本發(fā)明涉及質(zhì)譜分析技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種帶有雙場加速區(qū)的飛行時間質(zhì)譜儀。

背景技術(shù)：

作為分析測試科學(xué)儀器的突出代表，質(zhì)譜儀具有靈敏度最高，適用性最強的優(yōu)勢，在科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐中都具有不可替代的重要作用，其應(yīng)用遍及國計民生和安全信息的各個領(lǐng)域。

質(zhì)譜分析中，待測物質(zhì)分子經(jīng)電離后依照不同質(zhì)荷比(質(zhì)量與電荷之比)在電磁場控制下按空間位置和時間先后加以區(qū)分和定量分析。飛行時間質(zhì)譜是質(zhì)譜技術(shù)中應(yīng)用十分廣泛的一種。飛行時間質(zhì)譜分析器主要有直線式和反射式兩大類。直線式飛行時間質(zhì)譜,主要由加速區(qū)、自由飛行區(qū)和檢測器組成。加速區(qū)的電場強度為es，寬度為s0,離子在加速區(qū)中的位置為s,自由飛行區(qū)的長度為d。當(dāng)離子處于加速區(qū)時,在加速區(qū)極板上施加脈沖電壓,加速區(qū)內(nèi)瞬間產(chǎn)生高壓加速電場,離子沿著質(zhì)譜方向加速,朝著探測器做加速運動。當(dāng)飛過加速區(qū)時,離子獲得一定的動能,進入自由飛行區(qū)后,依靠慣性繼續(xù)飛，飛行速度恒定。由于離子經(jīng)過加速后獲得的動能相同,那么質(zhì)量小的離子速度快一些,早一點到達探測器；質(zhì)量大的離子速度慢一些,晚一點到達探測器。早期的飛行時間質(zhì)譜主要使用一級加速場，但其對離子初始分散的聚焦能力有限,分辨率很低。解決的辦法是將加速電場改成兩級電場,一級作為引出電場,另外一級作為加速電場。由于增加一級電場,增加了一個電壓參數(shù)和尺寸參數(shù),飛行時間質(zhì)譜能實現(xiàn)更高階的聚焦。

現(xiàn)有技術(shù)中的雙場加速飛行時間質(zhì)譜原理如圖1所示，正交加速區(qū)結(jié)構(gòu)包括一個推斥板201、一個引入電極板202，以及引出電極板203。其中推斥板201與引入電極板202之間組成電場強度為es的一級加速區(qū)；引入電極板202與引出電極板203之間組成電場強度為ed的二級加速區(qū)；離子以垂直方向引入，在推斥板201脈沖高壓的作用下進行二級加速，實現(xiàn)二階空間聚焦。

如圖1和圖2所示，離子需要經(jīng)歷兩級加速區(qū)后進入自由飛行區(qū)，這兩級加速區(qū)的電場強度分別為es和ed，電場寬度分別為s0和d，離子所處的實際位置為s，自由飛行區(qū)長度為d，離子經(jīng)過一級加速區(qū)、二級加速區(qū)和自由飛行區(qū)的時間ts、td和td分別為：

總的飛行時間t為：

由可以得到一階聚焦條件：

其中

由和可以得到二階聚焦條件：

其中，m為離子的質(zhì)量，q為離子的電荷量，ud為電壓值。

在給定的d和d的條件下，即可以求得s和ud；進而確定詳細(xì)的設(shè)計參數(shù)。

在實際工作中，飛行時間質(zhì)譜的雙場加速區(qū)的幾何參數(shù)和電壓參數(shù)往往需要根據(jù)泰勒公式求解出理論值，或者使用模擬軟件模擬出相應(yīng)的參數(shù)，再根據(jù)理論值或者模擬值設(shè)計加工出相應(yīng)的電極板，進而組裝調(diào)試，但在實際調(diào)試過程中，由于加工誤差和裝配誤差等因素的影響，實際效果會與理論值有較大的偏差，與此同時，加工和裝配的參數(shù)無法隨即做出改變，會給實驗和樣機調(diào)試帶來諸多不便。

此外，為了追求較高的分辨率，離子在雙場加速區(qū)之前，往往需要經(jīng)過一個較小的狹縫，以便減小初始空間分散對分辨率的影響，但與此同時，離子的數(shù)量會有較大損失，不利于儀器的靈敏度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種極板間距和分壓比可調(diào)的帶有雙場加速區(qū)的飛行時間質(zhì)譜儀。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：一種帶有雙場加速區(qū)的飛行時間質(zhì)譜儀，包括順序布置在一真空腔體內(nèi)的第一電場加速區(qū)、第二電場加速區(qū)以及自由飛行區(qū)，其中第一電場加速區(qū)的前端設(shè)有離子源，自由飛行區(qū)的后端設(shè)有離子探測器，第二電場加速區(qū)的后端電極相對于前端電極沿平行于離子飛行路徑的方向活動設(shè)置。

優(yōu)選的，所述第一電場加速區(qū)由一個三維離子阱的內(nèi)部電場構(gòu)成，所述三維離子阱的后端蓋一側(cè)間隔設(shè)置有一平板電極，該平板電極與三維離子阱的后端蓋之間構(gòu)成第二電場加速區(qū)，所述離子源與三維離子阱的前端蓋相對設(shè)置。

優(yōu)選的，所述平板電極沿三維離子阱的軸線方向滑動設(shè)置；還包括用于驅(qū)動平板電極滑動并能夠使平板電極停留在滑動路徑任意位置的驅(qū)動單元。

優(yōu)選的，所述平板電極通過滑塊滑動設(shè)置在與三維離子阱軸線方向平行的軌道上，所述真空腔體的側(cè)壁上具有一垂直于三維離子阱軸線的腔壁，所述驅(qū)動單元包括該腔壁上安裝的一真空導(dǎo)入器，該真空導(dǎo)入器的軸線與三維離子阱的軸線平行，所述真空導(dǎo)入器的伸縮軸通過一連接桿與平板電極固接。

或者，平板電極安裝在一電動位移平臺上，所述驅(qū)動單元為伺服電機。

優(yōu)選的，所述離子源與三維離子阱之間設(shè)有離子導(dǎo)引裝置。

優(yōu)選的，所述三維離子阱內(nèi)部充有惰性氣體。

優(yōu)選的，所述惰性氣體為氦氣。

優(yōu)選的，所述平板電極與三維離子阱后端蓋之間的間距為5-20mm。

優(yōu)選的，平板電極供離子穿過的通孔上粘有柵網(wǎng)。

本發(fā)明的技術(shù)效果在于：本發(fā)明的雙場加速質(zhì)譜儀既能實現(xiàn)極板間距和分壓比可調(diào)，又能不損失分辨率和靈敏度的雙場加速區(qū)設(shè)計方法。此外，本發(fā)明提供的這種設(shè)計相比于商用儀器中的離子阱-飛行時間質(zhì)譜設(shè)計，節(jié)約了一段加速場的距離，更有利于儀器的小型化和便攜化。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的雙場加速質(zhì)譜儀正交加速區(qū)結(jié)構(gòu)的原理圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的雙場加速質(zhì)譜儀正交加速區(qū)結(jié)構(gòu)的電勢分布,圖中橫坐標(biāo)為離子到電極201之間的距離；

圖3是本發(fā)明的實施例1所提供的帶有雙場加速區(qū)的飛行時間質(zhì)譜儀的原理圖；

圖4是本發(fā)明的實施例2所提供的帶有雙場加速區(qū)的飛行時間質(zhì)譜儀的原理圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細(xì)的描述。

實施例1

如圖3所示，一種帶有雙場加速區(qū)的飛行時間質(zhì)譜儀，包括順序布置在一真空腔體10內(nèi)的第一電場加速區(qū)11、第二電場加速區(qū)12以及自由飛行區(qū)13，其中第一電場加速區(qū)11的前端(在本發(fā)明的表述中，“前端”和“后端”是以離子飛行的方向為參照確定的，即離子飛行路徑的上游為“前端”，離子飛行路徑的下游為“后端”)設(shè)有離子源16，自由飛行區(qū)13的后端設(shè)有離子探測器17，第二電場加速區(qū)12的后端電極相對于前端電極沿平行于離子飛行路徑的方向活動設(shè)置。

優(yōu)選的，所述第一電場加速區(qū)11由一個三維離子阱14的內(nèi)部電場構(gòu)成，所述三維離子阱14的后端蓋一側(cè)間隔設(shè)置有一平板電極15，該平板電極15與三維離子阱14的后端蓋142之間構(gòu)成第二電場加速區(qū)12，所述離子源16與三維離子阱14的前端蓋141相對設(shè)置。三維離子阱14由兩個端蓋電極141、142和一個位于兩個端蓋電極141、142之間的環(huán)電極143構(gòu)成。做切面圖為兩對等軸的雙曲面,在端蓋電極141、142上施加直流電壓或接地,環(huán)電極143施加射頻電壓(rf),即可在離子阱14內(nèi)部產(chǎn)生能束縛離子的電場。根據(jù)rf電壓的大小,離子阱14即可捕獲某一質(zhì)量范圍的離子。離子阱14可以儲存離子,待離子累積到一定數(shù)量后,再通過調(diào)節(jié)rf的電壓幅度進行質(zhì)量掃描,離子即按質(zhì)荷比從小到大的的順序依次被驅(qū)逐出離子阱14,而后被檢測器檢測到,從而獲得質(zhì)譜圖。因此，離子阱能起到富集離子，提高信號強度的作用。

優(yōu)選的，所述平板電極15沿三維離子阱14的軸線方向滑動設(shè)置；還包括用于驅(qū)動平板電極15滑動并能夠使平板電極15停留在滑動路徑任意位置的驅(qū)動單元。

優(yōu)選的，所述平板電極15通過滑塊滑動設(shè)置在與三維離子阱14軸線方向平行的軌道193上，所述真空腔體10的側(cè)壁上具有一垂直于三維離子阱14軸線的腔壁，所述驅(qū)動單元包括該腔壁上安裝的一真空導(dǎo)入器19，該真空導(dǎo)入器19的軸線與三維離子阱14的軸線平行，所述真空導(dǎo)入器19的伸縮軸通過一連接桿191與平板電極15固接。

優(yōu)選的，所述離子源16與三維離子阱14之間設(shè)有離子導(dǎo)引裝置18。

進一步的，所述三維離子阱14內(nèi)部充有惰性氣體，本實施例優(yōu)選氦氣。

優(yōu)選的，所述平板電極15與三維離子阱14后端蓋142之間的間距為5-20mm。

平板電極15供離子穿過的通孔上粘有柵網(wǎng)151，柵網(wǎng)151的作用是使得兩側(cè)的電場成為平行均勻電場，防止平板電極15兩側(cè)產(chǎn)生電場滲透，避免兩側(cè)電場疊加而影響到電場均勻性。

如圖3所示，由離子源16產(chǎn)生的離子束本發(fā)明只討論正離子，經(jīng)過離子導(dǎo)引裝置18后到達離子阱14前端，在前端飛行過程中獲得一定動能的前提下，離子首先穿過離子阱的前端蓋141電極，進入離子阱14，在離子阱14射頻和氦氣緩沖氣的作用下，進入的離子不斷的富集在離子阱14的環(huán)電極143的中心，當(dāng)離子富集一定時間后，離子阱14的后端蓋142電極上施加一負(fù)脈沖，將富集之后的離子引出離子阱14，進入離子阱14的后端蓋142電極與平板電極15組成的第二級加速電場，隨后，進入一段自由飛行區(qū)13，由于離子束在兩級電場中獲得的能量相同，即e＝1/2mv²，但由于不同的離子質(zhì)荷比不同，根據(jù)

v＝l/t

l為自由飛行區(qū)13長度，t為離子的飛行時間，因此離子到達探測器的時間也不同，據(jù)此將不同的離子分離開來。

實施例2

本實施例與實施例1的區(qū)別僅在于：平板電極15安裝在一電動位移平臺20上，所述驅(qū)動單元為伺服電機。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。