專利名稱：改進(jìn)的質(zhì)譜儀及用于該質(zhì)譜儀的濾質(zhì)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于改善質(zhì)譜儀的運(yùn)行特性的方法和設(shè)備。
這里，參考四極濾質(zhì)器設(shè)備來描述本發(fā)明，但并不限于此。
背景技術(shù)：
在質(zhì)譜分析技術(shù)中已知四極或多極濾質(zhì)器，它們工作以傳輸具有位于穩(wěn)定的工作區(qū)域中的質(zhì)荷比的離子。在其他因素中，該穩(wěn)定的工作區(qū)域的大小由四極桿的幾何結(jié)構(gòu)和施加到所述桿上的直流和射頻電壓(包括射頻電壓的頻率)的大小來控制。因此，所傳輸?shù)碾x子可具有取決于該穩(wěn)定工作區(qū)域的大小的質(zhì)荷比范圍。通過減少穩(wěn)定的工作區(qū)域的大小可減少濾質(zhì)器的傳輸特性、并因此減少所傳輸?shù)幕蚪?jīng)過濾的離子束中的質(zhì)荷比的范圍。濾掉的離子并沒有傳輸給質(zhì)譜儀的輸出端或檢測器。
相當(dāng)一部分被濾掉的離子擊打四極桿，以從所述桿上濺射介電材料和/或?qū)⒔殡姴牧铣练e在所述桿上。隨著時(shí)間的過去，尤其是當(dāng)質(zhì)譜儀用于分析在相對較高密度的離子束中微粒的質(zhì)量時(shí)可產(chǎn)生大量的沉積。所沉積的材料可使桿的表面區(qū)域變得局部或完全絕緣，或具有不同的逸出功(electrical work function)。因此，沉積在桿上的材料影響了與施加到桿上的電壓有關(guān)的電場特性。最后，所沉積的材料改變了桿表面附近的電場強(qiáng)度。
當(dāng)分析相對密度較高的離子束時(shí)出現(xiàn)另一問題，已知為空間電荷效應(yīng)。當(dāng)密度較高的離子束進(jìn)入四極濾質(zhì)器中時(shí)，與施加到四極桿上的電壓相關(guān)的電場變形。電場的變形是由于在離子束中存在帶電的微粒。電場的變形發(fā)生在離子束中的離子附近。
四極濾質(zhì)器受到這些問題的嚴(yán)重影響，尤其是當(dāng)包括這種濾質(zhì)器的質(zhì)譜儀在高的質(zhì)量分辨率下工作時(shí)。對于高分辨率的質(zhì)譜儀非常需要維持電場的準(zhǔn)確性。此外，在高分辨率下，在濾質(zhì)器中，離子通過濾質(zhì)器的穩(wěn)定的軌道非常接近所述桿相當(dāng)長的距離。因此，這些軌道非常接近所沉積的介電材料，且因此經(jīng)過發(fā)生變形的電場區(qū)域中。
同時(shí)，質(zhì)譜儀的分辨率大約與離子在濾質(zhì)器中所消耗時(shí)間的平方成比例。因此，只有當(dāng)離子在濾質(zhì)器中消耗足夠的時(shí)間時(shí)才能獲得期望的分辨率；離子在濾質(zhì)器中所消耗的時(shí)間越長，所獲得的分辨率就越大。通常將離子的能量降低到非常低(通常為2電子伏特)，以最大化在濾質(zhì)器中所消耗的時(shí)間，并因此增加質(zhì)譜儀的分辨率。對于這種較慢的離子束，空間電荷效應(yīng)較高，且這加劇了與由空間電荷效應(yīng)引起的變形的電場相關(guān)的問題。因此，目前在空間電荷效應(yīng)、離子束能量和質(zhì)譜儀的質(zhì)量分辨率之間進(jìn)行折中。
具有由上述問題引起的變形電場的濾質(zhì)器可具有大大降低的質(zhì)量分辨率或傳輸能力。在最差的情況下，認(rèn)為質(zhì)譜儀是無用的。隨著時(shí)間的流逝更多的介電材料沉積在桿上時(shí)，所述問題加重。由于大多數(shù)的離子都被禁止進(jìn)入濾質(zhì)器中使得更多的材料沉積在濾質(zhì)器入口附近，因此材料的聚集趨于不均勻。當(dāng)質(zhì)譜儀的性能降到可容許水平以下時(shí)，有必要以相當(dāng)大的成本來替換或整修濾質(zhì)器。
US 3,129,327披露了輔助電極桿，它們只可被交流電壓驅(qū)動以改善對第二組桿中的傳輸特性，其中該第二組桿用作濾質(zhì)器；而所述輔助電極桿用作離子導(dǎo)向器。
US 4,963,736披露了一種桿裝置，它在基本上沒有直流電壓的高壓下工作。因此，所述濾質(zhì)器用作加壓的離子導(dǎo)向器，其由于碰撞聚集(focussing)而具有較高的傳輸特性。
US 6,140,638披露了一種包括第一濾質(zhì)器的濾質(zhì)器，該第一濾質(zhì)器用作碰撞/反應(yīng)單元且在相對于第二濾質(zhì)器的較高的氣體壓力下工作。所披露的設(shè)備旨在通過將離子傳輸經(jīng)過碰撞單元以濾去將導(dǎo)致等壓干涉的中離子而減少等壓干涉。
US 6,340,814披露了一種包括兩個(gè)濾質(zhì)器的質(zhì)譜儀，這兩個(gè)濾質(zhì)器以相似的質(zhì)量分辨率來工作，從而提高整個(gè)設(shè)備的分辨率。當(dāng)這兩個(gè)濾質(zhì)器彼此耦合時(shí)，與各濾質(zhì)器分別的分辨率相比較，可獲得更高的分辨率。
EP0004437披露了一種方法和設(shè)備，用于除去離子束中的離子從而降低在碰撞單元上的氣體負(fù)載，用于最小化碰撞單元中不需要的人為離子的形成或再形成。
這些系統(tǒng)都沒有提出一種解決上述問題的方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是改進(jìn)與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的問題。在它們的最廣泛的形式中，本發(fā)明的實(shí)施例屬于質(zhì)譜儀，它包括多個(gè)濾質(zhì)器級(stage)。在濾質(zhì)器的一個(gè)中，從離子束中去除大部分的不需要離子。
更精確地，提供了一種濾質(zhì)器設(shè)備，用于過濾具有在一質(zhì)荷比范圍內(nèi)的質(zhì)荷比的離子束，以傳輸在所述范圍內(nèi)的所選質(zhì)荷比的離子，所述設(shè)備包括用于發(fā)射離子束的離子束源；串聯(lián)的第一和第二濾質(zhì)器級，以接收來自離子束源的離子束；和真空系統(tǒng)，用于將至少第二濾質(zhì)器級維持在低于10-3托的工作壓力下，其中所述真空系統(tǒng)布置成將第一和第二濾質(zhì)器級維持在低于10-3托的工作壓力下，第一濾質(zhì)器級布置成用于僅傳輸具有一子范圍的質(zhì)荷比的離子，該子范圍包括所選的質(zhì)荷比，并且第二濾質(zhì)器級布置成用于僅傳輸所述選擇的質(zhì)荷比的離子。
同時(shí)，提供了一種方法，用于過濾具有在一質(zhì)荷比范圍內(nèi)的質(zhì)荷比的離子束，以傳輸在所述范圍內(nèi)的所選質(zhì)荷比的離子，所述方法包括從離子束源發(fā)射離子束進(jìn)入第一濾質(zhì)器級中；通過該第一濾質(zhì)器級僅傳輸具有一子范圍的質(zhì)荷比的離子，該子范圍包括所選的質(zhì)荷比；以及通過與第一濾質(zhì)器串聯(lián)的第二濾質(zhì)器級僅傳輸具有所選質(zhì)荷比的離子，其中第一和第二濾質(zhì)器級在低于10-3托的壓力下工作。
此外，提供了一種方法，用于過濾來自具有一系列質(zhì)荷比的離子束的、具有給定的質(zhì)荷比的離子，在質(zhì)譜儀中包括用于發(fā)射離子束的離子束源、用于檢測或傳輸所過濾的離子的檢測器或輸出端、以及多個(gè)串聯(lián)布置在離子束源和檢測器或輸出端之間的濾質(zhì)器，所述濾質(zhì)器具有相同的等于或低于10-3托的工作壓力，所述方法包括從離子束源發(fā)射離子束進(jìn)入第一濾質(zhì)器中；僅傳輸具有一范圍的質(zhì)荷比的離子，該范圍包括來自第一濾質(zhì)器的所過濾的離子的質(zhì)荷比；以及僅傳輸來自第二濾質(zhì)器的所過濾的離子，該第二濾質(zhì)器布置在第一濾質(zhì)器和檢測器或輸出端之間。
此外，還提供了一種用于生成束離子的質(zhì)譜的方法，該束離子具有在一質(zhì)荷比范圍內(nèi)的質(zhì)荷比，所述方法包括從離子束源發(fā)射離子束進(jìn)入第一濾質(zhì)器級；通過第一濾質(zhì)器僅傳輸具有一子范圍的質(zhì)荷比的離子，該子范圍包括所選的質(zhì)荷比；通過與第一濾質(zhì)器串聯(lián)的第二濾質(zhì)器僅將具有所選的質(zhì)荷比的離子傳輸?shù)綑z測器，該檢測器用于檢測任何具有所選質(zhì)荷比的離子；控制至少第二濾質(zhì)器級，從而在掃描范圍內(nèi)掃描所傳輸離子的質(zhì)荷比；以及檢測由第二濾質(zhì)器級傳輸?shù)娜我粋€(gè)給定質(zhì)荷比的離子數(shù)以提供質(zhì)譜，其中第一和第二濾質(zhì)器級在低于10-3托的壓力下工作。
另外，提供了一種改善質(zhì)譜儀的分辨率的方法，包括從離子束源發(fā)射離子束進(jìn)入串聯(lián)的第一和第二濾質(zhì)器級中，在該束中的離子具有落在一質(zhì)荷比范圍內(nèi)的質(zhì)荷比；通過第一濾質(zhì)器僅傳輸具有一子范圍的質(zhì)荷比的離子，該子范圍包括所選的質(zhì)荷比；在第二濾質(zhì)器級處僅接收在所述子范圍內(nèi)的離子；通過第二濾質(zhì)器級僅傳輸具有所選質(zhì)荷比的離子，從而第二濾質(zhì)器級可利用降低的離子束電流來工作。
另外，本發(fā)明提供了一種用于減少沉積在質(zhì)譜儀的初級分辨濾質(zhì)器的多極部件上的材料的方法，包括從離子束源發(fā)射離子束進(jìn)入第一濾質(zhì)器級，在該束中的離子具有落在一質(zhì)荷比范圍內(nèi)的質(zhì)荷比；通過第一濾質(zhì)器級僅傳輸具有一子范圍的質(zhì)荷比的離子，該子范圍包括所選的質(zhì)荷比；在與所述第一濾質(zhì)器級串聯(lián)的第二濾質(zhì)器級處僅接收在所述子范圍內(nèi)的離子，所述第二濾質(zhì)器級構(gòu)成了所述初級分辨濾質(zhì)器；以及通過第二濾質(zhì)器級僅傳輸具有在子范圍內(nèi)的所選質(zhì)荷比的離子，從而降低了在所述初級分辨濾質(zhì)器中濾掉的離子數(shù)。
本發(fā)明的實(shí)施例優(yōu)點(diǎn)在于，與以前系統(tǒng)相比較，可在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)以高分辨率來工作。粗濾器除去了離子束中大部分不需要的離子，并布置成與細(xì)濾器相比較以相對較高的帶通來工作。因此，對于濾質(zhì)器可減少與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的上述問題，并可提高濾質(zhì)器的精度。
相對于在質(zhì)譜儀的過濾級中采用碰撞或反應(yīng)單元的設(shè)備，可大大簡化采用本發(fā)明的設(shè)備或方法的操作過程。在采用本發(fā)明的設(shè)備的濾質(zhì)器中僅可能存在的氣體軌跡非常低的殘余氣體，例如主要來自離子源的水蒸氣、CO2或Ar，濾質(zhì)器中的殘留物或清洗氣體。在一般濾質(zhì)器中的局部壓力低于10-3托的這些氣體的軌跡不足以引起與經(jīng)過濾質(zhì)器的離子發(fā)生任何有效數(shù)量的反應(yīng)。
與包括碰撞或反應(yīng)單元的質(zhì)譜儀相比較，采用本發(fā)明的設(shè)備和方法還具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即，操作的問題較少，尤其是在高的分辨率時(shí)。由使用碰撞或反應(yīng)單元的設(shè)備所生成的光譜可包括來源于反應(yīng)的離子的不需要的峰值。通過碰撞或反應(yīng)降低了通過反應(yīng)/碰撞單元的離子的傳輸，從而影響了設(shè)備的靈敏性。因?yàn)椴僮鞣磻?yīng)/碰撞單元所需的控制而使得這種設(shè)備的操作復(fù)雜性較高。同時(shí)，操作者需要非常了解離子碰撞化學(xué)知識，以確保使用正確的氣體，否則不會發(fā)生所需反應(yīng)，且光譜結(jié)果可使人誤解或無用。本發(fā)明的實(shí)施例在這樣的壓力下工作，其中在濾質(zhì)器級中幾乎不可能發(fā)生反應(yīng)或碰撞。
如上所述，濾質(zhì)器在10-3托或更少的較高真空下工作，在該壓力下在濾質(zhì)器中氣體分子的密度處于這樣的大小，即，在束中的離子和在濾質(zhì)器中任何殘余氣體之間發(fā)生反應(yīng)或碰撞的可能性非常低或根本不存在。這還具有另一優(yōu)點(diǎn)，即，對于期望的離子可獲得通過濾質(zhì)器的高傳輸因數(shù)(因此，還可改善質(zhì)譜儀的靈敏性)。
對于高分辨率的質(zhì)譜儀，尤其需要這些優(yōu)點(diǎn)。這種系統(tǒng)可通常在10-6托工作，在該壓力下，如果存在離子和濾質(zhì)器中氣體的任何碰撞和/或反應(yīng)，那么它們實(shí)際上對離子束強(qiáng)度或產(chǎn)生的光譜沒有影響。因此，有利地，本發(fā)明的實(shí)施例可在極高的分辨率和高的束強(qiáng)度下工作。
同時(shí)，在所有濾質(zhì)器級中可使用單一的真空泵來維持真空，因此進(jìn)一步簡化了該系統(tǒng)。
通過去除第一濾質(zhì)器級的離子束中的大部分離子，并因此減少在第二濾質(zhì)器級中的束電流而獲得另一優(yōu)點(diǎn)。因此，大大地減少了沉積在第二濾質(zhì)器級的元件上的材料量，以允許第二濾質(zhì)器級以非常高的分辨率工作達(dá)非常長的時(shí)間。因此可增加工作間隔之間的時(shí)間，從而增加質(zhì)譜儀可工作的時(shí)間并降低成本。第二濾質(zhì)器級也可以以非常高的分辨率工作，這是由于因?yàn)樵跒V質(zhì)器中的介電材料的沉積大大減少而使得在濾質(zhì)器中的電場特性基本保持不變?？梢砸愿叨鹊臏?zhǔn)確性來計(jì)算空間電荷效應(yīng)并對其進(jìn)行補(bǔ)償。由于減少的束電流使得空間電荷效應(yīng)非常低，因此進(jìn)一步改善了設(shè)備的分辨率。


現(xiàn)在，通過參考附圖以示例的方式來描述本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的高度示意性的視圖；和圖2是本發(fā)明另一實(shí)施例的高度示意性的視圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖1，示出了采用本發(fā)明的質(zhì)譜儀10。該質(zhì)譜儀包括離子束源12和檢測器14。在離子束源和檢測器之間分別設(shè)有兩個(gè)真空室16和18。每一室分別通過真空泵20和22而保持在高度的真空下。如果需要，真空泵24用于抽空離子束源的束腔12。濾質(zhì)器30和32分別設(shè)在真空室16和18中。該濾質(zhì)器相對于彼此和離子束源串聯(lián)布置。因此，離子束在擊打檢測器或從輸出端(未示出)射出之前首先穿過一個(gè)濾質(zhì)器而后穿過另一濾質(zhì)器。四極桿34和36布置成分別影響穿過濾質(zhì)器30和32的離子束中的離子。
對于本說明書，最接近離子束源腔12的濾質(zhì)器30術(shù)語稱為“犧牲濾質(zhì)器”。最接近檢測器14的濾質(zhì)器32術(shù)語稱為“分析濾質(zhì)器”。
所述犧牲濾質(zhì)器在較低的分辨率下工作，并且比分析濾質(zhì)器提供了更寬的穩(wěn)定區(qū)域。該犧牲濾質(zhì)器的穩(wěn)定區(qū)域設(shè)置成使得進(jìn)入該濾質(zhì)器中的離子的大部分質(zhì)譜都被濾掉。換言之，犧牲濾質(zhì)器用于在離子束進(jìn)入分析濾質(zhì)器之前對其進(jìn)行預(yù)過濾。
相當(dāng)大比例的被濾掉離子擊打犧牲濾質(zhì)器的四極桿，導(dǎo)致在其上沉積，但是因?yàn)樵摓V質(zhì)器具有相對較寬的穩(wěn)定區(qū)域，所以由在濾質(zhì)器30中的這種沉積引起的任何電場變形都不會使得所需質(zhì)荷比的離子被濾掉。因此，在離子束進(jìn)入分析濾質(zhì)器之前，從中取出大量的不需要材料，而基本上所有所需質(zhì)荷比的離子都傳輸?shù)椒治鰹V質(zhì)器。
此外，進(jìn)入犧牲濾質(zhì)器30的高密度離子束可通過空間電荷效應(yīng)使電場變形。犧牲濾質(zhì)器的較寬的穩(wěn)定區(qū)域繼續(xù)工作，從而基本上所有的所需質(zhì)荷比的離子都傳輸?shù)椒治鰹V質(zhì)器。然而，有利地，由于減少的離子束密度或離子電流，在犧牲濾質(zhì)器中已濾掉離子束中大部分的離子，因此可大大地降低分析濾質(zhì)器32中的空間電荷效應(yīng)。
此外，犧牲濾質(zhì)器相對于分析濾質(zhì)器可在較高的離子能量下工作。這些離子可在進(jìn)入分析濾質(zhì)器之前將能量降低到它們經(jīng)過犧牲濾質(zhì)器時(shí)能量的大概1/5。犧牲濾質(zhì)器可設(shè)置成在增大的束能量下去除大部分的不需要離子束電流。
同時(shí)，因?yàn)楦叩碾x子能量，所以離子通過犧牲濾質(zhì)器的傳輸相對較高。在優(yōu)選實(shí)施例中，犧牲濾質(zhì)器通常去除99.9％的離子電流。換言之，在離子束中0.1％的離子通過犧牲濾質(zhì)器來傳輸。更優(yōu)選地，對于非常高分辨率的設(shè)備，犧牲濾質(zhì)器以0.01％的傳輸因數(shù)工作。結(jié)果，通過99.99％量級的因數(shù)可減少空間電荷效應(yīng)并減少在分析濾質(zhì)器上不需要材料的沉積。在存在100nA或更高的離子電流的情況下，以及在需要0.1原子質(zhì)量單位(amu)的分辨率時(shí)，本發(fā)明的實(shí)施例尤為有效。在非常高的分辨率(即，處于0.02amu量級)，本發(fā)明的實(shí)施例極為有效。
對于各種設(shè)備，分析濾質(zhì)器設(shè)為以足夠的分辨率來工作。該分辨率可跨越所選的質(zhì)荷比范圍而通常處于1amu到若干分之一amu之間。分析濾質(zhì)器的帶通的寬度確定了質(zhì)譜儀的分辨率。
參考圖2，示出了第二實(shí)施例。這里，該質(zhì)譜儀50也包括離子束源12和源真空泵24(如果需要)。然而，在該實(shí)施例中，犧牲濾質(zhì)器52緊密耦合到分析濾質(zhì)器54上。因此，這兩個(gè)濾質(zhì)器都設(shè)在單一的真空室56中。與圖1中所示的第一實(shí)施例(其中，犧牲濾質(zhì)器與分析濾質(zhì)器分離)相比較，這種結(jié)構(gòu)提供了改善的傳輸特性。
所述設(shè)備的另一實(shí)施例可包括在真空室系統(tǒng)中附加的濾質(zhì)器等。如果進(jìn)行MS-MS試驗(yàn)，那么這些附加的部件可尤為有用。此外，附加的多極結(jié)構(gòu)可結(jié)合在包括碰撞/反應(yīng)單元或離子導(dǎo)向器的設(shè)備中。也可包括由交流電壓驅(qū)動的輔助電極，以改善傳輸特性?？赡芟Ｍ麑⑦@些附加的部件設(shè)在犧牲濾質(zhì)器和分析濾質(zhì)器之間。
除了四極之外還可采用其他多極結(jié)構(gòu)，以從離子束中濾掉質(zhì)荷比之外的離子，并且優(yōu)選地分析濾質(zhì)器和犧牲濾質(zhì)器具有相同的桿結(jié)構(gòu)，但是不必具有相同的桿長。如果需要低于1amu的分辨率，那么優(yōu)選地將桿構(gòu)造成四極結(jié)構(gòu)。
所述濾質(zhì)器(為四極結(jié)構(gòu))的相對的桿分開距離2r0。優(yōu)選地，對于犧牲濾質(zhì)器和分析濾質(zhì)器，r0相等并在1mm和15mm之間，或者更優(yōu)選地在4mm和8mm之間。犧牲濾質(zhì)器的桿的長度L1應(yīng)在1倍和80倍的r0之間，但是優(yōu)選地在2倍到6倍r0之間。分析濾質(zhì)器的桿的長度L2優(yōu)選地在20倍到80倍r0之間。對于高分辨率的設(shè)備，可在桿長(以最大化離子在濾質(zhì)器中所消耗的時(shí)間)和工程公差之間進(jìn)行折中，該工程容差限制了桿制成為給定精確度的長度。在本申請的優(yōu)先權(quán)日，L2的優(yōu)選長度為250mm，其中r0＝6mm。隨著時(shí)間可改善濾質(zhì)器的桿的制造方法，且不應(yīng)該限制桿長的上限為80r0。
通常，包含犧牲濾質(zhì)器的室的長度僅需比濾質(zhì)器桿長幾個(gè)百分點(diǎn)，盡管它可以更長以容納附加的部件。
優(yōu)選地，獨(dú)立于分析濾質(zhì)器的桿的極偏壓，來控制施加到犧牲濾質(zhì)器中所有桿上的直流偏壓(極偏壓)。以這種方式，由于前述原因，可獨(dú)立地控制在各濾質(zhì)器中離子的動能。
同時(shí)，優(yōu)選地，通過諸如電容器的射頻耦合器將犧牲濾質(zhì)器連接到分析濾質(zhì)器的電源上。因此，犧牲濾質(zhì)器具有與分析濾質(zhì)器相同的射頻電壓，從而減少了對附加電源的需求，并因此降低了設(shè)備的總成本。在該優(yōu)選實(shí)施例中，與分析濾質(zhì)器直流電勢相比較，犧牲濾質(zhì)器具有不同的施加到桿上的直流電勢，這是由于犧牲濾質(zhì)器以不同的分辨率來工作。在該犧牲濾質(zhì)器的情況下，由于直流電勢施加到較低分辨率的濾質(zhì)器上，因此它們需要相對較低的精度。
可通過改變射頻/直流電壓比來控制濾質(zhì)器的分辨率。對于非常高的分辨率，射頻直流比應(yīng)處于-5.963和-5.958之間。對于犧牲濾質(zhì)器的比率應(yīng)處于-5.983到-6.00之間。(使用已知等式，例如在P H Dawson著、Elsevier于1976年出版的“Quadrupole Mass Spectrometry and itsApplication(四極質(zhì)譜儀及其應(yīng)用)”中的等式2.19和2.20來計(jì)算所述電壓，例如，假設(shè)所傳輸?shù)碾x子具有amu＝115，r0＝6.0mm，VRF＝-1205.44V，VDC＝202.24V，且射頻驅(qū)動頻率＝2.0MHz，給定射頻直流比率為-5.96)。
濾質(zhì)器室優(yōu)選地在同一壓力并低于10-3mbar下工作，且更優(yōu)選地低于10-5mbar。
在另一實(shí)施例中，可利用與在US 3,129,327中披露的系統(tǒng)相似的輔助桿系統(tǒng)來改善向犧牲濾質(zhì)器的傳輸性能。
由于犧牲濾質(zhì)器傳輸具有與由分析濾質(zhì)器所傳輸?shù)碾x子基本相同的質(zhì)荷比的離子，因此本發(fā)明的實(shí)施例不同于其他系統(tǒng)。先前已提出了其他設(shè)備，它們通過選擇在第一濾質(zhì)器中的母離子來工作，且其中不同質(zhì)荷比的子離子由第二濾質(zhì)器來傳輸。
在優(yōu)選實(shí)施例中，分析濾質(zhì)器確定了質(zhì)譜儀的分辨率?？赏ㄟ^掃描通過期望的質(zhì)荷比范圍的濾質(zhì)器的帶通來生成離子束的光譜。優(yōu)選地，同時(shí)掃描兩個(gè)濾質(zhì)器來生成光譜。該掃描可以是穿過質(zhì)荷比范圍的平滑掃描，或者是跳躍掃描，其中兩個(gè)濾質(zhì)器的傳輸特性從一個(gè)傳輸峰值跳變到另一傳輸峰值。如果終端用戶對光譜區(qū)域不感興趣，那么跳躍掃描可以尤為有用。
由于兩個(gè)濾質(zhì)器的傳輸曲線(transmission profile)可能不均勻(即，傳輸并不具有“頂帽”狀的曲線)，因此重要的是一起掃描犧牲濾質(zhì)器和分析濾質(zhì)器。以這種方式，可最小化光譜的任何基本調(diào)制。在優(yōu)選實(shí)施例中，通過掃描濾質(zhì)器的電源，可跨越期望的質(zhì)荷比范圍來掃描濾質(zhì)器的傳輸曲線。
射頻直流比確定了濾質(zhì)器的帶通寬度，且因此與犧牲濾質(zhì)器相比較，分析濾質(zhì)器具有不同的施加的射頻直流比。對于桿電壓振幅的變化改變了通過濾質(zhì)器傳輸?shù)馁|(zhì)荷比。所以，為了實(shí)現(xiàn)穿過質(zhì)荷比范圍的掃描，增加分析濾質(zhì)器的電源的振幅，但是在振幅增加的整個(gè)過程中，射頻直流比保持不變。如果犧牲濾質(zhì)器的射頻電源耦合到分析濾質(zhì)器上(如上所述)，那么也可調(diào)制犧牲濾質(zhì)器上的射頻信號強(qiáng)度。因此，應(yīng)調(diào)制犧牲濾質(zhì)器的分離直流電源以穿過質(zhì)荷比范圍來掃描犧牲濾質(zhì)器，而保持射頻直流不變。使用分離的掃描器裝置，可使?fàn)奚鼮V質(zhì)器的直流電源向上傾斜，這是由于在優(yōu)選實(shí)施例中犧牲濾質(zhì)器具有分離的直流電源。以這種方式，可穿過感興趣的質(zhì)荷比范圍來掃描兩個(gè)濾質(zhì)器的傳輸特性，而不使它們相對移動(即，對于兩個(gè)濾質(zhì)器，通過所述質(zhì)荷比來掃描濾質(zhì)器的比率基本上相同)。
如果已知濾質(zhì)器的傳輸曲線，那么期望的是僅穿過由犧牲濾質(zhì)器傳輸?shù)姆秶鷣頀呙璺治鰹V質(zhì)器，尤其是如果光譜范圍處于犧牲濾質(zhì)器的帶通中。然而，一補(bǔ)償因數(shù)應(yīng)加到所檢測到的光譜上以補(bǔ)償不均勻的傳輸曲線。如果光譜范圍寬于犧牲濾質(zhì)器的帶通，那么可能必須掃描這兩個(gè)濾質(zhì)器。在這種情況下，可粗略地掃描犧牲濾質(zhì)器，而仔細(xì)地掃描分析濾質(zhì)器，以生成光譜。
檢測器和掃描控制器優(yōu)選由計(jì)算機(jī)控制，從而允許自動地捕獲光譜。在現(xiàn)有技術(shù)中已知合適的檢測器和掃描控制裝置。
盡管圖1和2示出了在同一軸線上的濾質(zhì)器，但也可以將分析濾質(zhì)器布置成與犧牲濾質(zhì)器軸線偏離。結(jié)果，通過分析濾質(zhì)器，將不存在從犧牲濾質(zhì)器到檢測器的視行路徑。這具有減少監(jiān)測器的本底計(jì)數(shù)率(background count rate)的優(yōu)點(diǎn)。這種本底計(jì)數(shù)可能是中性物質(zhì)經(jīng)過濾質(zhì)器系統(tǒng)的結(jié)果。當(dāng)然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員認(rèn)為中性物質(zhì)不受濾質(zhì)器四極場的影響，且因此直接通過濾質(zhì)器。存在多種使?fàn)奚鼮V質(zhì)器和分析濾質(zhì)器的軸線彼此偏移的方法，包括在這兩個(gè)濾質(zhì)器之間放置不同的離子光學(xué)設(shè)備。另一方法是布置犧牲濾質(zhì)器的軸線，使其與分析濾質(zhì)器的軸線相交，其與分析濾質(zhì)器級成一角度且大致位于分析濾質(zhì)器級的入口處。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將想象的到落在本發(fā)明范圍內(nèi)的其他實(shí)施例。例如，可以具有兩個(gè)或多個(gè)分析濾質(zhì)器或犧牲濾質(zhì)器，以進(jìn)一步改善質(zhì)譜儀的性能特性。同時(shí)，在犧牲濾質(zhì)器和分析濾質(zhì)器之間可串聯(lián)地布置其他部件；兩個(gè)濾質(zhì)器并不必須是并置的。當(dāng)然，本發(fā)明并不限于四極濾質(zhì)器結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可將其他結(jié)構(gòu)的濾質(zhì)器用于實(shí)施例中。
權(quán)利要求
1.一種濾質(zhì)器設(shè)備，用于過濾具有在一質(zhì)荷比范圍內(nèi)的質(zhì)荷比的離子束，以傳輸在所述范圍內(nèi)所選質(zhì)荷比的離子，所述設(shè)備包括用于發(fā)射離子束的離子束源，串聯(lián)的第一和第二濾質(zhì)器級，以接收來自離子束源的離子束，和真空系統(tǒng)，用于將至少第二濾質(zhì)器級維持在低于10-3托的工作壓力下，其中所述真空系統(tǒng)布置成將第一和第二濾質(zhì)器級維持在低于10-3托的工作壓力下，所述第一濾質(zhì)器級布置成用于僅傳輸具有一子范圍的質(zhì)荷比的離子，該子范圍包括所選的質(zhì)荷比，并且所述第二濾質(zhì)器布置成用于僅傳輸所述所選的質(zhì)荷比的離子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，與所述第二濾質(zhì)器級相比較，所述第一濾質(zhì)器級布置成具有較寬的帶通特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，在所述子范圍內(nèi)的離子包括離子束中1％或更少的離子。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，在所述子范圍內(nèi)的離子包括離子束中0.01％或更少的離子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，各濾質(zhì)器級包括多極分析器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，各濾質(zhì)器級包括四極結(jié)構(gòu)的桿。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的設(shè)備，其特征在于，還包括，直流和交流電壓電源，用于向各濾質(zhì)器級的所述桿施加驅(qū)動電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求5、6或7所述的設(shè)備，其特征在于，一交流電壓源連接到所述濾質(zhì)器級中的一個(gè)上，并且另一濾質(zhì)器級通過射頻耦合器而電耦合到所述一個(gè)濾質(zhì)器級上。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，還包括，掃描器，用于控制至少所述第二濾質(zhì)器級，從而可在所掃描范圍內(nèi)掃描所傳輸離子的質(zhì)荷比，以提供質(zhì)譜。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，所述掃描器布置成還控制第一濾質(zhì)器級，從而由所述第一濾質(zhì)器級傳輸?shù)淖臃秶馁|(zhì)荷比的中點(diǎn)基本上跟蹤由所述第二濾質(zhì)器級傳輸?shù)乃鶔呙璧馁|(zhì)荷比。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一濾質(zhì)器級布置成相對于所述第二濾質(zhì)器級軸偏。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一濾質(zhì)器級的縱軸布置成大體在所述第二濾質(zhì)器級最靠近第一濾質(zhì)器級的端部處與第二濾質(zhì)器級的縱軸相交。
13.一種質(zhì)譜儀，它包括如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的濾質(zhì)器設(shè)備。
14.一種方法，用于過濾具有在一質(zhì)荷比范圍內(nèi)的質(zhì)荷比的離子束，以傳輸在所述范圍內(nèi)所選質(zhì)荷比的離子，所述方法包括從離子束源發(fā)射離子束進(jìn)入第一濾質(zhì)器級；通過該第一濾質(zhì)器級僅傳輸具有一子范圍的質(zhì)荷比的離子，該子范圍包括所選的質(zhì)荷比；和通過與第一濾質(zhì)器串聯(lián)的第二濾質(zhì)器級僅傳輸具有所選質(zhì)荷比的離子，其中第一和第二濾質(zhì)器級在低于10-3托的壓力下工作。
15.一種生成離子束的質(zhì)譜的方法，該離子束具有在一質(zhì)荷比范圍內(nèi)的質(zhì)荷比，所述方法包括從離子束源發(fā)射離子束進(jìn)入第一濾質(zhì)器級，通過第一濾質(zhì)器僅傳輸具有子范圍的質(zhì)荷比的離子，該子范圍包括所選的質(zhì)荷比，通過與第一濾質(zhì)器串聯(lián)的第二濾質(zhì)器僅將具有所選質(zhì)荷比的離子傳輸?shù)綑z測器，該檢測器用于檢測任何具有所選質(zhì)荷比的離子，控制至少第二濾質(zhì)器級，從而在掃描范圍內(nèi)掃描所傳輸離子的質(zhì)荷比，以及檢測由第二濾質(zhì)器級傳輸?shù)娜我唤o定質(zhì)荷比的離子數(shù)，以提供質(zhì)譜，其中第一和第二濾質(zhì)器級在低于10-3托的壓力下工作。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，還包括，控制由所述第一濾質(zhì)器級傳輸?shù)碾x子的質(zhì)荷比，從而由所述第一濾質(zhì)器級傳輸?shù)淖臃秶馁|(zhì)荷比的中點(diǎn)基本上跟蹤由所述第二濾質(zhì)器級傳輸?shù)乃鶔呙璧馁|(zhì)荷比。
17.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的方法，其特征在于，在所述子范圍內(nèi)的離子包括離子束中1％或更少的離子。
18.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的方法，其特征在于，在所述子范圍內(nèi)的離子包括離子束中0.01％或更少的離子。
19.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的方法，其特征在于，各濾質(zhì)器級包括多極濾質(zhì)器，并且直流和交流驅(qū)動電壓施加到所述濾質(zhì)器上。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，一交流電壓供給到一個(gè)濾質(zhì)器級，并且另一濾質(zhì)器級通過射頻耦合器而電耦合到所述第一濾質(zhì)器級。
21.根據(jù)權(quán)利要求15、19或20所述的方法，其特征在于，一掃描器控制在電壓范圍內(nèi)的交流和直流電壓的振幅，且交流直流電壓比保持為基本不變。
22.根據(jù)權(quán)利要求14到21中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，一真空系統(tǒng)將至少所述第二濾質(zhì)器級維持在低于10-3托的工作壓力下，且所述第一和第二濾質(zhì)器級都維持在低于10-3托的工作壓力下。
23.一種方法，用于過濾來自具有一系列質(zhì)荷比的離子束的、具有給定的質(zhì)荷比的離子，在一質(zhì)譜儀中包括用于發(fā)射離子束的離子束源、用于檢測或傳輸所過濾離子的檢測器或輸出端、以及多個(gè)串聯(lián)布置在離子束源和檢測器或輸出端之間的濾質(zhì)器，所述濾質(zhì)器具有相同的等于或低于10-3托的工作壓力，所述方法包括從離子束源發(fā)射離子束進(jìn)入第一濾質(zhì)器；僅傳輸具有一質(zhì)荷比范圍的離子，該范圍包括來自第一濾質(zhì)器的被過濾離子的質(zhì)荷比；以及僅傳輸來自第二濾質(zhì)器的被過濾的離子，該第二濾質(zhì)器布置在第一濾質(zhì)器和檢測器或輸出端之間。
24.一種改善質(zhì)譜儀的分辨率的方法，包括從離子束源發(fā)射離子束進(jìn)入串聯(lián)的第一和第二濾質(zhì)器級，在該束中的離子具有落在一質(zhì)荷比范圍內(nèi)的質(zhì)荷比；通過第一濾質(zhì)器級僅傳輸具有一子范圍的質(zhì)荷比的離子，該子范圍包括所選的質(zhì)荷比；在第二濾質(zhì)器級處僅接收在所述子范圍內(nèi)的離子；通過第二濾質(zhì)器級僅傳輸具有所選質(zhì)荷比的離子，從而第二濾質(zhì)器級可以以降低的離子束電流來工作。
25.一種用于減少材料在質(zhì)譜儀的初級分辨濾質(zhì)器的多極部件上沉積的方法，包括從離子束源發(fā)射離子束進(jìn)入第一濾質(zhì)器級，在該束中的離子具有落在一質(zhì)荷比范圍內(nèi)的質(zhì)荷比，通過第一濾質(zhì)器級僅傳輸具有一子范圍的質(zhì)荷比的離子，該子范圍包括所選的質(zhì)荷比，在與所述第一濾質(zhì)器級串聯(lián)的第二濾質(zhì)器級處僅接收在所述子范圍內(nèi)的離子，所述第二濾質(zhì)器級構(gòu)成了所述初級分辨濾質(zhì)器，以及通過第二濾質(zhì)器級僅傳輸具有在子范圍內(nèi)的所選質(zhì)荷比的離子，從而降低了在所述初級分辨濾質(zhì)器中濾掉的離子數(shù)。
26.根據(jù)權(quán)利要求23到25中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述子范圍內(nèi)的離子包括離子束中1％或更少的離子。
27.根據(jù)權(quán)利要求23到25中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述子范圍內(nèi)的離子包括離子束中0.01％或更少的離子。
28.根據(jù)權(quán)利要求23到27中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第一和第二濾質(zhì)器級在低于10-3托的壓力下工作。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于過濾離子束的濾質(zhì)器設(shè)備。該設(shè)備包括用于發(fā)射離子束的離子束源，以及串聯(lián)的第一和第二濾質(zhì)器級，以接收來自離子束源的離子束。一真空系統(tǒng)將至少第二濾質(zhì)器級維持在低于10
文檔編號H01J49/42GK1653582SQ03811001
公開日2005年8月10日 申請日期2003年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月13日
發(fā)明者菲利普·馬里奧特 申請人:熱電子公司