专利名称：电极矩阵及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于飞行时间质谱仪中电极矩阵及其制作方法。
背景技术：
一般，反射式飞行时间质谱仪的结构包括推斥器、加速器、无场区、反射器和检测
器这几种离子光学器件(参阅图1)。其中无场区中没有电场梯度，不需要梯度电场当然也 QV
可看作梯度7 = 0的电场；检测器作用距离太短，对电场的要求不高，容易实现；而推斥区、
OZ
QV
加速区和反射器通过使用在一维方向电势均勻线型变化的电场(TECOWi )对离子进行
OZ
加速、减速操作，调整并在空间和时间中聚焦离子。由于离子束在飞行时间质谱仪内部占据 一定的体积(空间分散)，离子在相同飞行时间对应的空间位置并不在同一平面之中。由于 电场的特性，用分散不连续的电极构建的电场，必须通过具有一定空间尺寸的过渡区域才 能成为近似均勻变化的均勻梯度电场；而往往近轴空间部分的电场是最接近于理想的均勻 梯度电场。对于高分辨的飞行时间质谱仪，对应的电场梯度稳定性应优于千分之一。推斥器、加速器和反射器一直以来都是无铁磁性、不易产生氧化物层的金属板，如 不锈钢(304、316等牌号)、黄铜、铝合金等，加工成内部空心的平面金属框，如圆环、矩形框 等，再用绝缘材料隔离成等间距的平行电极阵列，并用电阻连接各级电极以施加电压。用于 制作推斥器、加速器和反射器的金属框架电极阵列主要有薄板圆环电极、厚圆环电极、中厚 度矩形电极和一体化PCB电极这几种。常见的薄板圆环梯度场电极阵列，如图2所示。所述薄板圆环梯度场电极阵列采 用的是一组切割加工成的薄板圆环，厚度50 200 μ m，外径由于薄板刚度的影响通常小于 100mm，环宽度至少是板间距的2倍以上，板平面度优于30 μ m。因为薄板电极的厚度非常 薄，其环电极内部均勻梯度电场几乎占据了全部内径大小的三维空间，空间利用率可表示
为P坊xl00%，其中r表示内部有效区域的尺寸，T表示电极板间距，R表示薄板圆 \ R J
环的外径。例如，对于外径100mm，内径60mm，板间距5mm的机构而言，其最大空间利用率约 35%。薄板电极的优势是有效空间接近内径空间，过渡区域小，劣势在于尺寸因为板刚度的 影响无法做大尺寸电极。另请参阅图3，其显示了一种厚圆环梯度场电极阵列。如图3所示，所述厚圆环梯 度场电极阵列是一组车床加工的厚圆环电极，由于刚性好，其尺寸无限制、精度高。常见的 厚圆环电极厚度在8 10mm，外径200mm，内径160mm，板间距Imm 2mm，电极平面度优于 2μπι。但由于电极厚度增加，其内部过渡区域比薄板电极大的多，达到2倍板厚。对于前述 尺寸的厚圆环电极，其内部均勻场的尺寸只有直径120mm，空间利用率最大为45%。这样的 结构限制了电极设计的灵活性。另外，厚圆环梯度场电极重量十分巨大，限制了飞行时间质 谱加速器、反射器在水平方向的应用；而且这种方法由于电极的厚度过大，无法制作小尺寸的加速器、反射器。再请参阅图4，其显示了一种矩形框电极阵列。如图4所示，所述矩形框电极阵列 由厚度0. 5mm 3mm的钢板，经线切割或者水切割加工成，电极外形成圆角矩形框，尺寸掌 握比前两者(薄板圆环梯度场电极阵列和厚圆环梯度场电极阵列)更加灵活，通常外框长 200mm,宽100mm，内框长160mm，宽60mm，板厚2mm，板间距5mm 8mm，平面度优于50 μ m。矩 形框电极的过渡区域介于厚圆环电极和薄板圆环电极之间，对于以上条件的电极，其内部 有效区域近似于矩形，长150mm，宽50mm，最大空间利用效率是37. 5%。由于矩形框电极的 形状并不是完全对称的圆形，所以存在比较大的内部应力变形，限制了电极的加工精度，另 外，这种矩形框电极阵列的缺点还在于它制造成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电极矩阵及其制作方法，以提供一种可形成均一稳定 的梯度电场，可提供更大的适合离子飞行的空间。本发明一方面提供一种电极矩阵，包括支撑基质；导电电极，包括分别设于所述 支撑基质的内外表面的导电电极片；所述导电电极的数目为两个以上，相邻两个导电电极 之间具有绝缘介质。可选地，所述支撑基质的截面为圆环、椭圆环或矩形环。可选地，所述支撑基质的截面为圆环时，所述支撑基质的长度为IOmm至600mm，外 径尺寸为20mm至300mm，壁厚为Imm至20mm。可选地，所述支撑基质为陶瓷、玻璃或工程塑料所制成的。可选地，所述相邻两个导电电极平行同轴。可选地，所述导电电极中的导电电极片为对应于所述支撑基质的圆环、椭圆环或 矩形环。可选地，所述导电电极中的导电电极片的宽度为Imm至30mm，相邻两个导电电极 片之间的轴向距离为0. IOmm至10mm。可选地，所述导电电极片的导电面积为所述支撑基质整体内表面面积的90%以上。可选地，所述导电电极片为金属材料所制成的，所述金属材料选自金、钼、铝、铜、 镍中的一种或者它们的合金中的一种。可选地，所述相邻两个导电电极之间具有圆弧凹槽，所述圆弧凹槽包括绝缘介质。本发明在另一方面还提供一种电极矩阵的制作方法，包括提供支撑基质；进行 镀层工艺，在所述支撑基质的内外表面上形成金属镀层；进行切削加工工艺，去除掉所述支 撑基质的内外表面上部分的金属镀层，剩下的金属镀层构成用于组成导电电极的导电电极 片，去除掉金属镀层的区域则构成相邻两个导电电极之间的绝缘介质。可选地，所述支撑基质的截面为圆环、椭圆环或矩形环。可选地，所述支撑基质的截面为圆环时，所述支撑基质的长度为IOmm至600mm，外 径尺寸为20mm至300mm，壁厚为Imm至20mm。可选地，所述支撑基质为陶瓷、玻璃或工程塑料所制成的。可选地，所述金属镀层的材料选自金、钼、铝、铜、镍中的一种或者它们的合金中的一种。可选地，在所述切削加工工艺中除了去除掉金属镀层外还包括去除部分的所述支 撑基质，形成圆弧凹槽。可选地，所述切削加工工艺包括对于所述支撑基质的内表面，采用膛刀进行切削 加工，去除掉所述支撑基质的内表面上部分的金属镀层；对于所述支撑基质的外表面，采用 车刀进行切削加工，去除掉所述支撑基质的外表面上部分的金属镀层。可选地，所述导电电极中的导电电极片的宽度为Imm至30mm，相邻两个导电电极 片之间的轴向距离为0. IOmm至10mm。可选地，所述导电电极片的导电面积为所述支撑基质整体内表面面积的90%以上。可选地，所述导电电极片为金属材料所制成的，所述金属材料选自金、钼、铝、铜、 镍中的一种或者它们的合金中的一种。综上所述，本发明具有如下优点1、本发明电极矩阵中的导电电极的内部导电电极片和外部导电电极片的间距仅 为支撑基质的壁厚，两者的间距很小，如此可以在总体空间一定的情况下，所述电极矩阵中 的导电电极的内部有效区域可以做的相对较大，从而有效提高了空间利用率。2、本发明电极矩阵中的导电电极是通过在支撑基质上先电镀工艺后切削加工工 艺后一体化制作而成的，与现有技术中采用切割加工工艺制作的导电电极片相比，本发明 制作简单、省去了诸多的加工步骤，具有较大的成本优势，特别地，加工精度更高，且所制作 完成的导电电极更稳定；3、本发明电极矩阵中的导电电极的有效截面积较大，从而使得导电电极收敛到均 勻梯度场的速度更快；4、本发明电极矩阵中的导电电极加工精度较高，规则且整洁，所形成的梯度电场 更加均一稳定，有利于质谱的分辨力提高。5、本发明反射器可以提供给离子更有效的飞行空间，使用所述反射器的飞行时间 质谱仪可以安装大尺寸检测器，检测器的尺寸可以增加1倍以上，相应的灵敏度和信噪比 可以得到提高；并且由于检测器直径的增加，可以使用多阳极检测器，进一步提高计数率。
图1为现有技术中反射式飞行时间质谱仪的结构示意图；图2为薄板圆环梯度场电极阵列结构示意图；图3为厚圆环梯度场电极阵列结构示意图；图4为矩形框电极阵列结构示意图；图5为本发明电极结构示意图；图6为图5中电极矩阵的截剖示意图及其局部放大示意图；图7为本发明电极矩阵的制作方法的流程示意图。
具体实施例方式本发明的发明人发现在现有应用于飞行时间质谱仪的加速器或发射器中的电极阵列，存在的问题包括空间利用率较低、制造尺寸受限且制造成本较高等问题。因此，本发明的发明人对现有技术进行了改进，提出了一种电极矩阵及其制作方 法，采用一体化的制作工艺制作电极矩阵，制作工艺简单且加工精度较高，而制作出的电极 矩阵具有空间利用率高、电场性能稳定、尺寸在不同应用环境下可以多种选择等优点。以下将通过具体实施例来对发明的电极矩阵及其制作方法进行详细说明。请一并参阅图5和图6，图5显示了本发明电极矩阵的整体效果图，图6显示了本 发明电极矩阵的截剖示意图及其局部放大示意图。如图5和图6所示，所述电极矩阵包括 支撑基质40以及设于支撑基质40上的导电电极42。支撑基质40，用于起到支撑作用。在本实施例中，支撑基质40是采用绝缘材料制 成、上下贯通的中空结构。所述绝缘材料可以选用陶瓷、玻璃或工程塑料，优选地，采用的是 陶瓷材料。支撑基质的截面形状可以根据应用环境和加工工艺而具有不同的变化，例如如 图5所示的圆环，但并不以此为限，在其他实施例中，所述截面形状也可以是椭圆环或矩形 环。对于支撑基质的尺寸，可以根据应用环境(例如是装配在反射器中还是加速器中，所 需产生的梯度电场的大小或所述飞行时间质谱仪的尺寸大小等因素)，例如当支撑基质40 为图5所示的圆筒状(即截面形状为圆环)时，其长度L为IOmm至600mm，外径尺寸OD为 20mm至300mm，壁厚W为Imm至20mm，表面精度要求0. 05mm。导电电极42包括分别设于支撑基质40的内外表面的导电电极片420、422。在导 电电极42的数目为两个以上时，相邻两个导电电极42之间具有绝缘介质。如图5和图6所示，在本实施例中，在支撑基质40的内外表面的对应位置分别布 设有多个的导电电极片420、422，其中，在支撑基质40的轴平面上对应位置的内外两个导 电电极片420、422构成一个导电电极。具体做法是可以在支撑基质上打孔布设电极导线， 利用电极导线将内外表面上的导电电极片420、422连接并引出。由于该部分技术已为本领 域技术人员所熟知，故不在此赘述。另外，位于同一内表面上的或同一外表面上的相邻两个 导电电极片420(或42 平行同轴，两者之间则是由包括绝缘介质的圆弧凹槽44相隔离。 在本实施例中，导电电极片420、422为金属材料所制成的，所述金属材料选自金、钼、铝、 铜、镍中的一种或者它们的合金中的一种；且其中的导电电极片的宽度h为Imm至30mm，且 相邻两个导电电极片420或422 (也即相邻两个导电电极42)的轴向距离H为0. IOmm至 10mm。为提高电极矩阵中导电电极的性能(例如收敛到均勻梯度场的速度更快、工作更稳 定等)，在本实施例中，导电电极片420的导电面积为支撑基质40整体内表面面积的90% 以上。请参阅图7，其显示了本发明电极矩阵的制作方法的流程示意图。如图7所示，所 述制作方法包括步骤S10，提供支撑基质；步骤S12，进行镀层工艺，在所述支撑基质的内外表面上形成金属镀层；步骤S14，进行切削加工工艺，去除掉所述支撑基质的内外表面上部分的金属镀 层，剩下的金属镀层构成用于组成导电电极的导电电极片。下面对上述各步骤进行详细描述。首先执行步骤S10，提供支撑基质。具体来讲，支撑基质可以是采用绝缘材料制成、 上下贯通的中空结构。所述绝缘材料可以选用陶瓷、玻璃或工程塑料，优选地，采用的是陶瓷材料。支撑基质的截面形状可以是圆环、椭圆形环或矩形环，在所述支撑基质的截面形状 为圆环时，其长度为IOmm至600mm，外径尺寸为20mm至300mm，壁厚为Imm至20mm。接着执行步骤S12，进行镀层工艺，在所述支撑基质的内外表面上形成金属镀层。 在本实施例中，所述金属镀层的材料选自金、钼、铝、铜、镍中的一种或者它们的合金中的一 种。所述镀层工艺，由于所述支撑基质是由绝缘材料(例如陶瓷材料)所制成的，因此，在 所述支撑基质上形成金属镀层可以采用例如金属粉末喷涂、真空镀膜、溅射镀膜、化学镀或 电镀等多种方式。由于上述各镀层工艺已为本领域技术人员所熟知的现有技术，故在此不 再赘述。在执行步骤S12的镀层工艺之后，就可以在所述陶瓷制的支撑基质的内外表面上 均形成有金属镀层。接着再执行步骤S14，进行切削加工工艺，去除掉所述支撑基质的内外表面上部分 的金属镀层。在实际应用中，可以针对所述支撑基质的内外表面而采取不同的切削加工工艺。 在本实施例中，所述切削加工工艺具体包括对于所述支撑基质的内表面，可以采用膛刀进 行切削加工，去除掉所述支撑基质的内表面上部分的金属镀层；对于所述支撑基质的外表 面，可以采用车刀进行切削加工，去除掉所述支撑基质的外表面上部分的金属镀层。进行切削加工工艺的目的主要在于去除掉部分的金属镀层，为获得更好的切削效 果，在本实施例，所述在所述切削加工工艺中，在切削位置，去除了整层厚度的金属镀层并 进一步去除了部分厚度的所述支撑基质，从而形成圆弧凹槽。通过上述切削加工工艺，去 除掉所述支撑基质的内外表面上部分的金属镀层，剩下的金属镀层构成用于组成导电电极 的导电电极片，去除掉金属镀层的区域(即圆弧凹槽)则构成相邻两个导电电极之间的绝 缘介质。另外，位于同一内表面上的或同一外表面上的相邻两个导电电极片平行同轴。所 述导电电极中的导电电极片的宽度为Imm至30mm，相邻两个导电电极片之间的轴向距离为 0. IOmm至10mm。为提高电极矩阵中导电电极的性能(例如收敛到均勻梯度场的速度更快、 工作更稳定等)，在本实施例中，所述导电电极片的导电面积为所述支撑基质整体内表面面 积的90%以上。在后续作业中，还可以包括在所述支撑基质的内外表面对应的导电电极片处打 孔，布设电极导线，利用电极导线将对应位置上内外表面的导电电极片连接并引出；后续在 加工完成后再进行超声波清洗，去油；在所述支撑基质内外表面上焊上尺寸为1206的IOM 贴片电阻，分压形成梯度电场。下面就以具体实例来介绍利用上述制作方法制作出一种电极矩阵。所述实例包 括先提供一个圆筒状的陶瓷件，所述陶瓷件的外径为120mm，长度为250mm，壁厚为 8mm,表面精度要求0. 05mm。在所述陶瓷件的内外表面上形成金属镀层，所述金属镀层为金，所述金属厚度约 为 0. 5um。对镀金表面的陶瓷件进行切削加工工艺，每隔5mm在所述陶瓷件的内外表面上各 加工出一条圆弧凹槽，所述圆弧凹槽的半径1. 5mm，深度为1mm。剩下的金属镀层构成用于 组成导电电极的导电电极片，位于内外表面的对应两个导电电极片构成一个导电电极，导电电极的数量可以是50个。每一个导电电极片的宽度为3mm，相邻两个导电电极片之间的 距离为2mm。在所述陶瓷件的内外表面的对应部位，每隔5mm位置处打孔，制作电极导线并引出。加工完后经过超声波清洗，去油，在所述陶瓷件内外表面上焊上尺寸为1206的 IOM贴片电阻，分压形成梯度电场。在后续，即可将制作完成的所述电极矩阵应用于飞行时间质谱仪的反射器和/或 加速器中。由于反射器及加速器的工作原理已为本领域技术人员所熟知，故不在此赘述。综上所述，本发明的电极矩阵及其制作方法具有如下优点1、本发明电极矩阵中的导电电极的内部导电电极片和外部导电电极片的间距仅 为支撑基质的壁厚，两者的间距很小，如此可以在总体空间一定的情况下，所述电极矩阵中 的导电电极的内部有效区域可以做的相对较大，从而有效提高了空间利用率。2、本发明电极矩阵中的导电电极是通过在支撑基质上先电镀工艺后切削加工工 艺后一体化制作而成的，与现有技术中采用切割加工工艺制作的导电电极片相比，本发明 制作简单、省去了诸多的加工步骤，具有较大的成本优势，特别地，加工精度更高，且所制作 完成的导电电极更稳定。3、本发明电极矩阵中的导电电极的有效截面积较大，从而使得导电电极收敛到均 勻梯度场的速度更快。4、本发明电极矩阵中的导电电极加工精度较高，规则且整洁，所形成的梯度电场 更加均一稳定，有利于质谱的分辨力提高。5、本发明反射器可以提供给离子更有效的飞行空间，使用所述反射器的飞行时间 质谱仪可以安装大尺寸检测器，检测器的尺寸可以增加1倍以上，相应的灵敏度和信噪比 可以得到提高；并且由于检测器直径的增加，可以使用多阳极检测器，进一步提高计数率。上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉 此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发 明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
权利要求
1.一种电极矩阵，其特征在于，包括支撑基质；导电电极，包括分别设于所述支撑基质的内外表面的导电电极片；所述导电电极的数 目为两个以上，相邻两个导电电极之间具有绝缘介质。
2.根据权利要求1所述的电极矩阵，其特征在于，所述支撑基质的截面为圆环、椭圆环 或矩形环。
3.根据权利要求2所述的电极矩阵，其特征在于，所述支撑基质的截面为圆环时，所述 支撑基质的长度为IOmm至600mm，外径尺寸为20mm至300mm，壁厚为Imm至20mm。
4.根据权利要求1所述的电极矩阵，其特征在于，所述支撑基质为陶瓷、玻璃或工程塑 料所制成的。
5.根据权利要求1所述的电极矩阵，其特征在于，所述相邻两个导电电极平行同轴。
6.根据权利要求2所述的电极矩阵，其特征在于，所述导电电极中的导电电极片为对 应于所述支撑基质的圆环、椭圆环或矩形环。
7.根据权利要求6所述的电极矩阵，其特征在于，所述导电电极中的导电电极片的宽 度为Imm至30mm，相邻两个导电电极片之间的轴向距离为0. IOmm至10mm。
8.根据权利要求7所述的电极矩阵，其特征在于，所述导电电极片的导电面积为所述 支撑基质整体内表面面积的90 %以上。
9.根据权利要求6、7或8所述的电极矩阵，其特征在于，所述导电电极片为金属材料所 制成的，所述金属材料选自金、钼、铝、铜、镍中的一种或者它们的合金中的一种。
10.根据权利要求1所述的电极矩阵，其特征在于，所述相邻两个导电电极之间具有圆 弧凹槽，所述圆弧凹槽包括绝缘介质。
11.一种电极矩阵的制作方法，其特征在于，包括提供支撑基质；进行镀层工艺，在所述支撑基质的内外表面上形成金属镀层；进行切削加工工艺，去除掉所述支撑基质的内外表面上部分的金属镀层，剩下的金属 镀层构成用于组成导电电极的导电电极片，去除掉金属镀层的区域则构成相邻两个导电电 极之间的绝缘介质。
12.根据权利要求11所述的电极矩阵的制作方法，其特征在于，所述支撑基质的截面 为圆环、椭圆环或矩形环。
13.根据权利要求12所述的电极矩阵的制作方法，其特征在于，所述支撑基质的截面 为圆环时，所述支撑基质的长度为IOmm至600mm，外径尺寸为20mm至300mm，壁厚为Imm至 20mmo
14.根据权利要求11所述的电极矩阵的制作方法，其特征在于，所述支撑基质为陶瓷、 玻璃或工程塑料所制成的。
15.根据权利要求11所述的电极矩阵的制作方法，其特征在于，所述金属镀层的材料 选自金、钼、铝、铜、镍中的一种或者它们的合金中的一种。
16.根据权利要求11所述的电极矩阵的制作方法，其特征在于，在所述切削加工工艺 中除了去除掉金属镀层外还包括去除部分的所述支撑基质，形成圆弧凹槽。
17.根据权利要求16所述的电极矩阵的制作方法，其特征在于，所述切削加工工艺包括对于所述支撑基质的内表面，采用膛刀进行切削加工，去除掉所述支撑基质的内表面 上部分的金属镀层；对于所述支撑基质的外表面，采用车刀进行切削加工，去除掉所述支撑基质的外表面 上部分的金属镀层。
18.根据权利要求11所述的电极矩阵的制作方法，其特征在于，所述导电电极中的导 电电极片的宽度为Imm至30mm，相邻两个导电电极片之间的轴向距离为0. IOmm至10mm。
19.根据权利要求18所述的电极矩阵的制作方法，其特征在于，所述导电电极片的导 电面积为所述支撑基质整内体表面面积的90%以上。
20.根据权利要求18或19所述的电极矩阵的制作方法，其特征在于，所述导电电极片 为金属材料所制成的，所述金属材料选自金、钼、铝、铜、镍中的一种或者它们的合金中的一 种。
全文摘要
本发明提供一种应用于飞行时间质谱仪的电极矩阵及其制作方法，所述电极矩阵包括支撑基质；导电电极，包括分别设于所述支撑基质的内外表面的导电电极片；所述导电电极的数目为两个以上，相邻两个导电电极之间具有绝缘介质。相较于现有技术，本发明的电极矩阵及其制作方法具有结构简单、加工精度更高、更高空间利用率、梯度电场更均匀的优点。
文档编号H01J49/02GK102074449SQ201010550180
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月18日 优先权日2010年11月18日
发明者徐国宾, 杨芃原, 陈应 申请人:上海华质生物技术有限公司