多反射質(zhì)譜儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開涉及包括靜電離子反射鏡的質(zhì)譜儀分析、多反射飛行時間質(zhì)譜儀和相關(guān)設(shè) 備的靜電阱。
【背景技術(shù)】
[0002] 多反射質(zhì)譜儀（飛行時間（MR-TOFMS)、開放阱、或靜電阱（E阱））包括無柵離子 反射鏡，用于布置離子包的同步動作，基本上獨(dú)立于離子能量和空間擴(kuò)展。
[0003] 用于多反射質(zhì)譜儀的離子反射鏡的重要類別以通過基本上在一個橫向方向Z上 伸長以形成二維靜電場的反射鏡為代表。這個靜電場具有平面或中空柱狀對稱。以引用方 式并入本文中的SU1725289介紹了具有平面對稱的離子反射鏡的MRTOFMS。除了Z邊之 外，靜電場是二維E(X，Y)，S卩，基本上與笛卡爾坐標(biāo)Z無關(guān)。離子沿著Z字形軌跡移動，以相 對于X軸的小角度注入，被離子反射鏡在X方向上周期性反射，在空間上聚焦在Y方向上， 并且緩慢在Z方向上漂移。以引用方式并入本文中的US7196324、GB2476964、GB2477007、 TO2011086430和共同待決的申請223322-313911公開了一種多反射分析器，該多反射分析 器具有通過兩組共軸環(huán)狀電極形成的中空柱狀鏡。與平面鏡相反，柱狀鏡沒有Z邊，從而完 全獨(dú)立于方位Z方向形成靜電場。分析器根據(jù)儀器大小，提供離子路徑的致密褶皺。然而， 當(dāng)布置z字形離子軌跡時，離子路徑偏離柱狀表面，這要求離子反射鏡相對于徑向Y位移是 高度同步的。
[0004] 公開了用作飛行時間分析器（SU1725289、US7385187)、開放阱（GB2478300、 W02011107836)和靜電阱（GB2476964、GB2477007、W02011086430)的具有平面和中空柱狀 幾何形狀二者的二維離子反射鏡的靜電多反射分析器。雖然在飛行時間（T0F)分析器中離 子包沿著固定路徑向著快速響應(yīng)檢測器行進(jìn)，但在靜電阱中，離子包被不定期捕獲。它們在 被圖像電流檢測器檢測到的同時保持反射。開靜電阱可被視為T0F和阱之間的混合。離子 在多次反射中的某段時間內(nèi)寬松定義次數(shù)的反射之后到達(dá)檢測器。
[0005] 多反射飛行時間質(zhì)譜儀可與一組周期性透鏡組合，以將離子限制在Z方向上，如 以引用方式并入本文中的GB2403063和US7385187中公開的。以引用方式并入本文中的 US2011186729公開了準(zhǔn)平面離子反射鏡，在該準(zhǔn)平面離子反射鏡中，平面對稱的靜電場與 Z方向上的空間上周期性的弱場疊加，以得到這個方向上的離子限制。此周期場本身或與周 期性透鏡結(jié)合，允許由于離子束的空間Z擴(kuò)展而導(dǎo)致飛行時間失真顯著減少。以引用方式 并入的GB2476964、GB2477007、W02011086430公開了柱狀中空分析器內(nèi)正切方向上的周期 性透鏡。
[0006] 多反射質(zhì)譜儀的一般趨勢是，使離子反射鏡之間的周期性離子運(yùn)動期間的離子 包展寬效應(yīng)減至最小，以增大具有給定能量容差和相位空間接受度（即，離子包的初始空 間、角度和能量擴(kuò)展的接受度）的質(zhì)譜儀的質(zhì)量分辨力。為了提高質(zhì)量分析器的能量容 差，以引用方式并入本文中的US4731532公開了具有純減速場的無柵離子反射鏡，其提供 了相對于動能K的飛行時間T的二階聚焦，S卩，dT/dK=d2T/dK2= 0。由于本發(fā)明主要涉 及分析器同步性，因此將時間-能量聚焦表示為"能量聚焦"。在以引用方式并入本文中 的A.Verenchikov等人的論文（《TechnicalPhysics(技術(shù)物理）》，第 50 卷，N1，2005， 第73-81頁）中，描述了平面離子反射鏡，其中，提供三階能量聚焦的鏡電極之一處有加 速電勢，即，dT/dK=d2T/dK2=d3T/dK3= 0。以引用方式并入本文中的共同待決申請 223322-318705公開了平面或中空柱狀幾何形狀的無柵離子反射鏡，其擁有四階能量聚焦 (d4T/dK4= 0)和五階能量聚焦（d5T/dK5= 0)。通過實現(xiàn)高階聚焦，允許在超過100, 000的 質(zhì)量分辨力下，質(zhì)量分析器的能量容差增大至>10%。
[0007] 由于在無柵離子反射鏡中，由于不均勻場結(jié)構(gòu)離子飛行時間一般不僅僅取決于離 子能量，而且取決于離子初始坐標(biāo)和運(yùn)動方向，因此重要的是，將離子反射鏡設(shè)計成相對于 離子包的空間擴(kuò)展提供飛行時間的周期聚焦?？傮w上，對于將X方向用于離子反射的二維 和Z獨(dú)立場，通過分析器的飛行時間T取決于離子動能K、初始空間坐標(biāo)Y。和角度坐標(biāo)b。(b =dY/dX)。當(dāng)初始離子參數(shù)有小偏差時，可用泰勒展開式來表達(dá)飛行時間偏差：
[0008] r二（r 15)叫r |腳>'2 -Kr |祕 +cn外)八2+(n+aI祕敗 + (T\ yyS)ylS + (T\ yhS)y0h^ + (T \ hhS)b；S +...
[0009] 其中，t= (T-TQ)/T。是相對飛行時間偏差，T。是與具有零初始坐標(biāo)YQ=BQ= 0并 且平均動能值是K。的離子對應(yīng)的飛行時間，S= (K-KJ/K。是相對能量偏差，y=Y/H是被 歸一化成離子反射鏡的窗口高度H的坐標(biāo)。展開（像差）系數(shù)是歸一化的導(dǎo)數(shù)： (t| 5 ) =dt/d5、（t| 5 8 ) = (1/2)d2t/d5 2等。N階能量聚焦意指直至N次冪（包括N 次冪）的S的純冪對應(yīng)的所有系數(shù)都是零。二階空間聚焦（即，相對于空間和能量擴(kuò)展的 飛行時間聚焦）意指（t|yy) = (t|yb) = (t|bb) = 0,因為由于相對于平面Y= 0的系統(tǒng) 對稱，導(dǎo)致混合的二階項（t|yS)和（t|bS)消失。
[0010] 以引用方式并入本文的M.Yavor等人的論文（《PhysicsProcedia(物理研究薈 萃）》，第1卷，Nl，2008,第391-400頁）提供了關(guān)于同時在Y方向上提供三階能量聚焦、二 階空間聚焦和幾何聚焦的平面離子反射鏡的幾何形狀和電勢的細(xì)節(jié)。在這種分析器中，磁 鏡場中的離子包的擴(kuò)展的主流是由于空間擴(kuò)展和能量擴(kuò)展二者而導(dǎo)致的所謂"混合的"三 階像差（即，項:(到、（t|yb5 )yQb。5和（丨|)，因為由于相對于平面Y= 0的系統(tǒng)對稱，導(dǎo)致剩余的三階像差消失。
[0011] 這些項導(dǎo)致在FWHM級下多反射質(zhì)譜儀的分辨力降低，在10%峰值高度級甚至更 嚴(yán)重。在離子在徑向Y方向上周期性從離子運(yùn)動的"理想"柱狀表面漂移的中空柱狀分析器 中以及具有周期性透鏡的平面質(zhì)量分析器中，分辨力降低尤為明顯，在平面質(zhì)量分析器中， 通過以引用方式并入本文中的"雙正交"加速計以足夠大的Y擴(kuò)展注入離子。
[0012] 如在以引用方式并入本文中的共同待決申請223322-318705中描述的，通過將離 子反射區(qū)域中的靜電電勢分布優(yōu)化，可增大能量聚焦的階數(shù)。通過增加具有不同電極電勢 的鏡電極的數(shù)量并且在離子反射區(qū)域中選擇足夠細(xì)的電極來實現(xiàn)改進(jìn)。然而，如果想要在 進(jìn)行高階空間聚焦的同時實現(xiàn)高階能量聚焦，這種設(shè)計策略失效?？膳c二階空間聚焦相結(jié) 合地實現(xiàn)高達(dá)五階能量聚焦。為了與三階空間聚焦相結(jié)合地得到三階能量聚焦，必須增大 具有加速電勢的鏡電極的寬度，但這種幾何形狀修改造成使離子反射鏡的空間接受度減小 的負(fù)面結(jié)果。然而，對無柵離子反射鏡的徹底數(shù)字模擬表明，像增加鏡電極的數(shù)量、將它們 分成引入更獨(dú)立電極電壓的部分、變化它們的寬度和形狀和其它類似手段一樣的直接步驟 會導(dǎo)致沒有離子反射鏡中的三階像差與四階或更高階能量聚焦的混合（能量-空間）。使 用上述優(yōu)化程序，可實現(xiàn)高階能量同步，然而，代價是犧牲了混合三階像差的增大。換句話 講，增大能量接受度造成空間接受度減小。
[0013] 因此，現(xiàn)有技術(shù)的離子反射鏡要么擁有高能量接受度，要么擁有高空間接受度，但 不同時擁有這二者。因此，需要提高擁有高能量接受度的離子反射鏡的空間相空間接受度， 即，相對于四階或更高階能量的飛行時間聚焦。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，通過在現(xiàn)有技術(shù)的離子反射鏡之間添加平面透鏡，可在保持 高階時間-能量聚焦的同時增大平面飛行時間質(zhì)量分析器的空間接受度，其可包括以下：
[0015] (a)所述離子反射鏡具有加速和反射靜電場區(qū)域；
[0016] (b)所述平面透鏡將離子聚焦到與離子反射鏡聚焦離子相同的Y方向上；
[0017] (c)透鏡預(yù)先將離子聚焦到減速磁鏡場的區(qū)域；
[0018] (d)離子反射鏡和透鏡場通過無場空間分開；
[0019] (e)所述透鏡是浸沒的，也就是說，透鏡將離子在朝向離子反射鏡的方向上加速并 且在返回路徑上減速。這還意味著，離子以相比于"離子反射鏡加透鏡"對外部的例子能量 增大的能量穿過透鏡和離子反射鏡之間的無場空間。
[0020] 因此，在發(fā)明的構(gòu)造