一种基于四极板设计的高时间分辨离子速度成像仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了一种基于四极板设计的高时间分辨离子速度成像仪，具体涉及一种 离子动能和荷质比的测量方法。
【背景技术】
[0002] 目前通行的离子速度成像仪是荷兰科学家Eppink和Parker在1997年设计，他们 通过设计三块带圆孔的极板，在一定的电压配置下，形成离子透镜，实现对具有相同速度但 是不同位置的带电粒子进行聚焦，然后被探测器收集。如图la、图lb所示，在离子透镜作用 下，不同位置的带电粒子聚焦在探测器的一个点上，这大大提高了离子速度成像的分辨率。
[0003] 然而，在目前通行的离子速度成像装置上，测得的离子飞行时间质谱分辨率非常 低。这是因为该成像仪仅仅实现位置的横向聚焦，而没有实现时间的纵向聚焦。位置的横 向聚焦如图2(a)所示，是指不同位置的带电离子聚焦在探测器的同一位置上，这与速度成 像的分辨率相关。而时间的纵向聚焦是指纵向不同的带电离子飞行到探测器的时间是一样 的，如图2(b)所示。时间的纵向聚焦的实现可以大大提高离子飞行时间质谱的分辨率，因 为它使得相同速度的离子飞行到探测器的时间相同。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种基于四极板设计 的高时间分辨离子速度成像仪，在对离子横向成像的同时，实现离子的飞行时间纵向聚焦。 在物理测量的表现为：在得到高分辨离子速度成像的同时，实现离子飞行时间质谱的高分 辨探测。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案： 一种基于四极板设计的高时间分辨离子速度成像仪，包括MCP探测器、飞行管和一端 封闭另一端敞开的中空的圆柱形腔体，所述MCP探测器、飞行管和圆柱形腔体同轴设置， MCP设置于飞行管的一端，飞行管的另一端从所述圆柱形腔体的敞开端伸入其内部，所述圆 柱形腔体内部，在从圆柱形腔体的封闭端至飞行管的另一端之间还同轴依次设置有第一至 第四极板，所述第一至第四极板为圆形，圆形的中心开设有圆孔，第二至第四极板的中心圆 孔直径相同，第一极板的中心圆孔直径小于第二至第四极板的中心圆孔直径，第一至第四 极板等间距的设置。
[0006] 作为本发明的进一步优选方案，所述飞行管为y金属圆形管。
[0007] 作为本发明的进一步优选方案，所述U金属圆形管的内径为96mm，外径为100mm， 厚度为2mm〇
[0008] 作为本发明的进一步优选方案，所述第一极板与圆柱形腔体的封闭端之间的间距 为20mm，所述第四极板与飞行管间距为67mm。
[0009] 作为本发明的进一步优选方案，所述第一至第四极板的厚度均为2mm，外径均为 100mm，第一极板的中心圆孔直径为4mm，第二至第四极板的中心圆孔直径为20mm。
[0010] 作为本发明的进一步优选方案，所述第一至第四极板的电压设计为：第一极板对 应电压4000V，第二极板对应电压3150V，第三极板对应电压1470V，第四极板P4对应电压 0V;所述MCP探测器、飞行管和圆柱形腔体均接地。
[0011] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明实现离子 的飞行时间纵向聚焦，大大提高了探测离子的飞行时间质谱的分辨率。
【附图说明】
[0012] 图la是现行的基于三块极板设计的离子速度成像仪设计图。
[0013] 图lb是现行技术中离子透镜电势分布效果图。
[0014] 图2a是离子的位置横向聚焦示意图。
[0015] 图2b是离子的飞行时间纵向聚焦示意图。
[0016] 图3是现有技术发明和本发明的比较示意图。
[0017] 图4a是本发明中基于四极板设计的离子成像仪的内部结构设计图。
[0018] 图4b是本发明中不同位置五种初速度离子飞行聚焦效果图。
[0019]图5是本发明中四极板离子透镜的电势能分布图。
【具体实施方式】
[0020] 下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始 至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参 考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0021] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明： 本发明中基于四极板设计的离子成像仪的内部结构设计图如图4a所示，本发明中不 同位置五种初速度离子飞行聚焦效果图如图4b所示。所述基于四极板设计的高时间分辨 离子速度成像仪，包括MCP探测器、飞行管和一端封闭另一端敞开的中空的圆柱形腔体，所 述MCP探测器、飞行管和圆柱形腔体同轴设置，MCP设置于飞行管的一端，飞行管的另一端 从所述圆柱形腔体的敞开端伸入其内部，所述圆柱形腔体内部，在从圆柱形腔体的封闭端 至飞行管的另一端之间还同轴依次设置有第一至第四极板，所述第一至第四极板为圆形， 圆形的中心开设有圆孔，第二至第四极板的中心圆孔直径相同，第一极板的中心圆孔直径 小于第二至第四极板的中心圆孔直径，第一至第四极板等间距的设置。
[0022] 所述第一至第四四块极板（P1至P4)为开圆孔的圆形极板，厚度为2_，外径均为 100mm，P1内径4mm，P2、P3和P4内径为20mm;相邻极板之间的距离为20mm，P1与腔体间 距为20mm;P4与飞行管间距为67mm;飞行管为y金属圆形管，内径为96mm，外径为100mm， 厚度为2mm〇
[0023] 本发明中四极板离子透镜的电势能分布图如图5所示，电压设计的具体设置为： 第一块极板P1对应电压4000V，第二块极板P2对应电压3150V，第三块极板P3对应电压 1470V，第四块极板P4对应电压0V，其余(含y金属飞行管）均接地。
[0024] 现有技术发明和本发明的比较示意图如图3所示，该发明大大提高了探测离子的 飞行时间质谱的分辨率。目前对于离子飞行轨迹国际上最权威的检验程序是SMI0N。我们 采用该程序的最新版本SMI0N8. 1对该申请的发明进行测试检验，并比较了该发明与现有 技术发明的检验结果。比较结果如表1所示，基于该申请的四块极板设计装置测得的飞行 时间质谱的谱峰宽度At4明显小于基于三极板设计的现有技术装置测到的谱峰宽度At3。 在离子源不同的分布宽度下，提高的分辨率倍数At3/AtJ*数不同。离子源分布越宽，新技 术提高分辨率的倍数越大，即新技术的高分辨效果越明显。当离子源宽度Ax为7mm时候， 新技术相对于现有技术所提高的飞行时间质谱分辨率可达到24. 32倍。
[0025] 表1.在不同半径（Ax)离子源分布下，模拟测量得到的飞行时间质谱谱峰宽度 At3 (现有技术方法）和At4 (本发明）的比较：
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方 式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做 出各种变化。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限 制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技 术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或 修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实 质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进 等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于四极板设计的高时间分辨离子速度成像仪，包括MCP探测器、飞行管和一 端封闭另一端敞开的中空的圆柱形腔体，所述MCP探测器、飞行管和圆柱形腔体同轴设置， MCP设置于飞行管的一端，飞行管的另一端从所述圆柱形腔体的敞开端伸入其内部，其特 征在于：所述圆柱形腔体内部，在从圆柱形腔体的封闭端至飞行管的另一端之间还同轴依 次设置有第一至第四极板，所述第一至第四极板为圆形，圆形的中心开设有圆孔，第二至第 四极板的中心圆孔直径相同，第一极板的中心圆孔直径小于第二至第四极板的中心圆孔直 径，第一至第四极板等间距的设置。2. 如权利要求1所述的一种基于四极板设计的高时间分辨离子速度成像仪，其特征在 于：所述飞行管为U金属圆形管。3. 如权利要求2所述的一种基于四极板设计的高时间分辨离子速度成像仪，其特征在 于：所述U金属圆形管的内径为96mm，外径为100mm，厚度为2mm〇4. 如权利要求1或3所述的一种基于四极板设计的高时间分辨离子速度成像仪，其特 征在于：所述第一极板与圆柱形腔体的封闭端之间的间距为20mm，所述第四极板与飞行管 间距为67_。5. 如权利要求4所述的一种基于四极板设计的高时间分辨离子速度成像仪，其特征 在于：所述第一至第四极板的厚度均为2mm，外径均为100mm，第一极板的中心圆孔直径为 4mm，第二至第四极板的中心圆孔直径为20mm。6. 如权利要求1或3所述的一种基于四极板设计的高时间分辨离子速度成像仪，其特 征在于，所述第一至第四极板的电压设计为：第一极板对应电压4000V，第二极板对应电压 3150V，第三极板对应电压1470V，第四极板P4对应电压OV;所述MCP探测器、飞行管和圆柱 形腔体均接地。
【专利摘要】本发明公开了一种基于四极板设计的高时间分辨离子速度成像仪，包括MCP探测器、飞行管和一端封闭另一端敞开的中空的圆柱形腔体，所述MCP探测器、飞行管和圆柱形腔体同轴设置，MCP设置于飞行管的一端，飞行管的另一端从所述圆柱形腔体的敞开端伸入其内部，所述圆柱形腔体内部，在从圆柱形腔体的封闭端至飞行管的另一端之间还同轴依次设置有第一至第四极板，所述第一至第四极板为圆形，圆形的中心开设有圆孔，第二至第四极板的中心圆孔直径相同，第一极板的中心圆孔直径小于第二至第四极板的中心圆孔直径，第一至第四极板等间距的设置。本发明实现离子的飞行时间纵向聚焦，大大提高了探测离子的飞行时间质谱的分辨率。
【IPC分类】H01J49/40
【公开号】CN104934288
【申请号】CN201510237939
【发明人】刘玉柱, 敖旷, 曹兆楼, 苏静, 陈云云, 郑改革
【申请人】南京信息工程大学
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年5月12日