静电透镜及包括该静电透镜的系统的制作方法
【专利摘要】一种系统包括放置在带电粒子源和检测器之间的静电透镜。该透镜包括：第一电极，具有放置在路径中并与第一轴线对齐的第一孔径；第二电极，在第一电极和带电粒子检测器之间的路径中，第二电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第二孔径，第二轴线平行于第一轴线，并沿第一方向从第一轴线移位；第三电极，在第一电极和第二电极之间；以及耦合到第一、第二和第三电极的电位生成器。在工作期间，电位生成器将第一、第二和第三电位分别施加到第一、第二和第三电极，以使得静电透镜将沿第一轴线传播的来自带电粒子源的带电粒子束引导到沿第二轴线传播。
【专利说明】静电透镜及包括该静电透镜的系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求提交于2011年5月4日的临时申请第61/449，193号的权益，其整体内容通过引用包括在本说明书中。
【技术领域】
[0003]本发明涉及静电透镜以及包括静电透镜的系统。
【背景技术】
[0004]各种应用都涉及从一个位置向另一个位置传送带电粒子。例如，在四极质量过滤器和其他类型的质谱仪的离子传送中，从多极离子导向器离子阱中脉冲释放捕获的离子到飞行时间(TOF)质谱仪的脉冲区域中，都是这种情形。此外，存在能进行改进的、更精细的、通用的带电粒子束对焦的需要。然而，传送所选的离子往往伴随着同时传送不想要的粒子，其中可能包括具有明显较高和/或较低动能的带电粒子，以及不带电粒子，如中性粒子和光子。
[0005]这些不想要的粒子可能会干扰想要的粒子的传送或最佳利用。例如，高能带电和不带电的粒子，如气溶胶，经常伴随着将来自大气压离子源的分析物离子引入到真空中，并且这种“背景”粒子可能具有较高的能量，使得它们很难被控制或除去。不想要的“背景”粒子的其他示例包括例如在电感耦合等离子体(ICP)离子源和电子引起的电离(EI)离子源中产生的光子，以及中性亚稳粒子，如在这些离子源中产生的中性亚稳粒子，它们可能传递能量给次级粒子以产生不想要的二次离子。所有这样的粒子都可能会导致不希望的后果，如质谱仪检测器中的背景噪声。
[0006]在其他情况下，如二次离子质谱分析(SIMS)技术，精细聚焦的高能离子束会冲撞固体样品很小的表面积，从而释放出所谓样品表面物质的二次离子。随后对这些二次离子的质量分析揭示了该小面积样品表面的化学成分。然而，伴随着聚焦离子的高能中性粒子不能聚焦，它们的冲撞从分析区域以外创建样品表面二次离子，这会降低分析的空间特异性。
[0007]另外，动能过滤器和分析仪被配置为以较高的透射将具有相对狭窄范围的能量通过，同时尽可能多地阻止具有在此狭窄范围之外的动能的粒子传递给检测器。
【发明内容】
[0008]已经发现静电透镜可以根据本发明被配置为从离子束中减少或除去不想要的背景粒子，同时保持良好的光学特性，可得到较高的离子透射效率和良好的对焦特性。在质谱仪的应用中，这种透镜通过阻止这些不想要的粒子产生背景噪声来改善信噪比是有效的，无论是由于直接的检测器影响，还是通过从表面产生二次粒子再影响检测器。在聚焦离子束的应用中，这种透镜同样对除去离子束中的中性物质也是有用的，可得到改善的分析性能。这种减少或除去背景粒子也可以减轻撞击和寄生背景粒子沉积所导致的表面上的电绝缘层污染物的积累，这种积累会导致有害的充电效果。在一些实施例中，静电透镜被放置在质谱仪的低真空区域中，以确保离子的透射效率不会因为背景气体分子使得离子散射脱离粒子路径而明显恶化。与此形成对比地，RF离子导向器通常用来运输离子通过相对较高和较低真空压力的区域，因为离子导向器内的RF场通常会防止这样的碰撞损失。然而，离子透射损耗和/或离子束光学特性的恶化仍然可能在离子离开RF离子导向器的末端时发生，其中离子可能会由于RF边缘场发生散射和/或与背景气体分子碰撞。此外，虽然静电透镜可以使用静电场聚焦或以其他方式重新引导离子轨迹，但除了引导离子沿离子导向器轴线行进，这不可能使用RF离子导向器实现，尽管由于离子导向器中心部分内的离子和背景气体之间碰撞的冷却效果。因此，静电透镜提供电位，用于通过静电场以比RF离子导向器更高的总体透射效率和更好的对焦透射和对焦离子束同时防止透射不想要的粒子。
[0009]本发明的各个方面概述如下。
[0010]一般地，在一个方面，本发明描述了一种系统，包括放置在带电粒子源和带电粒子检测器之间的路径中的静电透镜。该静电透镜包括:第一电极，具有放置在路径中并与第一轴线对齐的第一孔径；第二电极，放置在第一电极和带电粒子检测器之间的路径中，第二电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第二孔径，第二轴线平行于第一轴线，并沿第一方向从第一轴线移位；第三电极，放置在第一电极和第二电极之间的路径中；以及I禹合到第一、第二和第三电极的电位生成器。在工作期间，电位生成器将第一电位施加到第一电极，将第二电位施加到第二电极，并将第三电位施加到第三电极，以使得静电透镜将沿第一轴线传播的来自带电粒子源的带电粒子束引导到沿第二轴线传播。
[0011]该系统的实施例可包括下列特征中的一个或多个。例如，在工作过程中，静电透镜可以引导具有第一范围内的动能的粒子束中的带电粒子通过第二孔径，而通过第一孔径进入静电透镜的具有第一范围以外的动能的带电粒子被阻止通过第二孔径。
[0012]在第一电极处的路径可以与在第二电极处的路径平行。
[0013]第一电极可以是平板电极。第二电极可以是平板电极。在一些实施例中，第一和第二电极都是平板电极。平板电极可以是并行的。平板电极可以与第一和第二轴线正交。
[0014]第三电极可以包括路径延伸通过的孔。孔可以有第三轴线。该孔可以有在整个第三电极上相同的孔横截面。该孔可以具有在至少一个轴向位置处不同于在其他轴向位置处的孔横截面的横截面。第三电极的孔可以具有圆柱形的横截面，其中第三轴线是圆柱形横截面的轴线。第三电极的孔可以具有椭圆形的横截面，该椭圆形的横截面具有长直径和不同于长直径的短直径，其中长直径或短直径都平行于第一方向。第三电极的孔可以具有卵形的横截面，其中卵形包括中心在第一孔的轴线上的矩形，其中矩形的第一和第二边与第一方向平行，矩形的第三和第四边垂直于第一方向，其中卵形还包括第一和第二圆柱，第一圆柱的中心在矩形的第三边的中点，第二圆柱的中心在矩形的第四边的中点，其中第一和第二圆柱的直径与第三和第四边的长度相同。该孔可以具有包括第三轴线并垂直于第一方向的对称平面。该孔可以具有包括第三轴线并还包括第一轴线和第二轴线的对称平面。该孔可以有两个对称平面，这两者都包括第三轴线，其中一个对称平面垂直于第一方向，并且其中第二对称平面还包括第一轴线和第二轴线。第三电极可以包括彼此电绝缘的两半电极部分，每一半部分都是另一半部分的镜像，其中半个部分之间的对称平面包括第三轴线以及第一和第二轴线，其中电位发生器还提供两个半个部分之间的差分电压。第一和第三轴线平行于第一和第二轴线，并相对于第一轴线和第二轴线在第一方向上移位。第一和第二轴线可以从第三轴线移位相同的量。
[0015]第一和第二电位可以是相同电位。
[0016]静电透镜可以进一步包括:第四电极，放置在第二电极和带电粒子检测器之间的路径中，第四电极具有放置在路径中并与第四轴线对齐的第三孔径，第四轴线平行于第二轴线并沿第一方向从第二轴线移位；以及第五电极，放置在第二电极和第四电极之间的路径中。第四轴线可以与第一轴线同轴。在工作过程中，电位发生器可以将第四电位施加到第四电极，将第五电位施加到第五电极，使静电透镜将沿第一轴线传播的带电粒子束引导到沿第四轴线传播。第四电位可以与第一电位或第二电位相同。第五电位可以与第三电位相同。
[0017]该系统可以包括真空室，其中静电透镜被放置在真空室中。
[0018]该系统可以包括由以下组成的组中的一个或多个:带电粒子导向器、静电透镜、磁透镜、静电偏转器和磁偏转器，放置在带电粒子源和静电透镜之间的路径中。带电粒子导向器可以包括多极带电粒子导向器。多极带电粒子导向器可以是六极带电粒子导向器。
[0019]带电粒子源可以是离子源。离子源可以基本工作在大气压力下。替代性地，离子源可以工作在真空压力下。
[0020]带电粒子源可以是电子源。
[0021]该系统可以包括质量分析仪。
[0022]任何一个电极都可以包括将电极划分成沿包括第一方向和第一轴线的平面的两个半部分，由此可将转向电压施加到任何半部分以弓I导离子正交于平面。
[0023]一般情况下，在另外的方面中，本发明提供一种系统，包括放置在带电粒子源和带电粒子检测器之间的路径中的静电透镜。该静电透镜包括:第一电极，具有放置在路径中并与第一轴线对齐的第一孔径；第二电极，放置在第一电极和带电粒子检测器之间的路径中，第二电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第二孔径，第二轴线平行于第一轴线，并沿第一方向从第一轴线移位；第三电极，放置在第一电极和第二电极之间的路径中；以及率禹合到第一、第二和第三电极的电位生成器。在工作期间，电位生成器将第一电位施加到第一电极，将第二电位施加到第二电极，并将第三电位施加到第三电极，以使得静电透镜引导通过第一孔径进入静电透镜的在第一动能范围内的带电粒子束通过第二孔径同时阻止通过第一孔径进入静电透镜的具有第一范围之外的动能的带电粒子通过第二孔径。该系统的实施例可以包括其他方面的一个或多个特征。
[0024]一般情况下，在另外的方面，本发明提供一种系统，包括放置在带电粒子源和带电粒子检测器之间的路径中的静电透镜。该静电透镜包括:第一电极，具有放置在路径中并与第一轴线对齐的第一孔径；第二电极，放置在第一电极和带电粒子检测器之间的路径中，第二电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第二孔径，第二轴线平行于第一轴线，并沿第一方向从第一轴线移位；第三电极，放置在第一电极和第二电极之间的路径中；第四电极，放置在第二孔径和带电粒子检测器之间的路径中，第四电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第四孔径；以及耦合到第一、第二、第三和第四电极的电位生成器。在工作期间，电位生成器将第一电位施加到第一电极，将第二电位施加到第二电极，并将第三电位施加到第三和第四电极，以使得静电透镜引导通过第一孔径进入静电透镜的具有第一动能范围的带电粒子束通过第二和第四孔径同时阻止通过第一孔径进入静电透镜的具有第一范围之外的动能的带电粒子通过第二和第四孔径。该系统的实施例可以包括其他方面的一个或多个特征。
[0025]一般情况下，在另外的方面，本发明提供一种系统，包括放置在带电粒子源和带电粒子检测器之间的路径中的静电透镜。该静电透镜包括:第一电极，具有放置在路径中并与第一轴线对齐的第一孔径；第二电极，放置在第一电极和带电粒子检测器之间的路径中，第二电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第二孔径，第二轴线平行于第一轴线；以及第三电极，放置在第一电极和第二电极之间的路径中，第三电极是是具有平行于第一和第二轴线的圆柱轴线的圆柱形电极，圆柱轴线在第一方向上偏离第一和第二轴线相等的量；以及耦合到第一、第二和第三电极的电位生成器。在工作期间，电位生成器将第一电位施加到第一电极，将第二电位施加到第二电极，并将第三电位施加到第三电极，以聚焦来自带电粒子源的带电粒子束沿路径从第一轴线上的第一交叉点传播到第二轴线上的第二交叉点。该系统的实施例可以包括其他方面的一个或多个特征。
[0026]一般情况下，在另外的方面，本发明提供一种方法，该方法包括引导具有在第一能量范围内的某一范围的动能的带电粒子束沿路径通过静电透镜的入口孔径，静电透镜包括包含入口孔径的第一电极、包括放置在路径中的第二孔径的第二电极和放置在第一和第二电极之间的路径中的第三电极，其中第一和第二孔径分别与彼此在第一方向上移位的第一和第二平行的轴线对齐；以及施加电压到第一、第二和第三电极，以使得透射粒子束通过第二孔径同时通过入口孔径进入静电透镜的具有动能范围之外的动能的带电粒子被静电透镜阻止。该方法的实施可以包括其他方面的一个或多个特征。
[0027]实施例可以包括具有各种优点。例如，使用本文所公开的静电透镜，使用带电粒子束的各种分析技术的可实现性能都可以得到改善。在一些实施例中，该静电透镜可以通过减少使用该透镜的系统中检测器的背景噪声来提高分析的灵敏度。通过从带电粒子束中除去未被选择用于分析的背景粒子和其他物质，透镜可以减少测量过程中的背景噪声。一般情况下，使用包含相对于入射带电粒子束路径偏轴的孔径的静电透镜系统来除去背景粒子。
[0028]在其他的实施例中，提供了根据本发明的类似的静电透镜，作为产生聚焦粒子束的光学结构中的组成部分，例如，离子束聚焦到小横截面以对表面小区域进行离子溅射蚀亥IJ。这种离子束形成离子光学结构通常被设计为以较高的透射效率运输并聚焦来自离子源的离子束到固体样品表面上的焦点，同时最大限度地降低光学像差。这种像差会导致样品上最终聚焦点的离子电流密度的降低。另一方面，在离子源中或通过离子和背景气体分子之间的碰撞或沿离子束路径表面产生的中性物质无法聚焦，因此可以导致聚焦离子点区域以外的表面被溅射蚀刻，从而降低蚀刻质量，和/或生产不能代表聚焦点内的样品材料的溅射物质。本发明提供了静电透镜的实施例，其减少或除去离子路径中的这些中性物质，而不在离子束中引入明显的光学像差。特别地，一些实施例最大限度地减少离子束聚焦中的像散。
[0029]在更多的其他的实施例中，类似的静电透镜被配置为透射并聚焦具有窄范围的动能的带电粒子束，同时防止具有该窄范围之外的动能的其他带电粒子通过。
[0030]本说明书中的公开的静电透镜和系统在机械设计和/或制造方面可以比较简单。例如，静电透镜，可以从相对较小数量的电极组成部分形成，它们很容易组装形成透镜，常常在相对紧凑的空间内，并具有简单的几何轮廓，如平面、圆柱形和椭圆形的表面轮廓。因此，制造透镜的成本和/或复杂度可以相对较低。
[0031]在附图和下面的描述中描述一个或多个实施例的细节。从说明书和附图，以及从权利要求，本发明的其他特征和优点将是显而易见的。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1是示出质谱仪系统的实施例的示意图。
[0033]图2 Ca)示出了包括静电透镜的质谱仪系统的实施例的组成部分的剖视图，其示出了某些离子轨迹。
[0034]图2 (b)是图2 Ca)所示的组成部分的透视图。
[0035]图3是图2 (a)所示组成部分的剖视图。，出了不同于图2 (a)所示的条件下，特别是当在静电透镜内没有电场产生时的离子轨迹。
[0036]图4是图2 Ca)所示的组成部分的顶视图。
[0037]图5是图2 Ca)所示的组成部分的剖视图，示出了另一种离子轨迹，特别对于图2Ca)中的离子具有更大动能的离子。
[0038]图6示出了质谱仪系统的另一个实施例的组成部分的剖视图。
[0039]图7是图6所示的组成部分的顶视图。
[0040]图8 (a)是图2 (a)所示的组成部分的剖视图，示出了不同于图2 (a)所示的条件下图5中离子的轨迹。
[0041]图8 (b)是图2 (a)所示的组成部分的剖视图,示出了不同于图8 (a)所示的条件下图8 Ca)中离子的轨迹。
[0042]图8 (C)是图2 (a)所示的组成部分的剖视图，示出了图8 (b)的条件下具有小于图8 (b)所示的动能的动能的离子的轨迹。
[0043]图8 (d)是图2 (a)所示的组成部分的剖视图，示出了图8 (b)的条件下具有大于图8 (b)所示的动能的动能的离子的轨迹。
[0044]图9 (a)是图2 (a)所示的透镜的剖视图，示出了透射轨迹的轴线平行于入射轨迹的轴线的情况下的若干轨迹。
[0045]图9 (b)是图9 Ca)中所示的组成部分和轨迹的顶视图。
[0046]图10 Ca)是图2 Ca)中所示的耦合到四极质量过滤器的组成部分的剖视图。
[0047]图10 (b)是图10 Ca)中所示的组成部分的侧视图，示出了某些离子轨迹。
[0048]图10 (C)是作为质量过滤器设置的函数的通过图10 (a)的组成部分的离子透射概率的曲线图，其对应于计算得到的质谱图中的质量/电荷峰值。
[0049]图11 (a)是图2 Ca)所示的耦合到图8 Ca)的四极质量过滤器的六极和出射透镜的横截面，其中所有的组成部分都是共轴的。
[0050]图11 (b)是图11 Ca)中所示的组成部分的侧视图，示出了某些离子轨迹。
[0051]图11 (C)是作为质量过滤器设置的函数的通过图11 (a)的组成部分的离子透射概率的曲线图，其对应于计算得到的质量/电荷峰值，还示出了图10 (C)中绘制的结果以进行比较。[0052]图12是作为中心电极长度的函数的计算得到的图9 Ca)的透镜的透镜参数的曲线图，圆筒状中心电极的内径为8mm。
[0053]图13是作为中心电极内径的函数的计算得到的图9 Ca)的透镜的透镜参数的曲线图，圆筒状中心电极的长度为14mm。
[0054]图14是作为中心电极内径的函数的计算得到的图9 Ca)的透镜的透镜参数的曲线图，圆筒状中心电极的长度为18mm。
[0055]图15是作为中心电极内径的函数的计算得到的图9 Ca)的透镜的透镜参数的曲线图，圆筒状中心电极的长度为30mm。
[0056]图16 Ca)是计算得到的图9 Ca)的透镜的透镜参数作为y轴方向上的椭圆长轴直径的函数的曲线图，其中该透镜参数为椭圆中心电极长度为14_，在X轴方向上的椭圆短轴直径为10mm。
[0057]图16 (b)是计算得到的图9 Ca)的透镜的透镜参数作为y轴方向上的椭圆长轴直径的函数的曲线图，其中该透镜参数为椭圆中心电极长度为14_，在X轴方向上的椭圆短轴直径为12mm。
[0058]图16 (c)是计算得到的图9 Ca)的透镜的透镜参数作为y轴方向上的椭圆长轴直径函数的曲线图，其中该透镜参数为椭圆中心电极长度为14_，在X轴方向上的椭圆短轴直径为14mm。
[0059]图16 Cd)是计算得到的图9 Ca)的透镜的透镜参数作为y轴方向上的椭圆长轴直径函数的曲线图，其中该透镜参数为椭圆中心电极长度为14_，在X轴方向上的椭圆短轴直径为15mm。
[0060]图17 (a)是耦合到附加的聚焦透镜的图9 (a)所示的组成部分的剖视图，其中椭圆中心电极的长度为20mm,X轴方向上的椭圆短轴直径为20mm,y轴方向上的椭圆长轴直径为 22mm。
[0061]图17 (b)是图17 Ca)中所示的组成部分和轨迹的顶视图。
[0062]图18 Ca)是耦合到附加的用于动能过滤的孔径电极的图9 Ca)所示的组成部分的剖视图，其中椭圆中心电极的长度为20mm, X轴方向上的椭圆短轴直径为7.5mm, y轴方向上的椭圆长轴直径为8.1mm。
[0063]图18 (b)是图18 Ca)的透镜出射区域的放大的剖视图。
[0064]图18 (C)是图18 Ca)中所示的组成部分和轨迹的顶视图。
[0065]图19 Ca)是计算得到的图9 Ca)的透镜的透镜参数作为y轴方向上的椭圆长轴直径的函数的曲线图，其中该透镜参数为椭圆中心电极长度为20mm，在X轴方向上的椭圆短轴直径为7mm。
[0066]图19 (b)是计算得到的图9 Ca)的透镜的透镜参数作为y轴方向上的椭圆长轴直径的函数的曲线图，其中该透镜参数为椭圆中心电极长度为20mm，在X轴方向上的椭圆短轴直径为10mm。
[0067]图19 (C)是计算得到的图9 Ca)的透镜的透镜参数作为y轴方向上的椭圆长轴直径的函数的曲线图，其中该透镜参数为椭圆中心电极长度为20mm，在X轴方向上的椭圆短轴直径为20mm。
[0068]图20是计算得到的图9 Ca)的透镜的透镜参数作为y轴方向上的椭圆长轴直径的函数的曲线图，其中该透镜参数为椭圆中心电极长度为30mm，在X轴方向上的椭圆短轴直径为10mm。
[0069]在各图中类似的附图标记表示类似的元件。
【具体实施方式】
[0070]参照图1，质谱分析系统100包括离子源110，在分析中制造来自样品的离子；离子运输组件120(如在本【技术领域】中公知的，可以包括例如一个或多个RF多极离子导向器，和/或静电聚焦透镜和/或孔径，和/或偏转器和/或毛细管)；静电透镜组件130 ;分析仪组件140 ;以及电子控制器150。离子运输组件120、静电透镜组件130和分析仪组件140安置在一个或多个真空室155中。分析仪组件140包括检测器145。在系统100的运行过程中，离子源110生成离子，离子运输组件120将其运输到静电透镜组件130。透镜组件130将这些离子引导到离子分析仪组件140，在该离子分析仪组件140中，通过在分析仪组件140中应用适当的电和/或磁场将离子作为其质荷比(M/Z)的函数来进行分析。结果是，特定M/Z的离子在任何特定的时间点撞击检测器145，生成正比于其丰度的信号。例如，可以通过在所选的M/Z比范围内记录样品中存在的离子丰度来获得质谱图。
[0071]一般情况下，各种离子源都可用于离子源110。离子源大致可分为在大气压力下提供离子的源(称作大气压离子(API)源)和在非大气压(例如，减压)下提供离子的源。API源的示例包括电喷雾电离(ESI)、大气压化学电离(APCI)、电感耦合等离子体(ICP)、辉光放电(⑶)和大气压基质辅助激光解吸电离(MALDI)源。非大气压离子源通常工作在真空或部分真空中。非大气压离子源的示例可以是化学电离(Cl)、电子电离(EI)、快原子轰击(FAB)、流FAB、激光解吸(LD)、MALD1、热喷雾(TS)和粒子束(PB)源。
[0072]—般情况下，离子运输组件120可以包括被布置为在质谱分析系统100内的不同位置之间运输离子的一个或多个离子导向器。在一些实施例中，离子导向器也用来捕获离子。离子导向器的示例可以包括RF多极离子导向器，它通常包含沿一轴线对称布置的多个平行电极(例如，四极、六极和八极离子导向器，分别设有四个、六个和八个电极或磁极)。如在本【技术领域】公知的，也可以使用其他类型的RF离子导向器，如叠环离子导向器或螺旋形离子导向器。
[0073]组件120的离子导向器可以安置在质谱仪100的单个压力区域中，或者它可以连续延伸通过具有不同的背景压力的多个区域。在一些实施例中，单个离子导向器可以在两个或更多的压力区域之间连续延伸。在这样的结构中，离子导向器上游部分中的背景气体压力可以足够高到引起离子的碰撞冷却，而离子导向器下游部分中的背景气体压力可以足够低到使得离子和背景气体分子之间的碰撞可以忽略不计。有些离子导向器设有多于一个分段。每个分段都可以有专门的电子控制器，使得能够独立地调整提供给多极离子导向器的每个分段或组件的AC (例如，射频(RF))和/或DC电场。通过施加适当的电场，离子导向器可以对穿过导向器的离子进行m/z选择。例如，可以通过不想要的离子的谐振频率拒绝、在捕获或不捕获离子的情况下使用AC和DC电位的离子m/z选择或通过扫描施加到多极离子导向器的电场的RF幅度或频率来去除不想要的离子m/z值，从而执行m/z选择。
[0074]替代性地，或附加地，离子导向器可以被用来进行离子碎裂。例如，施加在不同的离子导向器或不同的离子导向器分段之间的DC电压可以首先在一个离子导向器或分段内加速离子，并使得离子从一个离子导向器或分段加速进入另一离子导向器或分段，导致加速离子和已经存在于该离子导向器或分段中的离子之间的碰撞。这些碰撞产生离子碎片。
[0075]静电透镜组件130包括引导所选的离子离开离子运输组件120向着分析仪组件140的静电透镜。透镜也可以用来通过过滤掉导致背景噪声的不想要的粒子来增加质谱分析系统100的灵敏度。
[0076]—般情况下，静电透镜设有稱合到电位生成器的一个或多个电极，该电位生成器为每个电极施加静电电位。电极之间的电位差异产生影响穿过透镜的离子的轨迹的电场。静电透镜减少被透射到分析仪组件140的不想要的、在透镜上游生成的粒子的数量。尽管下面描述了静电透镜的具体实施例，但一般情况下，静电透镜具有至少一个有孔径电极，该孔径相对于进入透镜的离子路径是偏离轴线的。施加合适的电位到透镜电极产生静电场，该静电场引导并聚焦离子束内所选的离子通过偏轴孔径到分析仪组件140。其他的离子和/或中性粒子和/或光子按照不同的轨迹，并且不被引导通过偏轴孔径。因此，至少一些未被选择的离子和/或粒子和/或光子被静电透镜阻挡，而不进入分析仪组件140。
[0077]各种不同的分析仪都可用于分析仪组件140。示例包括四极质量过滤器、两维和三维离子阱、维恩滤波器、飞行时间(TOF)和混合四极TOF质量分析仪。
[0078]类似地，可以使用各种不同的检测器。例如，检测器145可以是电子倍增器、光电倍增器或法拉第杯检测器，其产生正比于撞击检测器表面的粒子数量的信号。
[0079]使用数据采集系统记录来自检测器的信号，该数据采集系统通常作为电子控制系统150的子系统被包括在其中。控制系统150还与离子源110、离子导向器组件120和静电透镜组件130通信，与系统100的各个组成部分运行协调数据采集和分析。因此，控制系统150除了方便系统运行的电子处理器和输入(例如，键盘或小键盘)和输出设备(例如，一个或多个显示器)，还可以包括用于施加电场(例如，AC和/或DC)到离子运输组件120和静电透镜组件130的电源和电气连接。
[0080]在下面的说明中，假设离子源110产生的带电粒子是正离子，但应该理解的是，本说明书中公开的系统对于负离子或电子工作得一样好，在负离子或电子的情形中，施加到静电透镜电极上的电压的极性与下面描述的相反。
[0081]现在转到静电透镜的具体的示例，图2 Ca)和图2 (b)分别示出了作为图1的离子运输系统130的组成部分被包括在本实施例中、位置与静电透镜200相邻的离子导向器220的一部分的横截面和透视图(例如，RF多极离子导向器，如六极离子导向器)，离子导向器220包括入口电极板231、圆柱形中心电极232和出口电极板233。入口电极板231和出口电极板233是具有彼此平行的面(平行于参考笛卡尔坐标系的χ-y平面)的平板。电极板231具有放置在公共轴线210上与离子导向器220对准的孔径202。电极板233具有放置在I方向上从轴线210移位距离204的轴线211上的孔径203。中心电极232包括圆柱形的孔/钻孔(或“孔”)235，圆柱轴线212在y方向上从公共轴线210移位到电极板233的轴线211距离的一半的距离201，使得距离201基本等于距离205。一般情况下，本发明的替代性实施例可以配置为距离205与距离201不相等，或者，孔235不是圆柱形的，而是可以具有椭圆形的横截面，例如，如在下面更详细地描述的，以减少离开透镜的束中的像散。轴线210、211和212都平行于ζ轴，中央圆孔/钻孔235在ζ方向上连续延伸长度L。此外，还会发现在一些实施例中，当调整透镜电位以引导离开透镜的离子束沿相对于孔径203的轴线211成一角度的束轴线时，将得到离子束更好的光学特性。
[0082]在一些实施例中，还可以包括在平板电极233的下游的附加电极234，例如来提供进一步的对焦。电极234包括与轴线211同轴的圆柱状通道255。电极234可以是另一台设备的组成部分，如在直接位于静电透镜200下游的、在示出电极234的位置处的质量过滤器(例如，四极质量过滤器)。
[0083]在操作过程中，平板电极231设置在第一电压VI，电极232设置在第二电压V2，平板电极233设置在第三电极V3。对电压V1、V2和V3进行选择，使得具有在某些预选范围内的电荷和动能的、从离子导向器220沿轴线210传播进入透镜200的离子发生偏转，以在沿轴线211传播的同时通过孔径203离开透镜200。一般情况下，Vl不同于V2。Vl可以与V3相同或不同。
[0084]在一些实施例中，在离子导向器220中沿轴线210传播的离子具有非常低的动能和相对狭窄的动能分布。这种动能分布可能是由于例如离子先前在较高的背景气压下进行过所谓的碰撞冷却。在此情形中，施加到离子导向器220的DC偏置电压(RF电压参考此电压)也代表进入透镜200的离子的近似初始DC电位，下游电位(例如，透镜电极的电位)参考此电位。换句话说，在离开离子导向器220之后，离子在任何下游位置的近似动能是离子上的电荷乘以离子导向器的DC电压偏置和特定的下游位置处的局部电位之间的电位差。
[0085]图2 (a)包括离子轨迹240，该轨迹使用市售的Simion8.0电位和轨迹计算程序的计算机电-光模型仿真计算得到。为了进行仿真，离子导向器220是RF六极离子导向器，具有为4_的内切圆直径，并施加OV的偏置电压。静电透镜电极电压为:
[0086]
【权利要求】
1.一种系统，包括: 静电透镜，放置在带电粒子源和带电粒子检测器之间的路径中； 所述静电透镜包括: 第一电极，具有放置在路径中并与第一轴线对齐的第一孔径； 第二电极，放置在第一电极和带电粒子检测器之间的路径中，第二电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第二孔径，第二轴线平行于第一轴线，并沿第一方向从第一轴线移位； 第三电极，放置在第一电极和第二电极之间的路径中；以及 电位生成器，耦合到所述第一电极、第二电极和第三电极， 其中在工作期间，所述电位生成器将第一电位施加到第一电极，将第二电位施加到第二电极，并将第三电位施加到第三电极，以使得静电透镜将沿第一轴线传播的来自带电粒子源的带电粒子束引导到沿第二轴线传播。
2.如权利要求1所述的系统，其中，在工作过程中，静电透镜引导具有第一范围内的动能的粒子束中的带电粒子通过第二孔径，同时通过第一孔径进入静电透镜的具有第一范围以外的动能的带电粒子被阻止通过第二孔径。
3.如权利要求1所述的系统，其中，在第一电极的路径平行于在第二电极的路径。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一电极是平板电极。
5.如权利要求1所述的·系统，其中，所述第二电极是平板电极。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一电极和第二电极都是平板电极。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述平板电极是平行的。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述平板电极正交于所述第一轴线和第二轴线。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述第三电极包括路径延伸通过的孔。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述孔具有第三轴线。
11.如权利要求9或10所述的系统，其中，所述孔具有在整个第三电极上相同的孔横截面。
12.如权利要求9或10所述的系统，其中，所述孔具有在至少一个轴向位置处不同于在其他轴向位置处的孔横截面的横截面。
13.如权利要求10、11或12所述的系统，其中，所述第三电极的孔具有圆柱形横截面，其中所述第三轴线是圆柱形横截面的轴线。
14.如权利要求10、11或12所述的系统，其中，所述第三电极的孔具有椭圆形横截面，所述椭圆形横截面具有长直径和不同于长直径的短直径，其中长直径或短直径都平行于第一方向。
15.如权利要求10、11或12所述的系统，其中，所述第三电极的孔具有卵形横截面，其中卵形包括中心在第一孔的轴线上的矩形，其中矩形的第一边和第二边与第一方向平行，矩形的第三边和第四边垂直于第一方向，其中卵形还包括第一和第二圆柱，第一圆柱的中心在矩形的第三边的中点，第二圆柱的中心在矩形的第四边的中点，其中第一圆柱和第二圆柱的直径与第三边和第四边的长度相同。
16.如权利要求10、11或12所述的系统，其中，所述孔具有包括第三轴线并垂直于第一方向的对称平面。
17.如权利要求10、11或12所述的系统，其中，所述孔具有包括第三轴线并还包括第一轴线和第二轴线的对称平面。
18.如权利要求10、11或12所述的系统，其中，所述孔具有两个对称平面，两者都包括第三轴线，其中一个对称平面垂直于第一方向，并且其中第二对称平面还包括第一轴线和第二轴线。
19.如权利要求10、11或12所述的系统，其中，所述第三电极包括彼此电绝缘的两个半电极部分，每一半部分都是另一半部分的镜像，其中半部分之间的对称平面包括第三轴线以及第一轴线和第二轴线，其中电位发生器进一步提供两个半个部分之间的差分电压。
20.如权利要求10、11、12、13、14、15、16、17、18或19所述的系统，其中，所述第三轴线平行于第一轴线和第二轴线，并相对于第一轴线和第二轴线在第一方向上移位。
21.如权利要求20所述的系统，其中，所述第一轴线和第二轴线从第三轴线移位相同的量。
22.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一电位和第二电位是相同电位。
23.如权利要求1所述的系统，其中所述静电透镜进一步包括: 第四电极，放置在第二电极和带电粒子检测器之间的路径中，所述第四电极具有放置在路径中并与第四轴线对齐的第三孔径，所述第四轴线平行于第二轴线并沿第一方向从第二轴线移位；以及 第五电极，放置在第二电极和第四电极之间的路径中。
24.如权利要求23所述的系统，其中，所述第四轴线与第一轴线是同轴的。·
25.如权利要求23所述的系统，其中，在工作过程中，所述电位发生器将第四电位施加到第四电极，将第五电位施加到第五电极，以使得静电透镜将带电粒子束从沿第一轴线传播引导到沿第四轴线传播。
26.如权利要求25所述的系统，其中，所述第四电位与第一电位或第二电位相同。
27.如权利要求25所述的系统，其中，所述第五电位与第三电位相同。
28.如权利要求1所述的系统，进一步包括真空室，其中静电透镜被放置在所述真空室中。
29.如权利要求1所述的系统，进一步包括由以下组成的组中的一个或多个:带电粒子导向器、静电透镜、磁透镜、静电偏转器和磁偏转器，被放置在带电粒子源和静电透镜之间的路径中。
30.如权利要求29所述的系统，其中，所述带电粒子导向器包括多极带电粒子导向器。
31.如权利要求30所述的系统，其中，所述多极带电粒子导向器是六极带电粒子导向器。
32.如权利要求1所述的系统，其中，所述带电粒子源是离子源。
33.如权利要求32所述的系统，其中，所述离子源基本工作在大气压力下。
34.如权利要求32所述的系统，其中，所述离子源工作在真空压力下。
35.如权利要求1所述的系统，其中，所述带电粒子源是电子源。
36.如权利要求1所述的系统，进一步包括质量分析仪。
37.如前述权利要求中任何一项所述的系统，其中任何一个电极都包括将电极划分成沿包括第一方向和第一轴线的平面的两个半部分，由此可将转向电压施加到任何半部分以引导离子正交于平面。
38.一种系统,包括: 静电透镜，放置在带电粒子源和带电粒子检测器之间的路径中；所述静电透镜包括: 第一电极，具有放置在路径中并与第一轴线对齐的第一孔径； 第二电极，放置在第一电极和带电粒子检测器之间的路径中，第二电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第二孔径，第二轴线平行于第一轴线，并沿第一方向从第一轴线移位； 第三电极，放置在第一电极和第二电极之间的路径中；以及 电位生成器，耦合到所述第一电极、第二电极和第三电极， 其中在工作期间，电位生成器将第一电位施加到第一电极，将第二电位施加到第二电极，并将第三电位施加到第三电极，以使得静电透镜引导通过第一孔径进入静电透镜的在第一动能范围内的带电粒子束通过第二孔径同时阻止通过第一孔径进入静电透镜的具有第一范围之外的动能的带电粒子通过第二孔径。
39.一种系统,包括: 静电透镜，放置在带电粒子源和带电粒子检测器之间的路径中；所述静电透镜包括: 第一电极，具有放置在路径中并与第一轴线对齐的第一孔径； 第二电极，放置在第一电极和带电粒子检测器之间的路径中，第二电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第二孔径，第二轴线平行于第一轴线，并沿第一方向从第一轴线移位；· 第三电极，放置在第一电极和第二电极之间的路径中； 第四电极，放置在第二孔径和带电粒子检测器之间的路径中，第四电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第四孔径；以及 电位生成器，耦合到第一电极、第二电极、第三电极和第四电极， 其中在工作期间，电位生成器将第一电位施加到第一电极，将第二电位施加到第二电极，并将第三电位施加到第三电极和第四电极，以使得静电透镜引导通过第一孔径进入静电透镜的具有第一动能范围的带电粒子束通过第二和第四孔径同时阻止通过第一孔径进入静电透镜的具有第一范围之外的动能的带电粒子通过第二和第四孔径。
40.一种系统,包括: 静电透镜，放置在带电粒子源和带电粒子检测器之间的路径中；所述静电透镜包括: 第一电极，具有放置在路径中并与第一轴线对齐的第一孔径； 第二电极，放置在第一电极和带电粒子检测器之间的路径中，第二电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第二孔径，第二轴线平行于第一轴线； 第三电极，放置在第一电极和第二电极之间的路径中，第三电极是是具有平行于第一轴线和第二轴线的圆柱轴线的圆柱形电极，圆柱轴线在第一方向上从第一轴线和第二轴线移位相等的量；以及 电位生成器，耦合到第一、第二和第三电极， 其中在工作期间，电位生成器将第一电位施加到第一电极，将第二电位施加到第二电极，并将第三电位施加到第三电极，以聚焦沿路径传播的来自带电粒子源的带电粒子束从第一轴线上的第一交叉点到第二轴线上的第二交叉点。
41.一种方法，所述方法包括: 引导具有在第一能量范围内的某一范围的动能的带电粒子束沿路径通过静电透镜的入口孔径，静电透镜包括包含入口孔径的第一电极、包括放置在路径中的第二孔径的第二电极和放置在第一电极和第二电极之间的路径中的第三电极，其中第一孔径和第二孔径分别与在第一方向上从彼此移位的第一和第二平行轴线对齐；以及 施加电压到第一电极、第二电极和第三电极，以使得透射粒子束通过第二孔径同时通过入口孔径进入静电透镜的具·有动能范围之外的动能的带电粒子被静电透镜阻止。
【文档编号】H01J3/18GK103858201SQ201280021727
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年3月2日 优先权日:2011年3月4日
【发明者】D.G.维尔基 申请人:珀金埃尔默健康科学股份有限公司