專利名稱：直流離子阱的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及氣態(tài)離子存儲裝置，特別涉及一種直流離子阱。
背景技術：
常規(guī)的三維四極離子阱由一個雙曲面的圓環(huán)電極和兩端的兩個蓋帽組成，它是通過射頻電壓的施加來將離子束縛在阱內(nèi)，既能作為離子存儲裝置，又是質量分析器，但它的離子存儲范圍和質量掃描范圍都有一定的限度，而其光滑的雙曲面和精密的射頻電源也難于加工制作。此外，目前還有四極桿離子阱、矩形離子阱等，均需使用射頻電場來控制。實際上，在由不同電極構成的適當空間中，利用直流電壓來形成一個凹形的電勢場也能實現(xiàn)離子的存儲功能。使離子在直流電壓形成的的凹形電勢場的空間范圍內(nèi)振蕩， 這就是直流離子阱的基本工作原理。與傳統(tǒng)的射頻驅動離子阱相比，直流型離子阱在儀器結構和電源系統(tǒng)上都明顯簡化，是一種廉價、實用的離子存儲裝置。中國專利CN101038852公開一種可用于多種分析目的的大容量線性離子阱和一種易于實現(xiàn)高準確度高精密度加工與裝配的一體化電極加工方法。該線性離子阱包括離子捕獲室、RF射頻信號和DC直流信號，其中，RF電極可包括多個部分，由此可將離子捕獲室分成多個子區(qū)域，可實現(xiàn)多種質譜分析程序。該離子阱的RF電極可以采用先加工非金屬基體，然后表面覆上金屬膜，最后根據(jù)子電極的需要去除絕緣區(qū)域的金屬膜這樣的一體化加工方法。多用途大容量線性離子阱為離子阱質量分析器和質譜儀器的發(fā)展提供了一種適用性強、功能多樣、易于加工裝配、成本相對低廉的實施方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的離子阱存在的缺點，提供一種直流離子阱。本發(fā)明設有前電極、外筒、后電極和中心電極；前電極、后電極和中心電極之間使用絕緣件連接；由前電極、外筒和后電極構成離子阱存儲腔體的外壁，在前電極、外筒和后電極上分別施加正電壓，在中心電極上施加負電壓，使離子阱內(nèi)形成凹形的電勢場。所述前電極可以是帶中心小孔的金屬，帶中心小孔的半導體平板，帶中心小孔的彎曲板，導體柵網(wǎng)，或半導體柵網(wǎng)等，所述中心小孔的直徑可為0. 1 10mm。所述后電極可以是帶中心小孔的金屬，帶中心小孔的半導體平板，帶中心小孔的彎曲板，導體柵網(wǎng)，或半導體柵網(wǎng)等，所述中心小孔的直徑可為0. 1 10mm。所述外筒可選自圓形套筒、橢圓形套筒、螺線形套筒或方形套筒等，所述外筒可選自金屬板外筒，半導體板外筒，導體柵網(wǎng)外筒，或半導體柵網(wǎng)外筒等；所述外筒可選自縱向帶孔或帶縫的外筒。在特殊情況下，可以不使用外筒，由前極片、后極片和中心電極形成凹形電勢場。所述中心電極可采用金屬絲電極或半導體絲電極等，所述絲的直徑可為0. 1 1000 μ m ；可通過絕緣包裹實現(xiàn)部分電極的暴露。所述中心電極可采用各種形狀，包括線狀、點狀、圓形或螺母形等；所述中心電極可以是一個電極或多個電極，在正離子存儲模式時，中心電極的電位小于周圍電極的電位。所述中心電極可設在離子阱存儲腔體內(nèi)的任意位置。所述離子阱存儲腔體內(nèi)的壓力可為0. 1 10_7torr ；所述離子阱存儲腔體可以采用氦氣、氬氣或氮氣等惰性氣體作為輔氣，形成碰撞冷卻池裝置；也可以采用氫氣、氨氣或甲烷等反應性氣體作為輔氣，形成動態(tài)反應池裝置。本發(fā)明的作用原理在于在一個由電極構成的腔體中放入一個中心電極。當存儲正離子時，通過在周邊電極施加相對正電壓，在中心電極施加相對負電位，就能在腔體內(nèi)形成一個凹形的電勢場 (如附圖2所示)。離子進入離子阱后，將在腔體內(nèi)前后左右振蕩，由此就被貯存其中。離子有可能撞上中心電極而被吸收，但在理論模擬中證實當具有一定的動能范圍和入射角度時，離子將在相當長的時間內(nèi)在凹形的電勢場凹形電勢場中震蕩運動，而不被中心電極吸收。從庫侖定理可以推測，離子的存儲量與中心電極與外壁電極的電勢落差成正比。當需要把阱內(nèi)的離子引出時，只要改變單個或多個電極的電位，即施加引出脈沖，就能以將離子釋放出來。在這一過程中，通過在不同電極上施加電位的大小還能引導離子引出的流向， 以適應不同類型的儀器對離子檢測的目的。除此之外，通過電位的控制還有選擇存儲離子的能量范圍，使直流離子阱具有能量過濾功能。本發(fā)明相對現(xiàn)有技術具有如下優(yōu)點和效果1)無需使用射頻電源，整體結構簡單；2)離子存儲量將由各電極的電位差和阱的尺寸大小來共同決定；3)通過加入合適的背景氣體就能實現(xiàn)碰撞冷卻或是動態(tài)反應裝置，功能被大大加強；4)理論上適用于所有質量范圍的離子的存儲；5)具備了能量過濾功能；6)通過電極電位的控制能引導離子引出的流向。


圖1為本發(fā)明實施例的結構示意圖。在圖1中，各標記為前電極1、外筒2、后電極3、中心電極4。圖2為本發(fā)明的原理(直流離子阱形成的凹形電勢場)示意圖。圖3為本發(fā)明的原理(離子在直流離子阱中存儲期的運動軌跡)示意圖。
具體實施例方式以下實施例將結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1所示，本發(fā)明實施例設有前電極1、外筒2、后電極3和中心電極4 ；前電極 1、后電極3和中心電極4之間使用絕緣件連接；由前電極1、外筒2和后電極3構成離子阱存儲腔體的外壁，在前電極1、外筒2和后電極3上分別施加正電壓，在中心電極4上施加負電壓，使離子阱內(nèi)形成凹形的電勢場。所述前電極1可以是帶中心小孔的金屬，帶中心小孔的半導體平板，帶中心小孔的彎曲板，導體柵網(wǎng)，或半導體柵網(wǎng)等，所述中心小孔的直徑可為0. 1 10mm。所述后電極3可以是帶中心小孔的金屬，帶中心小孔的半導體平板，帶中心小孔的彎曲板，導體柵網(wǎng)，或半導體柵網(wǎng)等，所述中心小孔的直徑可為0. 1 10mm。所述外筒2可選自圓形套筒、橢圓形套筒、螺線形套筒或方形套筒等，所述外筒可
4選自金屬板外筒，半導體板外筒，導體柵網(wǎng)外筒，或半導體柵網(wǎng)外筒等；所述外筒可選自縱向帶孔或帶縫的外筒。在特殊情況下，可以不使用外筒，由前極片、后極片和中心電極形成凹形電勢場。所述中心電極4可采用金屬絲電極或半導體絲電極等，所述絲的直徑可為0. 1 1000 μ m ；可通過絕緣包裹實現(xiàn)部分電極的暴露。所述中心電極4可采用各種形狀，包括線狀、點狀、圓形或螺母形等；所述中心電極可以是一個電極或多個電極，在正離子存儲模式時，中心電極的電位小于周圍電極的電位。所述中心電極4可設在離子阱存儲腔體內(nèi)的任意位置。所述離子阱存儲腔體內(nèi)的壓力可為0. 1 10-7torro所述離子阱存儲腔體可以采用氦氣、氬氣或氮氣等惰性氣體作為輔氣，形成碰撞冷卻池裝置；也可以采用氫氣、氨氣或甲烷等反應性氣體作為輔氣，形成動態(tài)反應池裝置。整個離子阱存儲腔體均處于1 2X 10_6torr的高真空環(huán)境，中心電極4由3個細絲組成的圓環(huán)組成，引出柵網(wǎng)則由50 μ m的鉬絲構成。前電極1、外筒2和后電極3上都加 +IOV的電壓，在中心電極4上加-500V的電壓。離子由前電極1的中心小孔進入離子阱存儲腔體，在各個電極的共同作用下將在阱內(nèi)做來回振蕩運動，此時離子阱就成為一個離子存儲裝置。阱內(nèi)離子的存儲量與中心電極與外壁電極的電勢落差成正比。而在離子引出期， 中心電極的電源關斷，使其形成浮電位，同時在引出柵網(wǎng)上加上一個負脈沖，離子被引向并通過柵網(wǎng)，完成離子的引出。在存儲正離子時，在這些電極上分別施加適當?shù)南鄬φ妷?，而在中心電極上施加一個相對負電壓，使阱內(nèi)形成凹形的電勢場。離子以一定的初始速度從前電極(或非全封閉的外筒)的開口處進入阱內(nèi)部后，將在中心電極的吸引和外壁電極的拒斥的共同作用下，在阱內(nèi)不斷地振蕩或旋轉，理論上這能適用于所有質量范圍離子的存儲。當需要提取阱內(nèi)貯存的離子時，只需改變各個電極的電壓，即通過施加引出脈沖，就能實現(xiàn)對離子的瞬間引出。引出脈沖可單獨施加于一個電極上，也可同時施加于不同電極上。在離子存儲期，可以往阱內(nèi)通入低壓背景氣體，實現(xiàn)離子的碰撞冷卻或是動態(tài)反應功能。整套裝置的機械加工和配套電子線路都比較簡單，可存儲極寬質量范圍的離子。圖2給出本發(fā)明的原理(直流離子阱形成的凹形電勢場)示意圖。圖3給出本發(fā)明的原理(離子在直流離子阱中存儲期的運動軌跡)示意圖。上述實施例為本發(fā)明的實施方式之一，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.直流離子阱，其特征在于設有前電極、外筒、后電極和中心電極；前電極、后電極和中心電極之間使用絕緣件連接；由前電極、外筒和后電極構成離子阱存儲腔體的外壁，在前電極、外筒和后電極上分別施加正電壓，在中心電極上施加負電壓，使離子阱內(nèi)形成凹形的電勢場。
2.如權利要求1所述的直流離子阱，其特征在于所述前電極為帶中心小孔的金屬，帶中心小孔的半導體平板，帶中心小孔的彎曲板，導體柵網(wǎng)，或半導體柵網(wǎng)；所述后電極為帶中心小孔的金屬，帶中心小孔的半導體平板，帶中心小孔的彎曲板，導體柵網(wǎng)，或半導體柵網(wǎng)。
3.如權利要求2所述的直流離子阱，其特征在于所述中心小孔的直徑為0.1 10mm。
4.如權利要求1所述的直流離子阱，其特征在于所述外筒選自圓形套筒、橢圓形套筒、 螺線形套筒或方形套筒，所述外筒選自金屬板外筒，半導體板外筒，導體柵網(wǎng)外筒，或半導體柵網(wǎng)外筒。
5.如權利要求1所述的直流離子阱，其特征在于所述外筒選自縱向帶孔或帶縫的外筒。
6.如權利要求1所述的直流離子阱，其特征在于所述中心電極采用金屬絲電極或半導體絲電極，所述絲的直徑為0. 1 1000 μ m。
7.如權利要求1或6所述的直流離子阱，其特征在于所述中心電極采用各種形狀，最好為線狀、點狀、圓形或螺母形。
8.如權利要求1或6所述的直流離子阱，其特征在于所述中心電極是一個電極或多個電極，在正離子存儲模式時，中心電極的電位小于周圍電極的電位。
9.如權利要求1所述的直流離子阱，其特征在于所述中心電極設在離子阱存儲腔體內(nèi)的任意位置；所述離子阱存儲腔體內(nèi)的壓力為0. 1 10_7torr。
10.如權利要求1所述的直流離子阱，其特征在于所述離子阱存儲腔體采用惰性氣體作為輔氣，形成碰撞冷卻池裝置；或采用氫氣、氨氣或甲烷反應性氣體作為輔氣，形成動態(tài)反應池裝置。
全文摘要
直流離子阱，涉及氣態(tài)離子存儲裝置。設有前電極、外筒、后電極和中心電極；前電極、后電極和中心電極之間使用絕緣件連接；由前電極、外筒和后電極構成離子阱存儲腔體的外壁，在前電極、外筒和后電極上分別施加正電壓，在中心電極上施加負電壓，使離子阱內(nèi)形成凹形的電勢場。無需使用射頻電源，整體結構簡單；離子存儲量將由各電極的電位差和阱的尺寸大小來共同決定；通過加入合適的背景氣體就能實現(xiàn)碰撞冷卻或是動態(tài)反應裝置，功能被大大加強；理論上適用于所有質量范圍的離子的存儲；具備了能量過濾功能；通過電極電位的控制能引導離子引出的流向。
文檔編號H01J49/42GK102412110SQ201110304940
公開日2012年4月11日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權日2011年9月28日
發(fā)明者杭緯 申請人:廈門大學