一種具有寬能量聚焦反射器的飛行時間質譜儀的制作方法

本發明屬于質譜儀器
技術領域：
，可應用于反射式飛行時間質譜儀設計，尤其涉及一種飛行時間質譜儀中的反射器，該反射器能夠實現寬能量分布的離子的飛行時間聚焦。
背景技術：
：飛行時間質譜的分辨率R＝t/2Δt，其中，t是離子飛行的平均時間，Δt是離子飛行的時間差。離子的飛行時間差會隨著離子的能量色散的增大而增大，因此離子的能量色散是影響飛行時間質譜儀分辨的一個主要因素。在飛行時間質譜儀中采用反射器可以實現能量時間聚焦，從而提高飛行時間質譜儀的分辨率。目前，飛行時間質譜儀中反射器的設計方法主要是通過使飛行時間對離子能量色散的一階導數和二階導數甚至更高階導數為零，從而設計反射器的尺寸、電壓等。當飛行時間對離子能量色散的一階導數為零時，就可稱為一階聚焦；當飛行時間對離子能量色散的一階和二階導數同時為零時，就可稱為二階聚焦。如圖4和圖5分別是一階聚焦和二階聚焦時，離子飛行時間與離子能量的關系示意圖。其特點是在該中心離子能量附近，飛行時間相對于離子能量的變化率非常小，因此在較小能量范圍內，離子的飛行時間差很小，因此能夠實現很高的分辨率。但由于在該中心能量之前或之后，飛行時間相對于能量的變化是單調的，因此，在離子能量進一步偏離中心能量的時候，總的飛行時間差將迅速增大，致使分辨率迅速降低。技術實現要素：為了解決離子在較大能量色散下的飛行時間聚焦，提高飛行時間質譜的分辨率，本發明提供了一種具有寬能量聚焦反射器的飛行時間質譜儀。該飛行時間質譜儀可以在相對能量色散很高的情況下，實現較高的分辨率。本發明的技術解決方案是提供一種具有寬能量聚焦反射器的飛行時間質譜儀，包括離子源、加速區、自由漂移區、反射器及探測器，其特征在于：所述反射器包括依次間隔距離放置的多片電極，每兩片電極組成一級電場；通過下述步驟計算每一級電場的長度和電壓：1)確定基本參數確定自由漂移區長度為L，確定離子能量范圍為[Uminq,Umaxq]，確定要實現的分辨率為R；其中q為元電荷，Umin＝U+Uini_min，Umax＝U+Uini_max，U為加速場的加速電壓，Uini_min為離子的最小初始能量，Uini_max為離子的最大初始能量；2)設反射器的初始級數i＝2；3)通過使離子飛行時間對離子能量色散的二階導數為零，確定反射器前兩級電場的長度D1和D2、電勢差U1和U2、電場強度E1和E2以及能量為Umin的離子的飛行時間t0；具體通過下述步驟計算：3.1)確定反射器第一級長度(即第一級電場的長度)D1＝αL，其中α＜0.25，本方法取0.01；3.2)根據公式(1)計算反射器的第一級電勢差3.3)根據公式(2)計算反射器的第二級電場強度3.4)計算反射器的第二級電場電勢差U2＝Umin-U1，計算反射器的第二級電場長度3.5)確定能量為Umin的離子的飛行時間t0。4)計算離子的最大飛行時間差5)當時，結束計算；否則，增加反射器級數i＝i+1，通過下述步驟計算該級電場長度Di、電勢差Ui和電場強度Ei；6)令U′max＝2U′min，Emin＝Ei-1，Emax＝2Ei-17)計算Ei＝Emiddle時，能量介于[U'minq,U'maxq]的離子的最小飛行時間tmin；當tmin>t0-Δt時，取Emin＝Emiddle，否則，取Emax＝Emiddle；當Emax-Emin＜0.0001時，進行步驟8)，否則返回步驟7)；8)在(U'minq,U'maxq)中尋找飛行時間為t0的離子能量值Uxq；Ui＝Ux返回步驟5)，當時，結束計算；否則繼續增加反射器的級數。上述所有電極的圓孔上均設置有柵網。依據本方法設計的反射器實際上只需保留前兩級柵網即可。在計算過程中，第三級及之后的電場長度采用向下取整的原則保留至mm量級。本發明的有益效果是：1、本發明反射器采用多級電場設計，每一級電場通過相鄰兩片電極加載一定電壓差，間隔一定距離放置實現，通過設計每一級電場的尺寸(長度)和電壓差，使在要聚焦的能量范圍內，離子的飛行時間不再是隨著能量的增加或減小而單調變化，而是如圖6和圖7所示，始終控制在一定范圍內，從而可以在很寬的能量范圍內實現較小的飛行時間差，進而實現較高的分辨率。2、對電場尺寸的精度要求較低，除前兩級實現二階聚焦，需精確到0.1mm外，其余尺寸均只需精確到mm量級即可。附圖說明圖1為反射器各級電場長度和電勢差計算總流程圖；圖2為反射器前兩級電場長度和電勢差計算流程圖；圖3為反射器第二級及之后電場長度和電勢差計算流程圖；圖4為傳統聚焦方式，奇數階聚焦示例；圖5為傳統聚焦方式，偶數數階聚焦示例；圖6為采用寬能量聚焦反射器，在自由漂移區長1m，針對離子[2000eV,3000eV]的能量范圍，實現分辨率4000時，離子飛行時間相對于離子能量的關系；圖7為降低裝配精度至mm量級(除第二級電場以外)，在自由漂移區長1m，針對離子[2000eV,3000eV]的能量范圍，實現分辨率4000時，離子飛行時間相對于離子能量的關系；圖8為寬能量聚焦多級反射器結構示意圖；圖9為反射器在飛行時間質量分析器中安裝示意圖；圖10為只保留前兩級柵網的寬能量反射器實現示意圖；圖11針只保留前兩級柵網，經微調電壓改善電場滲透后，離子飛行時間相對于離子能量的關系。具體實施方式以下結合附圖及實施例對本發明做進一步的描述。如圖8所示，本發明寬能量聚焦多級反射器的結構由多級電場組成，每級電場由兩片帶柵網的電極控制。圖9為該多級反射器在飛行時間質譜儀中的安裝示意圖，根據圖1、2和3流程圖設計各級電場長度及電勢差，一、確定基本參數，包括自由漂移區長度為L，離子能量范圍[Uminq,Umaxq]，及要實現的分辨率為R；二、假設反射器的級數為兩級，即i＝2；通過使離子飛行時間對離子能量色散的二階導數為零，確定反射器前兩級電場的長度D1和D2、電勢差U1和U2、電場強度E1和E2以及能量為Umin的離子的飛行時間t0；具體為：1)確定反射器第一級長度D1＝αL，其中α＜0.25，本方法取0.01；2)根據公式(1)計算反射器的第一級電勢差3)根據公式(2)計算反射器的第二級電場強度4)計算反射器的第二級電場電勢差U2＝Umin-U1，計算反射器的第二級電場長度5)根據運動過程中勻加速、勻減速、勻速運動規律確定能量為Uminq的離子的飛行時間t0，t0計算步驟：取離子質量數M＝150(注：以下質量數取相同值，該值任意取，最終設計結果與該值無關)，則可以計算離子在自由漂移區的飛行速度v1其中mu為一個質子或一個中子的質量，取為1.67e-27Kg。則離子在自由漂移區中的飛行時間t1＝L/v1離子在第一級反射場中的加速度則離子飛出該場時的速度v2可通過下式計算則離子在該場中的飛行時間t2＝2(v1-v2)/a1離子從第二級反射場反射回去，在該場中離子的加速度為在該場中的飛行時間為t3＝2v2/a2則t0＝t1+t2+t3三、在確定了前兩級電場的各參數時，接著通過公式(4)計算滿足分辨率要求時，離子的最大飛行時間差；四、然后計算當結束計算；否則，增加反射器級數i＝i+1，通過下述步驟計算該級電場長度Di、電勢差Ui和電場強度Ei；a)令U′max＝2U′min，Emin＝Ei-1，Emax＝2Ei-1b)計算Ei＝Emiddle時，能量介于[U'minq,U'maxq]的離子的最小飛行時間tmin；計算過程中每次增加0.01eV，計算飛行時間t'，并從中得知最小飛行時間；飛行時間t'的計算過程如下：先計算離子在自由漂移區的飛行速度v1其中mu為一個質子或一個中子的質量，取為1.67e-27Kg。U'q為計算過程中離子的能量。則離子在自由漂移區中的飛行時間t1＝L/v1；離子在第j(j＝1,2,…,i-1)級反射場中的加速度則離子飛出該場時的速度vj+1可通過下式計算則離子在該場中的飛行時間tj+1＝2(vj-vj+1)/aj離子從第i級反射場反射回去，在該場中離子的加速度為在該場中的飛行時間為ti+1＝2vi/ai則當tmin>t0-Δt時，取Emin＝Emiddle，否則，取Emax＝Emiddle；當Emax-Emin＜0.0001時，進行步驟c)，否則返回步驟b)；c)在(U'minq,U'maxq)中尋找飛行時間為t0的離子能量值Uxq；Ui＝Ux五、返回步驟四。其離子飛行時間與離子能量的關系不再如傳統的聚焦方式那樣，隨著能量色散的進一步增大，離子的飛行時間差迅速增大，而是始終控制在一定范圍內，從而針對較寬能量分布的離子實現較佳的能量時間聚焦，進而實現較高的分辨率。實施例一本實施例針對分辨率為3000、4000、5000、6000和7000，利用上述計算方法分別計算了反射器各級電場長度相對于自由漂移區長度的比例關系和反射器各級電場電勢差(V)相對于要聚焦的離子的最低能量(eV)的比例關系如表1所示。在計算中，計算了15階電場的長度與電勢差，實際階數可根據能量范圍的大小進行選取。表1針對不同的分辨率，寬能量聚焦反射器各級電場長度相對于自由漂移區長度的關系以及各級電場電勢差相對于聚焦的離子最小能量(單位：eV)的關系假設需要聚焦的離子能量范圍為[2000eV,3000eV]，需要實現的分辨率為4000，自由漂移區長度為1m。則根據表1分辨率為4000時的各級電場電壓差相對于聚焦范圍內離子最小能量(此處為2000eV)的百分比和各級電場長度相對于自由漂移區(此處為1m)的百分比，可以計算得到各級電場長度、電勢差以及極板電壓如表2所示。且可以計算得到需要13級電場即可(因第13級電極電壓已經大于3000V，此時3000eV的離子被該級電場反射了回去，因此后續電場不起作用)。根據帶電粒子在電場中運動規律，可以計算得到離子飛行時間和能量的關系如圖6所示。表2針對離子能量范圍[2000eV,3000eV]，需要實現的分辨率為4000，自由漂移區長度為1m的情況，計算得到的各級電場長度、電勢差及各極板電壓。實施例二如圖10所示，本實施例二與實施例一不同的是該反射器只保留了前兩級柵網，可以顯著提高離子的傳輸效率，后續電場間微弱的電場滲透可以通過微調電壓予以補償。此時，針對分辨率為3000、4000、5000、6000和7000，依據圖1、2和3計算流程可計算得到，反射器各級電場長度相對于自由漂移區長度的比例關系和反射器各級電場電勢差(V)相對于要聚焦的離子的最低能量(eV)的比例關系如表3所示。由于去掉了一些柵網，導致相鄰電場之間存在微弱滲透，因此，該計算電壓非最終電壓，還需經過微調來補償電場滲透帶來的影響。表3降低裝配精度為mm級，針對不同的分辨率，寬能量聚焦反射器各級電場長度相對于自由漂移區長度的關系以及各級電場電勢差相對于聚焦的離子最小能量(單位：eV)的關假設需要聚焦的離子能量范圍為[2000eV,3000eV]，需要實現的分辨率為4000，自由漂移區長度為1m。則根據表3分辨率為4000時的各級電場電壓差相對于聚焦范圍內離子最小能量(此處為2000eV)的百分比和各級電場長度相對于自由漂移區(此處為1m)的百分比，可以計算得到各級電場長度、電勢差以及極板電壓如表4所示。且可以計算得到需要13級電場即可。根據帶電粒子在電場中運動規律，可以計算得到離子飛行時間和能量的關系如圖7所示。表4電場長度精確到mm量級(除第二級電場長度精確到0.1mm)時，寬能量聚焦反射器尺寸及應加電壓實例(自由漂移區長度L＝1m，能量聚焦范圍[2000eV，3000eV]，實現分辨率為4000)電場序號長度/cm電勢差/V極板電壓/V111360.001360.0024.73640.002000.0031.7230.372230.3740.8108.792339.1650.795.532434.6960.682.242516.9370.568.812585.7480.569.062654.8090.569.372724.17100.569.672793.84110.5702863.84120.570.352934.19130.570.73004.89由于第三級電場之后已經去掉了柵網，后續電場間存在微弱電場滲透，這一狀況可以通過依次微調后續電極電壓予以改善。在調節之后，離子的飛行時間和離子的能量關系如圖11所示。此時實現分辨率約為當前第1頁1 2 3