[发明专利]一种同位素丰度高精度检测飞行时间质谱探测器

说明书

本发明公开了一种同位素丰度高精度检测飞行时间质谱探测器，通过在离子门衰减器中引入脉冲电压电极瞬时改变高丰度离子运动轨迹，然后通过栅网衰减器降低离子强度，高丰度离子衰减后使用环形探测器检测信号。低丰度离子通过时，离子门电压保持不变，离子保持原来的运动轨迹，被中心轴探测器检测。高丰度离子和低丰度离子分别采用不同放大倍数的探测器进行检测，结合前端的高丰度离子衰减系统降低采集系统饱和而引起浓度测量的误差，衰减倍数可以调节离子门衰减器和栅网衰减器在100到5之间调节，从而实现含量差别很大的同位素在飞行时间质谱仪实现高精度检测。

技术领域

本发明涉及同位素探测技术领域，具体涉及一种同位素丰度高精度检测飞行时间质谱探测器。

背景技术

飞行时间质谱仪(Time-of-Flight Mass Spectrometer，TOFMS)的结构简单、单个谱图分析时间为微秒级，具有分辨本领和灵敏度高、全质量范围一次性检出等特点，在环境检测、生命科学等领域具有广泛的应用。通常TOFMS的检测器由两片到三片微通道板(microchannel plate，MCP)串联，并以一块法拉第盘作为电子接收电极。高速的数据采集卡可以将法拉第盘接收到的电流信号采集记录下来，最终形成质谱图。MCP是由许多特殊的空心玻璃纤维压制而成的平板状电子倍增器，每个空心纤维通道内壁上都涂有次级电子发射材料，当MCP两端加上一定直流电压(～1kV)后，高能离子撞击到MCP通道内壁涂层上，产生次级电子，次级电子通过链反应实现电子倍增。高速数据采集卡分为两种：模拟数字转换(ADC)采集卡和时间数字转换(TDC)采集卡。ADC数据采集卡直接采集模拟信号转化成数字信号，ADC动态范围由AD芯片位数决定，位数越高可以检测离子流的动态范围更大。TDC时间数字转换卡连续把触发的时刻都记录到特定内存地址里，超过阈值的在内存地址中(对于飞行时间)记为“1”，反之记为“0”。这意味着当多个离子同一采集间隔内到达MCP，这时采集卡仍然只能纪录为一个“1”。当离子流很强时容易产生饱和问题。而且，在质谱系统中，当分析物浓度范围相差较大时，质谱的检测器会出现信号饱和的现象，从而导致较大的测量误差。

稳定同位素的测定在地球化学和宇宙化学定年研究中有重要作用，在毒品产地指纹谱研究、岩石、矿床成因学、地球环境和气候变化等资源方面是最有效的技术手段；在研究月球和行星的物质组成方面也是最重要的手段。同位素高丰度和低丰度元素有的相差3个数量级，高精度丰度测量要求精度控制在万分之五级别，这对于以微通道板(MCP)为检测器的质谱系统难度很大。单片MCP的放大效率为10³倍。双片MCP的放大效率可以提高到10⁶，但是MCP的动态精确度仅有两个数量级，高丰度信号容易导致饱和低丰度难以检出。

因此需要设计一种同位素丰度高精度检测飞行时间质谱探测器来满足测量的需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种同位素丰度高精度检测飞行时间质谱探测器。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种同位素丰度高精度检测飞行时间质谱探测器，包括离子门衰减器、栅网衰减器、环形探测器和中心轴探测器；离子门衰减器、栅网衰减器、环形探测器和中心轴探测器依次设置，离子门衰减器、环形探测器和中心轴探测器同轴；所述栅网衰减器包括分设于两侧的致密金属栅网，两侧的致密金属栅网之间的间隔的中心轴和离子门衰减器同轴；所述环形探测器具有中心孔，并且环形探测器的中心孔和所述中心轴探测器对应；两侧的致密金属栅网分别和环形探测器的非中心孔部分对应，两侧的致密金属栅网之间的间隔和所述环形探测器的中心孔对应；离子门衰减器由Bradbury-Nielson型离子门、脉冲偏置电源和延时时序发生器组成；Bradbury－Nielson型离子门包括两组以叉指形式间隔分布的金属丝以及分别连接两组金属丝的脉冲电压电极和偏置电压电极；脉冲偏置电源包括一路脉冲电压和一路偏置电压，偏置电压连接于偏置电压电极，脉冲电压连接于脉冲电压电极；延时时序发生器用于输出脉冲TTL信号控制脉冲偏置电源向脉冲电压电极输出脉冲电压和向偏置电压电极输出偏置电压。