一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱

本发明属于射频离子阱的，具体涉及一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱。

背景技术：

1、为了在较大的时间尺度上研究团簇的性质，可以通过物理手段(电磁场)将团簇运动限制在一个有限空间内实现离子储存。射频离子阱是通过射频电场将离子束缚在有限空间内，被囚禁的离子与中性缓冲气体碰撞交换能量后最终二者达到温度平衡，可以通过控制缓冲气体的温度来研究囚禁离子的相变过程。传统的射频离子阱为三维(3d)结构(paultrap)，通过径向和轴向形成的交变电场将离子束缚在中心附近，经碰撞冷却后的离子内部能量较低且具有很小的发射度，使得引出离子束的初始空间和时间分散较小，更满足后端高精度质谱的注入需求，但由于轴向的射频场影响导致三维离子阱在外部离子注入时效率较低，离子阱内部空间的限制和空间电荷效应的影响也导致其储存效率较低。

2、解决这个问题的可行办法就是提高离子云在某一个方向上的存储体积，射频线形离子阱是一种二维(2d)离子阱，由施加在多极杆上的射频电压产生对离子的径向束缚，轴向束缚由施加脉冲电压的前后片状端盖电极产生。由于线形离子阱轴向无射频电场分布，所以外部离子在注入时基本不受射频边缘场效应的影响，且相比于三维离子阱，线形离子阱类似将其沿轴线展开，所以空间电荷效应的影响大大减小，使得储存容量成几何倍增加。

3、碰撞冷却后的离子因束缚力作用囚禁在线形离子阱的无场区中，由于后端盖电极在无场区的电场穿透力有限，使得引出时离子在无场区的停滞时间过长，离子只能慢慢地扩散至下一级，导致引出的离子束很长且强度较低无法满足下一级的注入要求。射频线形离子阱的储存容量与其长度正相关，提高容量的同时增大了束流的轴向引出难度，为了有效提高束流的轴向引出效率，需要增大后端盖电极的电场穿透深度，这往往是通过提高后端盖电极电压实现，但同时会增大引出束流的能散，而且提高的引出效率不明显。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，通过安装在轴向的透镜组，对其施加电压后产生的轴向电场作用于碰撞冷却囚禁在无场区的离子，使其产生朝出口的运动趋势，实现轴向高效引出的目的。在轴向透镜组的作用下，离子有效地向出口方向积累以提高后端盖电极的作用效果，进而提高轴向引出束流强度并减小引出束流色散，从而满足后端高精度质谱/光谱的测量要求。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，包括：

4、离子注入段，用于提供单一质量且窄动能分布的团簇离子束流；

5、离子储存段，所述离子储存段由存储单元和控温单元构成；用于对注入至离子阱内的团簇离子束流进行控温和储存；

6、离子引出段，用于将储存囚禁在离子阱内的团簇离子进行轴向的引出；其中:

7、所述离子注入段在完成对离子的质量筛选和动能筛选后，通过聚焦和偏转透镜将团簇离子束流注入至离子储存段；

8、所述离子储存段通过提前通入冷却的氦气与注入的团簇离子束流碰撞后，将团簇离子束流存储在离子阱内部轴线的无场区内；

9、所述离子引出段通过控制施加脉冲电压将在离子阱内形成梯度电场，引出时减小氦气的阻碍并给予出射团簇离子束流动能。

10、进一步，所述存储单元包括前端盖电极、射频四极杆、后端盖电极和氦气通路；所述控温单元包括冷头，一级制冷、二级制冷、一级冷屏和二级冷屏机构；所述冷头分别依次与一级制冷和二级制冷连接；所述二级冷屏机构设置在所述离子储存段上，所述二级冷屏机构上通过金属连接件与所述二级制冷连接，所述一级冷屏设置在整个离子阱上；所述离子引出段包括轴向透镜组和后端盖电极，其中：

11、所述前端盖电极控制注入至离子阱的离子数目，射频四极杆和前/后端盖电极分别用于形成囚禁离子的径向和轴向束缚场，离子储存是通过团簇离子束流与氦气碰撞减速实现，当储存50-100ms后，团簇离子束流稳定在离子阱内无场区存储；

12、在无场区存储的团簇离子束流受到轴向透镜组施加电压后形成电场力作用产生朝出口方向运动的趋势，在后端盖电极的脉冲电压下实现高效引出。

13、进一步，所述离子储存段工作在低温环境下且温度在5-300k，±1k可调。

14、进一步，所述离子注入段设置有可产生团簇离子的离子源和用于质量筛选的的四极杆质量选择器以及用于动能筛选的静电四极偏转透镜和一系列用于团簇离子束流聚焦和偏转的离子光学元件。

15、进一步，所述轴向透镜组是由多个沿轴向排列的2mm以下薄片电极组成，所述电极片中心孔径沿轴向的组合分为两种，其中一种是顺梯度递增/递减，另一种是对称梯度递增/递减。

16、进一步，所述氦气通路由针阀、铜管、气管构成；所述气管一端与离子存储段连接，其另一端通过特氟龙管与铜管连接；其中：所述氦气通路将缓冲气体经针阀后通过四分之一气管进入离子阱腔室内，在离子阱腔室内部气体由四分之一气管转接至十六分之一气管再转接至十六分之一铜管，最终通过一段特氟龙管转接至十六分之一气管连接至离子阱存储段内。

17、进一步，所述前端盖电极上设置有氮化硼片的绝缘件；所述后端盖电极，轴向透镜组及射频四极杆间上设置有为蓝宝石片和蓝宝石棒的绝缘件。

18、进一步，所述一级制冷功率为45w，最低降温至50k，二级制冷功率为1.5w，最低降温至4.2k。

19、进一步，所述离子阱设置在真空腔室为不锈钢方形腔，真空环境为10-7pa，当通入缓冲气体后，实验过程真空环境为10-1-10-2pa。

20、有益效果

21、本专利所述一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，通过与温度精确可控的氦冷媒碰撞实现对注入离子的准确控温，通过径向射频四极场和轴向脉冲场实现对注入离子的有效囚禁，通过轴向安装的薄片透镜组在不影响离子储存的前提下，减小了引出时在无场区内与氦气碰撞减速产生的停滞时间，使得相比于无轴向电场时引出时间缩短近10倍且提高了单次轴向离子引出强度，大大提高了轴向引出效率。

22、本发明中薄片电极构成的轴向透镜组，具有更简单的几何结构设计，易于安装、组合和准直，同一极性电极部分仅需要一个供电电源，相比于电阻分压的方式，减小了额外的热源更适用于低温环境使用，且同时简化了接电设计，减小了接触点从而减小了寄生电容和接触电阻，使得脉冲升压和降压过程中振铃大幅降低。

23、本发明中设计的控温单元，其中核心部件离子阱被完全包裹在与一级制冷连接的铜质异形的一级冷屏内，减小了与外界室温的热交换。离子储存段与二级制冷直接连接，接触面均经过镀金处理以增大热传递。与二级制冷直接连接部分如接电线部分选用低热导的磷铜线，气管部分通过不锈钢管转接特氟龙管，且接电线和气管均在一级制冷端做缠绕，均是为了减小二级制冷和一级制冷的热传导，使得离子储存段的温度达到更低，更趋近于二级制冷的降温极限。

技术特征：

1.一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，其特征在于：所述存储单元包括前端盖电极、射频四极杆、后端盖电极和氦气通路；所述控温单元包括冷头，一级制冷、二级制冷、一级冷屏和二级冷屏机构；所述冷头分别依次与一级制冷和二级制冷连接；所述二级冷屏机构设置在所述离子储存段上，所述二级冷屏机构上通过金属连接件与所述二级制冷连接，所述一级冷屏设置在整个离子阱上；所述离子引出段包括轴向透镜组和后端盖电极，其中：

3.如权利要求1所述一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，其特征在于：所述离子储存段工作在低温环境下且温度在5-300k，±1k可调。

4.如权利要求1所述一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，其特征在于：所述离子注入段设置有可产生团簇离子的离子源和用于质量筛选的的四极杆质量选择器以及用于动能筛选的静电四极偏转透镜和一系列用于团簇离子束流聚焦和偏转的离子光学元件。

5.如权利要求1所述一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，其特征在于：所述轴向透镜组是由多个沿轴向排列的2mm以下薄片电极组成，所述电极片中心孔径沿轴向的组合分为两种，其中一种是顺梯度递增/递减，另一种是对称梯度递增/递减。

6.如权利要求2所述一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，其特征在于：所述氦气通路由针阀、铜管、气管构成；所述气管一端与离子存储段连接，其另一端通过特氟龙管与铜管连接；其中：所述氦气通路将缓冲气体经针阀后通过四分之一气管进入离子阱腔室内，在离子阱腔室内部气体由四分之一气管转接至十六分之一气管再转接至十六分之一铜管，最终通过一段特氟龙管转接至十六分之一气管连接至离子阱存储段内。

7.如权利要求2所述一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，其特征在于：所述前端盖电极上设置有氮化硼片的绝缘件；所述后端盖电极，轴向透镜组及射频四极杆间上设置有为蓝宝石片和蓝宝石棒的绝缘件。

8.如权利要求2所述一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，其特征在于：所述一级制冷功率为45w，最低降温至50k，二级制冷功率为1.5w，最低降温至4.2k。

9.如权利要求1-8任一项所述一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，其特征在于：所述离子阱设置在真空腔室为不锈钢方形腔，真空环境为10-7pa，当通入缓冲气体后，实验过程真空环境为10-1-10-2pa。

技术总结
本发明公开一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱，包括离子注入段，离子储存段和离子引出段；离子注入段，用于提供单一质量且窄动能分布的团簇离子束流；离子储存段，所述离子储存段由存储单元和控温单元构成；用于对注入至离子阱内的团簇离子束流进行控温和储存；离子引出段，用于将储存囚禁在离子阱内的团簇离子进行轴向的引出；本发明在与氦冷媒碰撞减速的前提下，通过径向射频场、轴向势阱的束缚实现对离子的控温和储存，并通过安装在离子阱内部的轴向透镜组和后端盖电极的共同作用下完成因碰撞冷却囚禁在离子阱中无场区的离子的高效轴向引出，从而满足下一级的注入要求，以提高后端质/能谱的精度和灵敏度。

技术研发人员：马雷,尹广佳,李哲,陈志,周明项
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14