一種緊湊型偏轉(zhuǎn)會(huì)聚離子束的靜電透鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及質(zhì)譜儀離子光學(xué)系統(tǒng)，具體的說(shuō)是一種緊湊型偏轉(zhuǎn)會(huì)聚離子束的靜電透鏡。本發(fā)明適用于在真空條件下，通過(guò)電場(chǎng)控制離子束偏轉(zhuǎn)至合適角度，并且可在徑向會(huì)聚離子束，減少離子傳輸損失。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小的特點(diǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002]通過(guò)電場(chǎng)(電位)來(lái)調(diào)節(jié)離子束偏轉(zhuǎn)和會(huì)聚是一種應(yīng)用廣泛的方法。在質(zhì)譜中，常見(jiàn)的是經(jīng)常采用這種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)不同入射能量的離子束以合理的偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)入反射鏡或者檢測(cè)器中。為了提高較大發(fā)散離子束的接收立體角，在質(zhì)譜中還經(jīng)常加入會(huì)聚透鏡系統(tǒng)，將離子束聚焦于特定焦面。實(shí)現(xiàn)以上功能的經(jīng)典方法是分別采用偏轉(zhuǎn)板，控制離子束偏轉(zhuǎn)至合適角度。如果要進(jìn)一步會(huì)聚離子束于特定的焦面，則需要在偏轉(zhuǎn)板之前或者之后加入透鏡系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，這樣采用的是一種分立部件的方法，增大了離子傳輸系統(tǒng)的體積，且給安裝定位帶來(lái)困難，限制質(zhì)譜的靈敏度和分辨性能。另外也增加了高壓電源模塊的數(shù)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種緊湊型偏轉(zhuǎn)會(huì)聚離子束的靜電透鏡。該透鏡體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，包括主透鏡電極組件和三維定位絕緣組件，依次施加有不同電壓；離子束開(kāi)始沿透鏡軸線方向運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)主透鏡電極后，離子束的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且在徑向方向產(chǎn)生會(huì)聚。偏轉(zhuǎn)的角度可以通過(guò)主透鏡電極電壓差來(lái)調(diào)節(jié)，而會(huì)聚的焦點(diǎn)通過(guò)主透鏡的電位來(lái)調(diào)節(jié)。本發(fā)明所涉及的緊湊型偏轉(zhuǎn)會(huì)聚離子束的靜電透鏡系統(tǒng)，采用盡量少的電源模塊，實(shí)現(xiàn)離子束偏轉(zhuǎn)角度和會(huì)聚焦面的控制，且減少離子傳輸損失。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0005]一種緊湊型偏轉(zhuǎn)會(huì)聚離子束的靜電透鏡，其特征在于:包括入射離子束、光闌、三維定位絕緣組件、下偏轉(zhuǎn)電極、上偏轉(zhuǎn)電極，屏蔽電極以及出射離子束，各部分之間沿z同軸依次固定連接。
[0006]下偏轉(zhuǎn)電極和上偏轉(zhuǎn)電極為精密加工得到的相同環(huán)形結(jié)構(gòu)電極，分別與三維定位絕緣組件中心處上下對(duì)稱分布的圓弧槽型結(jié)構(gòu)配合連接，確定了兩個(gè)偏轉(zhuǎn)電極之間的間隔距離，沿Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度以及兩個(gè)偏轉(zhuǎn)電極之間的同軸度，兩個(gè)偏轉(zhuǎn)電極在X-Z對(duì)稱分布，且與Z方向同軸，電極材料為不銹鋼，采用精磨制成，保證光潔度和平面度。
[0007]下偏轉(zhuǎn)電極和上偏轉(zhuǎn)電極分別施加電壓-(N0-Ni/2)和-(VfVd/2)的電位；其中V。為透鏡實(shí)現(xiàn)會(huì)聚功能的電位，Vd為透鏡兩個(gè)偏轉(zhuǎn)電極電位差，用于控制離子偏轉(zhuǎn)。
[0008]三維定位絕緣組件由兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)絕緣件構(gòu)成,三維定位絕緣組件的結(jié)構(gòu)包括:中心開(kāi)有通孔，用于透過(guò)離子束；上下對(duì)稱分布的圓弧槽型結(jié)構(gòu)，分別用于定位下偏轉(zhuǎn)電極和上偏轉(zhuǎn)電極，保證與z方向同軸性及控制沿z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大??；兩個(gè)三維定位絕緣組件的另一側(cè)帶有圓弧槽結(jié)構(gòu)，用于與光闌和屏蔽電極的定位同軸配合連接，三維定位絕緣組件與Z方向同軸。
[0009]為保證三維定位絕緣組件的平面度和平行度誤差足夠的小，采用陶瓷或者聚醚醚酮(PEEK)材料精密加工而成。
[0010]光闌為中心開(kāi)有通孔的不銹鋼電極制成；通過(guò)調(diào)節(jié)孔徑大小來(lái)限制進(jìn)入離子束的發(fā)散角度；光闌與Z方向同軸，光闌與三維定位絕緣組件連接的一側(cè)中心為圓弧型凸口，圓弧型凸口與三維定位絕緣組件的圓弧槽結(jié)構(gòu)配合連接。
[0011]屏蔽電極為中心開(kāi)有通孔的不銹鋼電極制成，接地屏蔽電場(chǎng)；屏蔽電極與Z方向同軸，屏蔽電極與三維定位絕緣組件連接的一側(cè)中心為圓弧型凸口，圓弧型凸口與三維定位絕緣組件的圓弧槽結(jié)構(gòu)配合連接。
[0012]該透鏡系統(tǒng)工作于真空下；離子束沿z軸方向入射。該透鏡系統(tǒng)工作于真空優(yōu)于10_2Pa的環(huán)境下。
[0013]本發(fā)明適用于在真空條件下，通過(guò)電場(chǎng)控制離子束偏轉(zhuǎn)至合適角度，并且可在徑向會(huì)聚離子束，減少離子傳輸損失。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小的特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明的緊湊型偏轉(zhuǎn)會(huì)聚離子束的靜電透鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是采用SM1N軟件模擬靜電透鏡在正常工作條件下的電位圖。偏轉(zhuǎn)電壓Vd為150V，會(huì)聚電位VO為-2650V，氙氣(Xe)的同位素離子束偏轉(zhuǎn)角度1.9°后，出射透鏡時(shí)會(huì)聚為直徑小于Imm的束。
[0016]圖3是【具體實(shí)施方式】中氙氣(Xe)的質(zhì)譜圖。上圖:偏轉(zhuǎn)電壓Vd為90V，會(huì)聚電位VO為0V，氙氣(Xe)的同位素離子束偏轉(zhuǎn)角度1.9°后，無(wú)會(huì)聚，被探測(cè)器接收。下圖:偏轉(zhuǎn)電壓1為150V，會(huì)聚電位VO為-2650V，氙氣(Xe)的同位素離子束偏轉(zhuǎn)角度1.9°后，出射透鏡時(shí)會(huì)聚為直徑小于Imm的束，被探測(cè)器接收。
【具體實(shí)施方式】
[0017]請(qǐng)參閱圖1，為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明包括入射離子束1、光闌2、三維定位絕緣組件3、下偏轉(zhuǎn)電極4、上偏轉(zhuǎn)電極5，屏蔽電極6以及出射離子束7，各部分之間沿z同軸依次固定連接。
[0018]下偏轉(zhuǎn)電極4和上偏轉(zhuǎn)電極5為精密加工得到的相同環(huán)形結(jié)構(gòu)電極，內(nèi)通孔直徑為15mm，分別與三維定位絕緣組件3中心處上下對(duì)稱分布的圓弧槽型結(jié)構(gòu)配合連接，確定了兩個(gè)偏轉(zhuǎn)電極之間2mm的間隔距離，沿z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度以及兩個(gè)偏轉(zhuǎn)電極之間的同軸度，兩個(gè)偏轉(zhuǎn)電極在x-z對(duì)稱分布，且與z方向同軸，電極材料為不銹鋼，采用精磨制成，保證光潔度和平面度優(yōu)于0.01mm。
[0019]下偏轉(zhuǎn)電極4和上偏轉(zhuǎn)電極5分別施加電壓-(VQ-Vd/2)和-2的電位；其中V。為透鏡實(shí)現(xiàn)會(huì)聚功能的電位，大小為-2650V ；Vd為透鏡兩個(gè)偏轉(zhuǎn)電極電位差，大小為150V，用于控制離子偏轉(zhuǎn)1.9°。
[0020]三維定位絕緣組件3由兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)絕緣件構(gòu)成,三維定位絕緣組件3的結(jié)構(gòu)包括:中心開(kāi)有直徑為15_的通孔，用于透過(guò)離子束；上下對(duì)稱分布的圓弧槽型結(jié)構(gòu)，分別用于定位下偏轉(zhuǎn)電極4和上偏轉(zhuǎn)電極5,保證與z方向同軸性及控制沿z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大??；兩個(gè)三維定位絕緣組件3的另一側(cè)帶有圓弧槽結(jié)構(gòu)，用于與光闌2和屏蔽電極6的定位同軸配合連接，三維定位絕緣組件3與z方向同軸。
[0021]為保證三維定位絕緣組件3的平面度和平行度誤差足夠的小，采用陶瓷或者聚醚醚酮(PEEK)材料精密加工而成。
[0022]光闌2為中心開(kāi)有通孔的不銹鋼電極制成；通過(guò)調(diào)節(jié)孔徑大小來(lái)限制進(jìn)入離子束的發(fā)散角度；光闌2與z方向同軸，光闌2與三維定位絕緣組件3連接的一側(cè)中心為圓弧型凸口，圓弧型凸口與三維定位絕緣組件3的圓弧槽結(jié)構(gòu)配合連接。
[0023]屏蔽電極6為中心開(kāi)有通孔的不銹鋼電極制成，接地屏蔽電場(chǎng)；屏蔽電極6與z方向同軸，屏蔽電極6與三維定位絕緣組件3連接的一側(cè)中心為圓弧型凸口，圓弧型凸口與三維定位絕緣組件3的圓弧槽結(jié)構(gòu)配合連接。
[0024]該透鏡系統(tǒng)工作于真空下；離子束沿z軸方向入射。該透鏡系統(tǒng)工作于真空優(yōu)于10_2Pa的環(huán)境下。
[0025]實(shí)施例
[0026]一束能量為3KeV的Xe離子束，穿過(guò)孔徑為5mm的光闌2，進(jìn)入3的通孔為15mm的上、下偏轉(zhuǎn)電極組，發(fā)生偏轉(zhuǎn)的同時(shí)產(chǎn)生會(huì)聚作用，最后于孔徑為15_的屏蔽電極出射。偏轉(zhuǎn)的電壓為150V，會(huì)聚電位為-2650V。離子束偏轉(zhuǎn)角度1.9°，會(huì)聚焦面位于3.2m外的探測(cè)器上。最終選擇控制離子束的光斑大小約為1mm。光闌，主透鏡電極組以及屏蔽電極的長(zhǎng)度選擇都在20mm，間隔2mm。其中主透鏡電極的上下偏轉(zhuǎn)電極被三維定位絕緣組件隔開(kāi)2mm。整個(gè)系統(tǒng)需要的電源模塊為2個(gè)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種緊湊型偏轉(zhuǎn)會(huì)聚離子束的靜電透鏡，其特征在于:包括入射離子束(I)、光闌(2)、三維定位絕緣組件(3)、下偏轉(zhuǎn)電極(4)、上偏轉(zhuǎn)電極(5)，屏蔽電極(6)以及出射離子束(7)，各部分之間沿z同軸依次固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述靜電透鏡，其特征在于: 下偏轉(zhuǎn)電極(4)和上偏轉(zhuǎn)電極(5)為精密加工得到的相同環(huán)形結(jié)構(gòu)電極，分別與三維定位絕緣組件(3)中心處上下對(duì)稱分布的圓弧槽型結(jié)構(gòu)配合連接，確定了兩個(gè)偏轉(zhuǎn)電極之間的間隔距離，沿z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度以及兩個(gè)偏轉(zhuǎn)電極之間的同軸度，兩個(gè)偏轉(zhuǎn)電極在x-z對(duì)稱分布，且與z方向同軸，電極材料為不銹鋼，采用精磨制成，保證光潔度和平面度， 下偏轉(zhuǎn)電極(4)和上偏轉(zhuǎn)電極(5)分別施加電壓-(Vc1-VdA)和-(VfVd/2)的電位；其中Vtl為透鏡實(shí)現(xiàn)會(huì)聚功能的電位，Vd為透鏡兩個(gè)偏轉(zhuǎn)電極電位差，用于控制離子偏轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述靜電透鏡，其特征在于: 三維定位絕緣組件(3)由兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)絕緣件構(gòu)成,三維定位絕緣組件(3)的結(jié)構(gòu)包括:中心開(kāi)有通孔，用于透過(guò)離子束；上下對(duì)稱分布的圓弧槽型結(jié)構(gòu)，分別用于定位下偏轉(zhuǎn)電極(4)和上偏轉(zhuǎn)電極(5)，保證與z方向同軸性及控制沿z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小；兩個(gè)三維定位絕緣組件(3)的另一側(cè)帶有圓弧槽結(jié)構(gòu)，用于與光闌(2)和屏蔽電極(6)的定位同軸配合連接，三維定位絕緣組件(3)與z方向同軸， 為保證三維定位絕緣組件(3)的平面度和平行度誤差足夠的小，采用陶瓷或者聚醚醚酮(PEEK)材料精密加工而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述靜電透鏡，其特征在于: 光闌(2)為中心開(kāi)有通孔的不銹鋼電極制成；通過(guò)調(diào)節(jié)孔徑大小來(lái)限制進(jìn)入離子束的發(fā)散角度；光闌(2)與z方向同軸，光闌(2)與三維定位絕緣組件(3)連接的一側(cè)中心為圓弧型凸口，圓弧型凸口與三維定位絕緣組件(3)的圓弧槽結(jié)構(gòu)配合連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述靜電透鏡，其特征在于: 屏蔽電極(6)為中心開(kāi)有通孔的不銹鋼電極制成，接地屏蔽電場(chǎng)；屏蔽電極(6)與z方向同軸，屏蔽電極(6 )與三維定位絕緣組件(3 )連接的一側(cè)中心為圓弧型凸口，圓弧型凸口與三維定位絕緣組件(3)的圓弧槽結(jié)構(gòu)配合連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述靜電透鏡，其特征在于: 該透鏡系統(tǒng)工作于真空下；離子束沿z軸方向入射。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述靜電透鏡，其特征在于:該透鏡系統(tǒng)工作于真空優(yōu)于KT2Pa的環(huán)境下。
【專利摘要】本發(fā)明涉及質(zhì)譜中實(shí)現(xiàn)離子束偏轉(zhuǎn)會(huì)聚功能的離子光學(xué)系統(tǒng)，具體的說(shuō)是利用靜電場(chǎng)對(duì)離子束實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)及離子束徑向會(huì)聚功能的一種離子光學(xué)透鏡。該透鏡體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，包括主透鏡電極組件和三維定位絕緣組件，依次施加有不同電壓；離子束開(kāi)始沿透鏡軸線方向運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)主透鏡電極后，離子束的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且在徑向方向產(chǎn)生會(huì)聚。偏轉(zhuǎn)的角度可以通過(guò)主透鏡電極電壓差來(lái)調(diào)節(jié)，而會(huì)聚的焦點(diǎn)通過(guò)主透鏡的電位來(lái)調(diào)節(jié)。本發(fā)明所涉及的緊湊型偏轉(zhuǎn)會(huì)聚離子束的靜電透鏡系統(tǒng)，采用盡量少的電源模塊，實(shí)現(xiàn)離子束偏轉(zhuǎn)角度和會(huì)聚焦面的控制，且減少離子傳輸損失。
【IPC分類】H01J37-317, H01J37-12
【公開(kāi)號(hào)】CN104715987
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310689834
【發(fā)明人】李海洋, 陳平, 花磊, 謝園園, 蔣吉春, 劉巍
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
【公開(kāi)日】2015年6月17日
【申請(qǐng)日】2013年12月13日