一種bn離子門及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種BN離子門及其制作方法，該方法包括：S1、提供絕緣基板和金屬絲；S2、提供逐漸變小的預(yù)緊力作用于金屬絲以使金屬絲繞制到絕緣基板上，以在絕緣基板的同一面形成相互平行且等間距排列的多根金屬絲段，并且多根金屬絲段形成交替排列且相互絕緣的第一金屬絲組和第二金屬絲組，且各金屬絲段具有相同的內(nèi)部張緊力；其中，提供漸變預(yù)緊力使得欲繞制的第i根金屬絲段受其對應(yīng)的預(yù)緊力而伸長后的長度等于絕緣基板受已繞制的i-1根金屬絲段壓迫后的長度，且已繞制的金屬絲段受張緊力而伸長后的長度等于絕緣基板受已繞制的金屬絲段壓迫后的長度，其中i為正整數(shù)。本發(fā)明的方法制作的BN離子門徑向電場均勻、穩(wěn)定。
【專利說明】一種BN罔子門及其制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及分析儀器領(lǐng)域，尤其涉及一種BN離子門及其制作方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 離子門是一種可用于離子遷移譜，飛行時間質(zhì)譜和電子顯微鏡等分析儀器中的一 種控制離子運動的裝置。通過在兩組交替平行排列的金屬絲間施加電位差，從而形成垂直 于離子原始運動方向的偏轉(zhuǎn)電場或阻斷電場，可以偏轉(zhuǎn)離子運動軌跡或阻斷離子的運動。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中有多種控制離子運動的離子門類型，其中應(yīng)用最廣泛的是 Bradbury-Nielsen(BN)離子門。BN離子門由位于同一平面或者平行平面的兩組相互絕緣 等間距交替排列的平行金屬絲組成。兩組金屬絲帶有相同電勢時，垂直穿過的離子可以不 受影響的通過，即離子門開門狀態(tài)；當(dāng)兩組金屬絲之間存在電位差時，垂直穿過的離子受到 徑向電場的作用，運動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如果偏轉(zhuǎn)角度一定大時，離子將無法到達儀器后端的 接收檢測器，即離子門關(guān)門狀態(tài)。
[0004] 目前已知，BN離子門可以通過繞制等手段制作，但這些方法制作出的BN離子門存 在徑向電場不均勻、不穩(wěn)定的問題，嚴(yán)重影響B(tài)N離子門的性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] -般情況下，BN離子門所米用的絕緣基板的楊氏模量遠小于金屬絲的楊氏模量， 根據(jù)楊氏模量E的計算公式E = (F/S)八Λ L/L)，其中F/S為線應(yīng)力，Λ L/L為線應(yīng)變，在 同樣的受力情況（即同樣的線應(yīng)力）下，形變量與楊氏模量成反比，絕緣基板與金屬絲的形 變量不一致。在傳統(tǒng)的繞制方法制作ΒΝ離子門的方法中，由于每次施加同樣的預(yù)緊力去將 金屬絲繞制到絕緣基板上，又因每繞制完成一根金屬絲段時絕緣基板受該根金屬絲段壓縮 產(chǎn)生的形變量大于該金屬絲段因內(nèi)部張緊力而產(chǎn)生的形變量，隨著繞制過程中絕緣基板逐 漸被壓縮，各金屬絲段內(nèi)部的張緊力出現(xiàn)不一致、不均勻，先繞制好的金屬絲段內(nèi)部張緊力 逐漸減小甚至消失而松弛，導(dǎo)致相鄰兩金屬絲段的間距不一致，造成離子門徑向電場不均 勻、不穩(wěn)定，最終影響儀器的性能。
[0006] 本發(fā)明的主要目的在于提供一種ΒΝ離子門及其制作方法，以解決上述ΒΝ離子門 徑向電場不均勻和不穩(wěn)定的技術(shù)問題。
[0007] 本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：
[0008] 一種ΒΝ離子門的制作方法，包括以下步驟：
[0009] S1、提供絕緣基板和金屬絲；
[0010] S2、提供漸變預(yù)緊力作用于所述金屬絲，以使所述金屬絲繞制在所述絕緣基板上， 以在所述絕緣基板的同一面形成相互平行且等間距排列的多根金屬絲段，并且多根所述金 屬絲段形成交替排列且相互絕緣的第一金屬絲組和第二金屬絲組，且各所述金屬絲段具有 相同的內(nèi)部張緊力；
[0011] 其中，各所述金屬絲段需要不同的所述預(yù)緊力，所述預(yù)緊力由第一根金屬絲段至 最后一根金屬絲段逐漸變小，使得第i根金屬絲段受其對應(yīng)的預(yù)緊力而伸長后的長度等于 所述絕緣基板受已完成繞制的i-ι根金屬絲段壓迫后的長度，且已完成繞制的金屬絲段受 所述張緊力而伸長后的長度等于所述絕緣基板受所述已完成繞制的金屬絲段壓迫后的長 度，其中i為正整數(shù)。
[0012] 在上述技術(shù)方案中，提供逐漸變小的預(yù)緊力作用于金屬絲以進行繞制，并且第i 根金屬絲段受其對應(yīng)的預(yù)緊力而伸長后的長度等于所述絕緣基板受前面已完成繞制的i-ι 根金屬絲段壓迫后的長度，因此，雖每繞制完成一根金屬絲段，絕緣基板的長度會有所減 小，但卻能夠保證每根即將繞制上去的金屬絲段受其對應(yīng)的預(yù)緊力拉長后的長度剛好夠繞 制在所述絕緣基板上，而繞制上去后（即完成繞制）的每根金屬絲段受其內(nèi)部張緊力伸長 后的長度等于絕緣基板受該些已完成繞制的金屬絲段壓迫后的長度，即已完成繞制的各金 屬絲段具有相同的張緊力和形變量，由于各金屬絲段的原始長度都相等，因此，每根已繞制 上去的金屬絲段具有相同的內(nèi)部張緊力，能夠保證各金屬絲段始終等間距排列。
[0013] 優(yōu)選地，所述步驟S2中，繞制第i根所述金屬絲段時所需的所述預(yù)緊力Fi由下式 得出：
[0014]

【權(quán)利要求】
1. 一種BN離子門的制作方法，其特征在于，包括以下步驟： 51、 提供絕緣基板和金屬絲； 52、 提供漸變預(yù)緊力作用于所述金屬絲，以使所述金屬絲繞制在所述絕緣基板上，以在 所述絕緣基板的同一面形成相互平行且等間距排列的多根金屬絲段，并且多根所述金屬絲 段形成交替排列且相互絕緣的第一金屬絲組和第二金屬絲組，且各所述金屬絲段具有相同 的內(nèi)部張緊力； 其中，各所述金屬絲段需要不同的所述預(yù)緊力，所述預(yù)緊力由第一根金屬絲段至最后 一根金屬絲段逐漸變小，使得欲繞制的第i根金屬絲段受其對應(yīng)的預(yù)緊力而伸長后的長度 等于所述絕緣基板受已完成繞制的i-Ι根金屬絲段壓迫后的長度，且已完成繞制的金屬絲 段受所述張緊力而伸長后的長度等于所述絕緣基板受所述已完成繞制的金屬絲段壓迫后 的長度，其中i為正整數(shù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟S2中，繞制第i根所述金屬絲段 時所需的所述預(yù)緊力F1由下式得出：
其中，N為所述BN離子門所需的金屬絲段數(shù)目，2N-1為需繞制的金屬絲段總數(shù)，當(dāng)i = 1，2, 3,…，2N-1時所述金屬絲通過雙面繞制法繞制到所述絕緣基板上，當(dāng)i = 1，2, 3,…，N 時所述金屬絲通過單面繞制法繞制到所述絕緣基板上，U為所述絕緣基板平行于所述金屬 絲段方向的原始長度，％為所述金屬絲段的原始長度F T(^為第i根金屬絲段前面的已完 成繞制的i-Ι根金屬絲段具有的相等的張緊力，E2和A 2分別為所述絕緣基板的彈性模量和 垂直于金屬絲段方向的橫截面積，Ei和&分別為所述金屬絲的彈性模量和橫截面積，其中 和Ai均為已知，而H。可以通過下式得出：
其中FT為制作完成后BN離子門的金屬絲段的最終張緊力，為預(yù)先設(shè)定的； F/?可以通過下式得出，設(shè)η = i-Ι :
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于：所述絕緣基板兩側(cè)設(shè)有相互絕緣的第一覆 銅區(qū)和第二覆銅區(qū)，所述絕緣基板兩側(cè)邊緣具有多對定位槽分設(shè)于所述第一覆銅區(qū)和所述 第二覆銅區(qū)； 當(dāng)所述金屬絲通過雙面繞制法繞制到所述絕緣基板上時，所述步驟S2包括： 521、 將所述金屬絲的端頭固定于第一對所述定位槽中的其中一個處； 522、 翻轉(zhuǎn)所述絕緣基板，以牽引所述金屬絲繞制至第一對所述定位槽中的另一個處， 完成第一根所述金屬絲段的繞制，使得第一根金屬絲段的兩端分別位于第一對所述定位槽 處；繼續(xù)同方向翻轉(zhuǎn)所述絕緣基板，以牽引所述金屬絲由絕緣基板背面繞制至第二對所述 定位槽的其中一個處，完成第二根所述金屬絲段的繞制，重復(fù)動作直至完成第2N-1根金屬 絲段的繞制，使所述絕緣基板正面具有N根所述金屬絲段，背面具有N-1根所述金屬絲段， 且正面的N根金屬絲段中，第奇數(shù)根為所述第一金屬絲組，第偶數(shù)根為所述第二金屬絲組； S23、將繞制完成的各所述金屬絲段與所述絕緣基板固定后，去除各所述金屬絲段的多 余部分，使所述第一金屬絲組一端位于所述第二覆銅區(qū)，另一端位于所述絕緣基板上靠近 所述第一覆銅區(qū)的位置，同時使所述第二金屬絲組一端位于所述第一覆銅區(qū)，另一端位于 所述絕緣基板上靠近所述第二覆銅區(qū)的位置； 當(dāng)所述金屬絲通過單面繞制法繞制于所述絕緣基板上時，所述步驟S2包括： 將所述金屬絲的端頭固定于第一對所述定位槽中的其中一個處，翻轉(zhuǎn)所述絕緣基板， 以牽引所述金屬絲繞制至第一對所述定位槽中的另一個處，完成第一根所述金屬絲段的繞 制；再將所述金屬絲定位至第二對所述定位槽中的其中一個處，翻轉(zhuǎn)所述絕緣基板，以牽引 所述金屬絲繞制至第二對所述定位槽中的另一個處，完成第二根所述金屬絲段的繞制；重 復(fù)動作直至完成第N根金屬絲段的繞制，從而在所述絕緣基板的正面形成N根金屬絲段，且 第奇數(shù)根為所述第一金屬絲組，第偶數(shù)根為所述第二金屬絲組。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于：所述預(yù)緊力由一拉力轉(zhuǎn)換機構(gòu)提供，所述拉 力轉(zhuǎn)換機構(gòu)包括砝碼、定滑輪、砝碼拉力線和拉力轉(zhuǎn)換軸，所述拉力轉(zhuǎn)換軸包括一體成型的 圓柱體和帶螺旋導(dǎo)槽的圓錐臺，所述定滑輪支撐所述砝碼拉力線，所述砝碼拉力線一端懸 吊所述砝碼，另一端固定在所述圓錐臺大頭一端的第一個導(dǎo)槽內(nèi)，所述圓柱體用于纏繞待 纏繞至所述絕緣基板的所述金屬絲；當(dāng)翻轉(zhuǎn)所述絕緣基板繞制所述金屬絲時，所述金屬絲 通過所述圓柱體帶動所述拉力轉(zhuǎn)換軸轉(zhuǎn)動，所述圓錐臺的轉(zhuǎn)動使得所述砝碼拉力線由所述 圓錐臺大頭一端往小頭一端沿所述導(dǎo)槽纏繞，從而提供逐漸變小的所述預(yù)緊力； 所述圓錐臺的大頭端面半徑為凡、小頭端面半徑為R2、高度為L、相鄰兩個所述導(dǎo)槽的 間距為導(dǎo)程S，所述導(dǎo)程S設(shè)定為所述砝碼拉力線直徑的3?5倍；所述圓柱體的半徑為r， 其中&和r為給定值；所述砝碼質(zhì)量為Μ ; 其中： Μ由式F1!· = Mg%求出，其中F1為繞制第一根所述金屬絲段時所需的預(yù)緊力，g為萬有 引力常數(shù)； 雙面繞制時，R2由式F(2M)r = MgR2求出，其中F(2N4)為繞制最后一根所述金屬絲段時 所需的預(yù)緊力； 單面繞制時，R2由式FNr = MgR2求出，其中FN為繞制最后一根所述金屬絲段時所需的 預(yù)緊力； 雙面繞制時，L由式

單面繞制時，L由式 其中：

5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于：所述圓錐臺的錐面與所述圓柱體的柱面之 間具有凸出的圓環(huán)形隔斷板。
6. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于：所述預(yù)緊力由一拉力轉(zhuǎn)換機構(gòu)提供，所述拉 力轉(zhuǎn)換機構(gòu)包括砝碼、定滑輪、砝碼拉力線和拉力轉(zhuǎn)換軸，所述拉力轉(zhuǎn)換軸包括第一圓柱體 和第二圓柱體，所述定滑輪支撐所述砝碼拉力線，所述砝碼拉力線一端懸吊所述砝碼，另一 端固定在所述第一圓柱體上，所述第二圓柱體用于纏繞待固定至所述絕緣基板的金屬絲； 在纏繞所述金屬絲至所述絕緣基板的過程中，根據(jù)每根所述金屬絲段所需的所述預(yù)緊 力戶來更換所述砝碼的質(zhì)量，滿足Fk = M1 gR，從而以不斷更換質(zhì)量的砝碼來提供漸變的所 述預(yù)緊力，其中，M1為繞制第i根所述金屬絲段時所需的砝碼質(zhì)量，g為萬有引力常數(shù)，R為 第一圓柱體的半徑，r為所述第二圓柱體的半徑，且R和r為給定值； 當(dāng)翻轉(zhuǎn)所述絕緣基板繞制所述金屬絲時，所述金屬絲通過所述第二圓柱體帶動所述拉 力轉(zhuǎn)換軸轉(zhuǎn)動，所述第一圓柱體的轉(zhuǎn)動帶動所述砝碼拉力線，從而基于變換質(zhì)量的砝碼，通 過所述拉力轉(zhuǎn)換軸，提供漸變的所述預(yù)緊力。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于：所述第一圓柱體的柱面與所述第二圓柱體 的柱面之間具有凸出的圓環(huán)形隔斷板。
8. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于：所述絕緣基板上于所述第一覆銅區(qū)和所述 第二覆銅區(qū)之間為中央?yún)^(qū)，所述中央?yún)^(qū)開設(shè)孔洞，在所述中央?yún)^(qū)的孔洞兩側(cè)分別設(shè)有等間 距排列的多個第一焊盤和多個第二焊盤； 所述第一焊盤位于鄰近所述第一覆銅區(qū)的一側(cè)，各所述第一焊盤的位置分別對應(yīng)至奇 數(shù)對的所述定位槽，所述第二焊盤位于鄰近所述第二覆銅區(qū)的一側(cè)，各所述第二焊盤分別 對應(yīng)至偶數(shù)對的所述定位槽； 所述步驟S23中，所述第一金屬絲組一端焊接至所述第一焊盤，另一端焊接在所述第 二覆銅區(qū)，所述第二金屬絲組一端焊接至所述第二焊盤，另一端焊接在所述第一覆銅區(qū)；對 于所述第一金屬絲組，剪去所述第一焊盤與位于所述第一覆銅區(qū)的所述定位槽之間的部 分，以使所述第一焊盤與所述第一覆銅區(qū)之間絕緣，同時與所述第二覆銅區(qū)之間通過所述 第一金屬絲組導(dǎo)通；對于所述第二金屬絲組，剪去所述第二焊盤與位于所述第二覆銅區(qū)的 所述定位槽之間的部分，以使所述第二焊盤與所述第二覆銅區(qū)之間絕緣，同時與所述第一 覆銅區(qū)之間通過所述第二金屬絲組導(dǎo)通。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述預(yù)緊力由一拉力轉(zhuǎn)換機構(gòu)提供，所述拉 力轉(zhuǎn)換機構(gòu)包括砝碼、定滑輪、砝碼拉力線和拉力轉(zhuǎn)換軸，所述拉力轉(zhuǎn)換軸包括一體成型的 圓柱體和帶螺旋導(dǎo)槽的圓錐臺，所述定滑輪支撐所述砝碼拉力線，所述砝碼拉力線一端懸 吊所述砝碼，另一端固定在所述圓錐臺大頭一端的第一個導(dǎo)槽內(nèi)，所述圓柱體用于纏繞待 纏繞至所述絕緣基板的所述金屬絲；當(dāng)翻轉(zhuǎn)所述絕緣基板繞制所述金屬絲時，所述金屬絲 通過所述圓柱體帶動所述拉力轉(zhuǎn)換軸轉(zhuǎn)動，所述圓錐臺的轉(zhuǎn)動使得所述砝碼拉力線由所述 圓錐臺大頭一端往小頭一端沿所述導(dǎo)槽纏繞，從而提供逐漸變小的所述預(yù)緊力；或者， 所述預(yù)緊力由一拉力轉(zhuǎn)換機構(gòu)提供，所述拉力轉(zhuǎn)換機構(gòu)包括砝碼、定滑輪、砝碼拉力線 和拉力轉(zhuǎn)換軸，所述拉力轉(zhuǎn)換軸包括第一圓柱體和第二圓柱體，所述定滑輪支撐所述砝碼 拉力線，所述砝碼拉力線一端懸吊所述砝碼，另一端固定在所述第一圓柱體上，所述第二圓 柱體用于纏繞待固定至所述絕緣基板的金屬絲；在纏繞所述金屬絲至所述絕緣基板的過程 中，逐漸減小所述砝碼的質(zhì)量以實現(xiàn)所述預(yù)緊力從大至小的逐漸變化。
10. -種根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項所述的方法制作的BN離子門，包括絕緣基板，其特 征在于：所述絕緣基板的同一面具有多根相互平行且等間距排列的金屬絲段，多根所述金 屬絲段形成交替排列且相互絕緣的第一金屬絲組及第二金屬絲組。
【文檔編號】H01J3/26GK104051203SQ201410253929
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月9日
【發(fā)明者】倪凱, 郭靜然, 歐光禮, 張小郭, 余泉, 錢翔, 王曉浩 申請人:清華大學(xué)深圳研究生院