[实用新型]一种带有双场加速区的飞行时间质谱仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及质谱分析技术领域，特别涉及到一种带有双场加速区的飞行时间质谱仪。

背景技术

作为分析测试科学仪器的突出代表，质谱仪具有灵敏度最高，适用性最强的优势，在科学研究和生产实践中都具有不可替代的重要作用，其应用遍及国计民生和安全信息的各个领域。

质谱分析中，待测物质分子经电离后依照不同质荷比(质量与电荷之比)在电磁场控制下按空间位置和时间先后加以区分和定量分析。飞行时间质谱是质谱技术中应用十分广泛的一种。飞行时间质谱分析器主要有直线式和反射式两大类。直线式飞行时间质谱,主要由加速区、自由飞行区和检测器组成。加速区的电场强度为E_s，宽度为S₀,离子在加速区中的位置为S,自由飞行区的长度为D。当离子处于加速区时,在加速区极板上施加脉冲电压,加速区内瞬间产生高压加速电场,离子沿着质谱方向加速,朝着探测器做加速运动。当飞过加速区时,离子获得一定的动能,进入自由飞行区后,依靠惯性继续飞，飞行速度恒定。由于离子经过加速后获得的动能相同,那么质量小的离子速度快一些,早一点到达探测器；质量大的离子速度慢一些,晚一点到达探测器。早期的飞行时间质谱主要使用一级加速场，但其对离子初始分散的聚焦能力有限,分辨率很低。解决的办法是将加速电场改成两级电场,一级作为引出电场,另外一级作为加速电场。由于增加一级电场,增加了一个电压参数和尺寸参数,飞行时间质谱能实现更高阶的聚焦。

现有技术中的双场加速飞行时间质谱原理如图1所示，正交加速区结构包括一个推斥板201、一个引入电极板202，以及引出电极板203。其中推斥板201与引入电极板202之间组成电场强度为E_s的一级加速区；引入电极板202与引出电极板203之间组成电场强度为E_d的二级加速区；离子以垂直方向引入，在推斥板201脉冲高压的作用下进行二级加速，实现二阶空间聚焦。

如图1和图2所示，离子需要经历两级加速区后进入自由飞行区，这两级加速区的电场强度分别为E_s和E_d，电场宽度分别为S₀和d，离子所处的实际位置为S，自由飞行区长度为D，离子经过一级加速区、二级加速区和自由飞行区的时间t_s、t_d和t_D分别为：

总的飞行时间t为：

由可以得到一阶聚焦条件：

其中

由和可以得到二阶聚焦条件：

其中，m为离子的质量，q为离子的电荷量，U_d为电压值。

在给定的D和d的条件下，即可以求得S和U_d；进而确定详细的设计参数。

在实际工作中，飞行时间质谱的双场加速区的几何参数和电压参数往往需要根据泰勒公式求解出理论值，或者使用模拟软件模拟出相应的参数，再根据理论值或者模拟值设计加工出相应的电极板，进而组装调试，但在实际调试过程中，由于加工误差和装配误差等因素的影响，实际效果会与理论值有较大的偏差，与此同时，加工和装配的参数无法随即做出改变，会给实验和样机调试带来诸多不便。

此外，为了追求较高的分辨率，离子在双场加速区之前，往往需要经过一个较小的狭缝，以便减小初始空间分散对分辨率的影响，但与此同时，离子的数量会有较大损失，不利于仪器的灵敏度。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种极板间距和分压比可调的带有双场加速区的飞行时间质谱仪。

为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：一种带有双场加速区的飞行时间质谱仪，包括顺序布置在一真空腔体内的第一电场加速区、第二电场加速区以及自由飞行区，其中第一电场加速区的前端设有离子源，自由飞行区的后端设有离子探测器，第二电场加速区的后端电极相对于前端电极沿平行于离子飞行路径的方向活动设置。

优选的，所述第一电场加速区由一个三维离子阱的内部电场构成，所述三维离子阱的后端盖一侧间隔设置有一平板电极，该平板电极与三维离子阱的后端盖之间构成第二电场加速区，所述离子源与三维离子阱的前端盖相对设置。

优选的，所述平板电极沿三维离子阱的轴线方向滑动设置；还包括用于驱动平板电极滑动并能够使平板电极停留在滑动路径任意位置的驱动单元。