电子源制造技术

一种气源质谱仪中的电子源，所述电子源包括：电子发射器阴极，其呈现热电子发射器表面，该表面与所述气源质谱仪的气源室连通，以用于向所述气源室提供电子；加热元件，其与所述电子发射器阴极电气隔离，并且被布置成凭借其中的电流而被加热，并向所述电子发射器阴极辐射足以使电子从所述发射器表面热释放的热量，从而提供用于电离所述气源室中的气体的电子源。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电子源
本专利技术涉及用于例如在质谱仪(例如气源质谱仪)中提供电子的电子源。
技术介绍
许多科学仪器依赖于气体分子的电离，以便制备分子用于后续操作。电子束轰击通常用于该过程。通过从阴极进行热电子发射来产生电子，这些电子穿过包含有气体分子的空间被加速，并且电子和气体分子之间的碰撞电离一部分分子。常规的离子源通常使用被布置成各种几何形状(例如带状，线圈状)的钨丝，其中该丝也用作阴极，并且从其表面发射电子。然而，尽管这种设计易于制造，但其具有限制其性能的显著缺点。这些缺点包括但不限于以下方面：机械不稳定性加热的丝是自支撑的并且易于改变形状。这导致了源行为的显著变化，这使数据受影响并且可能需要打开源以进行补救工作。电势梯度为了将热产生的电子的能量限制到窄的能带，重要的是使阴极工作在均匀和稳定的电压下。由于加热电流，加热的丝阴极沿其长度具有固有的电压梯度。因此，所施加的电压并不是恒定的，因此必须对其进行调节以使发射保持在所要求的强度下。工作温度这些加热丝的高功函数(workfunction)需要高工作温度，这促使烃(hydrocarbon)类挥发物的形成，所述挥发物干扰了所研究的(即，通过使用电子的电离来制备的)气体物种。受限的发射电流利用这种技术可实现的相对低的发射电流限制了电离速率，该电离速率又限制了使用其的仪器的灵敏度。这就要求用户经常在维护仪器时对灵敏度、工作温度和时间进行权衡。受限的寿命在大多数真空仪器中建立这种电子源的可接受的操作，需要付出相当大的努力。以较高温度操作电子源的加热的丝/阴极缩短了丝的寿命，从而为了维护/更换丝导致了过多的停机时间。本专利技术旨在解决这些缺陷中的一个或多个。
技术实现思路
本专利技术是一种可替代的阴极结构，其中电子发射器阴极由与阴极电隔离的丝加热。阴极最优选地位于气源型质谱仪或用于产生用于分析的电离气体的其它气源型仪器中。一个示例是被称作尼尔源质谱仪的仪器。在第一方面，本专利技术提供一种气源质谱仪中的电子源，所述电子源包括：电子发射器阴极，其呈现热电子发射器表面，该表面与所述气源质谱仪的气源室连通，以用于向所述气源室提供电子；加热元件，其与所述电子发射器阴极电气隔离，并且被布置成凭借其中的电流而被加热，并向所述电子发射器阴极辐射足以使电子从所述发射器表面热释放的热量，从而提供用于电离所述气源室中的气体的电子源。以这种方式，不必使电加热电流流经所述电子发射器表面。相反，电加热电流流经单独的加热元件，该单独的加热元件会加热到足够的温度(例如炽热)，以将热电磁地辐射到电子发射器阴极，该电子发射器阴极设置在加热元件附近，从而其可以吸收辐射的热能并且被远程加热。通过消除在直接电加热的电子发射线圈两端施加电压的需要，可以避免与上述电势梯度和由此产生的发射的电子能量的变化相关联的问题。这提供了更均匀的电子能量，其将提供对影响源内电离概率的条件的更好的控制。(图8B中的ΔE2变窄)除了电子源的电加热方面和电子发射方面的分离，在本专利技术中，还能够使用更多原本不适于电加热的理想的材料来进行热电子发射。实际上，已经发现，与来自在相当的(comparable)工作寿命内工作的现有电加热电子源的电子发射率相比，电子发射增加了高达5至10倍。因此，尽管有可能增加来自现有的电加热电子源的电子发射率，但是巨大的成本是电加热源将被非常快地“烧尽”。然后将需要在质谱仪内进行更换，这就需要打开质谱仪(真空损失)，从而可能导致几个月的停机时间。根据本专利技术，与现有系统相比，已经发现在显著较低的工作温度下可以实现高电子发射率。这具有显著的实际效果，因为降低的温度减少了质谱仪在使用中其真空内存在烃挥发物。如上所述，这些烃挥发物会在气源室内被电离，并且所产生的离子干扰所关注的(所述质谱仪可能正在用来进行研究的)同位素物种。例如，进入或跨越气室的电子的流率可以超过500μA，或优选地可以超过750μA，或更优选地可以超过1mA，或进一步更优选地可以超过2mA。例如，电子流率可以在500μA至1mA之间，或者可以在1mA至2mA之间。当电子发射器阴极的温度优选地小于2000℃，或更优选地小于1500℃，或进一步更优选地小于1250℃，或甚至更优选地小于1000℃，例如在750℃至1000℃之间时，可以实现这些电子流率。例如，所述气源质谱仪可以包括电子阱(electrontrap)，所述电子阱可操作以接收来自所述电子发射器阴极的电子，响应于所述电子发射器阴极由所述加热元件加热到不超过2000℃的温度，所述电子以至少0.5mA的电流穿过所述气源室。所述气源室可以被布置成，在电子输入口处接收来自所述电子发射器阴极的电子，所述电子输入口被成形以在所述气源室内形成电子束，所述电子束被导向所述电子阱，而无需使用准直器磁体。这是因为根据本专利技术可实现显著更高的电子流率。已经发现，使用准直器磁体进行准直来增加电子束强度(即，横向于电子束的每单位面积的流率)不再是必需的，但如果需要，本专利技术的实施例可以包括准直器磁体。根据本专利技术，由于增强的电子流率，可实现足够的电子束强度。电子源可以包括能量控制器，其被布置为用于控制由电子源输出的电子的能量。所述能量控制器可以包括设置在热电子发射器表面与气源室之间的阳极。该能量控制器可以包括控制单元，该控制单元被布置成向阳极施加可变电势，以在朝向气源室的方向上加速从热电子发射器表面发射的电子。所述能量控制器可以包括被设置在热电子发射器表面与气源室之间的一个或多个电子提取栅格。控制单元被布置为向电子提取栅格施加电势，以用于将已发射的热电子朝向栅格吸引。栅格对于来自电子源的热电子是可渗透的，并且优选地是网状的或多孔的，或者另外设置有与热电子发射器表面连通的通孔，使得被吸引到电子提取栅格的热电子被允许从其面对热电子发射器表面的一侧穿过电子提取栅格到达其面对气源室的一侧。阳极优选被布置在气源室与面对气源室的电子提取栅格的一侧之间。这允许阳极朝向气源室加速那些已经穿过电子提取栅格的热电子。能量控制器可以包括一个或多个被设置在热电子发射器表面与气源室之间并与阳极串联的电子聚焦电极。所述一个或多个聚焦电极可以限定或包括例如单透镜(Einzellens)，或其它离子光学透镜装置。该一个或多个电子聚焦电极可以设置在阳极与气源室之间，并且被布置成将来自热电子发射器表面的热电子经由通向气源室的入口聚焦到气源室中。由于来自电子发射器阴极的电子发射速率的提高，对于给定的加热元件温度，已经发现与采用电加热电子发射器功能/材料的现有电子发射器系统相比，可以以更低的电输入功率水平实现充分的电子发射速率。例如，当输入到所述加热元件的电功率不超过5W时，所述电子发射器阴极可操作成，由所述加热元件加热到不超过2000℃的温度。优选地，电输入功率不超过4W，或更优选地不超过3W，进一步更优选地不超过2W，或甚至更优选地不超过1W。输入到加热元件的电功率可以在大约0.5W和大约1W之间。这些更低的功率输入额定值使得电子源由于更低的阴极劣化速率而能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气源质谱仪中的电子源，所述电子源包括：/n电子发射器阴极，其呈现热电子发射器表面，所述表面与所述气源质谱仪的气源室连通，以用于向所述气源室提供电子；/n加热元件，其与所述电子发射器阴极电气隔离，并且被布置成凭借其中的电流而被加热，并向所述电子发射器阴极辐射足以使电子从所述电子发射器表面热释放的热量，从而提供用于电离所述气源室中的气体的电子源。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171026 GB 1717656.11.一种气源质谱仪中的电子源，所述电子源包括：
电子发射器阴极，其呈现热电子发射器表面，所述表面与所述气源质谱仪的气源室连通，以用于向所述气源室提供电子；
加热元件，其与所述电子发射器阴极电气隔离，并且被布置成凭借其中的电流而被加热，并向所述电子发射器阴极辐射足以使电子从所述电子发射器表面热释放的热量，从而提供用于电离所述气源室中的气体的电子源。


2.根据任一前述权利要求所述的电子源，其中，所述气源质谱仪包括电子阱，所述电子阱可操作以接收来自所述电子发射器阴极的电子，响应于所述电子发射器阴极由所述加热元件加热到不超过2000℃的温度，所述电子以至少0.5mA的电流穿过所述气源室。


3.根据权利要求2所述的电子源，其中，所述气源室被布置成，在电子输入口处接收来自所述电子发射器阴极的电子，所述电子输入口被成形以在所述气源室内形成电子束，所述电子束被导向所述电子阱，而无需使用准直器磁体。


4.根据权利要求2和3中任一项所述的电子源，其中，当输入到所述加热元件的电功率不超过5W时，所述电子发射器阴极可操作以由所述加热元件加热到不超过2000℃的温度。


5.根据任一前述权利要求中所述的电子源，其中，所述电子发射器阴极选自：氧化物阴极；I族阴极或钡-浸渍式阴极。

【专利技术属性】
技术研发人员：达米安·保罗·图特尔，安东尼·迈克尔·琼斯，
申请(专利权)人：爱思特匹克斯有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB