專利名稱：優(yōu)化場形多極桿系的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及質(zhì)譜分析技術(shù)領(lǐng)域，特別是質(zhì)譜儀器的離子聚焦系統(tǒng)和離子導引系統(tǒng)中的一種具有優(yōu)化場形且易于加工的多極桿系。
背景技術(shù)：
質(zhì)譜儀器中還常常涉及到離子光學系統(tǒng)中的多極桿系。四極質(zhì)量分析器通常包括四極桿質(zhì)量分析器和離子阱質(zhì)量分析器，以四極場為基本工作條件。此外，在質(zhì)譜技術(shù)領(lǐng)域中，還常采用多極桿系作為離子光學系統(tǒng)，如采用二極桿、四極桿、六極桿、八極桿等作為離子透鏡或離子導引系統(tǒng)，此類多極桿區(qū)域內(nèi)的場形對于離子傳輸和聚焦等都具有重要意義。
已有的多極桿系的極桿多為圓柱桿或雙曲桿。雙曲桿是公認的難以實現(xiàn)高精度的加工與裝配的極桿。圓柱桿雖可實現(xiàn)高精度的加工，但卻難以實現(xiàn)高精度的裝配。多極桿的加工與裝配成為了限制其性能的重要因素。
美國專利6441370B1提出了一種矩形線性多極桿，可用作離子導引、離子阱。該多極桿采用截面為矩形的極桿，矩形極桿的表面疊加了一個表面層，該表面層起到改善場形的作用。采用矩形極桿，多極桿的加工與裝配將大大簡化，但該專利并未給出改善場形的具體實現(xiàn)方式，表面層只能定性改善場形，無法實現(xiàn)有效定量改善場形。
早期的場形研究結(jié)果認為高階場的引入將會破壞四極質(zhì)量分析器的質(zhì)量分辨率，而最新的研究成果表明，恰當?shù)囊敫唠A場分量，可有效改善四極質(zhì)量分析器的分辨率。如，美國專利6897438 B2中通過改變四極桿系參數(shù)，如，兩對極桿的桿半徑或場半徑之比，在四極場中引入八極場，改善了質(zhì)量分辨率。該專利只給出了在四極場中引入八極場的一種方法，即改變極桿半徑或場半徑，并未給出適用于引入其他高階場的實現(xiàn)方法。
無法實現(xiàn)所需的多極場形，無法實現(xiàn)多極桿系的高精度機械加工，包括高精度的加工和裝配，將會嚴重影響多極桿系的性能，從而影響質(zhì)譜儀器的離子光學系統(tǒng)。因此，有必要探索一種具有優(yōu)化場形、結(jié)構(gòu)靈活、易于加工、生產(chǎn)成本低廉的多極桿系，以構(gòu)建性能穩(wěn)定、可準確控制離子軌跡的離子光學系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種具有優(yōu)化場形、結(jié)構(gòu)靈活、易于加工、生產(chǎn)成本低廉的多極桿系，以構(gòu)建性能穩(wěn)定、可準確控制離子軌跡的離子光學系統(tǒng)。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種優(yōu)化場形多極桿系。
該優(yōu)化場形多極桿系包括一個多極桿，各個極桿平行于中心軸z軸；一組連接到多極桿各極桿的電源，提供多極桿系所需的電壓，實現(xiàn)離子的聚焦或?qū)б?br> 優(yōu)化場形多極桿系與已有多極桿系的區(qū)別在于各極桿為柱面體結(jié)構(gòu)，其柱面為由平行于z軸并沿電極準線f(x，y)＝0移動的直線段L所描繪出的軌跡，電極準線f(x，y)＝0具有分段函數(shù)的形式，利用一組通過分段函數(shù)各分界點的平行平面可將電極解析為至少三個薄層單元。此類電極稱為“可解析為多個薄層單元的電極”。本申請中所提的“多”個薄層單元均指至少三個薄層單元。
優(yōu)化場形多極桿系各極桿的布局可以采用對稱方式在xy平面內(nèi)以z軸為圓心，各間隔相同圓心角固定在同一圓周上；也可以采用非對稱的方式。
優(yōu)化場形多極桿系的電源連接到各極桿，可提供直流信號，或射頻信號，或其他波形信號，或多種信號的組合，以實現(xiàn)離子的聚焦和傳輸?shù)取?br> 優(yōu)化場形多極桿系極桿的薄層單元的表面可以包括平面、圓柱面、雙曲面或橢圓面，或這些曲面的組合。薄層單元可以是矩形平板、矩形塊等規(guī)則形狀體，也可以是柱面由一對平行平面與圓柱面、雙曲面、橢圓面或其他曲面組合而成的柱面體。電極準線可以構(gòu)造出多種柱面形狀，通過選擇適當?shù)姆侄魏瘮?shù)，即采用適當?shù)谋訂卧山M合得到生成優(yōu)化電場場形所需的多極桿電場邊界條件。
優(yōu)化場形多極桿系的極桿可以采用分別加工各個薄層單元，然后將各薄層組合起來的加工方式；也可以采用整體加工的方式一次加工各薄層單元組合而成的電極表面，即所加工的電極為具有所需表面的一體式電極。
本申請中的優(yōu)化場形多極桿系可以是由四個極桿組成的四極桿系，六個極桿組成的六極桿系，或八個極桿組成的八極桿系。
本申請所提出的由多個可解析為多個薄層單元的電極組成的優(yōu)化場形多極桿系既可用于四極質(zhì)量分析器區(qū)域，也可用于質(zhì)譜儀器的其他離子光學系統(tǒng)。
本申請?zhí)岢龅膬?yōu)化場形多極桿系采用了可解析為多個薄層單元的電極?？山馕鰹槎鄠€薄層單元的電極的設計過程可以是根據(jù)所需場形，確定薄層單元的類型并據(jù)此建立計算模型，通過改變薄層單元的尺寸參數(shù)、層數(shù)等條件獲得優(yōu)化場形，并由此確定電極的邊界條件和最佳組合方案。薄層單元可具有任意表面形狀，從獲得好的加工與裝配精密度方面考慮，可采用形狀簡單、易于加工裝配的薄層單元，如表面由平面、圓柱面等組合而成的電極。
采用易于加工的可解析為多個薄層單元的電極，可靈活、便利的實現(xiàn)所需的優(yōu)化場形。薄層單元可具有任意表面形狀，通過改變電極的層數(shù)和各薄層的參數(shù)，可便利的改變電極的表面形狀，即改變電場的邊界條件，從而實現(xiàn)場形的優(yōu)化。該方法不僅適用于質(zhì)量分析器內(nèi)的四極桿系，還適用于質(zhì)譜儀器其他離子光學系統(tǒng)所涉及的多極桿系，如離子聚焦和離子導引系統(tǒng)中常用的四極桿系、六極桿系、八極桿系等多極桿系。
總之，采用薄層單元組合而成的電極，可解決已有多極桿系的理想場形與極桿加工裝配之間的矛盾，同時，還可根據(jù)多極場理論研究的成果，方便、靈活地實現(xiàn)所需場形的電極邊界條件，將多極場理論成果有效地轉(zhuǎn)化為實際裝置。本申請?zhí)岢龅膬?yōu)化場形多極桿系為四極質(zhì)量分析器和質(zhì)譜儀器其他離子光學系統(tǒng)提供了一種可實現(xiàn)場形優(yōu)化、易于加工、成本低廉的切實可行的實施方案。


圖1利用可解析為多個薄層單元的電極組成的優(yōu)化場形四極桿系的示意圖。
圖2利用可解析為多個薄層單元的電極組成的優(yōu)化場形六極桿系的示意圖。
圖3利用可解析為多個薄層單元的電極組成的優(yōu)化場形八極桿系的示意圖。
圖4可解析為多個薄層單元的電極的示意圖。
圖5典型薄層單元組合示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本申請作進一步詳細說明。
圖1、2和3分別為利用可解析為多個薄層單元的電極組成的優(yōu)化場形四極桿系、六極桿和八極桿的示意圖。
可解析為多個薄層單元的電極為柱面體結(jié)構(gòu)，如圖4所示，其柱面是由平行于定直線并沿電極準線f(x，y)＝0移動的電極母線L所描繪出的軌跡。電極準線f(x，y)＝0具有分段函數(shù)的形式，利用一組通過各分界點的平行平面可將電極解析為至少三個薄層單元。
電極準線具有分段函數(shù)的形式，相鄰兩個分界點之間的曲線可以是任意函數(shù)，即沿分界點解析而成的薄層單元其柱面可包含任意曲面，如平面、圓柱面、雙曲面、橢圓面，等等。如圖5所示，薄層單元可以是矩形平板、矩形塊等規(guī)則形狀體，也可以是柱面由一對平行平面與圓柱面、雙曲面、橢圓面或其他曲面組合而成的柱面體。電極準線f(x，y)＝0可以構(gòu)造出多種柱面形狀，通過選擇適當?shù)姆侄魏瘮?shù)，即采用適當?shù)谋訂卧?，可組合得到生成優(yōu)化電場場形所需的電場邊界條件。可解析為多個薄層單元的電極的加工可采用分別加工各個薄層單元然后將個薄層組合起來的方式，也可以根據(jù)電極準線和電極母線所確定的電極參數(shù)采用整體加工的方式。
在實際加工中，要獲得理想的雙曲表面是相當困難的，這就大大限制了四極桿質(zhì)量分析器的分析性能。利用多個薄層單元可組合得到所需的RF電極。通過增加薄層單元的層數(shù)，調(diào)整各薄層單元的尺寸參數(shù)，可實現(xiàn)場形的優(yōu)化。從理論上，當薄層單元的厚度趨于無限小時，可組合得到具有理想雙曲截面的RF電極。在實際加工中，薄層單元將具有確定的厚度，當各薄層單元具有確定的形狀和參數(shù)時，利用數(shù)值模擬的方法，可計算出可解析為多個薄層單元的電極組成的四極桿內(nèi)的場形。反之，通過數(shù)值模擬的方法可獲得最佳場形所對應的極桿參數(shù)，如層數(shù)、薄層尺寸等，由此可加工出具有優(yōu)化場形的RF電極。RF可解析為多個薄層單元的電極可采用形狀簡單、易于加工裝配的薄層單元，如表面由平面、圓柱面等組合而成電極，從而大大提高加工與裝配的精度，同時也可大大降低離子阱的生產(chǎn)成本。
本發(fā)明所涉及的多極桿系可用于四極質(zhì)量分析器區(qū)域，如，四極桿質(zhì)量分析器的四極桿，也可用于質(zhì)譜儀器的其他離子光學系統(tǒng)，如作為離子透鏡或離子導引系統(tǒng)的四極桿、六極桿、八極桿等。
優(yōu)化場形多極桿系作為離子聚焦或離子導引等光學系統(tǒng)時，可在極桿上接入DC直流電壓、RF射頻電壓或其他波形的電壓，實現(xiàn)離子的聚焦和傳輸。
本發(fā)明所提的優(yōu)化場形多極桿系采用可解析為多個薄層單元的電極。電極的設計過程可以是根據(jù)所需場形，確定薄層單元的類型并據(jù)此建立計算模型，通過改變薄層單元的尺寸參數(shù)、電極層數(shù)等條件可獲得具有確定貢獻分量的多極場的混合場，即所需的優(yōu)化場形，并由此確定電極的邊界條件和最佳組合方案。
薄層單元可具有任意表面形狀，從獲得好的加工與裝配精密度方面考慮，可采用形狀簡單、易于加工裝配的薄層單元，如表面由平面、圓柱面等組合而成的電極。采用薄層單元組合而成的電極，可解決已有多極桿系的理想場形與極桿加工裝配之間的矛盾，同時，還可根據(jù)多極場理論研究的成果，方便、靈活地實現(xiàn)所需場形的電極邊界條件，將多極場理論成果有效地轉(zhuǎn)化為實際裝置。
從上述對具體實施方式
的說明可知，可解析為多個薄層單元的電極組成的多極桿系可方便、靈活地實現(xiàn)電極邊界條件的優(yōu)化，并由此優(yōu)化多極桿系內(nèi)的電場場形，將多極場理論研究成果有效轉(zhuǎn)化為實際裝置，從而為四極質(zhì)量分析器和質(zhì)譜儀器其他離子光學系統(tǒng)提供了一種可實現(xiàn)場形優(yōu)化、易于加工、成本低廉的切實可行的實施方案。
權(quán)利要求
1.一種優(yōu)化場形多極桿系，包括一個多極桿，一組電源；所述多極桿各極桿平行于中心軸z軸；所述電源連接到多極桿上，提供多極桿系所需的電壓；其特征在于所述多極桿的各極桿為柱面體結(jié)構(gòu)，其柱面為由平行于z軸并沿電極準線f(x，y)＝0移動的電極母線L所描繪出的軌跡，電極準線f(x，y)＝0具有分段函數(shù)的形式，利用一組通過分段函數(shù)各分界點的平行平面可將電極解析為至少三個薄層單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化場形多極桿系，其特征在于所述各極桿在xy平面內(nèi)以z軸為圓心，各間隔相同圓心角固定在同一圓周上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化場形多極桿系，其特征在于所述電源提供直流信號或射頻信號，或二者的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化場形多極桿系，其特征在于所述薄層單元其柱面包括平面、圓柱面、雙曲面或橢圓面，或其組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的優(yōu)化場形多極桿系，其特征在于通過改變薄層單元的參數(shù)可獲得具有確定貢獻分量的多極場的混合場。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化場形多極桿系，其特征在于所述可解析為多個薄層單元的電極其加工方式為分別加工各個薄層單元然后將各薄層組合起來；或采用整體加工的方式加工薄層單元組合而成的電極表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、或6所述的優(yōu)化場形多極桿系，其特征在于所述多極桿包括四個極桿，組成四極桿。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、或6所述的優(yōu)化場形多極桿系，其特征在于所述多極桿包括六個極桿，組成六極桿。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、或6所述的優(yōu)化場形多極桿系，其特征在于所述多極桿包括八個極桿，組成八極桿。
全文摘要
本發(fā)明提出的優(yōu)化場形多極桿系包括一個多極桿和一組連接到多極桿各極桿的電源，其中，各極桿為柱面體結(jié)構(gòu)，其柱面為由平行于z軸并沿電極準線f(x，y)＝0移動的直線段L所描繪出的軌跡，電極準線f(x，y)＝0具有分段函數(shù)的形式，利用一組通過分段函數(shù)各分界點的平行平面可將電極解析為至少三個薄層單元。通過采用此類可解析為多個薄層單元的電極，可提供一種具有優(yōu)化場形、結(jié)構(gòu)靈活、易于加工、生產(chǎn)成本低廉的多極桿系。本發(fā)明所提出的多極桿系可用于四極質(zhì)量分析器區(qū)域，如，四極桿質(zhì)量分析器的四極桿，也可用于質(zhì)譜儀器的其他離子光學系統(tǒng)，如作為離子透鏡或離子導引系統(tǒng)的四極桿、六極桿、八極桿等。
文檔編號H01J49/42GK1925103SQ200510093518
公開日2007年3月7日 申請日期2005年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月30日
發(fā)明者方向, 丁傳凡 申請人:方向