一种基于电子束三维势阱存储的电子碰撞离子源制造技术

本发明专利技术涉及一种基于电子束三维势阱存储的电子碰撞离子源，属于质谱仪技术领域。包括电子枪和电离室两部分。电子枪包括推迟电极、环形灯丝电极、栅极、调制电极、阳极；电离室是第一阳极和第二阳极的中心凹槽围城的空间区域。本发明专利技术电子碰撞存储离子源首次利用环面电子束的空间电荷效应制备一个窄而深的三维势阱,对离子实现高效率长时间的存储。具有存储效率高、时间长和非点源效应小等特点，其灵敏度比传统无存储离子源的极限灵敏度提高了2

【技术实现步骤摘要】
一种基于电子束三维势阱存储的电子碰撞离子源


[0001]本专利技术属于质谱仪
，具体涉及一种基于电子束三维势阱存储的电子碰撞离子源，广泛应用于微量物质探测。

技术介绍

[0002]质谱仪是用来测量物质成分的重要仪器之一，离子源是质谱仪的核心部分，决定了质谱仪的质量分辨率和灵敏度。电子碰撞（EI）离子源是质谱仪中常用的离子源，在质谱仪中扮演重要角色，具备存储功能的电子碰撞离子源可以提高质谱仪的灵敏度两个数量级以上，使其能够测量微量物质及稀薄气体的物质成分。目前主要有两种方式实现离子存储功能：一种是采用电极静电场形成的一维势阱约束离子；另一种是利用直线电子束的空间电荷效应产生势阱，在垂直电子束方向上约束离子，由于在其它方向上没有约束功能，造成离子丢失。以上两种方法都难以实现高效率的长时间离子存储。

技术实现思路

[0003]本专利技术是一种基于电子束三维势阱存储的电子碰撞离子源，具有存储效率高、时间长和非点源效应小等特点，大幅度提高质谱仪的灵敏度，广泛用于微量物质及同位素的探测。
[0004]一种基于电子束三维势阱存储的电子碰撞离子源包括电子枪和电离室两部分；所述电子枪包括电子推斥电极5、灯丝电极10、第一栅极4、第二栅极6、第一调制电极3、第二调制电极7、第一阳极2、第二阳极8；所述第一栅极4和第二栅极6的轴向对应端之间、所述第一调制电极3和第二调制电极7的轴向对应端之间、所述第一阳极2和第二阳极8的轴向对应端之间均形成环形的狭缝；所述电离室30为第一阳极2和第二阳极8相对应的轴向端部之间围城的空间区域，电离室30包括第一阳极2及其上面的栅网16和第二阳极8及其上面的栅网电极17；电子推斥电极5为轮胎形，改进在于：所述电子推斥电极5的圆周径向上均布设有三个以上的绝缘螺钉14和两个金属螺钉20；三个以上的绝缘螺钉14的内端固定着灯丝电极10；两个金属螺钉20的螺帽端为内端，分别连接着灯丝电极10的两端；两个金属螺钉20的外端分别连接电流源的正极和负极；所述灯丝电极10为设有开口的圆环状灯丝电极，同轴位于电子推斥电极5的中心孔内，且环绕着第一栅极4和第二栅极6之间环形的狭缝；所述第一阳极2的轴向端面中心开设有气体入口32，所述第二阳极8的轴向端面中心开设有离子出口，气体入口32和离子出口同轴；所述第一阳极2的气体入口32上设有第一栅网16，所述第二阳极8的离子出口上设有第二栅网17；所述第一阳极2的轴向端面的圆周上设有第一凸环28，所述第二阳极8的轴向端面的圆周上设有第二凸环29，使电离室30的圆周上形成窄环槽；工作时，给灯丝电极10通入典型值1.8A恒定电流，灯丝电极10会发射热电子，在电
子推斥电极5、第一栅极4和第二栅极6、第一调制电极3和第二调制电极7、第一阳极2和第二阳极8的电场共同作用下，电子向电离室30中心区域汇聚并获得70eV的能量，在电离室中形成一个圆盘状的空间分布，其轴向厚度≤0.5mm、径向半径8mm。电子的空间电荷效应在电离室内形成一个三维势阱，该三维势阱在轴向和径向上都很深而窄，势阱最大深度2.87V，轴向半深宽度为0.8~1mm，径向半深宽度为1.8~2mm，能在三个方向上把电子碰撞产生的离子约束到0.25mm
×
1mm
×
1mm的空间尺寸，不仅可以对离子束团实现高效率的长时间存储，提高质谱仪的灵敏度1
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2个数量级；而且离子束团的非点源效应小，压缩离子团的飞行时间分散50%，提高质谱仪的质量分辨率。
[0005]进一步的技术方案如下：所述电子枪中第一调制电极3的轴向内端面和第二调制电极7的轴向内端面之间的间距、第一栅极4的轴向内端面和第二栅极6轴向内端面之间的间距、第一阳极2的轴向内端面和第二阳极8的轴向内端面之间的间距L1为1mm；电子推斥电极5和第一栅极4、第二栅极6的径向之间，第一栅极4、第二栅极6和第一调制电极3、第二调制电极7的径向之间，第一调制电极3、第二调制电极7和第一阳极2、第二阳极8的径向之间的距离L3均为1mm。
[0006]所述每个绝缘螺钉14的端部位于电子推斥电极5的中心孔内，且每个绝缘螺钉14的端部上开设有径向安装孔，灯丝电极10的中部分别穿过三个以上的绝缘螺钉14的安装孔，实现三个以上的绝缘螺钉14对灯丝电极10的支撑。
[0007]所述两个金属螺钉20通过绝缘垫圈23和绝缘卡槽24固定设于所述电子推斥电极5上，两个金属螺钉20的帽端位于电子推斥电极5的中心孔内，且分别固定连接着灯丝电极10的两端。
[0008]所述电离室30的轴向宽度L2为3mm，电离室30圆周上的窄环槽的槽宽为1mm；所述第一栅网16通过第一金属垫片26固定在第一阳极2的凹槽面上；所述第二栅网17通过第二金属垫片27固定在第二阳极8的凹槽面上。
[0009]本专利技术的有益技术效果体现在以下方面：1.本专利技术首次利用环面电子束的空间电荷效应制备一个窄而深的三维势阱，实现对离子高效率长时间的存储。如图8和图9所示，在实验室可实现的电子束（流强300 μA，能量70 eV）条件下，仿真实验获得了电子空间电荷效应形成的三维势阱XY和XZ平面的电势分布，三维势阱最大深度为2.87 V，轴向半深宽度为0.8~1mm，径向半深宽度为1.8~2mm。
[0010]电子束三维势阱提高了离子源的探测灵敏度：三维势阱可以实现对离子束团高效率的长时间存储，如图10所示，质子团在三维势阱中存储100μs内的存储效率，质子团在经过100μs的时间存储，仍然有90%的存储效率。经过定量分析可知，本仪器的灵敏度比直线电子碰撞存储离子源提高了1
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2个数量级，其极限探测灵敏度约为102‑
104/cm3。
[0011]电子束三维势阱降低了离子团的飞行时间分散：三维势阱在轴向和径向上都很窄而深，可以在三个方向上把离子束团被约束到一个很小的尺寸，降低了离子束团的非点源效应小，有利于提高谱仪的质量分辨。经过一段时间的存储，进一步压缩了粒子团的空间尺寸，仿真实验发现空间体积为0.5mm
×
2mm
×
2mm的质子束团在存储100μs后被压缩到0.25mm
×
1mm
×
1mm，对应的时间分散如图11所示，储存后的离子飞行时间分散（FWHM）约为3 ns，比储存前的时间分辨率提高了1倍。
[0012]由于通过调节调制电极和栅极上的电压使环面电子束在电离室中心聚焦，电子束
电离中性气体获得更小空间尺寸的离子团，通过三维势阱的存储进一步压缩离子团的空间尺寸，从而提高了离子源中出射离子团的飞行时间分辨。研究表明脉冲电压为100V时，可以同时兼顾离子团空间分布和速度分散对飞行时间分辨率的影响，获得最优的分辨率，如图11所示。脉冲宽度的选用与被提取的离子质量范围有关，例如：全部提取质量50amu以内的离子，脉冲宽度约为280 ns。
[0013]2.已有电子碰撞存储离子源不能对离子进行三维约束，容易造成离子丢失，难以实现高效率的长本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电子束三维势阱存储的电子碰撞离子源，包括电子枪和电离室两部分；所述电子枪包括电子推斥电极（5）、灯丝电极（10）、第一栅极（4）、第二栅极（6）、第一调制电极（3）、第二调制电极（7）、第一阳极（2）、第二阳极（8）；所述第一栅极4和第二栅极6的轴向对应端之间、所述第一调制电极（3）和第二调制电极（7）的轴向对应端之间、所述第一阳极（2）和第二阳极（8）的轴向对应端之间均形成环形的狭缝；所述电离室（30）为第一阳极（2）和第二阳极（8）相对应的轴向端部之间围城的空间区域，电离室（30）包括第一阳极（2）及其上面的栅网（16）和第二阳极（8）及其上面的栅网电极（17）；电子推斥电极（5）为轮胎形，其特征在于：所述电子推斥电极（5）的圆周径向上均布设有三个以上的绝缘螺钉（14）和两个金属螺钉（20）；三个以上的绝缘螺钉（14）的内端固定着灯丝电极（10）；两个金属螺钉（20）的螺帽端为内端，分别连接着灯丝电极（10）的两端；两个金属螺钉（20）的外端分别连接电流源的正极和负极；所述灯丝电极（10）为设有开口的圆环状灯丝电极，同轴位于电子推斥电极（5）的中心孔内，且环绕着第一栅极（4）和第二栅极（6）之间环形的狭缝；所述第一阳极（2）的轴向端面中心开设有气体入口（32），所述第二阳极（8）的轴向端面中心开设有离子出口，气体入口（32）和离子出口同轴；所述第一阳极（2）的气体入口（32）上设有第一栅网（16），所述第二阳极（8）的离子出口上设有第二栅网（17）；所述第一阳极（2）的轴向端面的圆周上设有第一凸环（28），所述第二阳极（8）的轴向端面的圆周上设有第二凸环（29），使电离室（30）的圆周上形成窄环槽；所述圆环状的灯丝电极（10）工作时，产生的电子束在电离室（30）形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲三标，单旭，陈向军，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：