用于质谱电子轰击离子源的灯丝的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及在用于质谱(MS)仪的电子轰击离子源中用作电子发射阴极的灯丝。
【背景技术】
[0002]电子轰击电离(或者更确切地说，电子电离(EI))是气相色谱-质谱分析法(GC-MS)中常见的电离类型。EI源利用商用资料库提供有利于化合物鉴定的可预测的裂解，这些资料库(例如，美国国家标准与技术研究院(NIST)的资料库)中含有数十万的参考光谱。此外，由于电离效率几乎与化合物无关，因此EI源对大多数化合物的响应一致。
[0003]传统的EI离子源是交叉束离子源，其中线型辉光阴极产生的电子束通过狭缝加速到大约70电子伏特，由弱磁场引导其通过电离区，然后该电子束从另一个狭缝离开并轰击电子检测器，该电子检测器通过控制流过阴极的电流来调节电子流。图1示意性地示出了这种公知的交叉束EI离子源。将GC的发射物吹过电离电子帘，并吸引产生的离子通过带狭缝的电极离开电离区。此类离子源非常适合利用狭缝进行操作的质谱仪，例如扇形磁质谱仪。
[0004]然而，今天大多数质谱仪被设计为接受圆柱对称的离子束，这是由于它们通常配备有包住圆柱形的内部体积的细长的四极离子导向器或四极过滤器。产生非圆柱状离子束的带狭缝的离子源已无法以最佳方式满足现代要求。这种不匹配可导致离子源或离子提取光学装置中的离子束损失，或导致离子能量分布出现不期望的拓宽，或导致离子束的对称性发生畸变，进一步恶化MS。
[0005]为了更好地匹配进入质谱仪的其余离子路径，已对圆柱对称的EI离子源，特别是圆柱对称的EI灯丝装置进行开发(参见:例如M.DeKieviet等人的“Design andperformance of a highly efficient mass spectrometer for molecular beams”，Rev.Scient.1nstr.71 (5):2015_2018，2000，或 A.V.Kalinin 等人的 “1n Source withLongitudinal 1nizat1n of a Molecular Beam by an Electron Beam in a MagneticField”，Instr.and Exp.Techn.49 (5):709_713，2006) 0
[0006]在引用文章中，已在电磁线圈的杂散场中安装圆环形状的灯丝，从而沿着场线对电子进行加速使其进入线圈中央，由此形成狭窄的管状电子束。在图2中示意性地示出了这一原理。将GC的发射物作为分子束吹过环形灯丝进入磁体的线圈中。发射物的分子在飞行中被管状电子束高效电离。
[0007]图3示出了传统的圆环形状的灯丝装置。然而，圆形或圆柱对称的灯丝组件(例如圆环形状的灯丝)在进行重复加热和冷却的循环后有变形的风险。例如，如图4所示，提供额外的用于减少变形自由度的支柱使得热量通过支柱散失，并导致温度不均匀的区域上电子发射特性不同。
[0008]鉴于上述观点，需要这样的在质谱仪中的EI源灯丝装置，即，它们不发生变形并在整个灯丝装置上呈现出尽可能一致的电子发射。
【发明内容】
[0009]本发明提供了一种用于EI离子源的阴极系统，包括灯丝和多个电流源柱，所述多个电流源柱将所述灯丝(在电学上)分成多个区段，每个电流源柱为灯丝的至少两个区段提供或返回电流。可通过例如点焊将灯丝连接至提供或返回加热电流的电流源柱。灯丝的各个区段可以连续布置，或者实质上彼此平行地进行布置。连续布置的灯丝区段可以形成闭环(例如，圆环)。其他实施例涵盖螺旋线圈形状。
[0010]灯丝优选由钨、镀钍钨、铼、具有钇涂层的铼或特别是钇/铼合金制成。可以将电流源柱制成有利的形状，以使它们在与灯丝接触点附近被电流加热到与灯丝温度一致的温度。为了使不同的灯丝区段的温度相同，可以通过例如激光烧蚀方法对部分灯丝区段的材料进行烧蚀，以使所有区段具有相同(或大致相同)的电子发射特性。可以通过测量各个区段的电子发射对烧蚀进行控制。
【附图说明】
[0011 ] 通过参照以下附图，可以更好地理解本发明。附图中的元件无需按比例绘制，而是会重点强调示出了本发明的原理的部分(通常为示意性)。在附图中，相同的附图标记在不同视图中通常始终表示相同的部分。
[0012]图1示出了传统的交叉束电子轰击离子源。GC毛细管(10)末端的发射物(11)跨过电子束(13)。阴极(12)产生电子束，缝隙(19)将电子束加速到大约70电子伏特，由永磁体(15)与永磁体(16)之间的弱磁场引导电子束穿过电离区，然后由法拉第(Faraday)杯对其进行检测。通过在缝隙(17)处施加提取电压来提取离子，并利用提取出的离子形成离子束(18)。通过围绕离子源的磁轭(未示出)连接各永磁体。
[0013]图2示意性地描绘了一种更现代的高效EI离子源，其中由圆环形状的阴极(20)产生电子束(22)，其由弯曲电极(21)进行加速，并被集中到电磁体(23)的杂散场内的窄管中。通过各缝隙(24)提取离子，并利用提取出的离子形成圆柱状离子束(25)。
[0014]图3示出了由两个柱(30)和(31)提供电流的传统的圆环电极(32)。该环形电极在重复加热和冷却的周期中很容易变形，从而影响其性能。
[0015]图4描绘了能够用额外的(在电学上断连的)支柱(33)和(34)机械支撑图3中的圆环电极的方法，所述支柱可由绝缘材料或在电学上断连的金属制成。在这两种情况下，由于热量通过柱散失，因此支柱周围的灯丝的温度容易下降。
[0016]图5示意性地示出了根据本发明的原理的灯丝系统。由四个柱(40)至(43)将环形灯丝(在电学上)分成四个区段(44)至(47)。柱(40)和柱(42)提供电流，如同用正号指示的那样，柱(41)和柱(43)返回电流，如同用负号指示的那样。在本示例中，电流的方向沿着圆环改变四次，如同用箭头指示的那样。
[0017]图6示出了一种具有六个载流柱的更加稳定的环形灯丝系统，在其中电流的方向改变六次。
[0018]图7描绘了具有四个柱(50)至(53)的灯丝系统，柱的接触端的直径更小。这样选择直径是为了使柱的末端被电流加热到与环形区段(54)至(57)的温度大致相同的温度。采用这种方法，没有任何热量(或者至少少得多的热量)通过柱散失。
[0019]图8示出了一个栅格，其包括五根平行的线型灯丝区段(62)至(66)以及仅有的两个柱￠0)和(61)，这两个柱分别提供电流和返回电流。在本示例中，柱的直径从一个接触点到另一个接触点逐渐减小。
[0020]图9示出了基于单个直流电压发生器(70)的用于提供加热电流的简单供电电路。
[0021]图10示出了提供加热电流的特定的电路单元的示例。发生器(70)和发生器(71)是产生加热电压的主电压发生器；发生器(72)是具有较低的内阻的校准电压发生器，其用于平衡区段(54)和区段(56)的电子发射。因此整个电路补偿了四个区段的电子发射的不平衡。
[0022]图11示出了安装在绝缘环(100)上的完整的阴极装置。四个电流源柱(102)固定住环形灯丝(101)，而四个更细的柱(104)不与加热电流电路相连，而是支撑灯丝区段下方的四个推斥电极(103)。当推斥电极被安装在离子源中时，它们被提供有负电位；这些推斥电极有助于驱动由灯丝(101)发射的电子进入电离区。当在特定的烧蚀站中安装推斥电极时，推斥电极可以起到法拉第杯的作用，从而允许对所述四个灯丝区段各自的电子发射进行单独测量。
[0023]图12示出了螺旋灯丝(82)，其各个区段(半圈绕组)焊接至两个电流源柱(80)和(81)上。如之前在图8中示出的那样，电流源柱(80)和电流源柱(81)的直径在每个绕组接触点的位置也可以变得更小。
[0024]图13描绘了具有焊接至四个电流源柱(91)上的四个小凸起的实质上为圆环形状的灯丝(90)。这些凸起广泛吸收灯丝的任何热延长，因此，不论热应力大小，圆环都会大体上保持在原来的位置，从而使柱不受机械应力的影响，并在广泛的温度范围内提供更加稳定的电子发射的几何形状。
[0025]图14示出了通过预拉紧柱(101)和预拉紧弓(102)支