一种直线式飞行时间质谱仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于质谱仪技术领域，具体涉及一种直线式飞行时间质谱仪，尤其是一种 可采用电子轰击离子源、具有纳秒脉冲离子开关的直线式飞行时间质谱仪。
【背景技术】
[0002] 飞行时间质谱仪在化学分析、材料检测、食品药品安全检测、环境保护领域中有着 广泛和重要的应用。从离子引出方式可分反射式飞行时间质谱仪和直线式飞行时间质谱 仪。
[0003]反射式飞行时间质谱仪从离子出口垂直方向引出离子，并经过反射器后使离子达 到检测器。其优点是通过加速、减速和反射器的设计，使仪器分辨率较高，又由于反射器的 设计，使离子飞行距离延长，因此缩短了谱仪的体积。
[0004]1998年，郁昆云等人在"质谱学报"第19卷第一期发表了题为"高分辨飞行时间 质谱仪的原理及设计"，提出了反射式飞行时间质谱仪的设计原理，总结了其优点。2008年 7月，高伟等人在"质谱学报"第29卷第四期发表题为"电子轰击源垂直加速飞行时间质谱 仪的研制"，从采用电子轰击源的角度，叙述了反射式飞行时间质谱仪的原理及设计特点。
[0005]反射式飞行时间质谱的缺点是：一方面，由于体积所限，能量可调范围很小，对引 出电压大于5kV的离子，无法进行检测；另一方面，为了提高质量分辨率，需要引出的离子 数很少，在离子检测系统中必须采用微通道板，微通道板对不同质量的离子响应差别很大， 所以测量精度不能保证。
[0006]直线式飞行时间质谱仪从离子出口水平方向引出离子，离子以直线方式飞行到达 检测器。直线式飞行时间质谱仪优点是结构简单、离子引出能量不受限制。但是随着离子 能量的增加，飞行距离增加，因此，谱仪的体积就增加，这是其主要缺点。另外，谱仪对离子 质量分辨率R与取样质谱峰半宽度有以下关系：
式中，R为谱仪质量分辨率为离子质量；A?为相邻离子质量之差；?为离子质量飞 行时间；Α?为相邻离子飞行时间之差，与质谱峰半宽度密切相关。
[0007]根据公式（1)，谱仪质量分辨率R与Δ诚反比，即与离子进入无场飞行区前的开 门时间成反比。如果直线式飞行时间质谱仪取样时间宽度较宽，则其质量分辨率降低。
[0008]为此，美国LBNL的科学家发展了离子门方法，以便提高谱仪的质量分辨率：在离 子进入无场飞行区前设置一个开关脉冲，有脉冲时，离子通过，无脉冲时，离子不通过。2005 年，美国的A.Anders在"JOURNALOFPHYSICSD:APPLIEDPHYSICS"杂志第 38 卷第 7 期 发表了题为"Ionchargestatefluctuationsinvacuumarcs" 的文章，系统介绍了一 种直线式飞行时间质谱仪，采用真空弧离子源。在谱仪中设计了离子门，离子门半宽度在 100ns左右。离子门方法，提高了直线式飞行时间质谱仪的质量分辨率，同时也使离子源在 放电过程中，不同时间离子的分布差异的检测成为现实。2006年，俄罗斯V.I.Gushenets 等人在"REVIEWOFSCIENTIFICINSTRUMENTS"杂志的第 77 卷，第 6 期发表了题为"Simple andinexpensivetime-〇f-flightcharge-to-massanalyzerforionbeamsource characterization"文章中，介绍了一种直线式飞行时间质谱仪，采用真空弧离子源，其离 子门为一组圆形栅板，栅板的内电极接地，外电极加半宽度为100ns、脉冲幅度达5kV的脉 冲，加脉冲时离子通过，经无场飞行lm距离达到离子检测器，无脉冲时离子不能通过。俄罗 斯V.I.Gushenets等人研制圆形栅板直径大于28cm,所以谱仪的体积很大。A.Anders 等人和V.I.Gushenets等人的设计共同缺点是，加到离子门的脉冲幅度只有5kV，离子引 出电压限制在30kV以内；加到离子门半宽度为100ns，其质量分辨率低于15。
【发明内容】
[0009] 本发明提供了一种直线式飞行时间质谱仪，它采用电子轰击离子源，采用纳秒脉 冲离子开关，离子开关所加脉冲幅度达到20kV，脉冲半宽度为30ns，离子引出电压可以达 到80kV以上，谱仪的分辨率为1000。克服了其它飞行时间谱仪的局限性。
[0010] 本发明一种直线式飞行时间质谱仪，其特点是，所述的该直线式飞行时间质谱仪 包括离子源电源组，气样口，电子轰击离子源，前法兰，不锈钢真空腔室，引出电源，聚焦电 源，离子出口狭缝，三膜片单透镜，第一栅网，纳秒脉冲离子开关，第二栅网，高真空规管， 法拉第杯抑制电极，法拉第杯内筒，法拉第杯外筒，后法兰，抑制电源，第一分子栗，干栗，高 压纳秒脉冲电源，第一真空阀，低真空规管，第二真空阀，闸板阀，第二分子栗。一种直线式 飞行时间质谱仪的连接关系为：离子源电源组与电子轰击离子源连接；气样进入装置通过 前法兰与不锈钢真空腔室连接；离子出口狭缝与不锈钢真空腔室连接；引出电源与电子轰 击离子源的引出电极连接；聚焦电源与电子轰击离子源的聚焦电极连接；三膜片单透镜通 过螺钉与不锈钢真空腔室连接；不锈钢真空腔室外壳与地连接；第一栅网、第二栅网设置 在不锈钢真空腔室内，通过螺钉与不锈钢真空腔室连接并导通；第一栅网和第二栅网设置 不锈钢真空腔室内，两者都与地连接；高真空规管与不锈钢真空腔室连接；纳秒脉冲离子 开关设置在不锈钢真空腔室内，纳秒脉冲离子开关由两组互相绝缘的钼板组成，一组钼板 与地连接，另一组钼板与高压纳秒脉冲电源连接；法拉第杯离子检测器由法拉第杯抑制电 极、法拉第杯内筒、法拉第杯外筒和抑制电源组成；法拉第杯抑制电极制成网状，固定在不 锈钢真空腔室内，与抑制电源连接；法拉第杯外筒通过螺钉固定在不锈钢真空腔内，与地连 接；法拉第杯内筒由绝缘材料固定在法拉第杯外筒内壁，法拉第杯内筒接收离子束，并通过 测量电极与示波器等测量设备连接。第一分子栗和第二分子栗分别通过一个真空角阀与不 锈钢真空腔连接；后法兰与不锈钢真空腔连接；干栗通过不锈钢管道、第一真空阀与第一 分子栗和第二分子栗连接；干栗通过不锈钢管道、第二真空阀与不锈钢真空腔室连接；干 栗通过不锈钢管道与低真空规管连接；闸板阀通过连接法兰与不锈钢真空腔连接。
[0011] 本发明的直线式飞行时间质谱仪，具体涉及一种采用电子轰击离子源、具有纳秒 脉冲离子开关的直线式飞行时间质谱仪。其技术方案是：直线式飞行时间质谱仪设置了气 体进样装置、电子轰击离子源、纳秒脉冲离子开关、法拉第杯等设备。气体进样装置把环境 气体引入离子源放电区，电子与气体分子相互作用产生电离，生成气体离子。在引出电压 的作用下，离子束被引出。纳秒脉冲离子开关开通，离子通过时间为30ns，不同质荷比 的离子进入距离为Z无场漂移区飞行一段时间后，到达法拉第杯检测器。
[0012] 不同离子的飞行时间与其质荷比之间的关系由公式（2)表示：
式中，伪飞行时间，战/离子的引出电压。
[0013] 根据公式（1)，不同质荷比你^^的离子到达法拉第杯检测器的飞行时间匕不同， 因此，在示波器上显示出不同离子的飞行时间谱峰，横坐标上时间代表离子质荷比你V，谱 峰的峰值则代表离子数。因此可以得到现场环境中离子种类和离子成分。
[0014] 纳秒脉冲离子开关设置在不锈钢真空腔室内，纳秒脉冲离子开关由两组互相绝缘 的钼板组成，一组钼板与地连接，另一组钼板与高压纳秒脉冲电源连接；纳秒脉冲电源输出 脉冲半宽度为30ns，脉冲高压幅度大于20kV以上。
[0015] 本发明的优点是： 本发明设计并应用纳秒脉冲离子开关，开关速度达到30ns，可使飞行时间谱仪质量分 辨率达到1000。
[0016] 本发明设计并采用由法拉第杯抑制电极、法拉第杯内筒和法拉第杯外筒组成的法 拉第杯离子检测器，全部收集通过纳秒脉冲离子开关的各种离子，与微通道板离子检测器 相比，大大提高了离子检测精度。
[0017] 本发明采用离子出口狭缝限束、三膜片单透镜聚焦、第一栅网和第二栅