切分离子束的装置和质谱仪系统制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及切分离子束的装置和质谱仪系统，并公开了带有加速和减速光学器件的离子切分器，该离子切分器：a)向包括离子入口狭缝的第一电极加速离子束，第一电极阻碍一部分相对于离子束的轴具有高位移的离子，从而切分离子束；并且b)在离子束被切分后减速所述离子束。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及离子切分器(ion slicer)。本申请要求2012年2月28日提交的美国临时申请No. 61/447，624的优先权，该临时申请通过引用方式合并于此。
技术介绍
质谱仪被用于测定物质的化学组成和分子结构。质谱仪由产生离子(如产生离子化的中性分子)的离子源、质量分析仪及离子检测器组成。举例来说，质量分析仪可以是飞行时间(TOF)质量分析仪。TOF质量分析仪可通过测量化合物的分子和/或碎片离子通过一定的距离所用的时间来用于记录化合物或者化合物的混合物的质谱。 在正交飞行时间质谱仪器中，有时有必要控制正在接近正交加速区的离子束的能量。在这种情况下，离子束的轴向能量可被控制以保证离子在通过自由飞行区之后撞击检测器，并获得良好的分辨率。虽然飞行时间质谱仪的脉冲发生器(pulser)中的离子的垂向(vertical)位置能够用空间聚焦技术来补偿，但是垂向的能量导致了引起低分辨率的回转时间(turn-around-time)问题。因此典型地，为了实现高分辨率，离子束被“切分(slice)”以去除那些向上和向下具有过度的垂向速率的离子。这通过让离子束经过板中的狭缝以使这些离子撞击板并失去其电荷来实现。
技术实现思路
[技术问题]飞行时间测定对包括离子束尺寸和发散的离子束相空间尤其敏感。为了提高离子束的质量，通常使用离子切分器阻碍相对于离子束的轴具有特别高发散度和/或高位移的离子。这种离子切分器从而限定了正在进入质谱仪的离子束的相空间。切分之后，被切分的离子束(在一定距离内类似于概念上的离子“带(ribbon) ”，因为离子束的顶部和底部已经被去除了)进入飞行时间谱仪，并且离子被脉冲输送(pulse)至TOF谱仪的飞行管。在一些实施例中，离子在正交方向上(例如相对于带的平面向上)被脉冲输送至飞行管。切分从离子束中去除了在脉冲方向上具有显著能量的离子，并且允许更多的离子的部分从飞行管中同样的起点被脉冲输送。这些特点导致了质谱仪分辨率的增加。质谱仪的性能的另一个特性是操作的稳定性，切分器的工作表面上待分析分子的堆积可能潜在地损害操作的稳定性。这种堆积随后导致这些表面累积电荷，而这将引起离子束偏转。例如，如果切分器的工作表面变脏并且累积电荷，离子束将被偏转或散焦。离子的低速增强了这种效应。相对于在下游的飞行时间质谱仪的脉冲发生器区域内使用的电压，传统的切分器的电位典型地在范围O至10V，而脉冲发生器区域内的离子的轴向动能典型地低于40eV。结果，离子的速率相对偏低，这将导致上面描述的一些问题。[技术方案]在第一方面，本技术提供了一种切分离子束的装置，其特征在于包括a)具有离子入口狭缝的第一电极，设置为工作于使正在接近所述狭缝的初始离子束中的离子加速的电压下；其中所述狭缝的宽度选择为阻碍一部分相对于该离子束的轴具有高位移的离子；以及b)所述第一电极下游的一个或多个透镜，设置为工作于使离子减速的一个或多个电压下，其中所述一个或多个透镜的几何构成和电位分布提供相对于所述轴具有低发散度的离子束。其中，第一电极具有把所述初始离子束中的离子的能量增加2倍至50倍的电压，并且所述一个或多个透镜把被加速的离子的能量减少到1/2至1/50。其中，所述初始离子束的能量范围为IeV至50eV的范围内。其中，当离子穿过所述一个或多个透镜时，所述离子在离子束的包含纵轴的平面中交叉。其中，所述第一电极的离子入口狭缝的宽度在O. 6mm至I. 2mm范围内。其中，所述第一电极的离子入口狭缝的宽度在O. Imm至IOmm范围内。其中，所述一个或多个透镜包括i第一透镜，设置为工作于使进入所述第一透镜的离子减速的电压下第二透镜，设置为工作于使进入所述第二透镜的离子加速的电压下；并且其中该装置进一步包括具有离子出口狭缝的第二电极，所述第二电极工作于使离子减速的电压下；其中所述装置被设置为使初始离子束被所述第一电极切分以产生被切分的离子束，并且所述被切分的离子束在经过所述离子出口狭缝离开所述装置之前通过所述第一和第二透镜。其中，所述第一电极带有刃片并且包括a)本体；b)与本体相接的第一延伸刃片；以及c)与本体相接的第二延伸刃片；其中，该离子切分仪包括延伸入所述本体的、供离子通过的狭缝，并且其中，所述第一和第二延伸刃片的边缘限定了所述狭缝的入口，这些边缘朝向所述离子束。在第二方面，本技术提供了一种质谱仪系统，其特征在于包括a)用于产生离子的离子源山)用于引导所述离子的离子束的离子导管；c)用于对离子进行分析的飞行时间质量分析仪，其中所述飞行时间质量分析仪包括用于在与所述离子束的纵轴正交的方向上脉冲输送离子的脉冲发生器；以及d)在所述离子导管和所述飞行时间质量分析仪之间的、如本技术第一方面所述的切分离子束的装置，所述装置阻碍一部分相对于所述脉冲方向上的离子束的轴具有高位移的离子。[技术效果]此处描述了一种“快速狭缝”切分器，也就是，含有离子高速通过的狭缝的离子切分器。离子以相对于穿过传统离子切分器的离子的10倍或更高的能量通过快速离子切分器的狭缝。结果，离子切分器的寿命可以增加至10倍，因为充电的效应与离子的动能大致成反比。附图说明附图被合并于此，作为说明书的一部分。连同下述描述，附图进一步用于解释所要求保护的系统和方法的原理，并使本领域技术人员能够制造和使用所要求保护的系统和方法。图I示意性地图示了一种典型的快速狭缝离子切分器的光学组成部分。图2示意性地图示了另一种典型的快速狭缝离子切分器的光学组成部分。图3示意性地图示了一种带有快速狭缝切分器的质谱系统。图4示意性地图示了一种带有刃片的切分器的一个实施例。图5示意性地图示了带有刃片的切分器的另一个实施例。 图6示出了一种示例性的带有刃片的切分器的透视图。具体实施方式本申请中描述了一种“快速狭缝(fast slit)”离子切分器。该装置大体包括a)包含离子入口狭缝的第一电极，该狭缝处于使正在接近该狭缝的初始离子束加速的电压下；其中该狭缝的宽度选择为阻碍一部分相对于离子束的轴具有高位移的离子；b)位于该第一电极之后的一个或多个透镜，处于一个或多个使离开该一个或多个透镜的离子减速的电压下。该一个或多个透镜的几何构造和电位分布提供在所述轴的方向上具有低发散度的离子束。还提供一种质谱系统，在特定的实施例中，该质谱仪系统包括产生离子的离子源；引导离子束的离子导向器；快速狭缝离子切分器；和用于分析离子的正交飞行时间(TOF)质量分析仪。最后，提供一种切分低能量离子束的方法。概括地，该方法包括把低能量离子束向包括离子入口狭缝的第一电极加速，其中该第一电极阻碍一部分相对于离子束的轴具有高位移的离子，从而切分该离子束；以及，把切分之后的离子束减速。本申请中，术语“垂向”和“横向(transverse) ”可互换地用于表示质量分析仪的离子在下游的正交飞行时间内飞行的方向。术语“水平”指与离子束的垂向轴和纵向轴都垂直。通过向包含狭缝的电极提供高电位，离子能够被朝向狭缝加速。该电位可以高达500V，但是典型地在100V至300V的范围内。快速狭缝能够被安装在距TOF质谱仪的脉冲发生器区域一个选定的距离。快速狭缝和脉冲发生器之间的距离应当足以容纳下述光学元件这些光学元件用于使离子减速至适于飞行时间分析本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种切分离子束的装置，其特征在于包括：a)具有离子入口狭缝的第一电极，设置为工作于使正在接近所述狭缝的初始离子束中的离子加速的电压下；其中所述狭缝的宽度选择为阻碍一部分相对于该离子束的轴具有高位移的离子；以及b)所述第一电极下游的一个或多个透镜，设置为工作于使离子减速的一个或多个电压下，其中所述一个或多个透镜的几何构成和电位分布提供相对于所述轴具有低发散度的离子束。

【技术特征摘要】
2011.02.28 US 61/447,621I所述的装置，其中所述装置阻碍一部分相对于所述脉冲方向上的离子束的轴具有高位移的离子。实施例23根据实施例22的质谱仪系统，其中至少所述电压中的一个可以调节以使所述TOF质量分析仪产生较高的灵敏度和较低的分辨率，或者较低的灵敏度和较高的分辨率。实施例24根据实施例22或23的质谱仪系统，其中所述离子导管的离子出口与所述离子入口狭缝隔开一个距离以阻碍与离子束的轴有限定距离的离子。[0084]实施例25根据实施例22-24中的任一质谱仪系统其中所述离子导管设置为工作于5V至50V范围内的电压下；所述第一电极设置为工作于100V至500V范围内的电压下；包括减速透镜的所述一个或多个透镜设置为工作于OV至200V范围内的电压下。实施例26根据实施例22-25中任一质谱仪系统，进一步包括具有孔的、在所述离子导管和所述第一电极之间的、用于定形和/或引导离子束的第二电极。实施例27根据实施例26的质谱仪系统，其中所述孔在水平方向的宽度大于垂向上的宽度。实施例28根据实施例26的质谱仪系统，进一步包括位于所述离子导管和所述第二电极之间的环形电极和圆柱电极，用于向离子束提供RF屏蔽。·实施例29根据实施例22-28中任一质谱仪系统，其中所述第一电极具有刃片，并包括a)本体；b)与本体相接的第一延伸刃片；以及c)与本体相接的第二延伸刃片；其中该离子切分器包括离子通过的延伸入所述本体的狭缝，并且其中所述第一和第二延伸刃片限定了所述狭缝的入口且朝向所述离子束。实施例30 —种切分离子束的方法，包括向具有离子入口狭缝的第一电极加速离子束，其中所述第一电极阻碍一部分相对于离子束的轴具有高位移的离子，由此切分所述离子束，并且在粒子束被切分后，使离子束减速。实施例31根据实施例30的方法，其中所述加速是指将离子束中的离子的能量增加2倍至50倍，所述减速是指将加速后的离子的能量减少1/2倍至1/50。实施例32根据实施例30或31的方法，其中该离子束被切分后被脉冲输送至正交飞行时间质谱仪。实施例33根据实施例30-32中任一方法，其中所述方法中加速和减速由下述装置执行，该装置包括a)具有离子入口狭缝的第一电极；b)具有第一对相对设置的平板电极的第一透镜；c)具有第二对相对设置的平板电极的第二透镜；以及d)包括离子出口狭缝的第二电极；其中所述离子束被所述第一电极切分以产生在经过离子出口狭缝离开所述装置前通过所述第一和第二透镜的离子带；并且其中第一电极加速所述离子，所述第一透镜减速所述离子，所述第二透镜加速所述离子以及所述第二电极减速所述离子。本实用新型之前的描述的目的为解释说明。并不意味着穷举或将本实用新型限制在所披露的严格的形式内。可以根据上述教导进行其它修改或变化。所选择并被详细描述的实施例是为了更好地解释本实用新型的原理及其实际应用，并由此使本领域技术人员更好的以变化的和各种修改的方式利用本实用新型以适用于不同的目的。附加的权利要求用于限定包括本实用新型其它等同替代的实施方式，包括等价的结构，组成，方法和手段。除非另有限定，否则本实用新型中所有技术和科学术语的含义均与本领域技术人员通常熟知的含义相同。本实用新型中为了清楚地说明而以分开方式描述的实施例还可以组合为一个单独的实施例。相反地，本实用新型中为了简洁地说明而在全文中描述的单独的实施例各种技术特征还可以被分开或以任意合适的方式进行拆分。实施例的所有组合方式都被由本实用新型涵盖并被披露于此，即，每种组合方式都单独地且明确地公开，这些组合方式涵盖了可操作的方法和/或装置/系统/套件。[0099]本领域技术人员可以理解，本实用新型所描述和解释的每个单独的实施例包括分立的要素和特征，这些要素和特征可以容易地与其它几个实施例中的任一者分开或组合而不脱离本实用新型的范围或违背本实用新型的精神。所记载的任何方法可以按照所陈述的 顺序或逻辑上可能的任何其他顺序来执行。权利要求1.一种切分离子束的装置，其特征在于包括 a)具有离子入口狭缝的第一电极，设置为工作于使正在接近所述狭缝的初始离子束中的离子加速的电压下；其中所述狭缝的宽度选择为阻碍一部分相对于该离子束的轴具有高位移的离子；以及 b)所述第一电极下游的一个或多个透镜，设置为工作于使离子减速的一个或多个电压下，其中所述一个或多个透镜的几何构成和电位分布提供相对于所述轴具有低发散度的离子束。2.根据权利要求I的装置，其中第一电极具有把所述初始离子束中的离子的能量增加2倍至50倍的电压，并且所述一个或多个透镜把被加速的离子的能量减少到1/2至1/50。3.根据权利要求I或2的装置，其中所述初始离子束的能量范围为IeV至50eV的范围内。4.根据权利要求I或2的装置，其中当离子穿过所述一个或多个透镜时，所述离子在离子束的包含纵轴的平面中交叉。5.根据权利要求3的装置，其中当离子穿过所述一个或多个透镜时，所述离子在离子束的包含纵轴的平面中交叉。6.根据权利要求I或2的装置，其中所述第一电极的离子入口狭缝的宽度在O.6_至I. 2mm范围内。7.根据权利要求3的装置，其中所述第一电极的离子入口狭缝的宽度在O.6mm至I. 2mm范围内。8.根据权利要求4的装置，其中所述第一电极的离子入口狭缝的宽度在O.6mm至I. 2mm范围内。9.根据权利要求I或2的装置，其中所述第一电极的离子入口狭缝的宽度在O.Im...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·尤加戊，詹姆斯·L·博特迟，
申请(专利权)人：安捷伦科技有限公司，
类型：实用新型
国别省市：