專利名稱：飛行時間質(zhì)譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于分析由離子源生成的離子樣本的飛行時間質(zhì)譜儀，具體而言，涉及環(huán)境溫度的變化不會導(dǎo)致測得離子的質(zhì)荷比的值產(chǎn)生誤差的飛行時間質(zhì)譜儀。
背景技術(shù)：
利用飛行時間質(zhì)譜儀，通過電場在大致相同的時間加速的不同離子被引入形成在飛行管中的飛行空間。使用離子穿越飛行空間后到達(dá)離子檢測器所需的飛行時間來根據(jù)質(zhì)量(更精確而言，根據(jù)質(zhì)荷比m/z)而分離不同的離子。離子檢測器將飛行時間轉(zhuǎn)換為質(zhì)量， 使得與到達(dá)離子檢測器的離子數(shù)量相對應(yīng)地檢測連續(xù)信號。隨后，創(chuàng)建質(zhì)譜，其中將水平軸用作質(zhì)量軸而垂直軸用作信號強度軸。利用這樣的飛行時間質(zhì)譜儀，由于溫度變化而導(dǎo)致的飛行管的力學(xué)膨脹和收縮會使得離子的飛行距離發(fā)生微小變化。飛行距離的這些微小變化使得相同質(zhì)量的離子的飛行時間不同。這隨后導(dǎo)致質(zhì)譜的質(zhì)量軸發(fā)生偏移。如果飛行管的溫度變化(溫度漂移)足夠大，則質(zhì)量軸的偏移會導(dǎo)致測得的質(zhì)量的精度誤差超過裝置所要求的規(guī)格。為此，利用專利文獻(xiàn)1中描述的飛行時間質(zhì)譜儀，通過使用對真空室10的溫度進(jìn)行控制的系統(tǒng)，可以減小飛行管17的溫度變化，其中，如圖4所示，容納由不銹鋼制成的飛行管17的真空室被設(shè)置在恒溫室15中，并且利用溫度傳感器32對恒溫室15內(nèi)的溫度進(jìn)行監(jiān)視以控制真空室10的溫度。然而，即使真空室的溫度得到控制，但如果環(huán)境溫度(安裝裝置的房間的溫度)快速變化，則對真空室的溫度調(diào)節(jié)和控制難以跟上環(huán)境溫度的變化，從而導(dǎo)致使質(zhì)量軸偏移的溫度擾動。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本特開專利申請公開No. 2008-157671

發(fā)明內(nèi)容
要解決的問題上述溫度控制系統(tǒng)存在諸如系統(tǒng)配置復(fù)雜和在環(huán)境溫度變化過快的情況下不能通過控制溫度而得到精確分析結(jié)果的問題。圖5示出了另一個方法。這里，將具有極低線膨脹系數(shù)的基于因瓦合金(Invar) 的合金用作飛行管17的材料。然而，基于因瓦合金的合金較為昂貴，且由于與鋼相比因瓦合金的價格較高，因此將它們用作飛行管17的材料會導(dǎo)致部件的成本較高，直徑受限(材料為市售)，并且難以在管的兩端處焊接用于保持和固定離子加速器/離子檢測器及反射器的法蘭。此外，為了避免在由于溫度變化導(dǎo)致的熱膨脹和收縮的作用下在飛行管17的飛行空間中產(chǎn)生應(yīng)變，飛行管17的反射器13端在線性膨脹方向上不受到力學(xué)限制，而位于另一端的離子加速器11被飛行管保持部件18固定。此外，由于飛行管17被水平安裝，因此飛行管保持部件18必須保持作為懸臂的飛行管17和其所連接的反射器13的總重量。如果飛行管17在其自身重量下發(fā)生變形，則質(zhì)量測量的精度下降。為此，要求飛行管17的剛度不會在自身重量下發(fā)生彎曲。在垂直安裝(未示出)時，如果使用一端由飛行管保持部件而固定的飛行管，則飛行管不會在其自身重量下發(fā)生彎曲，但由于飛行管的重心上升且反射器的位置變得比裝置中的最低位置高，因此安裝更容易受到裝置的水平振動的影響。這會成為在進(jìn)行分析時產(chǎn)生噪聲的因素或者會導(dǎo)致質(zhì)量軸發(fā)生偏移的問題。鑒于上述問題而做出本發(fā)明，并且本發(fā)明的目的是提供一種低成本且配置簡單的飛行時間質(zhì)譜儀，該飛行時間質(zhì)譜儀不受溫度漂移影響且產(chǎn)生穩(wěn)定的質(zhì)譜而無需使用高性能恒溫室或昂貴的基于因瓦合金的飛行管，并且其飛行管即使在作為懸臂被支承時也不會在其自身重量作用下受到振動或彎曲的影響。解決該問題的技術(shù)手段為了解決上述問題而做出的本發(fā)明是一種飛行時間質(zhì)譜儀，該飛行時間質(zhì)譜儀包括真空容器，該真空容器中形成真空，所述真空容器包括飛行管，其形成離子穿越的飛行空間；加速電極，其對所述離子提供初始加速；以及檢測器，其檢測所述離子；其中，所述飛行管由碳纖維加強熱固性塑料形成，該碳纖維加強熱固性塑料的表面被執(zhí)行了導(dǎo)電處理， 所述飛行管作為懸臂由被飛行管保持部件支承。在本發(fā)明中，碳纖維加強熱固性塑料(CFRP)用作飛行管的材料。CFRP由于其可模制性高等原因而廣泛用在飛行器中。CFRP材料和沿纖維方向的層壓及定向使得CFRP的線膨脹系數(shù)小于金屬(小于常規(guī)不銹鋼的1/170，且小于因瓦合金的五分之一)，并且即使不使用任何溫度調(diào)節(jié)及控制系統(tǒng)，飛行管也不會變形。由于對飛行管施加士幾kV的高電壓，因此飛行管必須由導(dǎo)電材料制成。CFRP不導(dǎo)電，這是因為在CFRP的表面上形成有樹脂層。通過無電鍍(electroless plating)等對 CFRP的表面進(jìn)行處理以使得CFRP導(dǎo)電。通過對CFRP的表面進(jìn)行導(dǎo)電處理，提供了由CFRP 制成的具有與先前由金屬制成的飛行管相同功能的飛行管。CFRP由于抗沖擊強度大而用在飛行器中。對于與彎曲強度有關(guān)的力學(xué)強度，其楊氏模量為不銹鋼的大約1.4倍。其比重為不銹鋼的大約五分之一。這意味著，即使當(dāng)飛行管作為懸臂而被水平保持時，也不會在飛行管自身的重量作用下發(fā)生彎曲。而且，由于CFRP 是復(fù)合材料，因此與金屬相比減震特性高且減震效果好。這表明，即使飛行管作為懸臂而被垂直保持，也不容易受到外部振動的影響。發(fā)明效果與由金屬制成的飛行管不同，由CFRP制成的飛行管的線膨脹系數(shù)可以減小到接近為零。這意味著，即使不使用溫度調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)，飛行管也不會變形。此外，由于重量輕且楊氏模量高，即使飛行管作為懸臂而被水平保持也不會發(fā)生彎曲。而且，由于其高減振特性，由CFRP制成的飛行管即使作為懸臂而被垂直保持和支承，也不容易受到外部振動的影響。而且，由于CFRP的高可模制性，CFRP可以形成為任意直徑的管。此外，由于可以使用粘結(jié)劑來接合管與位于管兩端的用于附接離子加速器/離子檢測器或反射器的法蘭，因此與采用金屬而需要焊接的情形相比，簡化了工作工藝，并減少了加工成本。而且，通過借助于無電鍍鎳等在CFRP的表面形成金屬膜來提供導(dǎo)電處理，因此得到了與金屬飛行管相同的功能，同時在使用低排空速率的真空泵的真空環(huán)境中提供了出氣(outgassing)抑制效果。這表明，即使在真空中對飛行管施加高電壓，也會在一定程度上防止真空放電。如上所述， 本發(fā)明提供了防止溫度漂移并生成穩(wěn)定質(zhì)譜的低成本和構(gòu)造簡單的飛行時間質(zhì)譜儀。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的飛行時間質(zhì)譜儀。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的飛行管。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的飛行管的放大圖。圖4示出了使用配備有溫度調(diào)節(jié)機構(gòu)的飛行管的飛行時間質(zhì)譜儀。圖5示出了使用由因瓦合金制成的飛行管的飛行時間質(zhì)譜儀。
具體實施例方式圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的飛行時間質(zhì)譜儀的主要部件。通過在前一級連接液相色譜儀，該飛行時間質(zhì)譜儀可以用作液相色譜儀/質(zhì)譜儀(LC/MQ。下面描述本裝置的操作。 通過電噴鍍離子化(electrospray ionization)或某種其他方法，使包含目標(biāo)成分的樣品溶液離子化。所生成的離子被引入借助于真空泵14排空而產(chǎn)生真空的真空室10中。這些離子被離子加速器11釋放，飛過在飛行管17中形成的離子飛行空間16，被布置在飛行管 17—端的反射器13形成的電場所回轉(zhuǎn)(turn around)，向后飛過飛行空間16，到達(dá)檢測器 12并被檢測器12檢測到。應(yīng)當(dāng)注意的是，即使本實施方式涉及設(shè)置有反射器13的回轉(zhuǎn)型飛行時間質(zhì)譜儀，但本發(fā)明還包括離子加速器布置在飛行管的一端而離子檢測器布置在飛行管另一端的單向型飛行時間質(zhì)譜儀，以及離子借助于多個反射器而多次穿越飛行空間的多次回轉(zhuǎn)型飛行時間質(zhì)譜儀。此外，雖然本實施方式的飛行管17是水平安裝，但本發(fā)明還包括飛行管垂直安裝的配置(未示出)。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的飛行時間質(zhì)譜儀中的飛行管的外圍。離子加速器/檢測器保持部件19和飛行管保持部件18被示出為連接在一起。飛行管保持部件18連接至飛行管17的一端，而反射器13經(jīng)由反射器保持部件20連接至另一端。飛行管保持部件18 通過支承飛行管17的一端而支承作為懸臂的飛行管17、反射器保持部件20和反射器13的
全部重量。作為懸臂支承的原因是避免溫度變化導(dǎo)致的飛行管17的熱膨脹和收縮使得飛行空間變形。為此，在位于飛行管17的反射器13 —端處的線性膨脹的方向上最好不提供任何力學(xué)約束。而是使用位于另一端(離子加速器11 一端)的飛行管保持部件18來提供懸臂支承結(jié)構(gòu)。這意味著，飛行管17的剛度應(yīng)當(dāng)能夠抵抗在作為懸臂而保持的大約5kg的反射器13的重量以及飛行管17本身的重量作用下導(dǎo)致的彎曲。因此，如圖3所示，將具有經(jīng)導(dǎo)電處理的無電鍍的鍍鎳層17b的CFRP管17a用作飛行管。使用導(dǎo)電粘結(jié)劑21來接合飛行管保持部件18。這樣做的原因如下所述。由于離子加速器11和離子檢測器13都牢固地固定至飛行管，因此如果將這二者之間的距離作為離子的飛行距離(離子的飛行時長)，則離子的飛行時長變得依賴于飛行管17的長度。因此，為了使由于溫度漂移效果導(dǎo)致的飛行管17的長度變化最小化，飛行管 17必須由線膨脹系數(shù)極小的材料制成。因此，因瓦合金由于其線膨脹系數(shù)小且剛度能夠抵抗縱向彎曲而被經(jīng)常用作飛行管17的材料。然而，由于因瓦合金是昂貴的材料，因此希望采用具有類似特性的其他材料。 為此，CFRP由于其良好的可模制性、比金屬小的線膨脹系數(shù)、比金屬大的抗拉伸強度和楊氏模量(這兩個力學(xué)強度指標(biāo)均與彎曲強度有關(guān))而用作飛行管17的材料。CFRP是復(fù)合材料，在該復(fù)合材料中，碳纖維中充滿了諸如環(huán)氧樹脂和熱固塑料之類的熱固性樹脂。通常，其被稱為干碳且樹脂成分不超過40%。通常借助于燈絲繞組 (filament winding)或扁線繞組(sheet winding)而將CFRP成型為管形。利用燈絲繞組法，將充滿了環(huán)氧樹脂等的連續(xù)碳加強纖維通過纏繞在旋轉(zhuǎn)金屬芯軸上而成型并在熱固化室中硬化而得到最終產(chǎn)品。利用扁線繞組法，將沿一個方向布置的纖維狀或線狀預(yù)浸漬材料和碳纖維預(yù)先充滿環(huán)氧樹脂以得到多片半硬化中間材料，這些半硬化中間材料纏繞在旋轉(zhuǎn)芯軸上成型并熱硬化以得到最終產(chǎn)品?；谡闱嗟牟牧虾突诰郾╇?PAN)的材料由于其低線膨脹系數(shù)而可以單獨地或者二者任意組合地用作CFRP材料。由于碳纖維的具有在纖維方向上熱膨脹和收縮的性質(zhì)，因此，通過具體選擇要用作CFRP的基于浙青的材料或基于聚丙烯腈的材料的類型、剛度以及熱膨脹方向，并選擇纖維的方位角，可以使CFRP的線膨脹系數(shù)接近為零。這樣的CFRP用作飛行管的材料。對飛行管17、離子加速器11和反射器13施加士幾kV的高電壓以產(chǎn)生跨越飛行管17和離子加速器11兩側(cè)及跨越反射器13和飛行管17兩側(cè)的電勢差，從而對穿過這些部件的離子進(jìn)行加速。由于對飛行管17施加了電壓，因此飛行管17必須由導(dǎo)電材料制成。 然而，由于在CFRP的表面上形成有樹脂層而使得CFRP不導(dǎo)電，因此需要通過例如對CFRP 的表面進(jìn)行無電鍍來提供導(dǎo)電處理而使得CFRP導(dǎo)電。對CFRP的表面進(jìn)行導(dǎo)電處理使得由 CFRP制成的飛行管具有與先前由金屬制成的飛行管相同的功能。對于在CFRP的表面上淀積的作為導(dǎo)電處理層的膜的厚度，如果膜厚度超過 100 μ m,則導(dǎo)電處理層的線膨脹系數(shù)變得過大從而影響CFRP的低熱膨脹性質(zhì)。這也是使得成本增大的一個因素。另一方面，如果使膜厚度小于1 μ m，則會出現(xiàn)諸如電阻增大并且難以使膜厚度均勻的問題。為此，在使得CFRP的低熱膨脹效應(yīng)最小化和使得整個表面上膜厚度均勻方面，用于無電鍍鎳的理想的膜厚度為大約ΙΟμπι。此外，由于具有該膜厚度量的導(dǎo)電處理層的電阻為大約1Ω，因此流過導(dǎo)電處理層的電流在內(nèi)部產(chǎn)生的熱所導(dǎo)致的溫度上升為大約xlO+C數(shù)量級。這代表了極小以致可以忽略的溫度變化?？梢允褂玫膶?dǎo)電處理的類型包括無電鍍(金、銀、銅、鎳、錫等的任意一種)、電鍍 (金、銀、銅、鎳、三價鉻、錫等的任意一種)、氣相沉積(金、銀、銅、鋁等的任意一種)和熱噴鍍(鋁、不銹鋼、鎳、鋅等的任意一種)。在容許進(jìn)行出氣的真空環(huán)境中，也可以使用包含導(dǎo)電填料的基于環(huán)氧樹脂的導(dǎo)電涂料。以上任意材料可以單獨地或者相結(jié)合地使用。由于飛行管置于真空中，因此如果使用慢排氣速率的真空泵來制造真空環(huán)境，在 CFRP的表面處的樹脂層上吸收的濕氣會釋放出來作為出氣(outgas)，該出氣會使制造出的真空量劣化。如果對飛行管施加高電壓，則低真空度會成為導(dǎo)致真空放電的一個因素。當(dāng)例如通過金屬(諸如鎳等)的無電鍍而對CFRP的表面進(jìn)行導(dǎo)電處理時，涂覆的金屬膜抑制了所吸收的氣體，并且在減少出氣方面有效。除了上述導(dǎo)電處理以外，可以通過從CFRP管表面以機械方式(通過利用車床進(jìn)行拋光、機加工等)或化學(xué)方式去除一些樹脂層并暴露出碳纖維而得到具有均勻?qū)щ娦缘?CFRP表面。然而，使用該方法的一個要求是，通過去除整個樹脂層而暴露出的管的內(nèi)表面上的碳纖維非常平整地均勻排布。已知線膨脹系數(shù)與因瓦合金一樣低的除了 CFRP以外的另一種材料是石英。然而， 由于石英的楊氏模量比不銹鋼的楊氏模量的一半還要小，因此，水平支承作為懸臂的飛行管并在反射器的重量和飛行管本身的重量的作用下不發(fā)生撓曲，這要求飛行管的管部的壁厚大于不銹鋼飛行管的管部的壁厚的兩倍。此外，由于石英是絕緣體，因此將石英用作飛行管要求對石英管的表面執(zhí)行如同對CFRP的導(dǎo)電處理，并且在該管的兩端均以導(dǎo)電方式接合金屬法蘭。此外，由于石英特別易碎，因此必須小心以免由于沖擊等而破壞了石英。與此形成對比，CFRP由于抗沖擊能力強而用在飛行器中。此外，對于彎曲剛度，由于CFRP的楊氏模量大約為不銹鋼的1. 4倍，因此管部的壁厚可以比由不銹鋼制成的管部的壁厚薄20%。而且，由于其比重為不銹鋼的大約五分之一，因此當(dāng)與減小壁厚的能力相結(jié)合時，重量可以減輕大約20%。這意味著，當(dāng)飛行管作為懸臂而被水平保持時，飛行管不會在自身的重量下發(fā)生彎曲。而且，由于CFRP是復(fù)合材料，因此與金屬相比其減振特性高且具有好的減振效果。即使當(dāng)飛行管被垂直安裝且作為懸臂而被飛行管保持部件保持時，該飛行管也不容易受到振動的影響，并且抑制了導(dǎo)致分析噪聲和質(zhì)量軸偏移的因素。使用導(dǎo)電粘結(jié)劑21來接合飛行管17和飛行管保持部件18。在溫度設(shè)置為大約 IOO0C的爐中進(jìn)行硬化。法蘭部并非由不銹鋼制成，而是可以由鋁、因瓦合金等制成，或者可以利用CFRP來模制。將含有高導(dǎo)電性和高粘結(jié)強度的導(dǎo)電填料的環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑用作導(dǎo)電粘結(jié)劑21。 包含在導(dǎo)電涂料和導(dǎo)電粘結(jié)劑中的導(dǎo)電填料的例子包括銀、銅、黃銅、鐵、鋅、鋁、鎳、不銹鋼、碳等，這些導(dǎo)電填料可以單獨地或者相結(jié)合地使用，其形式為粉末、纖維、顆粒、薄片等， 其大小和形狀適于包含在導(dǎo)電粘結(jié)劑中。除了使用如上所述的粘結(jié)劑來接合法蘭部和管部之外，可以使用稱為RTM(樹脂轉(zhuǎn)印模制)的方法使得樹脂被傾倒入位于RTM模具中的碳纖維，并且被熱固化以生成具有法蘭部和管部的部件，該法蘭部和管部被形成為CFRP的單個部件，隨后對該CFRP的表面執(zhí)行導(dǎo)電處理。附圖標(biāo)記描述
10.真空室
11.離子加速器
12.離子檢測器
13.反射器(離子反射器)
14.真空泵
15.恒溫室
16.離子飛行空間
17.飛行管
17aCFRP 管
17b無電鍍鎳層
18.飛行管保持部件
19.離子加速器/檢測器保持
20.反射器保持部件
21.導(dǎo)電粘結(jié)劑
30.加熱器
31.風(fēng)扇
32.溫度傳感器
33.操作和控制單元
34.溫度控制單元
權(quán)利要求
1.一種飛行時間質(zhì)譜儀，其包括真空容器，該真空容器中形成真空，所述真空容器包括 飛行管，該飛行管形成離子穿越的飛行空間； 對所述離子提供初始加速的加速電極；以及檢測所述離子的檢測器；其中，所述飛行管由碳纖維加強熱固性塑料形成，該碳纖維加強熱固性塑料的表面被執(zhí)行了導(dǎo)電處理，并且所述飛行管作為懸臂而被飛行管保持部件支承。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛行時間質(zhì)譜儀，其中，所述飛行管被水平地或垂直地安裝。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的飛行時間質(zhì)譜儀，其中，所述碳纖維加強熱固性塑料的線膨脹系數(shù)接近為零。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種飛行時間質(zhì)譜儀，其構(gòu)造簡單、成本低并防止了溫度漂移，并且提供穩(wěn)定的質(zhì)譜而無需將昂貴的因瓦合金材料用于飛行管，該飛行管不易受外界振動影響，當(dāng)作為懸臂被保持時在自身重量下不發(fā)生彎曲。該飛行管由CFRP管(17a)制成，其內(nèi)表面和外表面具有經(jīng)導(dǎo)電處理的無電鍍鎳層(17b)。使用導(dǎo)電粘結(jié)劑(21)來接合至飛行管保持部件(18)。與先前的金屬制成的飛行管不同，即使沒有溫度調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)，由CFRP管(17a)制成的飛行管也不會變形。此外，由于CFRP的比重為不銹鋼的約五分之一，因此即使飛行管作為懸臂被保持，飛行管也不容易彎曲。而且，由于CFRP具有良好的減振特性，因此不容易受到振動影響。
文檔編號G01N27/62GK102403184SQ20111017884
公開日2012年4月4日 申請日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者沼田幸治 申請人:株式會社島津制作所