用于飞行时间质谱计的场发射电离源制造技术

本发明专利技术一种于飞行时间质谱计的场发射电离源，针对热灯丝发射电子碰撞电离源存在热灯丝高能耗、高温热脱附、不能微型化等问题，提出的技术方案为：采用刀刃涂覆纳米材料或直接采用纳米材料涂覆于平面电极作为冷阴极发射体，阳极为狭缝结构，在阳极狭缝后面设计一套微通道板组件，用以放大电子流并调适电子能量，最后再让具有合适能量的电子束在磁场约束下入射电离盒电离气体分子。这样，场发射阴极本身可以工作在较低电压下从而不易被损坏，同时入射电离盒的电子能量也可以单独控制使之更适合电离气体分子。在应用中，只需要在阴极上施加脉冲负高压，即可实现脉冲式电离，从而产生脉冲式片状离子束，以供垂直引出和探测分析。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术一种于飞行时间质谱计的场发射电离源，针对热灯丝发射电子碰撞电离源存在热灯丝高能耗、高温热脱附、不能微型化等问题，提出的技术方案为：采用刀刃涂覆纳米材料或直接采用纳米材料涂覆于平面电极作为冷阴极发射体，阳极为狭缝结构，在阳极狭缝后面设计一套微通道板组件，用以放大电子流并调适电子能量，最后再让具有合适能量的电子束在磁场约束下入射电离盒电离气体分子。这样，场发射阴极本身可以工作在较低电压下从而不易被损坏，同时入射电离盒的电子能量也可以单独控制使之更适合电离气体分子。在应用中，只需要在阴极上施加脉冲负高压，即可实现脉冲式电离，从而产生脉冲式片状离子束，以供垂直引出和探测分析。【专利说明】用于飞行时间质谱计的场发射电离源
本专利技术涉及一种电子碰撞电离源，主要涉及采用场发射电子来碰撞电离气体分子 从而产生离子的工作原理及其相关技术，特别涉及将该电离源用于飞行时间质谱计的技术 途径。
技术介绍
电离源是一种将自由气体分子或固体表面束缚原子（原子团）电离、从而产生自 由离子的装置，是质谱分析仪器的核心装置之一。目前用于质谱分析仪器的电离源技术有 热灯丝发射电子碰撞电离、脉冲激光电离、紫外光电离、电喷雾电离、潘宁放电电离等。在飞 行时间质谱计（time-〇f-flight mass spectrometer，TOF-MS)中应用最多的是热灯丝发射 电子碰撞电离和脉冲激光电离技术，主要原因是电子碰撞电离和脉冲激光电离很容易产生 脉冲式离子束，特别适合T0F-MS的用途。 传统的T0F-MS大多采用热灯丝发射电子来碰撞电离气体分子。其缺点是热灯丝 容易变形，抗震动性能不强，还存在能耗大、高温热脱附等不足。由于灯丝工作温度高达数 千度，还存在多种波长的强光发射，造成离子的热运动加剧，最后以热噪声和谱峰展宽效应 反映出来。此外，这些极端条件也限制了样品气体的种类，比如有些容易热分解的气体分子 就不能被有效探测。特别地，在电离源乃至整个T0F-MS仪器微型化以后，热发射几乎是不 可能采用的方案。而光电离方案中，脉冲激光解吸电离用得最多。问题是，大功率脉冲激光 器系统本身很难微型化，除了激光头之外一般还带有复杂的电源部件和冷却系统。紫外光 源也很难微型化，而且能耗也不低。对于便携式应用或者空间飞行器用途来说，能耗、体积 和载荷都是重要的限制性指标。因此，国际上已经有研究组（美国Hopkins大学）尝试采 用场发射电子束来代替热灯丝电子发射来研制微型T0F-MS仪器的电离源。 场发射电离源的最大好处是阴极温度低、结构简单、电控部件少、即时启动、易于 脉冲化，特别是功耗极低（毫瓦量级）。其中"冷阴极"的突出优势是没有"热阴极"所附带 的高温效应和强光效应。但是采用场发射电离源也有困难之处：第一，大电流、长寿命、高稳 定的脉冲场发射电子源本身还是正在攻克的技术难关，电流、寿命、稳定性三者很难兼顾， 全世界有大量研究者正在从事这方面的研究，这意味着这项技术本身目前很难应用到实际 仪器中去；第二，作为电子碰撞电离机制，希望电子的入射能量介于60-120电子伏特，电子 能量太大或太小都会明显降低气体分子的电离几率，而场发射通常需要上千伏特的电压， 意味着电子动能为上千电子伏特，这其中显然有需要调适的地方。近几年美国Hopkins大 学研究组采用碳纳米管场发射来实现T0F-MS的电离源，他们的做法是，先采用上千电子伏 特的电压拉出电子流，再用多个狭缝电极来给电子减速，直到电子能量符合要求。这么做的 不利之处在于，多个用于电子减速的狭缝电极都存在透过率问题，也即电子会有明显损失。 为了提高最后进入电离室的电子的通量，场发射电压就必须加得很大，对阴极寿命极为不 利。事实上，他们在2011年发表的文献中提到，他们的原型仪器的寿命只有20多个小时， 主要就是阴极发射体损坏。 综上所述，在微型化T0F-MS仪器中采用场发射电离源技术具有明显的优势，也有 很大的现实困难。如何解决场发射电流、寿命、稳定性三者兼顾的问题，以及在尽可能不损 失电子的前提下调适电子能量使之适合气体分子的碰撞电离，都是还没有很好解决的技术 难题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一个新的思路，专利技术一种新的场发射电离源。 本专利技术的技术方案为： -种用于微型飞行时间质谱计的场发射电离源，采用阴极发射体作为场发射的阴 极，采用狭缝电极作为场发射的阳极；阴极发射体在高压电场下发射电子，并采用微通道板 来放大电子流和调适电子能量，使之提供电子数量足够、能量适于气体分子碰撞电离的带 状电子束。 具体为：阴极发射体和阳极狭缝电极相对。在阳极狭缝电极的后面依次设置微通 道板、MCP狭缝电极和电离盒；阳极狭缝电极、MCP狭缝电极和电离盒上带有供电子通过的 狭缝；阳极狭缝电极的极板与阴极发射体之间连接有场发射电压，阳极狭缝电极和MCP狭 缝电极之间连接有MCP电压；靠近电离盒的MCP狭缝电极的极板与电离盒之间连接有电离 电压。 上述
技术实现思路
有几个要点。第一，阴极发射体采用刀刃状金属附着纳米材料，或者 直接采用纳米结构平面阴极，而阳极采用狭缝结构。第二，在微通道板两边采用狭缝电极来 限制电子束的形状，并采用纵向磁场来约束电子，从而实现薄带状电子束，进而在一个片状 区域内发生电子碰撞电离。这特别适合于T0F-MS的应用情况。在垂直方向上用负高压脉 冲引出离子，然后以同样的动能进入无场漂移区最后到达离子探测器。这样，离子的出发位 置的误差越小，越有利于提高仪器的分辨本领。第三，采用微通道板组件来放大电子流，可 以降低对于场发射阴极的要求，也就是说，场发射阴极可以工作在较低电压下，只要有极少 量的电子发射出来即可。这对于场发射的稳定性和阴极寿命显然有很大好处。第四，通过 微通道板组件来调适电子能量。场发射电子的动能高达上千电子伏特，而对于大多数气体 分子的电离来说电子动能最佳范围是60-120电子伏特。我们利用了二次电子初动能很低 的特点，直接在微通道板出射面和电离盒之间施加独立可调的直流电压，可以使得入射电 离盒的电子动能处于最佳范围。 采用这种场发射电离源将解决传统热灯丝电离源的高能耗、热脱附、不能微型化 等问题，特别适合应用于微型飞行时间质谱计，使得仪器整体功耗、尺寸、载荷明显下降。这 样的场发射微型飞行时间质谱计适合于空间飞行器用途，也在便携式（包括车载）民用分 析仪器领域有广泛应用前景。 【专利附图】【附图说明】 图1是本专利技术场发射电离源的结构示意简图， 图2是锯齿状刀刃阴极示意图， 图3是采用刀刃状阴极场发射组件的T0F-MS仪器所得到的质谱峰， 图4是采用平面状阴极场发射组件的T0F-MS仪器所得到的质谱峰。 图中：1.阴极发射体，2.阳极狭缝电极，3.微通道板，4.MCP狭缝电极，5.场发射 电压，6. MCP电压，7.电尚电压，8.带状电子束，9.电尚盒，10.正尚子，11.磁体。 【具体实施方式】 本专利技术用于飞行时间质谱计的场发射电离源，采用阴极发射体作为场发射的阴 极，采用狭缝电极作为场发射的阳极。阴极发射体在高压电场下发射电子，并采用微通道板 来放大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于微型飞行时间质谱计的场发射电离源，采用阴极发射体作为场发射的阴极，采用狭缝电极作为场发射的阳极，其特征在于：阴极发射体在高压电场下发射电子，并采用微通道板来放大电子流和调适电子能量，使之提供电子数量足够、能量适于气体分子碰撞电离的带状电子束。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭等柱，胡秋宁，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11