一種線性離子阱的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于質量分析儀器【技術領域】，具體為線性離子阱。該線性離子阱由橫截面為梯形和圓弧組合形狀的四個柱狀電極兩兩對稱地圍繞一中心對稱軸所構造而成，也稱之梯形圓弧柱狀電極離子阱；四根柱狀電極合圍成一空間，并且外切于一個半徑為r0的圓；其中，每對柱狀電極的橫截面為梯形和圓弧組合形狀，圓弧朝向中心對稱軸；柱狀電極的中心處開有凹槽，供離子彈出；所述梯形和圓弧組合形狀中，梯形為等腰梯形，圓弧與梯形的兩腰相切，切點為梯形的兩個頂點，該頂點為梯形較短的底邊與兩腰的交點。該形狀的電極較接近雙曲面電極，通過優(yōu)化，可獲得較高的質量分析性能。且電極的制造較簡單。
【專利說明】一種線性離子阱
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于質量分析儀器【技術領域】，具體涉及一種用于離子存儲和離子質量分析的線性離子阱。
【背景技術】
[0002]質譜儀是一種用于分析物質化學成分的科學儀器。它可以鑒定樣品中未知化學成分，定量已知化合物以及闡明分子的結構和化學特征。
[0003]離子阱是一種可以存儲氣相離子的科學裝置，它可以將離子在一定空間內束縛一段時間?？梢詫Ρ皇`的離子進行各種操作，包括對離子進行質量分析，或者使離子解離。
[0004]傳統(tǒng)的離子阱都是在離子阱電極施加一交變電壓，如正弦波，這樣在電極圍成的空間內產生一個變化的四極電場。離子在四極電場中，作穩(wěn)定的周期性運動而被束縛。當連續(xù)改變束縛電壓的幅度或周期，采用邊界彈出或共振激發(fā)彈出的技術，使離子按質荷比的增大或減小依次變得不穩(wěn)定彈出離子阱而被檢測，從而實現了質量分析。理論上，只有無限延伸的雙曲面電極圍成的離子阱才會產生理想的四級場。在實際過程中，由于電極不是無限延伸的，且加工誤差和裝配誤差等的存在，離子阱不可避免地引入各種多極場分，如六極場、八極場、十二極場。這些多極場對離子質量分析性能產生重要影響?？赡軙官|量分辨能力下降，也可能提高質量分辨能力，如賽默飛公司的LCQ商用質譜儀中的三維離子阱就是通過z方向的拉伸引入一些有益的多極場而提高性能。
[0005]離子阱按結構不同可分為三維離子阱和線性離子阱二種。三維離子阱是由一個環(huán)電極和二個端蓋電極所組成。二個端蓋電極對稱地分布在一個環(huán)電極兩邊。三個電極都是具有雙曲面的表面結構。進入阱中的離子被束縛在阱中心的一個點。因此離子的存儲容量比較小，且空間電荷效應的影響較大。線性離子阱是由四個柱狀電極平行地圍繞著一個中心對稱軸而組成。四個柱狀電極可以是四個完全相同的具有雙曲面表面的電極，也可以是四個完全相同的具有圓柱面表面的電極。進入阱中的離子被束縛在中心軸這條線上，存儲的離子數較多。且由于軸向上的四極電場分量很小，離子的質量歧視效應較小。
[0006]線性離子阱的電極形狀，有很多種，如平板電極、雙曲面柱狀電極、圓桿電極、梯形柱狀電極、階梯電極。對于以上各種形狀，一般雙曲面電極的離子阱具有最佳的質量分析性能。其他電極由于形狀偏離雙曲面電極，組成的離子阱的多極場成分較多，質量分析性能都得到不同程度的降低。但是雙曲面電極加工較困難，對加工技術要求較高，成本昂貴，且小型化較困難。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種分析性能好、加工難度低的線性離子阱。 [0008]本發(fā)明提供的線性離子阱，是由橫截面為梯形和圓弧組合形狀的四個柱狀電極兩兩對稱地圍繞一中心對稱軸所構造而成，也稱之梯形圓弧柱狀電極離子阱。四根柱狀電極平行環(huán)繞著一中心對稱軸合圍成一空間，并且外切于一個半徑為^的圓；其中，每對柱狀電極的橫截面為梯形和圓弧組合形狀，圓弧朝向中心對稱軸；柱狀電極的中心處開有凹槽，供離子彈出。
[0009]本發(fā)明中，所述柱狀電極的橫截面為梯形和圓弧組合形狀，可由以下特征描述:梯形為等腰梯形；圓弧與梯形的兩腰相切，切點為梯形的兩個頂點，該頂點為梯形較短的底邊與兩腰的交點；連接圓弧兩端點的弦與梯形較短的底邊重合，圓弧與梯形分別位于該弦的左右(上下)兩側。
[0010]本發(fā)明中，構成離子阱的四個柱狀電極完全相同。
[0011]本發(fā)明中，所述柱狀電極，其橫截面的梯形的長底邊的底角b等于圓弧圓心角a的一半，b的大小可以根據需要進行調節(jié)。一般b可在10°到80°內調節(jié)變化。
[0012]本發(fā)明中，所述柱狀電極是由任何導電材料加工而成。
[0013]由于電極內的電場是有電極形狀決定的，因此，本發(fā)明可通過調節(jié)梯形圓弧柱狀電極的梯形和圓弧形狀以及電極間的相對距離，來調節(jié)電場分布，以獲得最佳的離子阱性能，從而獲得更好的離子質量分析或離子儲存性能。
[0014]本發(fā)明的離子阱優(yōu)點在于，由于雙曲面形狀的電極的阱是最理想的四極離子阱，橫截面為圓弧和梯形的組合形狀的柱狀電極比較接近雙曲面形狀，可通過優(yōu)化獲得較好的離子阱質量分析性能。但是相比雙曲面電極，加工難度明顯降低。此外，由于梯形圓弧柱狀電極有不是完全的雙曲面電極，且電極上開有離子引出槽，其儲存空間在工作電壓的作用下，將會產生少量的六極電場、八極電場，十二極電場等多極場。各種電場成分的比例可以通過調節(jié)柱狀電極的幾何參數和改變電極之間的相對距離實現，從而通過調節(jié)離子阱中的電場分布來優(yōu)化離子阱的性能。
[0015]本發(fā)明給出的線性離子阱可以用于質量分析，或離子存儲。
[0016]本發(fā)明給出的線性離子阱可以單獨使用，也可以和其他實驗系統(tǒng)，如其他類型的質譜儀，如四極質譜，飛行時間質譜等聯合起來使用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1:由四根相同的梯形圓弧柱狀電極所組成的離子阱軸測圖。
[0018]圖2:由四根相同的梯形圓弧柱狀電極所組成的離子阱的橫截面結構示意圖。
[0019]圖3:電極形狀完全相同，場半徑不同(I^r1)的兩個梯形圓弧柱狀離子阱的橫截面結構示意圖。
[0020]圖4:如圖2所示的離子阱，其參數改變時，電極形狀變化的結構示意圖。其中B為A中的電極的弧的半徑和圓心角發(fā)生改變，同時梯形高也相應地改變，其它不變所得的電極橫截面圖；C SA中的電極的弧的半徑不變，圓心角改變，其它不變所得的電極橫截面圖；D為A中梯形較長的底邊改變，其它不變所得的電極橫截面圖；E為A中的電極的弧的圓心角不變，半徑改變，弧的弦長 和梯形的高也相應地改變，其它不變所得的電極橫截面圖。
[0021]圖5:在梯形圓弧柱狀離子阱中，離子激發(fā)方向上的離子振動強度作為時間t的函數，其中離子講參數分別如下:d3=0.8mm, d4=0.5mm ，r0=5.0mm, A:a=2b=50° ，Cl1=0.9mm,d2=9.0mm ;B:a=2b=60 °，?λ-2.4mm，d2=7.5mm ;C: a=2b=70 °，<^=5.4mm，d2=6.3mm ;D:a=2b=70°，?χ-2.9mm，d2=9.5mm?！揪唧w實施方式】
[0022]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0023]圖1為一個由四根完全相同的梯形圓弧柱狀電極所組成的線性離子阱結構示意圖。四根完全相同的具有梯形圓弧截面的柱狀電極11、12、13、14，它們兩兩平行圍繞著一中心對稱軸分布，并被相對固定。電極11、12上分別開有一凹槽15、16，電極13，14上也有，圖中未標出，其中凹槽可以為任何形狀。它的作用是讓離子從阱中逐出。
[0024]在實際應用中，可以四根電極上都加工有凹槽，也可以在相對的兩個電極(如電極12，14)上加工有凹槽，其余則沒有。
[0025]圖2為一個具有完全相同的梯形圓弧柱狀電極組成的線性離子阱橫截面圖。圖2中的參數^為電極之間內切圓的半徑，a為圓弧的圓心角，d2為圓弧的弦長(也未梯形短底邊長)，Cl1為梯形的高，d3為凹槽的寬度，d4為相鄰電極間的間距，b為梯形的底角，由于圓弧與梯形相切與其頂點，故a=2b。
[0026]圖2 中所不的離子講的參數為 a=2b=60。，^=2.4mm, d2=7.5mm, d3=0.8mm, d4=0.5mm，r(l=5.0mm時，離子阱中的多級場參數表1。改變上述參數，離子阱多極場參數會發(fā)生變化。相應的離子運動情況也發(fā)生變化。對這些參數進行優(yōu)化可獲得較好性能的阱。
[0027]表1
【權利要求】
1.一種線性離子阱，其特征在于，由橫截面為梯形和圓弧組合形狀的四個柱狀電極兩兩對稱地圍繞一中心對稱軸所構造而成，也稱之梯形圓弧柱狀電極離子阱；四根柱狀電極平行環(huán)繞著一中心對稱軸合圍成一空間，并且外切于一個半徑為A的圓；其中，每對柱狀電極的橫截面為梯形和圓弧組合形狀，圓弧朝向中心對稱軸；柱狀電極的中心處開有凹槽，供離子彈出； 所述柱狀電極的橫截面為梯 形和圓弧組合形狀，由以下特征描述:梯形為等腰梯形；圓弧與梯形的兩腰相切，切點為梯形的兩個頂點，該頂點為梯形較短的底邊與兩腰的交點；連接圓弧兩端點的弦與梯形較短的底邊重合，圓弧與梯形分別位于該弦的左右兩側。
2.根據權利要求1所述的線性離子阱，其特征在于，所述構成離子阱的四個柱狀電極完全相同。
3.根據權利要求1所述的線性離子阱，其特征在于，所述柱狀電極，其橫截面的梯形的長底邊的底角b等于圓弧圓心角a的一半，底角b在10°到80°內變化。
4.根據權利要求1所述的線性離子阱，其特征在于所述柱狀電極是由任何導電材料加工而成。
【文檔編號】H01J49/02GK103903954SQ201410090932
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月13日 優(yōu)先權日:2014年3月13日
【發(fā)明者】黨乾坤, 丁正知, 陳斌, 楊凱, 韓雙來, 俞曉峰, 王冠軍, 丁傳凡 申請人:復旦大學, 中國環(huán)境監(jiān)測總站, 聚光科技(杭州)股份有限公司