用于控制质谱仪压力的装置几何形状的制作方法

1.本公开涉及质谱法。更具体地，本公开涉及影响质谱仪部件内的压力的几何形状。


背景技术：

2.质谱(ms)分析技术一般在高真空条件下进行。举例来说，为了正常工作，一些质谱仪部件(如质量分析仪)需要高真空条件，其中气体压力维持在10-6
托或更低。同时，待分析的离子经常在大气压下生成。由于离子源和质量分析仪之间的压差很大，质谱仪系统经常包括多个真空室，这些真空室经由小孔隙泵送限制流体连接，并且沿离子源和质量分析仪之间的一般离子通道逐渐维持在较低的压力(即较高的真空)下。此外，为了进行串联质谱测量的目的，使用碰撞诱导解离池需要质谱仪配置，其中前体离子从高真空环境(10-5
托至10-6
托)输送到中间真空环境(大约10-3
托)中，其中碎片离子从中间真空环境传输到另一个高真空环境中。
3.相关地，许多质谱仪系统采用离子冷却池，其中使具有高动能的离子与冷却池内的浴气分子发生碰撞，优选地不碎裂。离子冷却池内的离子/分子碰撞致使大部分离子的初始动能被气体吸收并被传导走，从而促进离子在下游质谱仪部件内的聚焦和引导。离子冷却池的结构与碰撞池的结构相似，只是冷却池缺乏在离子进入池之前或在池内向离子提供附加动能的任何措施。因此，碎片被最小化或消除。因此，质谱仪系统内气体压力和气体流量的有效管理仍然是一个具有挑战性的问题
4.作为可使用碰撞池的质谱仪系统的一个示例，图1a是示例性液相色谱质谱(lcms)分析系统的一部分的示意图，一般以10示出，其包括常规的三重四极杆质谱仪。参考图1a，位于电离室14中的离子源12被配置为通过毛细管37从如液相色谱仪或注射泵等相关设备接收液体或气体样品。仅作为一个示例，说明了大气压电喷雾源。然而，可使用任何离子源，例如加热电喷雾电离(h-esi)源、大气压化学电离(apci)源、大气压基质辅助激光解吸(maldi)源、光电离源或采用任何其它合适电离技术的源。离子源12形成表示样品的带电粒子39(离子或带电液滴，其可被去溶剂化以释放离子)，这些带电粒子随后通过在离子行进方向上连续降低压力的一个或多个中间真空室18和25从离子源12输送到高真空室26中的质量分析仪36。具体而言，液滴或离子被夹带在背景气体中并从离子源12通过离子迁移管16输送到中间真空室18中，该离子迁移管穿过第一分隔元件或壁15a，该中间真空室维持在比电离室14的压力低但比高真空室26的压力高的压力下。离子迁移管16可物理联接到为离子迁移管中的气体和夹带的粒子提供热量的加热元件或块23，以便辅助带电液滴脱溶剂，以便由此释放自由离子。
5.第二板或分隔元件或壁15b可将中间真空室18与第二中间压力区域25隔开。同样，另一板或分隔元件或壁15c将中间压力区域，即区域25，与高真空室26隔开。离子光学组件20a提供电场，所述电场引导和聚焦离开离子迁移管16的离子流通过第二分隔元件或壁15b中的孔隙22，所述孔隙可为撇渣器21的孔隙。可提供第二离子光学组件20b以便将离子转移或引导到板、分隔元件或壁15c中的孔隙27。离子光学组件20a和离子光学组件20b两者均可
用作离子冷却池，其中离子的初始动能通过与吸收能量作为热量的气体分子的相互作用而衰减。离子冷却有助于将离子路径聚焦成窄的定向束。另一个离子光学组件20c可设置在含有质量分析仪36的高真空室26中。离子光学组件或透镜20a-20c可包括迁移元件，例如多极杆离子引导件，以便引导离子穿过孔隙22并进入质量分析仪36中。质量分析仪36包括检测器40，所述检测器的输出可被显示为质谱。真空端口，如所示的真空端口13、17和19，可用于抽空各种真空室。
6.图1b是示例性气相色谱质谱(gcms)分析系统200的一部分的示意图，该分析系统采用可包括碰撞池的常规三重四极质谱仪。gcms系统200(图1b)的高真空室26内的质谱仪部件可与lcms系统10(图1a)内的部件相似或相同。然而，gcms系统200不采用电喷雾离子源，而是可使用电子电离(ei)离子源，如图1b中的203一般所示。
7.gcms系统200的离子源203包括电离体积210，经由气相色谱(gc)柱235的出口部分将包括分析物分子的样品分子引入其中。gc柱235可为本领域公知类型的熔融石英毛细管。电离体积210位于真空室210内，真空室通过未示出的泵送系统经由真空端口17被抽空至合适的压力。电子流通过使灯丝电流源265提供的电流通过热离子灯丝240而生成。灯丝电流源265位于真空室外部并经由真空馈通(未示出)电连接到灯丝240。灯丝240通常由如铼或钨(或其合金)的难熔金属制成。难熔金属可包括低功函数涂层，如氧化钍或氧化钇。由灯丝240发射的电子在通过向灯丝240和电极250施加合适的电位而建立的电场的影响下通过孔隙245行进到电离体积210内部。电子束也可由位于电离体积210后面和灯丝240相对侧上的磁体(未示出)建立的磁场引导。电子与电离体积210内的样品分子相互作用以形成样品离子。样品离子通过透镜260经由离子出口孔隙255从电离体积210中提取，并且被输送到含有三重四极杆部件的室26中，在该室中它们被准备用于质量分析和后续质量分析。
8.可使用其它合适的离子源，如化学电离、电感耦合等离子体(icp)电离、二次离子质谱法、亚稳态原子轰击或光电离。icp-ms仪器可包括可用作碰撞池或反应池的池。
9.lcms系统10(图1a)和gcms系统200(图1b)内的所示三重四极质谱仪部件包括第一四极杆装置32、第二四极杆装置34和第三重四极杆装置36，以及离子检测器40。在变体系统中，一个或多个四极杆可由非四极杆装置取代。举例来说，第二四极杆装置34可由通用多极杆装置取代，如八极杆装置、叠环离子引导件、非rf装置等。然而，为了说明的目的，此装置将继续被称为在本文中称为“第二四极杆装置”。在许多操作模式中，第一四极杆装置用作质量过滤器，其能够仅传输具有特定质荷比m/z的选定离子，同时丢弃其它未选定离子。然后将选定离子输送到第二四极杆装置34。在许多操作模式中，第二四极杆装置用作碎裂装置，其通过与通过管35引入的惰性碰撞气体分子的相互作用引起选定前体离子的碰撞诱导碎裂。当不期望或不需要碰撞诱导碎裂时，第二四极杆装置34可作为仅rf装置操作，其传输包括m/z值范围的离子。离子，或者从离子源接收的离子，或者在第二四极杆装置34内生成的碎裂离子，从第二四极杆装置34传输到质量分析仪36用于质量分析。
10.为了用作通过碰撞诱导解离使离子碎裂的装置，第二四极杆装置34包括封闭内部室的气体安全壳38，该内部室在操作中将碰撞气体保留在其中。室内还含有一组四极杆或其它多极杆4。前体离子通过第一气流限制孔隙6从第一四极杆装置32引入到安全壳38的室中。由一个或多个电源(未示出)施加到杆4的振荡射频(rf)电压波形产生以碰撞池的纵向轴线为中心的赝势阱。此赝势阱将引入的离子前体限制在纵向轴线附近。
11.当第二四极杆装置34用作碰撞池时，引入到装置34中的前体离子与安全壳38的内部室中的碰撞气体的中性分子发生碰撞。由离子-分子碰撞生成的碎片离子被限制在以纵向轴线为中心的赝势阱中。在它们的生成之后，碎片离子和任何残留的前体离子通过面向质量分析仪36的第二气流限制孔隙6离开第二四极杆装置34。注意，如本文所用，术语“孔隙(aperture)”一般指孔或开口，包括通过离子透镜的孔或通道，以及限制气体流动但允许大多数离子流动的多极杆装置区段的开口。一般而言，一个或多个静电透镜设置在第二四极杆装置34的两端(入口端和出口端)处，以便控制离子进入和离开该装置。这些静电末端透镜也可用于在安全壳的室内产生电场，该电场平行于纵向轴线并促使离子通过室从入口端到出口端。因此，孔隙6一般不是由安全壳38中的孔或间隙定义，而是被定义为与静电末端透镜的孔隙一致。经常，静电端透镜的孔隙直径被限制在基于与离子碎裂过程无关的离子指导原则的某些预定值内。
12.图2是已知碰撞池设备34a的示意性横截面图，该碰撞池设备在四极杆34的位置上用于通过碰撞诱导碎裂生成碎片离子。图2所示的横截面是横向于设备的纵向轴线截取的。在碰撞池设备34a的操作中，前体离子被引入内部室53，内部室包括惰性气体，另选地，反应气体或反应气体，典型的内部压力大约为1-20毫托。图2中描绘的室53具有直圆柱的几何形状。在室内，前体离子与中性气体分子碰撞，从而导致碎裂或以其它方式与气体反应以形成产物离子。一组四极杆54设置在室53内并平行于碰撞池34a的纵向轴线伸长，该纵向轴线垂直于图面。四个四极杆54通过绝缘间隔层55与碰撞池设备34a的壳体58隔开并从电源(未示出)接收仅rf电压波形。所施加的仅rf电压波形在四根杆54的自由端中间居中的赝势阱内维持具有m/z值范围的前体离子和碎片离子(或其它产物离子)。惰性气体通过气体入口管35(参见图1a、1b和7)提供到室53中，该气体入口管在图2中未描绘但在不同于图2所示横截面的横向横截面内穿过壳体58和绝缘间隔层55。
13.一组阻力叶片51也设置在室55内并通过安装结构57附接到绝缘间隔层。每个阻力叶片均是细长板的形式，其长尺寸平行于碰撞池34a的纵向轴线，即垂直于室53的图面。如美国专利第7,675,031号中所述，每个阻力叶片包括基板，如印刷电路板材料，其上设置有指状电极(未示出)的阵列，指状电极沿纵向轴线方向间隔开。通过实施利用互连阵列的各个指状电极的静电电阻器的分压器，可沿辅助电极的长度施加渐进范围的电压。施加到指状电极的电压在室53内产生轴向电场，该轴向电场平行于纵向轴线并有助于拉动碎片离子穿过室内的气体并朝向设置在碰撞池34a的离子出口端的出口孔隙6。在图2中，假设具有相同直径的气流限制入口和出口孔隙6在图的横截面上的投影以虚线示出。
14.碰撞池需要足够高的碰撞气体内部压力来碎裂并最终碰撞阻尼离子动能。随着母离子m/z值的增加，这一过程变得越来越困难，因为这些离子在每次碰撞中损失的能量更少，并且常常以故意比用于具有较低m/z值的离子物质更大的动能引入碰撞池中。如图7中示意性描绘的，来自通过入口管35的碰撞气体通过位于碰撞池两端之间的大约中间的气体入口孔隙9被引入到室53中。气体通过前端和后端孔隙6逸出，这些孔隙分别将前体离子从上游部件接收到碰撞池中并将产物离子递送到质量分析仪。
15.碰撞池压力通常维持在1-20毫托范围内，这可比碰撞上游和下游的其它质谱仪部件(如质量过滤器和质量分析仪)的最佳操作压力大一千倍。因此，碰撞池的前端和后端孔隙6的直径必须很小，因为任何能够通过孔隙逸出并随后进入其它质谱仪部件(例如，质量
分析仪、离子阱等)对离子传输有非常不利的影响。然而，这些孔隙的大小有一个实际的下限。因此，质谱技术中需要碰撞池设计，使其能够获得尽可能高的内部压力，同时降低碰撞气体到碰撞池的流速，从而减少真空泵的负担并最大限度地减少能够逃逸到其它质谱仪部件的碰撞气体的量。


技术实现要素：

16.本文的发明人提出了用于选择碰撞诱导碎裂池(“碰撞池”)、离子冷却池和其它离子/气体反应池的几何形状的策略，对于给定的气体流速，这些池有利地产生大于在常规碰撞和离子冷却池内产生的内部气体压力。在串联质谱测量期间，可采用可实现的更大压力来增强和/或更好地控制离子碎裂。本文所公开的新策略基于分子在分子流下如何在结构内移动的非直观性质。
17.根据本教导的第一方面，提供了一种质谱仪碰撞池系统，该系统包括：
18.气体安全壳，其包括具有离子入口端和离子出口端的内部室，该室具有横截面积a
室
，其横向于纵向轴线；
19.气体入口孔隙，其用于向内部室提供气体；
20.第一和第二气体出口孔隙，其分别设置在或靠近内部室的离子入口和离子出口端，第一和第二气体出口孔隙具有相应的出口孔隙横截面积a
孔隙1
和a
孔隙2
，以及平均出口孔隙横截面积
21.室的纵向轴线，其从离子入口端延伸到离子出口端并具有长度l
室
；和
22.一组多极杆电极，其中每个多极杆电极的至少一部分设置在室内，
23.其中a
室
、l
室
和的值使得室和气体出口孔隙的组合气体电导率小于或等于单独气体出口孔隙的气体电导率的95％。
24.优选地，a
室
、l
室
和的值使得室和气体出口孔隙的组合气体电导率小于或等于单独气体出口孔隙的气体电导率的90％、80％或70％。
25.根据本教导的第二方面，提供了一种对样品进行质量分析的方法，该方法包括：
26.生成源自样品的第一多个离子并将多个离子传输到具有内部压力p1的室中；
27.将第一多个离子通过第一气体限制孔隙传输到具有内部压力p2的第二室中，其中p2》p1；
28.或者冷却室内的第一多个离子或者使第一多个离子与室中的气体反应以生成多个产物离子；
29.将冷却的第一多个离子或多个产物离子通过第二气体限制孔隙传输到具有内部压力p3的第三室中，其中p2》p3；和
30.使用第三室内的质量分析仪对冷却的第一多个离子或多个产物离子进行质量分析，
31.其中第二室和气体限制孔隙的组合气体电导率小于或等于单独气体限制孔隙的气体电导率的95％。
32.优选地，a
室
、l
室
和的值使得室和气体出口孔隙的组合气体电导率小于或等于单独气体出口孔隙的气体电导率的90％、80％或70％。
附图说明
33.本发明的上述和各个其它方面将根据以下描述而变得显而易见，所述以下描述仅通过举例的方式给出并参考附图，附图不一定按比例绘制，在附图中：
34.图1a是采用常规三重四极质谱仪系统的液相色谱和质谱(lcms)分析系统的示意图；
35.图1b是采用常规三重四极质谱仪系统的气相色谱和质谱(gcms)分析系统的示意图；
36.图2是已知碰撞池设备的示意横向截面图。
37.图3a是clausing因子变化的曲线图，显示为传输气体或离子粒子通过长度为l和直径为d的管的概率随变化率l/d的变化；
38.图3b是根据朗伯反射计算出的粒子离开表面的反射或散射的累积概率密度作为从表面发射的角度的函数的曲线图；
39.图4a是具有一组图形曲线的曲线图，每个曲线表示不同的碰撞池管长度，其具有在不同的管直径与孔隙直径的比率下计算的碰撞池中的平均压力，每个曲线的值的针对300k下0.248毫升/分钟的氩气稳态流量计算；
40.图4b是图4a中绘制的相同碰撞池内部压力信息的一组图形曲线，但纵坐标显示计算压力与渐近最小可能压力的比率。
41.图5a是根据本教导的第一碰撞池设备的示意性横向截面图；
42.图5b是根据本教导的第二碰撞池设备的示意性横向截面图；
43.图6是具有一组曲线的曲线图，每个曲线图表示碰撞池管长度，其具有管直径与孔隙直径的不同比率下计算的通过碰撞池的气体电导率，每个曲线的值针对300k下0.248毫升/分钟的氩气稳态流量计算，该图还显示了六个已知常规碰撞池的气体电导率值和图5a和5b中描绘的新型碰撞池的气体电导率值；
44.图7是根据本教导的第三碰撞池设备的示意性纵向截面图；
45.图8a是根据本教导的第四碰撞池设备的示意性纵向截面图；和
46.图8b是穿过图8a的碰撞池设备的一部分的示意性横向截面图。
具体实施方式
47.呈现以下描述以使本领域的任何技术人员能够制造和使用本发明，并且以下描述是在特定应用和其要求的背景下提供的。对所描述的实施例的各种修改对于本领域的技术人员将是显而易见的，并且本文的一般原理可应用于其它实施例。因此，本发明并非旨在限于所示出的实施例和示例，而应符合根据所示出和所描述的特征和原理的尽可能最广泛范围。为了更详细地完全理解本发明的特征，请结合以下描述参考图1-7、8a和8b。
48.在本文中的本发明描述中，应理解，除非另外隐含地或明确地理解或陈述，否则以单数形式出现的词语涵盖其复数对应物，并且以复数形式出现的词语涵盖其单数对应物。
此外，应理解，除非另外隐含地或明确地理解或陈述，否则对于本文中描述的任何给定部件或实施例，针对所述部件列出的任何可能的候选或替代方案一般可个别地使用或彼此组合地使用。此外，应理解，如本文所示的附图未必按比例绘制，其中为了本发明的清楚起见可仅仅绘制一些元件。并且，在各个附图中可重复附图标记以示出对应或类似的元件。此外，应理解，除非另外隐含地或明确地理解或陈述，否则候选或替代方案的任何列表仅仅是说明性的，而不是限制性的。
49.clausing因子κ常常用于静态分子流计算(clausing,pieter.
“ꢀ
das kosinusgesetz der zur
ü
ckwerfung als folge des zweiten hauptsatzes der thermodynamik."annalen der physik 396,no.5(1930):533-566.)。clausing因子是一个传输概率校正因子，其范围从零到一，并且必须应用该因子以便校正通过无限薄平面中的理论孔隙到非零厚度的实际孔隙(例如长度为l的管)的气体通量计算。该因素考虑了这样一种现象，即当管具有非零长度l时，由于角度限制，某些分子轨迹被排除在从管中穿过孔隙之外。κ的最初计算是基于分子流过不同l/d比的管的早期蒙特卡罗模拟。随后，这些计算的结果与经验公式进行拟合并制成表格。clausing表也可用于各种类型的管和室的气体电导率值和内部压力。
50.图3a是针对长度l和直径d的简单管计算的clausing因子κ随变化率l/d的变化的曲线图101。可观察到，传输概率随着l/d比的增加而下降；分子不太可能通过长径比大的管。影响clausing因子值的一个关键现象是气体分子从内部表面的反弹遵循所谓的朗伯反射，也就是所谓的余弦定律。
51.本文所指的朗伯反射类似于光学领域中的朗伯余弦定律，该定律指出从理想漫反射表面或理想漫辐射器观察到的辐射强度或发光强度与入射光方向和表面法线之间的夹角θ的余弦成正比。当分子与表面(金属、陶瓷、塑料等)相互作用时，分子结构相对于分子的大小是粗糙的。分子与这种粗糙度相互作用，最终失去对原始入射角的“记忆”。这种现象导致以表面法线和余弦定律为中心的解吸角。对于这种现象，rozanov(rozanov,l.n.“真空技术”(2002年)hablanian,m.h.编辑)指出，从clausing的论文中出现的一个特别相关的想法是，“在平衡状态下离开表面的分子由一般而言与表面发生各种类型的相互作用的分子组成：弹性散射(镜面反射，各种通道中的衍射)、非弹性散射(一个或多声子湮灭或产生)或解吸(吸附后)。如果这些过程中的一个以上是有效的，则作为这些过程中的一个的结果，离开表面的分子的分布原则上是任意的，即使在平衡状态下也是如此。平衡的存在所施加的唯一约束是所有分布的总和必须是余弦。”图3b是根据朗伯反射计算的粒子离开表面的反射或散射的累积概率密度作为从表面发射的角度的函数的曲线图111。
52.基于以上考虑，本发明人已经认识到一般防止分子从具有大l/d比的管逸出的原因是，即使当在管端使用最大直径的开口(即直径与管直径相同的孔隙)时，从管内表面反弹的分子的平均轨迹也横向于管的纵向轴线。因此，分子可从内表面反弹并在反弹后立即通过孔隙的内部路径相对较少。朗伯反射现象的结果是，对于给定的恒定直径d
孔隙
，其具有长度l和管直径d的管端处的气流限制孔隙，随着比率l/d的增加，气体分子通过孔隙的可能性越来越小(例如，图3a)。在这种情况下，在恒定的气体流速下l/d的增加会导致内部池压力增加。
53.为了利用朗伯反射现象，发明人研究了改变碰撞池的几何形状如何影响其内部气
压。如下表1所示，通过三维印刷制造了三种不同内径的简单空管。在300k的氩气流量下，每个管的内部气压被确定为通过相应管产生0.248毫升/分钟的稳态流量所需的入口压力。此外，预期的管内压力通过直接模拟蒙特卡罗(dsmc)计算[例如，参见g.a.bird，“分子气体动力学和气体流动的直接模拟”(牛津大学出版社，牛津，1994年(oxford university press,oxford,1994))]以及通过使用clausing因子计算出。实验和计算的结果如下表1所示。
[0054][0055]
表1.来自3d印刷管的实验数据。2.5mm孔隙，125mm总内部室长度，l
室
(见图7)。
[0056]
在后续段落中进一步论述的图7显示了简单管中压力的计算和测量的长度l如何与质谱仪碰撞池、离子/气体反应池或冷却池的尺寸相关。每个简单管包括位于管相对端处的入口孔隙和出口孔隙。因此，简单管的入口孔隙和出口孔隙以距离l间隔开，其中l正好是所论述的管的长度。然而，在质谱仪碰撞池、离子/气体反应池或冷却池中，气体不会在池端中的一个处进入池内部。相反，气体通过离子入口孔隙9被引入池的池内部室53，该离子入口孔隙设置在两个端孔隙6之间的大致中间。两个端孔隙6中的每一个均是气体出口端，即使端孔隙中的一个是离子入口端而另一端孔隙是离子出口端。因此，必须用于与理论压力计算和模拟进行比较以及与简单管中的压力测量进行比较的有效池长度l是池内部室53的长度l
室
的一半，如图所示。
[0057]
如本文件的背景部分所述，发明人已经确定了质谱技术领域对碰撞池设计的需求，该碰撞池设计能够获得尽可能高的内部压力，同时降低到碰撞池的碰撞气体的流速。气体流速与压力的比称为电导率，可用升/秒为单位表示如下：
[0058][0059]
因此，可通过使池电导率尽可能小来满足本领域的上述需要。由于观察到的测量压力和使用clausing因子(表1)计算的压力之间的密切对应关系，可预测在稳态气流下，其它尺寸的管状碰撞池中产生的内部压力，然后计算电导率。更一般地，可测量任何试验性碰撞池设计的电导率。然后可计算在本文中称为“相对电导率”的量，该量完整碰撞池系统(包括内部室及其气体入口和气体出口孔隙)的电导率与孔隙本身的理论电导率的比率。本文将孔隙(或“理论孔隙电导率”)的理论气体电导率c
孔隙
定义为内径为d的圆孔管在管长度l接近零时的极限电导率。一般而言，对于任何有限长度的管
[0060]c管
＝vk
管a管
/4，其中v是平均分子速度，κ
管
是管的clausing因子且a
管
是管的横截面积。相似地，
[0061]c孔隙
＝vκ
孔隙a孔隙
/4其中κ
孔隙
和a
孔隙
分别是clausing因子和孔隙的横截面积。上述程序给出了与单独的孔隙的电导率相比，完整碰撞池几何形状的电导率低多少的比率。这个程序还使气体的分子速度和温度标准化。
[0062]
举例来说，图4a是具有不同长度、内径和入口和出口孔隙的简单管内的计算压力
的曲线图。图4a1中每个曲线的值针对300k下0.248毫升/分钟的氩气稳态流量计算。图4a的曲线121属于内径范围从39.5mm至2.5mm的一系列管，所有管长度为250mm并位于直径为2.5mm的出口孔隙附近。曲线122属于内径范围从39.5mm至2.5mm的一系列管，所有管长度为125mm并位于直径为2.5mm的出口孔隙附近。曲线123属于内径范围从79.0mm至5.0mm的一系列管，所有管长度为125mm并位于直径为5.0mm的出口孔隙附近。
[0063]
在图4a的曲线图右侧接近的压力的渐近值(即基线值)表示在碰撞池中形成的压力，其中电导率仅由入口和出口孔隙的直径确定。在图4b中，图4a的数据被迁移到公共基线。因此，曲线131、132和133分别表示与曲线121、122和123中所绘制的相同的数据并表示每个管池中的计算压力与相应基线值的比率。在许多情况下，由于外部约束，碰撞池的长度l和直径d
孔隙
不能自由变化。图4b的曲线表明，在孔隙直径受到约束的条件下，通过减小管直径并由此减小设备的电导率，可在恒定气体流速下实现有利的压力增益。
[0064]
为了利用上述见解，发明人开发了新的碰撞池设计，其可实现比在常规碰撞池中可实现的更高的内部压力，而不会增加相对于常规设计的气流。因此，图5a和图5b中的每一个是根据本教导的碰撞池、冷却池或反应池设备34b、34c的示意性横向截面图。图5a-5b所示的横截面是横向于相应设备的纵向轴线截取的。类似于图2中描绘的碰撞池34a，设备34b、34c中的每一个包括平行于相应设备34b、34c的纵向轴线伸长的一组四个四极杆4。在每个设备内，四极杆设置在壳体结构5的中央室7内。气体通过气体入口管35(参见图1a、1b)提供到室7中，该气体入口管在图5a-5b中未描绘但在不同于图5a-5b所示横截面的横向截面内穿过壳体5。在图5a-5b中的每一个中，出口孔隙6被示为图平面上的投影。可通过印刷到电路板1中的每一个上的多个电极在池34b、34c内生成轴向场。图5a-5b中描绘的碰撞、冷却或反应池设备34b、34c中的每一个均采用改进的设计，其中中心室7的横截面积和孔隙6的横截面积之间的比相对于常规池34a(图2)的类似计算的比大大降低。具体而言，常规池34a的室横截面面积与孔隙横截面面积的比大约为103，但新型池34b和34c的类似计算比分别大约为22和9。
[0065]
图6是将几种市售碰撞诱导解离池的测量相对气体电导率值与图5a中所示的新型碰撞诱导解离池的测量电导率进行比较的曲线图。图6中显示的所有数据均在300k下使用0.248毫升/分钟的氩气流速获得。相对电导率值相对于确定为碰撞池的内部室的平均内径d
平均
与边界气体收缩孔隙的直径d
孔隙
之比的纵坐标值绘制。为了比较两种不同的物理碰撞池结构，数量d
平均
应一致计算。在简单的情况下，内部室的横截面可为圆形的，类似于图2所描绘的横截面，直径为d
管
。在这类情况下，
[0066]d平均
＝d
管
。
[0067]
否则，如果横截面是一个高度为h且宽度为w的矩形，那么可将d
平均
近似为
[0068][0069]
如果所论述的管或室又长又窄，那么与其通过比较直径或横截面积(如上)来估计相对电导率值，不如直接使用矩形管道clausing因子或dsmc计算来计算电导率。
[0070]
矩形管道的clausing因子可使用santeler,d.j.；boeckmann,m.d.“矩形管的分子流传输概率”，《真空科学技术杂志(journal of vacuum science technology)》a,1991,9(4),2378-2383进行计算。然后将矩形室的电导率计算为
[0071]c室
＝(vκ
室a室
)/4
[0072]
其中a
室
＝hw是矩形室的横截面积且k
室
是矩形室的clausing因子。
[0073]
对于具有更复杂横截面形状的管或室，可比较不同的室设计或通过比较横截面积而不是比较平均直径来比较估计的室电导率与孔隙电导率。举例来说，可通过图形积分确定室的横截面积a
室
，然后将a
室
与a
孔隙
进行比较(其中一般而言，)或者将关于第一碰撞池结构的横截面积的a
′
室
与关于第二碰撞池结构的横截面积的a
″
室
进行比较，第一池结构与该第二碰撞池结构进行比较。
[0074]
图6上绘制的点144c属于图2中所示的池设计的实例。绘制点145a属于图5a所示的新型池设计。绘制点145b属于图5b所示的新型池设计。绘制点144a、144b、144d、144e和144f属于其它已知的池设计。为了比较，曲线141、142和143描绘了各种管和孔隙组合的计算的相对电导率值。图6中每个绘制点的横坐标值——无论是在曲线141-143中的一个上，还是单独绘制——表示细长内部体积的电导率与仅与细长内部体积的末端相邻的边界孔隙的理论孔隙电导率之间的比率。如上所述，孔隙的理论电导率(或“理论孔隙电导率)在本文中定义内径为d的圆孔管在管长度l接近于零时的极限电导率。曲线141属于长度l为250mm和可变内径d
管
的圆孔管，连同直径为2.5mm的边界孔隙。曲线142属于长度l为125mm和可变内径d
管
的圆孔管，连同直径为5.0mm的边界孔隙。曲线143属于长度l为125mm和可变内径d
管
的圆孔管，连同直径为2.5mm的边界孔隙。
[0075]
图6中描绘的数据强调了一个有点反常的事实，即在碰撞池气体室直径——要么对于具有圆形横截面的室是d
管
要么其它情况下是d
平均
——大于孔隙直径d
孔隙
的所有情况下，碰撞池的气体电导率随着碰撞池室的直径减小而减小。当碰撞池直径远大于周围气体限制孔隙的直径(即，大7倍或更多倍(见图6)时，碰撞池系统(即碰撞池和孔隙)的气体电导率主要由孔隙的直径控制。然而，随着碰撞池直径的减小，室的clausing因子对系统电导率值的影响水平越来越高，因为碰撞池具有非平凡的长度l。因此，碰撞池系统的电导率减小——并且对应地，恒定流速压力增加——随着碰撞池的直径减小到孔的直径而下降。因此，对于给定的流速，内部压力随着碰撞池直径减小到边界孔隙的大小而增加。
[0076]
作为碰撞气体室直径的减小如何增加内部压力的具体示例，发明人已经将图2的已知碰撞池34a(由图6中的点144c表示)与图5b的新型碰撞、冷却或反应池34c(由图6中的点145b表示)进行了比较。使用相同的池长度、孔隙直径和气体流速，发现设备34c(图5b)的内部室7内的平均压力为6.7毫托，而碰撞池34a(图2)的内部室53内的压力为4.2毫托。这百分之六十的压力增加至少部分归因于在池34c中与池34a相比，相应内部室(即图5b所示的室7与图2所示的室53相比)的横截面积a
室
与相应气体出口孔6的面积a
孔隙
之间的较小比率。举例来说，对于设备34a(图2)，室53的横截面面积与出口孔隙6的横截面面积之比大约为103，而对于设备34c(图5b)，室7的横截面面积与出口孔隙6的横截面积之比大约为8.9。还应注意，从曲线142(长度l等于125mm)与141(长度l等于250mm)的比较来看，在相同的池和孔隙直径下，通过增加(例如加倍)碰撞池的长度，可显著地进一步增加碰撞池的压力。增加长度会降低室的clausing因子，从而降低电导率并增加压力。
[0077]
作为碰撞气体室直径的减小如何增加内部压力的另一个具体示例，发明人已经将图2的已知碰撞池34a(由图6中的点144c表示)与图5a的新型碰撞、冷却或反应池34b(由图6中的点145a表示)进行了比较。使用相同的池长度、孔隙直径和气体流速，发现设备34b(图
5a)的内部室7内的平均压力为4.8毫托，而碰撞池34a(图2)的内部室53内的压力为4.2毫托。这百分之十四的压力增加至少部分归因于在池34b中与池34a相比，相应内部室(即图5a所示的室7与图2所示的室53相比)的横截面积a
室
与相应气体出口孔6的面积a
孔隙
之间的较小比率。举例来说，对于设备34a(图2)，室53的横截面面积与出口孔隙6的横截面面积之比大约为103，而对于设备34b(图5a)，室7的横截面面积与出口孔隙6的横截面积之比大约为22。还应注意，从曲线142(长度l等于125mm)与141(长度l等于250mm)的比较来看，在相同的池和孔隙直径下，通过增加(例如加倍)碰撞池的长度，可显著地进一步增加碰撞池的压力。增加长度会降低室的clausing因子，从而降低电导率并增加压力。
[0078]
图6的行147表示碰撞池系统电导率相对于系统的气体限制孔隙的电导率降低了百分之五。在恒定的气体流速下，这类电导率的降低将对应于内部碰撞池压力增加大约百分之五。然而，根据现有数据，相对于孔隙的电导率，没有一种已知的碰撞池设计能够实现这种程度的电导率降低。然而，图5b中所示的设备34c的新型碰撞池设计实现了相对电导率降低大约35-37％，这对应于在恒定流速下碰撞池压力增加大约56-58％。换句话说，设备34c的气体电导率值大约为设备34a的气体电导率值的63-65％，从而在设备34c中产生恒定流速的压力，即在相同的气体流速下，大约为设备34a内产生的压力的1.55-1.59倍。图6的结果表明，为了实现相对电导率降低百分之五，已知碰撞池系统需要进行修改，其要么通过减小圆形横截面直径d
室
一定量使得比率d
室
/d
孔隙
≤7，要么通过增加(例如加倍)碰撞池的长度l，要么通过减少d
室
并增加l的某种组合。
[0079]
流出碰撞池的气体的总电导率包括气体从中心的气体入口9、35(图1和7)流过长度为l的“半管”，即池的总长度l
室
的一半(例如，见图7)并流过孔隙6。这个半管电导率必须乘以2，因为有两条平行的路径离开室，一条朝向入口孔隙，而另一条朝向出口孔隙。因此，池的电导率c
池
可近似为：
[0080][0081]
其中c
孔隙
是每个孔隙的电导率且c
半管
是从气体入口处的管中心到孔隙的电导率。haefer,r.a.；《真空(vacuum)》1980 30 217,第217页和第221页中的公式可用于对更复杂的结构求和。对于大横截面管，c
半管
与c
孔隙
相比变得非常大且上面的公式简单地简化为c
池
＝2c
孔隙
。然而，随着管的横截面变小和/或室长度变长，所产生的电导率c
半管
减少。较小的横截面会减小面积，而较长的距离会降低clausing因子。这些趋势导致不等式c
池
《2c
孔隙
，这从而产生给定气流所需的更高压力。
[0082]
作为示例，如果我们在0.75mm厚的板上有2.5mm直径的孔隙，对于300k下的氩气，每个此类孔隙的电导率将为0.377升/秒。对于大内径管，气体的流动没有明显的障碍。因此，在这种情况下，池的电导率大约等于2c
孔隙
＝0.76升/秒。对于125mm的总池长度，半管的电导率随着内径的减小而下降。一旦内径减小到大约40mm，管本身的电导率就成为气体到达孔隙的限制。在大约20mm的内径处，池的电导率已下降到两个孔隙本身的大约0.96。在大约10mm的内径处，池的电导率已下降到两个孔隙本身的大约0.77。半池的电导率为1.26升/秒。这使得池的总电导率为0.58升/秒，是孔隙本身电导率的0.77倍，即0.76升/秒。这导致池外的电导率较低。这反过来又在给定流速下在池中产生更高的压力。
[0083]
这些公式可用于不对称的池，换句话说，气体入口不在装置的中心处。这些公式也
可用于两端没有相同孔隙的池。计算从气体入口到两个孔隙中的每一个的电导率，c
半管1
和c
半管2
。然后计算两个孔隙的电导率，c
孔隙1
和c
孔隙2
。总池电导率为
[0084][0085]
对于更复杂的几何形状，dsmc可用于计算池的总电导率。然后可将其与孔隙本身的电导率进行比较。这可能包括弯曲的池(例如90
°
、180
°
或任何其它)。可通过模拟计算具有其它内部形状(不是简单的圆形或矩形)的池几何形状的电导率。这还包括具有内部零件的池几何形状，这些零件使实际电导率不同于简单的圆形或矩形管。
[0086]
图7是根据本教导的第三碰撞池、冷却池或反应池设备34d的示意性纵向截面图。碰撞、冷却或反应池34d包括一组多极杆电极74，其在操作中用于将离子容纳在离子通道73内。入口透镜71a和出口透镜71b用于控制将离子引入池34d并控制离子沿离子通道73通过池的流动。碰撞池34d与常规碰撞池设备的不同之处在于，常规入口端透镜被特殊的单晶透镜所取代，其中构成每个透镜的板电极的孔隙在朝向池内部的方向上逐渐减小。因此，入射透镜71a包括三个板状电极78a、78b和78c，最外面的板状电极78a具有最大直径的孔隙，而最里面的电极78c具有最小直径的孔隙。在设备的离子出口端处，出射透镜71b包括三个板电极79a、79b和79c，最外面的板电极79a具有最大直径的孔隙，而最里面的电极79c具有最小直径的孔隙。板78c和79c中的孔隙分别是气流限制入口和出口孔隙。这些孔隙的直径与常规单透镜的孔隙相比更小，或者更一般地，其横截面积更小。因此，对于朗伯反射现象，假设恒定的气体流速，气体分子通过板78c和79c中的孔隙的可能性低于气体分子通过常规单透镜的孔隙的可能性，从而导致更大的内部池压力。
[0087]
图8a是根据本教导的第四碰撞池、冷却池或反应池设备34e的示意性纵向截面图。图8b是该设备沿横截面cc'的示意性横向截面图。与图7中所示的设备34d相反，设备34e(图8a-8b)不使用端透镜。相反，在设备34e中，由末端透镜提供的离子聚焦属性由气体安全壳38外部的多极杆电极的延伸部提供。长度为δl的一种这类延伸部在图8a中示出。如图8b所示的横截面，在成对的杆电极之间形成气流屏障的一个或多个绝缘体72使得流出气体安全壳38的每一端的气流被限制在短通道6内，该短通道起到气体限制孔的作用并位于杆电极延伸部之间的中心。一个或多个绝缘体72可包括但不限于：支撑杆电极的间隔件、装配在电极之间的垫圈或固定到离子安全壳壁的真空“馈通”部件。
[0088]
在替代实施例中，内部杆电极的延伸部穿过气体安全壳38(图8a)的壁的部分可由单独的一组短“短柱”电极(未示出)取代，这些短“短柱”电极部分地设置在安全壳38外部并通过间隙与内部杆电极74隔开。在这类实施例中，每个孔隙6是短通道，其在短柱电极之间的中心处。每组短电极——在设备34e的入口端处的一组和/或在设备的离子出口端处的单独的一组——包括单独的四极或多极杆装置。因此，电源(未示出)被配置为向短电极提供rf电压。电源也可被配置为提供内部杆电极和每组短柱电极之间的dc电压差，以促使离子进出设备34e。
[0089]
包括在本技术中的论述旨在用作基本描述。本发明的范围不限于在本文所描述的具体实施例，这些实施例旨在作为本发明的单独方面的单个说明。功能上等同的方法和部件在本发明的范围内。仅作为一个示例，已经在本文的示例中使用的碰撞池和离子冷却池在上面已经被描述为具有线性纵向轴线。然而，本文所描述的原理也可更广泛地应用于非
直的碰撞池和离子冷却池。因此，碰撞池、离子冷却池和具有沿其长度弯曲且具有弯曲纵向轴线的杆电极的反应池也被考虑。这类弯曲的多极杆装置例如在美国专利第8,461,524号、美国专利第9,543,136号和美国专利第6,576,897号中进行了描述。曲率有利于将不带电的分子(在没有碰撞的情况下沿着直线轨迹)与离子分离，离子的轨迹很大程度上受限于围绕弯曲纵向轴线的赝势阱。在这类情况下，室长度l
室
(等于2l)应取为弯曲纵向轴线从入口孔隙到出口孔隙的总长度。根据前面的描述和附图，除了在本文示出和描述的那些之外，本发明的各种其它修改对于本领域技术人员将变得显而易见。