用于飞行时间(TOF)质谱仪的离子前沿倾斜校正制造技术

一种用于TOF质谱仪1的飞行时间(TOF)离子束前沿倾斜校正器40校正射束前沿的平面，使得其与所述TOF质谱仪1的离子碰撞检测器35保持正交。所述倾斜校正器40包括一个或多个电极100、110、120、130，所述电极限定沿着纵向方向Z延伸的基本上等电位通道。所述通道还横向于Z轴延伸且具有第一相对较长横向X轴及第二相对较短横向Y轴。所述较长横向轴线与所述较短横向轴线的界限的比率至少是2。所述通道在所述Z方向上的长度根据在X方向上的横向位置而变化。

Ion front tilt correction for TOF mass spectrometer

A time of flight (TOF) ion beam front tilt corrector 40 for TOF mass spectrometer 1 corrects the plane of the beam front so that it is orthogonal to the ion impact detector 35 of TOF mass spectrometer 1. The tilt corrector 40 includes one or more electrodes 100, 110, 120, 130 defining a substantially equipotential channel extending in the longitudinal direction Z. The channel also extends laterally on the Z-axis and has a first relatively long transverse x-axis and a second relatively short transverse y-axis. The ratio of the longer transverse axis to the boundary of the shorter transverse axis is at least 2. The length of the channel in the Z direction varies according to the transverse position in the X direction.

【技术实现步骤摘要】
用于飞行时间(TOF)质谱仪的离子前沿倾斜校正
本专利技术涉及飞行时间(TOF)质谱仪中的离子前沿的倾角的校正。
技术介绍
具有离子碰撞检测器的飞行时间(TOF)质谱仪利用静电场中的离子的行进时间与离子质量的平方根成比例的属性。离子同时从离子源(例如正交加速器或射频离子阱)射出，加速到所期望的能量，且在行进指定距离后撞击在离子检测器上(例如微通道板)。在所有离子的行进距离基本上相同的情况下，离子到达时间用于确定质荷比m/q，所述质荷比稍后用于离子识别。质量/电荷测量的准确度及质量分离的质量取决于具有相同质荷比m/q的离子的扩展行进时间。此扩展源自不同开始条件、坐标及速度，以及质谱仪即时聚集离子聚束的有限能力，所述有限能力将相同m/q离子同时带到检测器，而不管其开始条件如何。关于离子能量的时间聚焦通常运用如在反射器类型质量分析器中的一个或多个静电镜面来实现(MamyrinB.A.,等人.Sov.Phys.-JETP,37,第45-48页,1973年)。关于初始坐标及速度的时间聚焦可通过不同方式来实现。在最早的具有网格的反射器中，均匀的静电场用于离子反射，其保证了关于橫向开始坐标和速度的飞行时间独立性。在较复杂的具有无网格离子镜面的质量分析器中，场配置专门设计用于消除最突出的空间-时间像差。发现用于以下各项的此类配置：轴对称镜面(H.Wollnik和A.Casares,Int.J.ofMassSpectrom.227(2),217-222,2003)和平坦镜面(YavorM.,等人,PhysicsProcedia1,第391-400页,2008年)。还使用静电扇区—用以在空间上且在时间上聚集离子(SatohT.,J.MassSpectrom.Soc.Jpn.,57(5),第363-369页,2009年)。在所有这些布置中，离子聚束在空间上分散，同时从离子源行进，且离子聚束的横向尺寸可在离子束撞击在检测器上时达到若干毫米。在空间上延伸的离子聚束也有利于降低空间-电荷影响且防止检测器饱和。后者对于微通道板(MCP)检测器和打拿极检测器尤其重要。宽离子撞击区域的负面影响是其对关于入射离子束的检测器对准提出了尤其严格的要求。实际上，对于10mm宽度的离子聚束，即使检测器的较小角度未对准(例如，一角度)都会导致离子撞击时间的约0.17mm差。给定1米的总离子行进距离，此差异将质量分析器的质量分辨力限制为R＝1米/0.170mm/2≈3000的值，这通常是不可接受的。检测器对准的问题也因以下事实而加剧：实际TOF前沿(轨迹，通常是平面但有时是弯曲表面，其中具有不同橫向开始条件的离子同时到达)受到其它离子光学元件(例如离子源及/或镜面)的未对准以及例如仪器环境中的边缘电场及杂散磁场的因素影响，所述因素中的每一个均难以预测。因此，离子检测器与TOF前沿的精确对准是一项艰巨的工程挑战。已经提议多个解决方案来解决上文陈述的问题。US-A-5,654,544(Dresch)公开对离子检测器的精确机械控制以使其离子敏感平面适合入射离子聚束的实际TOF前沿。然而，此方法难以实施，这是因为移动部分需要激活器来为其进行精确调整。电控方法为优选的，这是因为其允许在质谱仪操作期间进行精确调谐。在US-A-2017/0098533(Stewart等人)中提议使用偶极电场来旋转TOF前沿且使其与离子碰撞检测器对准。检测器的位置和定向是固定的。此方法利用横向偶极电场的属性以使TOF前沿在与偏转方向相反的方向上倾斜。所述效果源自在正极附近通过的离子与在偶极静电元件的负极附近通过的离子的速度差。此差产生离子的位置与到达检测器的时间之间的相关性，所述检测器位于偶极元件的正后方。US-B-7,772,547(Verentchikov，参见图3和4)和US-B-9,136,102(Grinfeld等人，参见图11A和11B)还公开TOF前沿旋转，其使用偶极电场以用于在离子束进入TOF质量分析器之前制备所述离子束。具有偶极场的TOF前沿校正器的限制性在于此场未曾完全均匀，从而导致静电偶极元件的入口和出口处的显著且不可避免的变形。等电位检测器的表面紧邻于偶极元件的存在还促使此类场扰动。由于场缺陷，净飞行时间校正相对于离子的入口坐标并非完全线性的，这会导致TOF前沿的变形。US-A-2014/0054454(Hoyes等人)中提议使用平面网格的系统校正TOF前沿未对准，所述平面网格相对于彼此倾斜且以不同加速或减速电位来偏压。离子聚束依序穿过所有网格。当两个邻近网格之间的距离和其相互的倾斜足够小时，网格之间的电场是准均匀的且在倾斜方向上线性地改变。特定离子穿过网格堆叠所花费的时间根据离子进入堆叠的位置而不同。因此，TOF前沿旋转以匹配检测器。然而，穿过若干网格会导致显著离子损耗和散射。此外，与网线的离子碰撞会导致离子破碎且可能导致网格材料的溅射；带电和中性碎片可击中检测器，从而产生假峰值。在此背景下，本专利技术提议与飞行时间前沿倾斜相关联的问题的解决方案。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供一种根据权利要求1的飞行时间(TOF)离子束前沿倾斜校正器。所述校正器并有具有通道的一个或多个电极，优选地若干电极的堆叠。如所描述的电极在其通道内部实现了具有基本上相等电位的区。如果每单位电荷的全部离子能量是U0且第k电极的电位是Uk，那么当离子在所述通道内部飞行时，离子的动能是U0-Uk。离子在离子运动的Z方向上横穿具有长度Lk的通道的时间段是Tk＝Lk(m/2q)1/2/(U0-Uk)1/2。(1)校正器的至少一个电极具有在横向于Z轴的方向上变化的通道长度，也就是说，所述通道长度ΔZ＝Lk(X,Y)取决于离子进入所述通道时的离子的位置X,Y而不同。因此，特定离子穿过电极的堆叠的时间T取决于横向离子的位置(XTC,YTc)，进而造成补偿飞行时间误差的飞行时间差。在多个实际设计中，例如当第二方向正交于质量分析器的对称平面时，TOF前沿在第一方向上的倾斜比其在第二正交方向上的倾斜更显著。在所述状况下，仅需要解决在第一方向上的倾斜且可忽略在正交方向上的倾斜。当离子聚束在一个方向上比在另一方向上延长时也是如此，且第二方向因此对于倾斜更加宽容。举例来说，如前苏联专利SU1725289(NazarenkoL.M.等人)、美国专利7,385,187B2(Verentchikov等人)或美国专利9,136,102B2(GrinfeldD.,MakarovA.)中所描述的具有平坦离子镜面的TOF质量分析器的两种情形均为典型的。当离子聚束到达检测器时，其在正交于离子镜面的对称平面的方向上的宽度相对较小，而沿着镜面的扩展较大。在离子束较宽的方向上的TOF前沿校正是最重要的。与前述US-A-2014/0054454中所展示的布置相比，本专利技术的TOF离子束前沿倾斜校正器不需要网格来调整离子束前沿的倾斜。在一优选实施例中，相较于在所述正交平面的YI方向上的射束尺寸，离子束在平面的垂直于离子运动的轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种飞行时间(TOF)离子束前沿倾斜校正器，其包括：/n至少一个电极，其在被供应有电压时限定基本上等电位通道，所述通道在纵向方向Z

【技术特征摘要】
20180523 GB 1808459.01.一种飞行时间(TOF)离子束前沿倾斜校正器，其包括：
至少一个电极，其在被供应有电压时限定基本上等电位通道，所述通道在纵向方向ZTC上延伸，所述通道另外沿着垂直于所述纵向方向ZTC限定的第一横向轴线XTC延伸第一较长距离，且沿着与所述第一轴线XTC和所述纵向轴线ZTC垂直的第二横向轴线YTC延伸第二较短距离，其中沿着所述第一轴线XTC的所述第一较长距离与沿着第二轴线YTC的所述第二较短距离的比率至少是2；
其中所述通道在所述纵向方向ZTC上的长度根据在正交于所述通道的所述纵向方向ZTC的所述方向XTC上的横向位置而变化，使得离子束中的第一横向位置XTC处的离子与离子束的第二不同横向位置XTC中的离子花费不同时间量来横穿所述至少一个电极的所述通道。


2.根据权利要求1所述的TOF离子束前沿校正器，其中沿着所述第一横向轴线XTC的所述第一较长距离与沿着所述第二横向轴线YTC的所述第二较短距离的比率在2与10之间。


3.根据权利要求2所述的TOF离子束前沿校正器，其中沿着所述第一横向轴线XTC的所述第一较长距离与沿着所述第二横向轴线YTC的所述第二较短距离的比率在2.4与7之间。


4.根据权利要求3所述的TOF离子束前沿校正器，其中沿着所述第一横向轴线XTC的所述第一较长距离与沿着所述第二横向轴线YTC的所述第二较短距离的比率在2.7与5之间。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的TOF离子束前沿校正器，其中所述至少一个电极的内表面和/或外表面在XTC-ZTC平面中限定平行平面。


6.根据权利要求5所述的TOF离子束前沿校正器，其中所述至少一个电极或所述至少一个电极的所述通道在XTC-YTC平面中具有矩形横截面。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的TOF离子束前沿校正器，其中由所述至少一个电极限定的所述通道在XTC-ZTC平面中是楔形的。


8.根据权利要求1至7中任一项所述的TOF离子束前沿校正器，其中所述通道具有在所述纵向方向ZTC上彼此间隔开的离子入口开口和离子出口开口，两个开口均处于平行于所述轴线YTC的平面中且相对于彼此倾斜角度α(≠0)。


9.根据权利要求8所述的TOF离子束前沿校正器，其中α在10°与50°之间，并且优选地在20°与40°之间。


10.根据权利要求7至9中任一项所述的TOF离子束前沿校正器，其包含第一楔形电极和第二楔形电极，所述第一楔形电极和所述第二楔形电极定位成彼此相邻，使得由所述第一楔形电极和所述第二楔形电极限定的所述通道在所述XTC方向和所述YTC方向上对准。


11.根据权利要求10所述的TOF离子束前沿校正器，其中所述第一楔形电极的所述离子出口开口和所述第二楔形电极的所述离子入口开口各自处于彼此平行的平面中。


12.根据权利要求1至11中任一项所述的TOF离子束前沿校正器，其中所述通道具有离子入口开口和与所述离子入口开口在所述纵向方向ZTC上间隔开的离子出口开口，这些开口中的至少一个开口的表面在所述YTC方向上延伸且由XTC-ZTC平面中的曲线限定以便形成弯曲电极面。


13.根据权利要求12所述的TOF离子束前沿校正器，其包含第一邻近相对弯曲电极和第二邻近相对弯曲电极，所述电极的通道在所述XTC方向和所述YTC方向上对准。


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【专利技术属性】
技术研发人员：D·格林菲尔德，C·霍克，H·斯图尔特，
申请(专利权)人：塞莫费雪科学不来梅有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE