结实的离子源制造技术

设备(例如，离子源)、系统(例如，残留气体分析仪)和方法在存在污染气体的情况下提供了质谱仪的延长寿命和提高的分析稳定性，同时实现了采样气体优于内部背景气体的显著优先的电离。一个实施方式是包括气体源、喷嘴、电子源和电极的离子源。气体源经由喷嘴将气体输送到被抽真空的电离容积，并且气体源处于高于被抽真空的电离容积的压力的压力。通过喷嘴的气体在电离容积的电离区域中自由膨胀。电子源发射电子通过电离区域中的膨胀的气体，以使膨胀的气体中的至少一部分电离。电极产生用于从所述电离区域到滤质器的离子流的电场，并且与所述喷嘴间隔开且被定向以限制其暴露于所述气体。

Solid ion source

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】结实的离子源相关申请本申请是2017年6月13日提交的美国申请No.15/621,241的继续申请并且要求其优先权。以上申请的全部教导以引用方式被并入本文中。
技术介绍
质谱仪测量分子样品内的质量，以分析样品的组成。残留气体分析仪(RGA)是相对小的质谱仪，它通过使气体中的成分电离以产生电荷并确定这些成分的质荷比来测量气体的成分。RGA通常用于检查气体成分和污染，并且可在被抽真空的环境中以比正被分析气体的源低的压力下操作。残留气体分析仪的主要成分是离子源、质量分析仪(滤质器)、检测器和相关的电子装置。离子源使气体的分子电离，质量分析仪通过离子的质荷比选择离子，并且检测器确定所选择的离子的量。RGA离子源通常是以下两种类型之一：开放式或封闭式。开放式离子源通常安装在真空室内，离子源的部件直接暴露于来自处理环境的样品气体。真空室中的样品气体分子可从多个方向移动通过离子源——离子源内部及其周围没有压力差。当气体压力对于RGA而言过高而无法正常操作时，使用减压气体采样真空系统将待分析气体样品降至可接受的压力。在这些应用中，开放式离子源具有诸如来自采样系统的残余真空中的气体(例如，氢、水、一氧化碳、油)的干扰这样的缺点。通常，当与减压气体取样系统一起使用RGA分析气体时，优选的是封闭式离子源。封闭式离子源提供了在样品气体的压力下或低于样品气体的压力下但是高于整个RGA能承受的压力下操作的电离室。因只有小的开口供气体、电子和离子的进入和离开，该室的气体出射导流率受到约束。电子被引导到室内，以在室内在相对高的压力下形成样品气体的离子。样品气体处于比开放式离子源能承受的更高的压力下，所以来自样品气体的信号对应地高于来自减压系统的残余真空的信号，从而提供了对样品气体的更高保真度分析。因为封闭式离子源的临界电极表面以比开放式离子源更高的压力暴露于样品气体，所以封闭式离子源易于更快地降级，因为样品气体会污染那些表面。另外，电子源通常位于将电子通过其被引入电离室的孔附近，并因此在明显高于质谱仪平均压力的压力下暴露于样品气体。因此，封闭式离子源具有较高分析保真度，但易于遭受较高降级率，而开放式离子源具有较低降级率，但提供较低分析保真度。在其他(非RGA)系统中使用的解决该降级问题的现有方法包括交叉束离子发生器并且具有额外控制表面的动态调节离子表面。然而，额外控制表面增加了成本和复杂度，经常需要频繁的调节过程，并且在受到严重污染的情况下效果有限。交叉束离子源对当它们使用多级泵系统洗提大部分采样气体来分析一小部分采样气体中的准直气体流时消耗的气体量的灵敏度低。这导致要么样品气体信号小，要么需要消耗大量样品气体流量的大型的昂贵抽吸系统。
技术实现思路
所公开的实施方式提供了良好样品气体分析保真度以及在存在污染气体的情况下延长的寿命和提高的分析稳定性。一个示例实施方式是包括气体源、喷嘴、电子源和电极的离子源。如本文中使用的，术语“喷嘴”意指具有相对小出口的气体流输送元件。喷嘴可以是任何长度(甚至为零)的管或类似结构。如果喷嘴的长度为零，则喷嘴可采用表面中的孔的形式。气体源通过喷嘴将气体输送到被抽真空的电离容积，并且气体源处于明显高于被抽真空的电离容积的压力的压力。来自气体源并通过喷嘴的气体在电离容积的电离区域中自由膨胀，随着气体远离喷嘴的出口而膨胀，气体压力快速降低。电子源发射电子，所述电子靠近喷嘴通过电离区域中的膨胀的气体，以使膨胀的气体中的至少一部分电离。电极产生用于从电离区域到质谱仪的滤质器的离子流的电场，并且与喷嘴间隔开并被定向以限制电极直接暴露于气体。另一个示例实施方式是一种质谱仪系统，该质谱仪系统包括真空泵、滤质器、检测器和离子源。如上所述，离子源包括气体源、喷嘴、电子源和电极，其中，离子源的电极产生用于从电离区域到滤质器的离子流的电场。离子源的喷嘴可被定向成将来自气体源的气体朝向真空泵引导。在许多实施方式中，来自喷嘴的气体分子中的至少20％穿过电离区域。在一些实施方式中，电子源可以是加热的灯丝。在这些(或其他)实施方式中，电子源可以布置在第一电极的与电离区域相对的一侧。在这些实施方式中，由电子源产生的电子行进通过第一电极的孔并朝向电离区域，从而导致电子束行进通过电离区域中的膨胀的气体。在这些实施方式中，第二电极可以与第一电极相对地布置。第二电极可以包括孔。电子行进通过电离区域并朝着第二电极，如果第二电极包括孔，则电子中的许多可以行进通过所述孔。捕获电极可相对于电离区域与第一电极相对布置，并且可测量流过电离区域的电子束电流的至少一部分。在包括具有孔的第二电极的实施方式中，捕获电极可相对于电离区域布置在第二电极的外部。在一些实施方式中可以被配置为用作捕获电极的第二电子源可以布置在第二电极中的孔的外部。在一些实施方式中，例如，当操作第二电子源时，第一电子源可以用作捕获电极。在许多实施方式中，电极包括布置在电离区域的相对两侧的第一电极和第二电极，其中，第一电极的表面和第二电极的表面基本上平行于从喷嘴起通过电离区域的气体流的主方向。在这些(或其他)实施方式中，排斥电极可将离子从电离区域朝向滤质器排斥，并且在这些(或其他)实施方式中，具有孔的离子出口电极可以将离子流从电离区域引导到滤质器。施加到各种电极的电压可以是独立可控的。在一些实施方式中，喷嘴的出口开口可具有5平方毫米或更小的面积。喷嘴的出口开口的面积可与用于所期望气体流的气体源的压力成反比，使得如果气体源的压力非常高，则喷嘴的出口开口的面积可小得多。在这些(或其他)实施方式中，在电离区域处的电子束的横截面面积可以是20平方毫米或更小。在这些(或其他)实施方式中，电极可与喷嘴中心相距至少5毫米。另一个示例实施方式是一种用于具有滤质器的质谱仪的产生离子的方法。该方法包括将来自气体源的气体通过喷嘴输送到被抽真空的电离容积。气体源处于明显高于被抽真空的电离容积的压力的压力，并且通过喷嘴的气体在电离容积的电离区域中自由膨胀。该方法还包括：发射电子以靠近喷嘴并通过电离区域中的膨胀的气体，以使膨胀的气体中的至少一部分电离；以及将电离区域中形成的离子向滤质器引导。在一些实施方式中，可使用由电极形成的电场来完成对离子的引导，在这种情况下，将气体输送到被抽真空的电离容积包括在与电极间隔开的位置输送气体，以限制电极直接暴露于气体。在这些(或其他)实施方式中，引导离子可包括将离子从电离区域朝向滤质器排斥，并且可包括将来自电离区域的离子通过孔向滤质器集中。在这些(或其他)实施方式中，发射电子可包括从加热的灯丝发射电子，并且可包括发射电子通过在电离区域的一侧的第一电极的孔，通过电离区域中的膨胀的气体，并且通过在电离区域的相对侧的第二电极的孔。附图说明根据如附图中例示的以下对示例实施方式的更特别描述，将清楚以上内容，在附图中，在不同视图中始终用类似的参考标号来表示相同的部件。附图不一定按比例，而是重点放在例示实施方式。图1是根据示例实施方式的质谱仪的离子源的立体图。图2是图1的示例离子源的另一立体图。图3是图1的示例离子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于具有滤质器的质谱仪的离子源，所述离子源包括：/n气体源，所述气体源用于将气体输送到被抽真空的电离容积，所述气体源处于明显高于被抽真空的所述电离容积的压力的压力；/n喷嘴，所述喷嘴在所述气体源和所述电离容积之间，通过所述喷嘴的气体在所述电离容积的电离区域中自由膨胀；/n电子源，所述电子源被配置为发射电子，所述电子靠近所述喷嘴通过所述电离区域中的膨胀的所述气体，以使膨胀的所述气体中的至少一部分电离；以及/n电极，所述电极被配置为产生用于从所述电离区域到所述滤质器的离子流的电场，所述电极与所述喷嘴间隔开并且被定向以限制所述电极直接暴露于所述气体。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170613 US 15/621,2411.一种用于具有滤质器的质谱仪的离子源，所述离子源包括：
气体源，所述气体源用于将气体输送到被抽真空的电离容积，所述气体源处于明显高于被抽真空的所述电离容积的压力的压力；
喷嘴，所述喷嘴在所述气体源和所述电离容积之间，通过所述喷嘴的气体在所述电离容积的电离区域中自由膨胀；
电子源，所述电子源被配置为发射电子，所述电子靠近所述喷嘴通过所述电离区域中的膨胀的所述气体，以使膨胀的所述气体中的至少一部分电离；以及
电极，所述电极被配置为产生用于从所述电离区域到所述滤质器的离子流的电场，所述电极与所述喷嘴间隔开并且被定向以限制所述电极直接暴露于所述气体。


2.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述喷嘴是小直径管。


3.根据权利要求1所述的离子源，其中，来自所述喷嘴的气体分子中的至少20％通过所述电离区域。


4.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述电子源是加热的灯丝。


5.根据权利要求1所述的离子源，其中：
所述电子源布置在第一电极的与所述电离区域相对的一侧；以及
由所述电子源产生的电子行进通过所述第一电极的孔并朝向所述电离区域，从而导致电子束行进通过所述电离区域中的膨胀的所述气体。


6.根据权利要求5所述的离子源，所述离子源还包括第二电极，所述第二电极与所述第一电极相对设置并包括孔，其中，由所述电子源产生的所述电子行进通过所述第二电极的所述孔。


7.根据权利要求5所述的离子源，所述离子源还包括捕获电极，所述捕获电极相对于所述电离区域与所述第一电极相对布置。


8.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极布置在所述电离区域的相对两侧，所述第一电极的表面和所述第二电极的表面基本上平行于从所述喷嘴起通过所述电离区域的气体流的主方向。


9.根据权利要求8所述的离子源，所述离子源还包括排斥电极，所述排斥电极被配置为将离子从所述电离区域朝向所述滤质器排斥。


10.根据权利要求8所述的离子源，所述离子源还包括离子出口电极，所述离子出口电极具有用于将所述离子流从所述电离区域引导到所述滤质器的孔。


11.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述电极包括：
第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极布置在所述电离区域的相对两侧，所述第一电极的表面和所述第二电极的表面基本上平行于从所述喷嘴起通过所述电离区域的气体流的主方向；
捕获电极，所述捕获电极相对于所述电离区域与所述第一电极相对布置并且布置在所述第二电极的外部；
排斥电极，所述排斥电极被配置为将离子从所述电离区域朝向所述滤质器排斥；以及
离子出口电极，所述离子出口电极具有用于将离子流从所述电离区域引导到所述滤质器的孔；
所述电子源包括布置在所述第一电极的与所述电离区域相对的一侧的灯丝；并且
由所述灯丝产生的电子行进通过所述第一电极的孔，朝向所述电离区域并且通过所述第二电极的孔，从而导致电子束在所述第一电极和所述第二电极之间行进并通过所述电离区域中的膨胀的所述气体。


12.根据权利要求11所述的离子源，其中，所述电极的电压是能独立控制的。


13.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述喷嘴的出口开口的面积小于5平方毫米，发射出的电子在所述电离区域中的横截面面积小于所述喷嘴的出口开口的面积的5倍，并且所述电极距所述喷嘴的中心至少5毫米。


14.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述电子在所述喷嘴的5毫米范围内经过。


15.一种质谱仪系统，所述质谱仪系统包括：
真空泵；
滤质器；
检测器；以及
离子源，所述离子源包括：
气体源，所述气体源用于将气体输送到被抽真空的电离容积，所述气体源处于明显高于被抽真空的所述电离容积的压力的压力；
喷嘴，所述喷嘴在所述气体源和所述电离容积之间，通过所述喷嘴的气体在所述电离容积的电离区域中自由膨胀；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·E·布莱辛，J·莱斯利，J·H·贝蒂，
申请(专利权)人：万机仪器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US