組合方式都被由本實用新型涵蓋并被披露于此，即，每種組合方式都單獨地且明確地公開，這些組合方式涵蓋了可操作的方法和/或裝置/系統/套件。[0099]本領域技術人員可以理解，本實用新型所描述和解釋的每個單獨的實施例包括分立的要素和特征，這些要素和特征可以容易地與其它幾個實施例中的任一者分開或組合而不脫離本實用新型的范圍或違背本實用新型的精神。所記載的任何方法可以按照所陳述的 順序或邏輯上可能的任何其他順序來執行。權利要求1.一種切分離子束的裝置，其特征在于包括 a)具有離子入口狹縫的第一電極，設置為工作于使正在接近所述狹縫的初始離子束中的離子加速的電壓下；其中所述狹縫的寬度選擇為阻礙一部分相對于該離子束的軸具有高位移的離子；以及 b)所述第一電極下游的一個或多個透鏡，設置為工作于使離子減速的一個或多個電壓下，其中所述一個或多個透鏡的幾何構成和電位分布提供相對于所述軸具有低發散度的離子束。2.根據權利要求I的裝置，其中第一電極具有把所述初始離子束中的離子的能量增加2倍至50倍的電壓，并且所述一個或多個透鏡把被加速的離子的能量減少到1/2至1/50。3.根據權利要求I或2的裝置，其中所述初始離子束的能量范圍為IeV至50eV的范圍內。4.根據權利要求I或2的裝置，其中當離子穿過所述一個或多個透鏡時，所述離子在離子束的包含縱軸的平面中交叉。5.根據權利要求3的裝置，其中當離子穿過所述一個或多個透鏡時，所述離子在離子束的包含縱軸的平面中交叉。6.根據權利要求I或2的裝置，其中所述第一電極的離子入口狹縫的寬度在O.6_至I. 2mm范圍內。7.根據權利要求3的裝置，其中所述第一電極的離子入口狹縫的寬度在O.6mm至I. 2mm范圍內。8.根據權利要求4的裝置，其中所述第一電極的離子入口狹縫的寬度在O.6mm至I. 2mm范圍內。9.根據權利要求I或2的裝置，其中所述第一電極的離子入口狹縫的寬度在O.Im...

【專利技術屬性】
技術研發人員：邁克爾·尤加戊，詹姆斯·L·博特遲，
申請(專利權)人：安捷倫科技有限公司，
類型：實用新型
國別省市：