一种基于电子束三维势阱存储的电子碰撞离子源

1.本发明属于质谱仪技术领域，具体涉及一种基于电子束三维势阱存储的电子碰撞离子源，广泛应用于微量物质探测。


背景技术：

2.质谱仪是用来测量物质成分的重要仪器之一，离子源是质谱仪的核心部分，决定了质谱仪的质量分辨率和灵敏度。电子碰撞（ei）离子源是质谱仪中常用的离子源，在质谱仪中扮演重要角色，具备存储功能的电子碰撞离子源可以提高质谱仪的灵敏度两个数量级以上，使其能够测量微量物质及稀薄气体的物质成分。目前主要有两种方式实现离子存储功能：一种是采用电极静电场形成的一维势阱约束离子；另一种是利用直线电子束的空间电荷效应产生势阱，在垂直电子束方向上约束离子，由于在其它方向上没有约束功能，造成离子丢失。以上两种方法都难以实现高效率的长时间离子存储。


技术实现要素：

3.本发明是一种基于电子束三维势阱存储的电子碰撞离子源，具有存储效率高、时间长和非点源效应小等特点，大幅度提高质谱仪的灵敏度，广泛用于微量物质及同位素的探测。
4.一种基于电子束三维势阱存储的电子碰撞离子源包括电子枪和电离室两部分；所述电子枪包括电子推斥电极5、灯丝电极10、第一栅极4、第二栅极6、第一调制电极3、第二调制电极7、第一阳极2、第二阳极8；所述第一栅极4和第二栅极6的轴向对应端之间、所述第一调制电极3和第二调制电极7的轴向对应端之间、所述第一阳极2和第二阳极8的轴向对应端之间均形成环形的狭缝；所述电离室30为第一阳极2和第二阳极8相对应的轴向端部之间围城的空间区域，电离室30包括第一阳极2及其上面的栅网16和第二阳极8及其上面的栅网电极17；电子推斥电极5为轮胎形，改进在于：所述电子推斥电极5的圆周径向上均布设有三个以上的绝缘螺钉14和两个金属螺钉20；三个以上的绝缘螺钉14的内端固定着灯丝电极10；两个金属螺钉20的螺帽端为内端，分别连接着灯丝电极10的两端；两个金属螺钉20的外端分别连接电流源的正极和负极；所述灯丝电极10为设有开口的圆环状灯丝电极，同轴位于电子推斥电极5的中心孔内，且环绕着第一栅极4和第二栅极6之间环形的狭缝；所述第一阳极2的轴向端面中心开设有气体入口32，所述第二阳极8的轴向端面中心开设有离子出口，气体入口32和离子出口同轴；所述第一阳极2的气体入口32上设有第一栅网16，所述第二阳极8的离子出口上设有第二栅网17；所述第一阳极2的轴向端面的圆周上设有第一凸环28，所述第二阳极8的轴向端面的圆周上设有第二凸环29，使电离室30的圆周上形成窄环槽；工作时，给灯丝电极10通入典型值1.8a恒定电流，灯丝电极10会发射热电子，在电
子推斥电极5、第一栅极4和第二栅极6、第一调制电极3和第二调制电极7、第一阳极2和第二阳极8的电场共同作用下，电子向电离室30中心区域汇聚并获得70ev的能量，在电离室中形成一个圆盘状的空间分布，其轴向厚度≤0.5mm、径向半径8mm。电子的空间电荷效应在电离室内形成一个三维势阱，该三维势阱在轴向和径向上都很深而窄，势阱最大深度2.87v，轴向半深宽度为0.8~1mm，径向半深宽度为1.8~2mm，能在三个方向上把电子碰撞产生的离子约束到0.25mm
×
1mm
×
1mm的空间尺寸，不仅可以对离子束团实现高效率的长时间存储，提高质谱仪的灵敏度1-2个数量级；而且离子束团的非点源效应小，压缩离子团的飞行时间分散50%，提高质谱仪的质量分辨率。
5.进一步的技术方案如下：所述电子枪中第一调制电极3的轴向内端面和第二调制电极7的轴向内端面之间的间距、第一栅极4的轴向内端面和第二栅极6轴向内端面之间的间距、第一阳极2的轴向内端面和第二阳极8的轴向内端面之间的间距l1为1mm；电子推斥电极5和第一栅极4、第二栅极6的径向之间，第一栅极4、第二栅极6和第一调制电极3、第二调制电极7的径向之间，第一调制电极3、第二调制电极7和第一阳极2、第二阳极8的径向之间的距离l3均为1mm。
6.所述每个绝缘螺钉14的端部位于电子推斥电极5的中心孔内，且每个绝缘螺钉14的端部上开设有径向安装孔，灯丝电极10的中部分别穿过三个以上的绝缘螺钉14的安装孔，实现三个以上的绝缘螺钉14对灯丝电极10的支撑。
7.所述两个金属螺钉20通过绝缘垫圈23和绝缘卡槽24固定设于所述电子推斥电极5上，两个金属螺钉20的帽端位于电子推斥电极5的中心孔内，且分别固定连接着灯丝电极10的两端。
8.所述电离室30的轴向宽度l2为3mm，电离室30圆周上的窄环槽的槽宽为1mm；所述第一栅网16通过第一金属垫片26固定在第一阳极2的凹槽面上；所述第二栅网17通过第二金属垫片27固定在第二阳极8的凹槽面上。
9.本发明的有益技术效果体现在以下方面：1.本发明首次利用环面电子束的空间电荷效应制备一个窄而深的三维势阱，实现对离子高效率长时间的存储。如图8和图9所示，在实验室可实现的电子束（流强300 μa，能量70 ev）条件下，仿真实验获得了电子空间电荷效应形成的三维势阱xy和xz平面的电势分布，三维势阱最大深度为2.87 v，轴向半深宽度为0.8~1mm，径向半深宽度为1.8~2mm。
10.电子束三维势阱提高了离子源的探测灵敏度：三维势阱可以实现对离子束团高效率的长时间存储，如图10所示，质子团在三维势阱中存储100μs内的存储效率，质子团在经过100μs的时间存储，仍然有90%的存储效率。经过定量分析可知，本仪器的灵敏度比直线电子碰撞存储离子源提高了1-2个数量级，其极限探测灵敏度约为10
2-104/cm3。
11.电子束三维势阱降低了离子团的飞行时间分散：三维势阱在轴向和径向上都很窄而深，可以在三个方向上把离子束团被约束到一个很小的尺寸，降低了离子束团的非点源效应小，有利于提高谱仪的质量分辨。经过一段时间的存储，进一步压缩了粒子团的空间尺寸，仿真实验发现空间体积为0.5mm
×
2mm
×
2mm的质子束团在存储100μs后被压缩到0.25mm
×
1mm
×
1mm，对应的时间分散如图11所示，储存后的离子飞行时间分散（fwhm）约为3 ns，比储存前的时间分辨率提高了1倍。
12.由于通过调节调制电极和栅极上的电压使环面电子束在电离室中心聚焦，电子束
电离中性气体获得更小空间尺寸的离子团，通过三维势阱的存储进一步压缩离子团的空间尺寸，从而提高了离子源中出射离子团的飞行时间分辨。研究表明脉冲电压为100v时，可以同时兼顾离子团空间分布和速度分散对飞行时间分辨率的影响，获得最优的分辨率，如图11所示。脉冲宽度的选用与被提取的离子质量范围有关，例如：全部提取质量50amu以内的离子，脉冲宽度约为280 ns。
13.2.已有电子碰撞存储离子源不能对离子进行三维约束，容易造成离子丢失，难以实现高效率的长时间离子存储。本发明基于电子束形成的三维势阱在三个方向上对电离室中的离子均有约束作用，从而可以实现高效的长时间的存储离子，提高了离子源的灵敏度1-2个数量级。本发明可广泛应用于质谱仪器，对极微量物质的探测分析有广阔的应用前景。
附图说明
14.图1为离子源结构剖视立体图。
15.图2为离子源电极结构示意图。
16.图3为离子源结构剖视放大图。
17.图4为电子推斥电极结构示意图。
18.图5为图4的径向剖视图。
19.图6为第一阳极和第二阳极的结构图。
20.图7为第一阳极和第二阳极组成电离室的结构图。
21.图8为本发明三维势阱径向平面（xy平面）电势分布图。
22.图9本发明三维势阱轴向平面（xz平面）电势分布图。
23.图10为质子团有无三维势阱中存储100μs内的存储效率。
24.图11为离子团存储前后提取出电离室时的飞行时间分散。
25.图1-图7中序号：第一固定电极1、第一阳极2、第一调制电极3、第一栅极4、电子推斥电极5、第二栅极6、第二调制电极7、第二阳极8、第二固定电极9、灯丝电极10、第一陶瓷垫圈11、第二陶瓷垫圈12、第三陶瓷垫圈13、绝缘螺钉14、圆锥切面15、第一栅网电极16、第二栅网电极17、固定螺钉18、气体进入电离室和离子离开电离室轨迹19、金属螺钉20、绝缘缺口21、小孔22、绝缘垫圈23、绝缘卡槽24、金属螺钉25、第一金属垫片26、第二金属垫片27、第一凸环28、第二凸环29、电离室30、电子空间分布31、气体入口32。
具体实施方式
26.下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步的说明。
27.参见图1，一种基于电子束三维势阱存储的电子碰撞离子源包括电子枪和电离室两部分。电子枪包括电子推斥电极5、灯丝电极10、第一栅极4、第二栅极6、第一调制电极3、第二调制电极7、第一阳极2、第二阳极8。参见图2，第一栅极4和第二栅极6的轴向对应端之间、所述第一调制电极3和第二调制电极7的轴向对应端之间、所述第一阳极2和第二阳极8的轴向对应端之间均形成环形的狭缝。
28.参见图7，第一阳极2和第二阳极8相对应的轴向端面之间围城的空间区域为电离室30，电离室30包括第一阳极2及其上面的栅网16和第二阳极8及其上面的栅网电极17，第
一栅网16通过第一金属垫片26和金属螺钉25固定在第一阳极2的轴向端面上；第二栅网17通过第二金属垫片27和金属螺钉25固定在第二阳极8的圆锥切面15的中心孔处。第一阳极2的轴向端面中心开设有第一气体入口32，第二阳极8的轴向端面中心对应开设有离子出口，第一气体入口32和离子出口同轴。
29.参见图6，第一阳极2的轴向端面的圆周上设有第一凸环28，第二阳极8的轴向端面的圆周上设有第二凸环29，使电离室30的圆周上形成窄环槽。参见图3，电离室30的轴向宽度l2为3mm，电离室30圆周上的窄环槽的槽宽为1mm。
30.参见图3，电子枪中第一调制电极3的轴向内端面和第二调制电极7的轴向内端面之间的间距、第一栅极4的轴向内端面和第二栅极6轴向内端面之间的间距、第一阳极2的轴向内端面和第二阳极8的轴向内端面之间的间距l1为1mm。电子推斥电极5和第一栅极4、第二栅极6的径向之间，第一栅极4、第二栅极6和第一调制电极3、第二调制电极7的径向之间，第一调制电极3、第二调制电极7和第一阳极2、第二阳极8的径向之间的距离l3均为1mm。
31.参见图1，第一阳极2的外圆周镶嵌在第一陶瓷垫圈11的凹槽内，第二绝缘陶瓷12凹槽再嵌套在第一阳极2的外圆周上，第一调制电极3的外圆周镶嵌在第二陶瓷垫圈12的凹槽内；第一陶瓷垫圈11、第二陶瓷垫圈12、第三陶瓷垫圈13与第一固定电极1、第一阳极2、第一调制电极3、第一栅极4、电子推斥电极5、第二栅极6、第二调制电极7、第二阳极8按照如上所述的方式相互嵌套，通过固定螺钉18将第一固定电极1和第二固定电极9之间的离子源内部相互嵌套安装的电极压紧固定。第一陶瓷垫圈11和第二陶瓷垫圈12、或第二陶瓷垫圈12和第三陶瓷垫圈13之间的凹槽21用于给金属电极引出供电线。
32.参见图4和图5，电子推斥电极5为轮胎形。电子推斥电极5的圆周径上均布安装有五个绝缘螺钉14和两个金属螺钉20。每个绝缘螺钉14的端部位于电子推斥电极5的中心孔内，且每个绝缘螺钉14的端部上开设有径向安装孔，灯丝电极10的中部分别穿过五个绝缘螺钉14的安装孔，实现五个绝缘螺钉14对灯丝电极10的支撑。两个金属螺钉20的螺帽端为内端，分别连接着灯丝电极10的两端；两个金属螺钉20的外端分别连接电流源的正极和负极。电子推斥电极5上的小孔22用于引出供电线。
33.参见图5，灯丝电极10为设有开口的圆环状灯丝电极，同轴位于电子推斥电极5的中心孔内，且环绕着第一栅极4和第二栅极6之间环形的狭缝。
34.本发明的工作原理详细说明如下：参见图2，本发明在工作时，给环形的灯丝电极10通入典型值1.8a的恒定电流，灯丝会发射热电子，电子经过电子推斥电极5、第一栅极4、第二栅极6，第一调制电极3、第二调制电极7和第一阳极2、第二阳极8的电场共同作用下向电离室中心区域汇聚，电子在电离室30中呈圆盘状的空间分布，其轴向厚度≤0.5mm、径向半径8mm，如图3中的电子空间分布31所示。经过模拟，在灯丝电极10热发射电子电流为300μa情况下，在电离室30内，电子空间电荷效应形成三维势阱如图8和9所示，其中图8为三维势阱在xy平面电势分布，图9为三维势阱在yz平面的电势分布，势阱最大深度为2.87v，轴向半深宽度0.8~1mm，径向半深宽度约为1.8~2mm。
35.在电离室30内，环形的灯丝电极10发射的电子与从气体入口32进入的中性气体碰撞电离，由于具有70ev能量的电子具有最大的电子碰撞电离截面，因此采用70ev能量的电子电离中性气体。电子碰撞中性气体产生的离子随即存储在位于电离室30中心区域的三维
势阱中。由于外部电场的渗透会降低电子束三维势阱的存储效率，在第一阳极2和第二阳极8上的轴向端面上安装透过率为90%的第一栅网电极16、第二栅网电极17用来屏蔽外面的电场，同时也可保证气体通入和离子高效的提取。在需要对离子进行分析时，在第一阳极2上施加正脉冲电压提取势阱中的离子，进行质谱分析。