用于質(zhì)譜電子轟擊離子源的燈絲的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在用于質(zhì)譜(MS)儀的電子轟擊離子源中用作電子發(fā)射陰極的燈絲。
【背景技術(shù)】
[0002]電子轟擊電離(或者更確切地說，電子電離(EI))是氣相色譜-質(zhì)譜分析法(GC-MS)中常見的電離類型。EI源利用商用資料庫提供有利于化合物鑒定的可預測的裂解，這些資料庫(例如，美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)的資料庫)中含有數(shù)十萬的參考光譜。此外，由于電離效率幾乎與化合物無關(guān)，因此EI源對大多數(shù)化合物的響應一致。
[0003]傳統(tǒng)的EI離子源是交叉束離子源，其中線型輝光陰極產(chǎn)生的電子束通過狹縫加速到大約70電子伏特，由弱磁場引導其通過電離區(qū)，然后該電子束從另一個狹縫離開并轟擊電子檢測器，該電子檢測器通過控制流過陰極的電流來調(diào)節(jié)電子流。圖1示意性地示出了這種公知的交叉束EI離子源。將GC的發(fā)射物吹過電離電子簾，并吸引產(chǎn)生的離子通過帶狹縫的電極離開電離區(qū)。此類離子源非常適合利用狹縫進行操作的質(zhì)譜儀，例如扇形磁質(zhì)譜儀。
[0004]然而，今天大多數(shù)質(zhì)譜儀被設計為接受圓柱對稱的離子束，這是由于它們通常配備有包住圓柱形的內(nèi)部體積的細長的四極離子導向器或四極過濾器。產(chǎn)生非圓柱狀離子束的帶狹縫的離子源已無法以最佳方式滿足現(xiàn)代要求。這種不匹配可導致離子源或離子提取光學裝置中的離子束損失，或?qū)е码x子能量分布出現(xiàn)不期望的拓寬，或?qū)е码x子束的對稱性發(fā)生畸變，進一步惡化MS。
[0005]為了更好地匹配進入質(zhì)譜儀的其余離子路徑，已對圓柱對稱的EI離子源，特別是圓柱對稱的EI燈絲裝置進行開發(fā)(參見:例如M.DeKieviet等人的“Design andperformance of a highly efficient mass spectrometer for molecular beams”，Rev.Scient.1nstr.71 (5):2015_2018，2000，或 A.V.Kalinin 等人的 “1n Source withLongitudinal 1nizat1n of a Molecular Beam by an Electron Beam in a MagneticField”，Instr.and Exp.Techn.49 (5):709_713，2006) 0
[0006]在引用文章中，已在電磁線圈的雜散場中安裝圓環(huán)形狀的燈絲，從而沿著場線對電子進行加速使其進入線圈中央，由此形成狹窄的管狀電子束。在圖2中示意性地示出了這一原理。將GC的發(fā)射物作為分子束吹過環(huán)形燈絲進入磁體的線圈中。發(fā)射物的分子在飛行中被管狀電子束高效電離。
[0007]圖3示出了傳統(tǒng)的圓環(huán)形狀的燈絲裝置。然而，圓形或圓柱對稱的燈絲組件(例如圓環(huán)形狀的燈絲)在進行重復加熱和冷卻的循環(huán)后有變形的風險。例如，如圖4所示，提供額外的用于減少變形自由度的支柱使得熱量通過支柱散失，并導致溫度不均勻的區(qū)域上電子發(fā)射特性不同。
[0008]鑒于上述觀點，需要這樣的在質(zhì)譜儀中的EI源燈絲裝置，即，它們不發(fā)生變形并在整個燈絲裝置上呈現(xiàn)出盡可能一致的電子發(fā)射。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]本發(fā)明提供了一種用于EI離子源的陰極系統(tǒng)，包括燈絲和多個電流源柱，所述多個電流源柱將所述燈絲(在電學上)分成多個區(qū)段，每個電流源柱為燈絲的至少兩個區(qū)段提供或返回電流?？赏ㄟ^例如點焊將燈絲連接至提供或返回加熱電流的電流源柱。燈絲的各個區(qū)段可以連續(xù)布置，或者實質(zhì)上彼此平行地進行布置。連續(xù)布置的燈絲區(qū)段可以形成閉環(huán)(例如，圓環(huán))。其他實施例涵蓋螺旋線圈形狀。
[0010]燈絲優(yōu)選由鎢、鍍釷鎢、錸、具有釔涂層的錸或特別是釔/錸合金制成。可以將電流源柱制成有利的形狀，以使它們在與燈絲接觸點附近被電流加熱到與燈絲溫度一致的溫度。為了使不同的燈絲區(qū)段的溫度相同，可以通過例如激光燒蝕方法對部分燈絲區(qū)段的材料進行燒蝕，以使所有區(qū)段具有相同(或大致相同)的電子發(fā)射特性。可以通過測量各個區(qū)段的電子發(fā)射對燒蝕進行控制。
【附圖說明】
[0011 ] 通過參照以下附圖，可以更好地理解本發(fā)明。附圖中的元件無需按比例繪制，而是會重點強調(diào)示出了本發(fā)明的原理的部分(通常為示意性)。在附圖中，相同的附圖標記在不同視圖中通常始終表示相同的部分。
[0012]圖1示出了傳統(tǒng)的交叉束電子轟擊離子源。GC毛細管(10)末端的發(fā)射物(11)跨過電子束(13)。陰極(12)產(chǎn)生電子束，縫隙(19)將電子束加速到大約70電子伏特，由永磁體(15)與永磁體(16)之間的弱磁場引導電子束穿過電離區(qū)，然后由法拉第(Faraday)杯對其進行檢測。通過在縫隙(17)處施加提取電壓來提取離子，并利用提取出的離子形成離子束(18)。通過圍繞離子源的磁軛(未示出)連接各永磁體。
[0013]圖2示意性地描繪了一種更現(xiàn)代的高效EI離子源，其中由圓環(huán)形狀的陰極(20)產(chǎn)生電子束(22)，其由彎曲電極(21)進行加速，并被集中到電磁體(23)的雜散場內(nèi)的窄管中。通過各縫隙(24)提取離子，并利用提取出的離子形成圓柱狀離子束(25)。
[0014]圖3示出了由兩個柱(30)和(31)提供電流的傳統(tǒng)的圓環(huán)電極(32)。該環(huán)形電極在重復加熱和冷卻的周期中很容易變形，從而影響其性能。
[0015]圖4描繪了能夠用額外的(在電學上斷連的)支柱(33)和(34)機械支撐圖3中的圓環(huán)電極的方法，所述支柱可由絕緣材料或在電學上斷連的金屬制成。在這兩種情況下，由于熱量通過柱散失，因此支柱周圍的燈絲的溫度容易下降。
[0016]圖5示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的原理的燈絲系統(tǒng)。由四個柱(40)至(43)將環(huán)形燈絲(在電學上)分成四個區(qū)段(44)至(47)。柱(40)和柱(42)提供電流，如同用正號指示的那樣，柱(41)和柱(43)返回電流，如同用負號指示的那樣。在本示例中，電流的方向沿著圓環(huán)改變四次，如同用箭頭指示的那樣。
[0017]圖6示出了一種具有六個載流柱的更加穩(wěn)定的環(huán)形燈絲系統(tǒng)，在其中電流的方向改變六次。
[0018]圖7描繪了具有四個柱(50)至(53)的燈絲系統(tǒng)，柱的接觸端的直徑更小。這樣選擇直徑是為了使柱的末端被電流加熱到與環(huán)形區(qū)段(54)至(57)的溫度大致相同的溫度。采用這種方法，沒有任何熱量(或者至少少得多的熱量)通過柱散失。
[0019]圖8示出了一個柵格，其包括五根平行的線型燈絲區(qū)段(62)至(66)以及僅有的兩個柱￠0)和(61)，這兩個柱分別提供電流和返回電流。在本示例中，柱的直徑從一個接觸點到另一個接觸點逐漸減小。
[0020]圖9示出了基于單個直流電壓發(fā)生器(70)的用于提供加熱電流的簡單供電電路。
[0021]圖10示出了提供加熱電流的特定的電路單元的示例。發(fā)生器(70)和發(fā)生器(71)是產(chǎn)生加熱電壓的主電壓發(fā)生器；發(fā)生器(72)是具有較低的內(nèi)阻的校準電壓發(fā)生器，其用于平衡區(qū)段(54)和區(qū)段(56)的電子發(fā)射。因此整個電路補償了四個區(qū)段的電子發(fā)射的不平衡。
[0022]圖11示出了安裝在絕緣環(huán)(100)上的完整的陰極裝置。四個電流源柱(102)固定住環(huán)形燈絲(101)，而四個更細的柱(104)不與加熱電流電路相連，而是支撐燈絲區(qū)段下方的四個推斥電極(103)。當推斥電極被安裝在離子源中時，它們被提供有負電位；這些推斥電極有助于驅(qū)動由燈絲(101)發(fā)射的電子進入電離區(qū)。當在特定的燒蝕站中安裝推斥電極時，推斥電極可以起到法拉第杯的作用，從而允許對所述四個燈絲區(qū)段各自的電子發(fā)射進行單獨測量。
[0023]圖12示出了螺旋燈絲(82)，其各個區(qū)段(半圈繞組)焊接至兩個電流源柱(80)和(81)上。如之前在圖8中示出的那樣，電流源柱(80)和電流源柱(81)的直徑在每個繞組接觸點的位置也可以變得更小。
[0024]圖13描繪了具有焊接至四個電流源柱(91)上的四個小凸起的實質(zhì)上為圓環(huán)形狀的燈絲(90)。這些凸起廣泛吸收燈絲的任何熱延長，因此，不論熱應力大小，圓環(huán)都會大體上保持在原來的位置，從而使柱不受機械應力的影響，并在廣泛的溫度范圍內(nèi)提供更加穩(wěn)定的電子發(fā)射的幾何形狀。
[0025]圖14示出了通過預拉緊柱(101)和預拉緊弓(102)支