無(wú)窗電離裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種電離裝置包括：配置成生成等離子體的等離子體源。等離子體包括光、等離子體離子和等離子體電子。等離子體源包括孔徑，所述孔徑布置成使得光的至少一部分穿過(guò)孔徑并且入射在氣體樣本上。電離裝置還包括電離區(qū)域；以及等離子體偏轉(zhuǎn)裝置，所述等離子體偏轉(zhuǎn)裝置包括配置成建立電場(chǎng)的多個(gè)電極，其中電場(chǎng)基本上防止等離子體離子進(jìn)入電離區(qū)域。
【專(zhuān)利說(shuō)明】無(wú)窗電離裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無(wú)窗電離裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]電磁能可以用于便于經(jīng)由光化學(xué)應(yīng)用(例如軟電離和光裂解)的未知?dú)怏w的成分的檢查。電磁波譜的真空紫外(VUV)區(qū)特別有用于這些應(yīng)用，原因是VUV光子的能量(一般為6-124eV)對(duì)應(yīng)于多數(shù)化學(xué)物質(zhì)的電子激發(fā)和電離能量。真空紫外(VUV)光一般限定為具有在10-200納米的范圍內(nèi)的波長(zhǎng)的光。
[0003]多數(shù)現(xiàn)有的系統(tǒng)涉及例如使用共振燈、頻率倍增激光器或同步加速器遠(yuǎn)離待曝光的區(qū)域生成VUV光，并且典型地通過(guò)使VUV光穿過(guò)窗口設(shè)法將該光輸送到感興趣的區(qū)域。然而，在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的窗口材料和折射光學(xué)器件是稀有的或不存在，因此常常不能引導(dǎo)或集中VUV光。使用的窗口典型地吸收該波長(zhǎng)譜內(nèi)的大部分光，并且折射光學(xué)器件在非完美清潔環(huán)境中會(huì)被污染。另外，激光器和同步加速器會(huì)極其昂貴并且會(huì)需要大量的電力和空間。
[0004]所謂的“無(wú)窗”光電離裝置(“電離裝置”)允許光譜的更大部分入射到樣本上。然而，在已知無(wú)窗電離裝置中，等離子體的正離子(“等離子體離子”)和等離子體的電子(“等離子體電子”)可以穿過(guò)等離子體的光理想地傳輸通過(guò)的孔徑。等離子體離子存在于電離區(qū)域中會(huì)導(dǎo)致樣本的分析物離子的干擾峰值，并且最終減小感興趣的分析物離子的檢測(cè)的可靠性。等離子體電子和離子會(huì)以非受控方式通過(guò)電子轟擊電離或離子-分子電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)非理想地弓I起樣本的分析物離子的硬電離。
[0005]所以需要生成VUV光并且將VUV光輸送到感興趣的區(qū)域的更好的系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)代表性實(shí)施例，一種電離裝置包括:配置成生成等離子體的等離子體源。所述等離子體包括光、等離子體離子和等離子體電子。所述等離子體源包括孔徑，所述孔徑布置成使得所述光的至少一部分穿過(guò)所述孔徑并且入射在氣體樣本上。所述電離裝置還包括電離區(qū)域；以及等離子體偏轉(zhuǎn)裝置，所述等離子體偏轉(zhuǎn)裝置包括配置成建立電場(chǎng)的多個(gè)電極，其中所述電場(chǎng)基本上防止所述等離子體離子進(jìn)入所述電離區(qū)域。
[0007]根據(jù)另一代表性實(shí)施例，公開(kāi)一種將樣本氣體暴露于激發(fā)光的方法。所述方法包括:生成包括光、等離子體離子和等離子體電子的等離子體；使來(lái)自所述等離子體的所述光的至少一部分穿過(guò)孔徑到達(dá)電離區(qū)域；使氣體樣本穿過(guò)所述電離區(qū)域；以及生成電場(chǎng)以基本上防止所述等離子體離子進(jìn)入所述電離區(qū)域。
[0008]根據(jù)另一代表性實(shí)施例，一種電離裝置包括:具有入口端和出口端的通道，所述入口端配置成接收氣體樣本；等離子體源，所述等離子體源配置成生成光、等離子體離子和等離子體電子，所述等離子體源包括孔徑，所述孔徑布置成使得所述光的至少一部分穿過(guò)所述孔徑并且入射在從所述通道的所述出口端釋放的氣體樣本上；以及多個(gè)電極，所述多個(gè)電極配置成建立電場(chǎng)以引導(dǎo)等離子體離子。所述電場(chǎng)基本上防止所述等離子體離子通過(guò)所述孔徑離開(kāi)。所述電離裝置包括磁體，所述磁體配置成建立磁場(chǎng)以引導(dǎo)等離子體電子。所述磁場(chǎng)基本上防止所述等離子體的所述等離子體電子通過(guò)所述孔徑離開(kāi)并且所述電場(chǎng)和所述磁場(chǎng)正交。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]當(dāng)隨著附圖閱讀時(shí)從以下詳細(xì)描述最佳地理解代表性實(shí)施例。需要強(qiáng)調(diào)的是各種特征不必按比例繪制。實(shí)際上，為了論述的清楚起見(jiàn)尺寸可以任意地增加或減小。只要合適和條件允許，相似的附圖標(biāo)記表示相似的要素。
[0010]圖1示出根據(jù)代表性實(shí)施例的質(zhì)譜儀的簡(jiǎn)化示意圖。
[0011]圖2A示出根據(jù)代表性實(shí)施例的電離裝置的簡(jiǎn)化示意圖。
[0012]圖2B示出根據(jù)代表性實(shí)施例的電離裝置的簡(jiǎn)化示意圖。
[0013]圖3A示出根據(jù)代表性實(shí)施例的電離裝置的橫截面圖。
[0014]圖3B示出圖3A中所示的電離裝置的放大部分。
[0015]圖4A示出根據(jù)代表性實(shí)施例的電離裝置的橫截面圖。
[0016]圖4B示出根據(jù)代表性實(shí)施例的電離裝置的部分分解部分截面圖。
[0017]圖5示出根據(jù)代表性實(shí)施例的將樣本氣體暴露于激發(fā)光的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]在以下詳細(xì)描述中，為了解釋而不是限制的目的，闡述公開(kāi)具體細(xì)節(jié)的代表性實(shí)施例以便提供根據(jù)本教導(dǎo)的實(shí)施例的透徹理解。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員利用本發(fā)明將顯而易見(jiàn)脫離本文中所公開(kāi)的具體細(xì)節(jié)的根據(jù)本教導(dǎo)的其它實(shí)施例仍然在附帶權(quán)利要求的范圍內(nèi)。而且，可以省略公知裝置和方法的描述從而不使代表性實(shí)施例的描述晦澀。這樣的方法和裝置明顯地在本教導(dǎo)的范圍內(nèi)。
[0019]對(duì)于光化學(xué)應(yīng)用而言用于照射氣體樣本的有效策略是以方便耦合到樣本氣體的流動(dòng)的幾何形狀產(chǎn)生高密度光。下面描述允許將期望波長(zhǎng)(例如，真空紫外(VUV)光)的光子有效耦合到流動(dòng)氣體樣本的電離裝置的代表性實(shí)施例。
[0020]在代表性實(shí)施例中，等離子體在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生，并且結(jié)構(gòu)中的孔徑允許入射在電離區(qū)域中的樣本離子上的光子(例如，VUV光子)的無(wú)窗發(fā)射。等離子體偏轉(zhuǎn)裝置設(shè)在孔徑和電離區(qū)域之間。等離子體偏轉(zhuǎn)裝置包括偏轉(zhuǎn)電極，所述偏轉(zhuǎn)電極在孔徑和電離區(qū)域之間的區(qū)域中生成靜電場(chǎng)。電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)(通過(guò)吸引或排斥)穿過(guò)孔徑的等離子體的正離子并且基本上防止這些離子到達(dá)電離區(qū)域。在實(shí)施例中，等離子體偏轉(zhuǎn)裝置也包括磁體，所述磁體在孔徑和電離區(qū)域之間的區(qū)域中生成靜磁場(chǎng)。靜磁場(chǎng)基本上防止電子到達(dá)電離區(qū)域。磁場(chǎng)的幅度大到足以影響等離子體電子的運(yùn)動(dòng)，但是不大到足以影響相對(duì)較大的等離子體離子的運(yùn)動(dòng)。
[0021]磁場(chǎng)可以正交于電場(chǎng)或平行于電場(chǎng)定向。如下面更完整地所述，在磁場(chǎng)正交于電場(chǎng)定向的情況下穿過(guò)孔徑的等離子體電子在正交于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向上在所謂的EXB (其中“X”表示叉積)漂移中漂移。磁場(chǎng)的取向被選擇成使得等離子體電子不漂移到電離區(qū)域中。在磁場(chǎng)平行(或反平行)于電場(chǎng)定向的情況下，穿過(guò)孔徑的等離子體電子受到洛倫茲力。磁場(chǎng)的取向被選擇成使得等離子體電子偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離電離區(qū)域。
[0022]在另一代表性實(shí)施例中，等離子體在構(gòu)造有孔徑的環(huán)形腔中產(chǎn)生，所述孔徑沿著環(huán)形腔的內(nèi)表面或壁定向，允許徑向向內(nèi)引導(dǎo)到流動(dòng)氣體樣本的光子(例如，VUV光子)的無(wú)窗發(fā)射。根據(jù)代表性實(shí)施例，靜電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生來(lái)自源氣體的等離子體。根據(jù)代表性實(shí)施例，電場(chǎng)和磁場(chǎng)在電離裝置中到處正交。這導(dǎo)致等離子體電子在電場(chǎng)向量和磁場(chǎng)向量的叉積(E X B)的方向上的漂移。由于EXB漂移，根據(jù)電離裝置的幾何形狀等離子體電子的運(yùn)動(dòng)是圍繞點(diǎn)(通常稱(chēng)為引導(dǎo)中心)的較快圓形運(yùn)動(dòng)和圓形運(yùn)動(dòng)中的該點(diǎn)的較慢漂移的疊加。相比之下，由于它們的較大質(zhì)量和較弱靜磁場(chǎng)的選擇，等離子體離子不明顯地受到EXB漂移影響，而是在靜電場(chǎng)中軸向地加速。如下面更完整地所述，根據(jù)代表性實(shí)施例的靜電場(chǎng)和磁場(chǎng)的取向和幅度有助于防止等離子體離子和等離子體電子引導(dǎo)到電離裝置的電離區(qū)域中。
[0023]圖1顯示根據(jù)代表性實(shí)施例的質(zhì)譜儀100的簡(jiǎn)化示意圖。方塊圖以更一般的形式繪制，原因是本教導(dǎo)可以應(yīng)用于各種不同類(lèi)型的質(zhì)譜儀。當(dāng)本描述繼續(xù)時(shí)應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會(huì)，代表性實(shí)施例的裝置和方法可以與質(zhì)譜儀100結(jié)合使用。因而，質(zhì)譜儀100有用于獲得代表性實(shí)施例的裝置和方法的功能和應(yīng)用的更全面理解，但是不旨在限制這些功能和應(yīng)用。質(zhì)譜儀100包括離子源101、質(zhì)量分析器102和檢測(cè)器103。離子源101包括電離裝置104，所述電離裝置配置成電離氣體樣本(未在圖1中顯示)并且將離子提供給質(zhì)量分析器102。下面根據(jù)代表性實(shí)施例描述電離裝置104的細(xì)節(jié)。質(zhì)譜儀100的其它部件包括本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的裝置并且未詳細(xì)地描述以避免使代表性實(shí)施例的描述晦澀。例如，質(zhì)量分析器102尤其可以是四極質(zhì)量分析器、離子阱質(zhì)量分析器或飛行時(shí)間(TOF)質(zhì)譜儀。
[0024]圖2A示出根據(jù)代表性實(shí)施例的電離裝置200的簡(jiǎn)化示意圖。電離裝置200可以在離子源101中作為電離裝置104實(shí)現(xiàn)。電離裝置200包括等離子體源201、電離區(qū)域202以及布置在等離子體源201和電離區(qū)域202之間的等離子體偏轉(zhuǎn)裝置203。如下面更完整地所述，等離子體偏轉(zhuǎn)裝置203包括生成靜電場(chǎng)204的等離子體離子偏轉(zhuǎn)電極(未在圖2A中顯示)。值得注意地，電源(未顯示)連接在等離子體偏轉(zhuǎn)電極之間并且靜電電壓施加到等離子體偏轉(zhuǎn)電極之間以建立靜電場(chǎng)。靜電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)(排斥或吸引)等離子體離子和等離子體電子遠(yuǎn)離電離區(qū)域202?？蛇x地，提供靜磁場(chǎng)205的源以偏轉(zhuǎn)等離子體電子遠(yuǎn)離電離區(qū)域202。在某些實(shí)施例中源可以是永磁體，并且在其它實(shí)施例中，源可以是電磁體。
[0025]來(lái)自等離子體源201的光通過(guò)等離子體源201的端部206處的孔徑(未在圖2A中顯示)發(fā)射并且入射在電離區(qū)域202中的樣本(未顯示)的分析物分子上。光電離分析物分子，然后分析物分子提供給質(zhì)譜儀100的質(zhì)量分析器102。根據(jù)代表性實(shí)施例，等離子體源
201可以在James E.Cooley等人的名稱(chēng)為“具有用于氣體的真空紫外照射的腔的微等離子體裝置及其制造和使用方法(Microplasma Device with Cavity for Vacuum UltravioletIrradiation of Gases and Methods of Making and Using the Same)，，的共同擁有的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)12/613,643中描述。公開(kāi)為美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公告20110109226的該專(zhuān)利申請(qǐng)的公開(kāi)通過(guò)引用具體地合并到本文中。
[0026]等離子體離子和等離子體電子可能非理想地通過(guò)等離子體源201的端部206處的孔徑發(fā)射。如上所述，等離子體離子和等離子體電子進(jìn)入電離區(qū)域202是非理想的。在代表性實(shí)施例中，在端部206處發(fā)射的等離子體離子由靜電場(chǎng)204在遠(yuǎn)離電離區(qū)域的方向(在圖2A的坐標(biāo)系中的y方向)上偏轉(zhuǎn)，并且等離子體電子在相反的方向上由靜電場(chǎng)204偏轉(zhuǎn)。[0027]等離子體離子和等離子體電子從等離子體源201的端部206處的孔徑發(fā)射并且可以形成準(zhǔn)中性、等離子體樣環(huán)境。緊靠等離子體偏轉(zhuǎn)裝置203的偏轉(zhuǎn)電極形成這樣的準(zhǔn)中性等離子體樣環(huán)境可以用于屏蔽靜電場(chǎng)204并且減弱它對(duì)等離子體離子的影響。如果等離子體離子和等離子體電子有效屏蔽施加到等離子體偏轉(zhuǎn)裝置203的偏轉(zhuǎn)電極的靜電電勢(shì)的長(zhǎng)度小于偏轉(zhuǎn)電極的距離，則靜電場(chǎng)204防止等離子體離子到達(dá)電離區(qū)域202的有用性非理想地減小。
[0028]在代表性實(shí)施例中，靜電場(chǎng)204設(shè)在等離子體偏轉(zhuǎn)裝置203中。等離子體離子由靜電場(chǎng)204影響并且偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離電離區(qū)域。例如，在如圖2A中所示的靜電場(chǎng)204的示例性取向的情況下，等離子體離子在y方向上被引導(dǎo)。等離子體離子相對(duì)較大，并且靜磁場(chǎng)205的幅度選擇成使得等離子體離子的運(yùn)動(dòng)不明顯地由靜磁場(chǎng)205影響。然而，等離子體電子受到E X B漂移并且在圖2A中所示的坐標(biāo)系中的z方向上(B卩，離開(kāi)頁(yè)平面)偏轉(zhuǎn)。因而，如圖2A中所示的等離子體偏轉(zhuǎn)裝置203中的靜電場(chǎng)204和靜磁場(chǎng)205的施加允許等離子體離子和等離子體電子的分離，由此防止在等離子體源201的端部206處形成準(zhǔn)中性等離子體樣環(huán)境，并且最終改善等離子體離子和等離子體電子偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離電離區(qū)域202。
[0029]圖2B示出根據(jù)另一代表性實(shí)施例的電離裝置200的簡(jiǎn)化示意圖。電離裝置200可以在離子源101中作為電離裝置104實(shí)現(xiàn)。電離裝置200包括等離子體源201、電離區(qū)域
202以及布置在等離子體源和電離區(qū)域之間的等離子體偏轉(zhuǎn)裝置203。等離子體偏轉(zhuǎn)裝置203包括等離子體離子偏轉(zhuǎn)電極(未顯示)。如下面更完整地所述，等離子體偏轉(zhuǎn)裝置203包括生成靜電場(chǎng)204的等離子體離子偏轉(zhuǎn)電極(未在圖2B中顯示)。值得注意地，電源(未顯示)連接在等離子體偏轉(zhuǎn)電極之間并且靜電電壓施加到等離子體偏轉(zhuǎn)電極之間以建立靜電場(chǎng)。靜電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)等離子體離子和等離子體電子遠(yuǎn)離電離區(qū)域202。可選地，提供靜磁場(chǎng)205的源以偏轉(zhuǎn)等離子體電子遠(yuǎn)離電離區(qū)域202。在某些實(shí)施例中源可以是永磁體，并且在其它實(shí)施例中，源可以是電磁體。
[0030]在當(dāng)前描述的實(shí)施例中，靜電場(chǎng)204和靜磁場(chǎng)205彼此平行地定向?？梢灶A(yù)料靜電場(chǎng)204和靜磁場(chǎng)205彼此反平行地定向。
[0031]等離子體離子由靜電場(chǎng)204影響并且偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離電離區(qū)域(再次在y方向上)。具有正交于靜磁場(chǎng)205的速度分量的等離子體電子受到洛倫茲力(q(E+vXB))的磁分量(qvXB)，其中V是電子的速度，q是電子的電荷，E是電場(chǎng)并且B是磁場(chǎng)。磁分量有益地延緩等離子體電子在X方向上的運(yùn)動(dòng)。最終，從等離子體源201的端部206發(fā)射的等離子體電子的相當(dāng)大部分由等離子體偏轉(zhuǎn)裝置203偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離電離區(qū)域。因而，如圖2B中所示的等離子體偏轉(zhuǎn)裝置203中的靜電場(chǎng)204和靜磁場(chǎng)205的施加允許等離子體離子和等離子體電子的分離，由此防止在等離子體源201的端部206處形成準(zhǔn)中性等離子體樣環(huán)境，并且最終改善等離子體離子和等離子體電子偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離電離區(qū)域202。
[0032]圖3A示出根據(jù)代表性實(shí)施例的電離裝置300的橫截面圖。電離裝置300可以在離子源101中作為電離裝置104實(shí)現(xiàn)。電離裝置300圍繞對(duì)稱(chēng)軸線301布置。入口 302被提供并且配置成接收包括分析物分子的樣本氣體(未顯示)。樣本氣體在入口 302處在平行于對(duì)稱(chēng)軸線301的方向上被引導(dǎo)。
[0033]有用地導(dǎo)電的電離裝置300的各種部件由合適的導(dǎo)電材料、例如不銹鋼制造。需要電絕緣的電離裝置300的各種部件由合適的電絕緣體、例如高溫塑料(例如，Vespel⑧)或合適的可加工陶瓷材料(例如，Macor ?，氧化鋁或氮化硼)制造。代表性實(shí)施例的磁體示例性地為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的稀土磁體。
[0034]電離裝置300包括第一等離子體源303和可選的第二等離子體源304。第一和第二等離子體源303、304示例性地在上面通過(guò)引用被合并的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公告20110109226中被描述。值得注意地，第二等離子體源304提供第一等離子體源303的冗余功能并且未進(jìn)一步詳細(xì)地描述它功能。
[0035]電離裝置300包括鄰近孔徑(未在圖3A中顯示)布置的偏轉(zhuǎn)裝置305，來(lái)自等離子體306的光傳輸通過(guò)所述孔徑。來(lái)自等離子體的光入射在電離區(qū)域307中的樣本氣體上。在電離之后，分析物離子由離子光學(xué)器件308朝著出口 309引導(dǎo)并且到達(dá)質(zhì)量分析器(未在圖3A中顯示)。如上所述，并且如下面結(jié)合本實(shí)施例更完整地所述，偏轉(zhuǎn)裝置305配置成提供靜電場(chǎng)，并且可選地，提供靜磁場(chǎng)。大體上通過(guò)在下述的偏轉(zhuǎn)電極之間產(chǎn)生大約IOV到100V之間的電壓差建立靜電場(chǎng)。如上所述，磁場(chǎng)強(qiáng)度選擇成偏轉(zhuǎn)等離子體電子、但不偏轉(zhuǎn)具有比等離子體電子更大的質(zhì)量的等離子體離子。例如，靜磁場(chǎng)為大約5000高斯。
[0036]在某些實(shí)施例中，電場(chǎng)正交于磁場(chǎng)。因而，等離子體離子由靜電場(chǎng)影響并且偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離電離區(qū)域307。等離子體電子受到E X B漂移并且在圖3A中所示的坐標(biāo)系中的z方向上(SP，離開(kāi)頁(yè)平面)偏轉(zhuǎn)。
[0037]在其它實(shí)施例中，靜電場(chǎng)平行(或反平行)于靜磁場(chǎng)。等離子體離子由靜電場(chǎng)影響并且偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離電離區(qū)域307。具有正交于靜磁場(chǎng)的速度分量的等離子體電子受到洛倫茲力的磁分量并且偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離電離區(qū)域。
[0038]圖3B示出圖3A中所示的電離裝置300的放大部分。圖3B更詳細(xì)地描繪偏轉(zhuǎn)裝置305。偏轉(zhuǎn)裝置305包括第一偏轉(zhuǎn)電極310和第二偏轉(zhuǎn)電極311。在某些實(shí)施例中，第一和第二偏轉(zhuǎn)電極310、311布置成產(chǎn)生電場(chǎng)，所述電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)來(lái)自第一等離子體源303和第二等離子體源304的等離子體離子和等離子體電子并且基本上防止等離子體離子和等離子體電子到達(dá)電離區(qū)域307。在示例性實(shí)施例中，第一和第二偏轉(zhuǎn)電極310、311建立在X維度上定向的相應(yīng)的電場(chǎng)以基本上偏轉(zhuǎn)等離子體離子和等離子體電子以防在z方向上行進(jìn)到電離區(qū)域307中。
[0039]偏轉(zhuǎn)裝置305可選地包括第一磁體312和第二磁體313。第一和第二磁體312、313具有相反極性并且產(chǎn)生徑向磁場(chǎng)。第一和第二磁體312、313可以包括本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的永磁體或電磁體。類(lèi)似于第一和第二偏轉(zhuǎn)電極310、311，第一和第二磁體312、313環(huán)形地圍繞對(duì)稱(chēng)軸線301布置使得第一和第二磁體312、313的每一個(gè)偏轉(zhuǎn)來(lái)自第一等離子體源303和第二等離子體源304的等離子體電子。
[0040]第一孔徑314設(shè)在第一等離子體源303和電離區(qū)域307之間，并且第二孔徑315布置在第二等離子體源304和電離區(qū)域307之間。在代表性實(shí)施例中，第一和第二孔徑314、315在寬度(所示的坐標(biāo)系中的z方向)上為大約600 μ m并且在高度(所示的坐標(biāo)系中的x方向)上為大約250 μ m。第一和第二偏轉(zhuǎn)電極310、311分離(在x方向上)大約1.0mm，并且電離區(qū)域307具有大約3.0mm的半徑(在y-ζ平面中)。應(yīng)當(dāng)注意部件和它們的間隔的絕對(duì)尺寸僅僅是示例性的。然而，控制尺寸的比例以保證確保離子和電子偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離電離區(qū)域307所需的適當(dāng)充分的場(chǎng)強(qiáng)。
[0041]第一和第二孔徑314、315通過(guò)來(lái)自生成的等離子體的光提供樣本氣體的無(wú)窗照射。等離子體離子和等離子體電子可以穿越第一和第二孔徑314、315并且垂直地(圖3B的坐標(biāo)系中的相應(yīng)的—I方向和I方向)行進(jìn)。如果等離子體離子和等離子體電子未偏轉(zhuǎn)，則等離子體離子和等離子體電子將進(jìn)入電離區(qū)域307并且污染樣本氣體，如上所述。在鄰近第一和第二孔徑314、315的區(qū)域中，第一和第二偏轉(zhuǎn)電極310、311配置成建立在x方向上的靜電場(chǎng)以在遠(yuǎn)離電離區(qū)域307的方向上(即，在+X方向上)偏轉(zhuǎn)等離子體離子和等離子體電子。有利地，通過(guò)包含第一和第二偏轉(zhuǎn)電極310、311以及第一和第二磁體，電離區(qū)域307中的等離子體離子電流相比于已知電離裝置減小1000的因數(shù)。
[0042]在某些實(shí)施例中第一和第二磁體312、313配置成提供正交于在第一和第二偏轉(zhuǎn)電極310、311之間建立的靜電場(chǎng)的靜磁場(chǎng)。因而，在圖3B所示的坐標(biāo)系中，靜磁場(chǎng)在y方向上。在_y方向上(即，從第一等離子體源303朝著電離區(qū)域307)行進(jìn)的電子在_z方向上(進(jìn)入頁(yè)平面)由EXB漂移偏轉(zhuǎn)。類(lèi)似地，在+y方向上(即，從第二等離子體源304朝著電離區(qū)域307)行進(jìn)的電子在+z方向上(離開(kāi)頁(yè)平面)由EXB漂移偏轉(zhuǎn)。有利地，等離子體離子和等離子體電子偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離電離區(qū)域307并且基本上防止污染樣本氣體。有利地，通過(guò)包含第一和第二偏轉(zhuǎn)電極310、311以及第一和第二磁體312、313，電離區(qū)域307中的等離子體離子電流和等離子體電子電流相比于已知電離裝置均減小1000的因數(shù)。
[0043]在某些實(shí)施例中第一和第二磁體312、313配置成提供靜磁場(chǎng)，所述靜磁場(chǎng)平行(或反平行)于在第一和第二偏轉(zhuǎn)電極310、311之間建立的靜電場(chǎng)的方向。因而，在圖3B所示的坐標(biāo)系中，靜磁場(chǎng)在X方向上。在_y方向上(即，從第一等離子體源303朝著電離區(qū)域307)行進(jìn)的電子在z方向上(離開(kāi)頁(yè)平面)由洛倫茲力的磁分量偏轉(zhuǎn)。類(lèi)似地，在+y方向上(即，從第二等離子體源304朝著電離區(qū)域307)行進(jìn)的電子在+z方向上(進(jìn)入頁(yè)平面)由洛倫茲力的磁分量偏轉(zhuǎn)。有利地，通過(guò)包含第一和第二偏轉(zhuǎn)電極310、311以及第一和第二磁體312、313，電離區(qū)域307中的等離子體離子電流和等離子體電子電流相比于已知電離裝置均減小1000的因數(shù)。
[0044]圖4A示出根據(jù)代表性實(shí)施例的電離裝置400的橫截面圖。電離裝置400可以在離子源101中作為電離裝置104實(shí)現(xiàn)。電離裝置400包括配置成接收通道402的外殼401。通道402包括入口 403和出口 404。氣體樣本405設(shè)在入口 403處。有用地導(dǎo)電的電離裝置400的各種部件由合適的導(dǎo)電材料、例如不銹鋼制造。需要電絕緣的電離裝置400的各種部件由合適的電絕緣體、例如高溫塑料(例如，Vespel ?)或合適的可加工陶瓷材料(例如，Macor ?，氧化鋁或氮化硼)制造。代表性實(shí)施例的磁體示例性地為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的稀土磁體。
[0045]在大致環(huán)繞通道402的腔407中產(chǎn)生等離子體406。腔407形成于結(jié)構(gòu)409中，所述結(jié)構(gòu)包括沿著結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁409’的孔徑408。如下面更完整地所述，沿著內(nèi)壁409’的孔徑408允許在等離子體406中產(chǎn)生的光子(例如，VUV光子)入射在通道402的出口 404處的氣體樣本405上并且導(dǎo)致氣體樣本405的光電離。
[0046]等離子體陽(yáng)極410布置在腔407的一個(gè)端部處并且等離子體陰極411布置在腔407的相對(duì)端部處。外磁體412設(shè)在外殼401的凹陷413中并且大致環(huán)繞腔407。內(nèi)磁體414大致環(huán)繞通道402，如圖所示。值得注意地，外和內(nèi)磁體412、414具有相反的極性并且產(chǎn)生徑向磁場(chǎng)。外和內(nèi)磁體412、414可以包括本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的永磁體或電磁體。在代表性實(shí)施例中，外和內(nèi)磁體412、414提供在2000高斯到大約1000高斯的范圍內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)。
[0047]可選的等離子體電子偏轉(zhuǎn)電極415靠近通道402的出口 404布置。等離子體電子偏轉(zhuǎn)電極415靠近出口 404大致環(huán)繞通道402，如圖4A中所示。可選的等離子體離子偏轉(zhuǎn)電極416靠近通道的出口 404布置，電離區(qū)域417形成于通道402的出口 404和等離子體離子偏轉(zhuǎn)電極416之間。如下面更完整地所述，由于通過(guò)用于產(chǎn)生等離子體406的建立電場(chǎng)和磁場(chǎng)將等離子體離子和等離子體電子限制在腔407中，可以放棄等離子體電子偏轉(zhuǎn)電極415和等離子體離子偏轉(zhuǎn)電極416。在代表性實(shí)施例中，在大約30V到大約120V的范圍內(nèi)的電壓設(shè)在等離子體電子偏轉(zhuǎn)電極415和等離子體離子偏轉(zhuǎn)電極416之間以在其間建立所需的靜電場(chǎng)。
[0048]鄰近等離子體離子偏轉(zhuǎn)電極416提供離子提取光學(xué)器件418。電離的氣體樣本419設(shè)在電離裝置400的出口 420處。在質(zhì)譜儀100中，出口 420連接到質(zhì)量分析器102。在代表性實(shí)施例中，合適的電壓差保持在離子提取光學(xué)器件之間以保證離子從電離區(qū)域417和質(zhì)量分析器102的移動(dòng)。
[0049]電離裝置400圍繞對(duì)稱(chēng)軸線421布置，所述對(duì)稱(chēng)軸線限定本發(fā)明的軸向方向。如下所述，在等離子體陽(yáng)極410和等離子體陰極411之間在軸向方向上建立靜電電壓差。磁場(chǎng)由外和內(nèi)磁體412、414在向內(nèi)徑向方向(B卩，正交于軸向方向)上建立，如圖4A中的箭頭422所示。
[0050]入口端口(未在圖4A中顯示)連接到腔407并且配置成接收用于生成等離子體406的源氣體(未顯示)。在一些實(shí)施例中，源氣體包括稀有氣體，例如氪、氖、IS或氦。在一些實(shí)施例中，源氣體包括氫。源氣體可以被選擇為對(duì)應(yīng)于到達(dá)氣體樣本405的電離裝置400的期望輸出光子波長(zhǎng)的氣體混合物或成分。通過(guò)源氣體的合適選擇，可以選擇等離子體406的各種發(fā)射波長(zhǎng)。例如，氦(He)具有在58.43nm處的光共振發(fā)射譜線，具有21.22eV的能量的發(fā)射光子，而氪(Kr)具有在116.49和123.58nm處的譜線，具有10.64和10.03eV的相應(yīng)光子能量。發(fā)射波長(zhǎng)因此可以適當(dāng)?shù)仄ヅ淦谕麘?yīng)用。因而，較低能量光子可以用于電離具有減小裂解的大分子。替代地，較高能量光子可以用于分子碎片，或者可以選擇光子能量以選擇性地電離某些化合物而不電離其它化合物。
[0051]等離子體陽(yáng)極410和等離子體陰極411連接到能量源(未顯示)。能量源可以配置成以直流電壓、脈沖電壓或具有某個(gè)適當(dāng)頻率的振蕩信號(hào)(例如射頻或微波)的形式將能量提供給源氣體以生成并且保持等離子體。
[0052]在代表性實(shí)施例中，腔407示例性地為環(huán)形。在操作中，源氣體供應(yīng)到入口端口(未在圖4A中顯示)以生成等離子體406。靜電電壓(直流電壓、脈沖電壓或具有某個(gè)適當(dāng)頻率的振蕩電壓(例如射頻或微波))在等離子體陽(yáng)極410和等離子體陰極411之間被輸送。由此產(chǎn)生的電場(chǎng)維持大致限制在腔407的內(nèi)部的等離子體406中的放電。沿著腔407的內(nèi)壁409’的孔徑408允許徑向向內(nèi)定向的無(wú)窗光(例如，VUV)發(fā)射，同時(shí)限制源氣體從等離子體406的流動(dòng)使得可以在通道402的入口 403和出口 404之間保持壓力差。而且，在軸向方向上建立的電場(chǎng)有助于將等離子體406的等離子體離子限制在腔407內(nèi)(即，在等離子體陽(yáng)極410和等離子體陰極411之間)。
[0053]磁場(chǎng)徑向向內(nèi)地(B卩，垂直于對(duì)稱(chēng)軸線421，由箭頭422顯示)定向。靜電場(chǎng)和磁場(chǎng)的該正交取向產(chǎn)生EXB漂移，其中等離子體406的電子的運(yùn)動(dòng)是圍繞引導(dǎo)中心的較快圓形運(yùn)動(dòng)和在EXB的方向上(即，旋轉(zhuǎn)地圍繞對(duì)稱(chēng)軸線421，如箭頭423所示)的該點(diǎn)的較慢漂移的疊加。換句話說(shuō)，等離子體406的等離子體電子的運(yùn)動(dòng)是方位角的，具有圍繞對(duì)稱(chēng)軸線421的大致恒定弧速度。磁場(chǎng)在圍繞對(duì)稱(chēng)軸線421的EXB漂移軌道中俘獲等離子體406的電子。等離子體電子電離引入腔407中的源氣體并且?guī)椭S持等離子體406。由等離子體電子產(chǎn)生的等離子體離子不明顯地由較弱磁場(chǎng)影響，而是由等離子體陽(yáng)極410和等離子體陰極411之間的軸向靜電力加速，進(jìn)一步維持等離子體406。
[0054]如下面更完整地所述，除了等離子體產(chǎn)生以外，等離子體陽(yáng)極410和等離子體陰極411用于將等離子體離子和等離子體電子限制到腔407并且因此基本上防止等離子體離子和等離子體電子穿過(guò)孔徑408并且進(jìn)入電離區(qū)域417。類(lèi)似地，除了等離子體產(chǎn)生以外，內(nèi)和外磁體414、412用于將電子限制在腔中并且因此基本上防止等離子體電子穿過(guò)孔徑并且進(jìn)入電離區(qū)域。因而，等離子體陽(yáng)極410和等離子體陰極411與內(nèi)和外磁體414、412結(jié)合用作根據(jù)代表性實(shí)施例的偏轉(zhuǎn)裝置。
[0055]電離裝置400的正交電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相對(duì)取向不僅用于產(chǎn)生和維持等離子體406，而且用于基本上將等離子體406的電子和離子限制在腔407內(nèi)。由于在孔徑408上沒(méi)有窗口，因此存在離子和電子通過(guò)孔徑408泄漏到電離區(qū)域417中和通道402中的可能性。這樣的離子和電子會(huì)污染樣本氣體/離子并且最終導(dǎo)致質(zhì)譜儀100的不精確測(cè)量。有利地，并且如上所述，等離子體406的離子由等離子體陽(yáng)極410和等離子體陰極411之間的電場(chǎng)強(qiáng)烈地引導(dǎo)，并且基本上被防止離開(kāi)孔徑408。等離子體406的電子被限制在旋轉(zhuǎn)地圍繞對(duì)稱(chēng)軸線的EXB漂移中，并且也基本上被防止通過(guò)孔徑408離開(kāi)。
[0056]圖4B示出圖4A中所示的電離裝置400的部分分解部分截面圖。電離裝置400包括配置成接收通道402的外殼401。外殼401和通道402包括導(dǎo)電材料、例如不銹鋼。
[0057]氣體樣本405設(shè)在入口 403處。在大致環(huán)繞通道402的結(jié)構(gòu)409的腔407中產(chǎn)生等離子體406。結(jié)構(gòu)409示例性地是電絕緣體(例如，高溫塑料或合適的可加工陶瓷材料)，其使腔407與為了偏轉(zhuǎn)等離子體離子和等離子體電子生成的電場(chǎng)隔離，并且與離子提取光學(xué)器件418隔離以保證腔407中的電場(chǎng)是軸向的(即，平行于對(duì)稱(chēng)軸線421)。沿著內(nèi)壁409’的孔徑408允許在等離子體406中產(chǎn)生的光子(例如，VUV光子)入射在通道402的出口 404處的氣體樣本405上并且導(dǎo)致氣體樣本405的光電離。
[0058]如圖4B中所示，腔407示例性地為環(huán)形。在操作中，源氣體供應(yīng)到入口端口(未在圖4B中顯示)以在腔407中生成等離子體。靜電電壓(直流電壓、脈沖電壓或具有某個(gè)適當(dāng)頻率的振蕩電壓(例如射頻或微波))在等離子體陽(yáng)極410和等離子體陰極411之間被輸送。由此產(chǎn)生的電場(chǎng)維持大致限制在腔407的內(nèi)部的等離子體406中的放電。腔407的孔徑408允許徑向向內(nèi)(在箭頭422的方向上)定向的無(wú)窗光(例如，VUV)發(fā)射，同時(shí)限制源氣體從等離子體406的流動(dòng)使得可以在通道402的入口 403和出口 404之間保持壓力差。而且，在軸向方向上建立的電場(chǎng)有助于將等離子體406的等離子體離子限制在腔407內(nèi)(SP，在等離子體陽(yáng)極410和等離子體陰極411之間)。
[0059]磁場(chǎng)徑向向內(nèi)地(B卩，垂直于對(duì)稱(chēng)軸線421，由箭頭422顯示)定向。靜電場(chǎng)和磁場(chǎng)的該正交取向產(chǎn)生EXB漂移，其中等離子體406的電子的運(yùn)動(dòng)是圍繞引導(dǎo)中心的較快圓形運(yùn)動(dòng)和在EXB的方向上(即，旋轉(zhuǎn)地圍繞對(duì)稱(chēng)軸線421，如箭頭423所示)的該點(diǎn)的較慢漂移的疊加。換句話說(shuō)，等離子體406的等離子體電子的運(yùn)動(dòng)是方位角的，具有圍繞對(duì)稱(chēng)軸線421的大致恒定弧速度。磁場(chǎng)在圍繞對(duì)稱(chēng)軸線421的EXB漂移軌道中俘獲等離子體406的電子。等離子體電子電離引入腔407中的源氣體并且?guī)椭S持等離子體406。由等離子體電子產(chǎn)生的等離子體離子不明顯地由較弱磁場(chǎng)影響，而是由等離子體陽(yáng)極410和等離子體陰極411之間的軸向靜電力加速，進(jìn)一步維持等離子體406。
[0060]可選的等離子體電子偏轉(zhuǎn)電極415靠近通道402的出口 404布置。等離子體電子偏轉(zhuǎn)電極415靠近出口 404大致環(huán)繞通道402，如圖4B中所示?？蛇x的等離子體離子偏轉(zhuǎn)電極416靠近通道的出口 404布置，電離區(qū)域417形成于通道402的出口 404和等離子體離子偏轉(zhuǎn)電極416之間。如上所述，由于通過(guò)用于產(chǎn)生等離子體406的建立電場(chǎng)和磁場(chǎng)將等離子體離子和等離子體電子限制在腔407中，可以放棄等離子體電子偏轉(zhuǎn)電極415和等離子體離子偏轉(zhuǎn)電極416。
[0061]圖5示出根據(jù)代表性實(shí)施例的將樣本氣體暴露于激發(fā)光的方法500的流程圖?？梢允褂酶鶕?jù)結(jié)合圖1?4B所述的代表性實(shí)施例的電離裝置執(zhí)行方法500。在501，方法包括生成包括光、等離子體離子和等離子體電子的等離子體。在502，方法包括使來(lái)自等離子體的光的至少一部分穿過(guò)孔徑到達(dá)電離區(qū)域。在503，方法包括使氣體樣本穿過(guò)電離區(qū)域。在504，方法包括生成電場(chǎng)以基本上防止等離子體離子進(jìn)入電離區(qū)域。
[0062]盡管在本文中公開(kāi)了代表性實(shí)施例，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員領(lǐng)會(huì)根據(jù)本教導(dǎo)的許多變化是可能的并且在附帶權(quán)利要求的范圍內(nèi)。所以除了被限制在附帶權(quán)利要求的范圍內(nèi)以外，本發(fā)明不被限制。
【權(quán)利要求】
1.一種電離裝置，其包括: 配置成生成等離子體的等離子體源，所述等離子體包括光、等離子體離子和等離子體電子，所述等離子體源包括孔徑，所述孔徑布置成使得所述光的至少一部分穿過(guò)所述孔徑并且入射在氣體樣本上； 電離區(qū)域；以及 等離子體偏轉(zhuǎn)裝置，所述等離子體偏轉(zhuǎn)裝置包括配置成建立電場(chǎng)的多個(gè)電極，其中所述電場(chǎng)基本上防止所述等離子體離子進(jìn)入所述電離區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電離裝置，其中所述等離子體偏轉(zhuǎn)裝置還包括配置成建立磁場(chǎng)的磁體，其中所述磁場(chǎng)基本上防止所述等離子體的電子進(jìn)入所述電離區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電離裝置，其中所述電場(chǎng)和所述磁場(chǎng)大致正交。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電離裝置，其中所述電場(chǎng)和所述磁場(chǎng)大致平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電離裝置，其中所述電場(chǎng)和所述磁場(chǎng)大致反平行。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電離裝置，其中所述電場(chǎng)在軸向方向上定向并且所述磁場(chǎng)在徑向方向上定向。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電離裝置，其中所述電場(chǎng)和所述磁場(chǎng)在徑向方向上定向。
8.一種質(zhì)譜儀，其包括質(zhì)量分析器、檢測(cè)器和離子源，其中所述離子源包括根據(jù)權(quán)利要求I所述的電離裝置。
9.一種將樣本氣體暴露于激發(fā)光的方法，所述方法包括: 生成包括光、等離子體離子和等離子體電子的等離子體； 使來(lái)自所述等離子體的所述光的至少一部分穿過(guò)孔徑到達(dá)電離區(qū)域； 使氣體樣本穿過(guò)所述電離區(qū)域；以及 生成電場(chǎng)以基本上防止所述等離子體離子進(jìn)入所述電離區(qū)域。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其還包括生成磁場(chǎng)以基本上防止所述等離子體電子進(jìn)入所述電離區(qū)域。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述電場(chǎng)和所述磁場(chǎng)大致正交。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述電場(chǎng)和所述磁場(chǎng)大致平行。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述電場(chǎng)和所述磁場(chǎng)大致反平行。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述電場(chǎng)在軸向方向上定向并且所述磁場(chǎng)在徑向方向上定向。
15.一種電離裝置，其包括: 具有入口端和出口端的通道，所述入口端配置成接收氣體樣本； 等離子體源，所述等離子體源配置成生成光、等離子體離子和等離子體電子，所述等離子體源包括孔徑，所述孔徑布置成使得所述光的至少一部分穿過(guò)所述孔徑并且入射在從所述通道的所述出口端釋放的氣體樣本上； 多個(gè)電極，所述多個(gè)電極配置成建立電場(chǎng)以引導(dǎo)所述等離子體離子，孔徑；以及磁體，所 述磁體配置成建立磁場(chǎng)以引導(dǎo)所述等離子體電子，其中所述磁場(chǎng)基本上防止所述等離子體電子通過(guò)所述孔徑離開(kāi)，并且所述電場(chǎng)和所述磁場(chǎng)正交。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電離裝置，其中所述磁體包括大致圍繞所述等離子體源的外磁體和大致圍繞所述通道的內(nèi)磁體。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電離裝置，其中所述電場(chǎng)在軸向方向上定向并且所述磁場(chǎng)在徑向方向上定向。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電離裝置，其還包括布置在所述孔徑和所述通道之間的等離子體離子偏轉(zhuǎn)電極，其中所述等離子體離子偏轉(zhuǎn)電極配置成吸引或排斥穿過(guò)所述孔徑的等離子體離子。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電離裝置，其還包括布置在所述孔徑和所述通道之間的等離子體電子偏轉(zhuǎn)電極，其中所述等離子體電子偏轉(zhuǎn)電極配置成吸引或排斥穿過(guò)所述孔徑的等離子體電子。
20.一種質(zhì)譜儀，其包括質(zhì)量分析器、檢測(cè)器和離子源，其中所述離子源包括根據(jù)權(quán)利要求15所述的電離裝置。`
【文檔編號(hào)】H01J49/26GK103635989SQ201280032020
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月28日
【發(fā)明者】J.E.庫(kù)利, S.科薩里 申請(qǐng)人:安捷倫科技有限公司