一种二次离子质谱仪中的磁分析器的制作方法

1.本发明涉及二次离子质谱仪技术领域，特别是涉及一种二次离子质谱仪中的磁分析器。


背景技术：

2.在质谱技术中，单聚焦一般指的是方向(角度)聚焦，双聚焦则指同时实现方向(角度) 和能量(速度)聚焦。离子探针对分辨率的要求很高，要提高分辨率，必须考虑能量分散问题。因此，高分辨率的sims系统都会采用双聚焦型磁质谱计以求有效地解决能量分散问题。
3.双聚焦型磁质谱计由球面电场和扇形磁场组成(如图1所示)。二次离子首先进入一个球面电场，称为静电分析器。在电场内，离子沿半径为r的圆形轨道运动，由电场产生的力等于向心力，球面电场能使能量相同的离子作相同程度的偏转。由电场偏转后的二次离子再进入扇形磁场(磁分析器)进行第二次聚焦，由磁通产生的洛仑兹力等于向心力。不同质荷比的离子聚焦在成像面的不同点上。
4.现有的扇形电磁铁一般是通过轭铁之间设置上下扇形极靴形成扇形均匀磁场，然而该扇形电磁铁结构形成的扇形磁场磁力线不够集中，磁场相对强度不够高。


技术实现要素：

5.基于此，本发明的目的在于，提供一种二次离子质谱仪中的磁分析器，其能够产生均匀、快速响应，相对集中、变换(变化)范围很大、且可精密控制的磁场，用于聚焦、偏转和过滤飞行离子束。
6.本发明是通过如下方式实现的：
7.一种二次离子质谱仪中的磁分析器，包括上安装座、下安装座、上电磁铁组件、下电磁铁组件和真空管，所述上安装座和所述下安装座相互盖合，并在内部形成容置腔；
8.所述下电磁铁组件包括下扇形磁铁、下固定圆台和第一线圈，所述下扇形磁铁的水平截面由底部朝顶部逐渐变小，所述下扇形磁铁的底部固定于所述下固定圆台上，所述下固定圆台固定于所述下底面，所述第一线圈围绕所述下固定圆台设置；
9.所述上电磁铁组件包括上扇形磁铁、上固定圆台和第二线圈，所述上扇形磁铁与所述下扇形磁铁相对设置，所述上扇形磁铁的水平截面由底部朝顶部逐渐变大，所述上扇形磁铁的底部固定于所述上固定圆台上，所述上固定圆台固定于所述上底面，所述第二线圈围绕所述上固定圆台设置；
10.所述上扇形磁铁的底部和所述下扇形磁铁的顶部之间形成狭缝，所述真空管设置于所述狭缝中，所述真空管的弯曲方向与所述上扇形磁铁和所述下扇形磁铁一致，且所述真空管的两端穿出所述容置腔的侧壁，分别形成离子入射口和离子出射口。
11.进一步地，所述下扇形磁铁和所述上扇形磁铁竖直方向上的截面为梯形。
12.进一步地，所述真空管为扁平状。
13.进一步地，所述下固定圆台设置有支撑柱，所述支撑柱的上端设置有固定板，所述固定板远离所述支撑柱的侧面设置有抵接部，所述抵接部与所述真空管的内侧面抵接，用于对所述真空管限位固定。
14.进一步地，所述第一线圈和所述第二线圈分别通过环形塑料圈进行封装，两个所述环形塑料圈分别贯穿设置有两个金属接口，所述第一线圈的两端分别与两个所述金属接口连接，使得通过所述金属接口给所述第一线圈接入电流，所述第二线圈的两端分别与两个所述金属接口连接，使得通过所述金属接口给所述第二线圈接入电流。
15.进一步地，所述下底面和所述上底面均设置有环状凹槽，所述环形塑料圈设置于所述环状凹槽内；
16.所述下固定圆台环绕所述下扇形磁铁的较长弧边缘和较短弧边缘设置有多个挡板，所述挡板的一端与所述下固定圆台转动连接，所述挡板的另一端可转动至所述下固定圆台上端面，或所述环状凹槽上方，以固定所述环形塑料圈；
17.所述上固定圆台环绕所述上扇形磁铁的较长弧边缘和较短弧边缘设置有多个挡板，所述挡板的一端与所述上固定圆台转动连接，所述挡板的另一端可转动至所述上固定圆台下端面，或所述环状凹槽下方，以固定所述环形塑料圈。
18.进一步地，所述下底面的中心处设置有第一定位孔，所述下固定圆台对应设置有第一定位凸起，所述第一定位凸起与所述第一定位孔配合安装实现定位；
19.所述上底面的中心处设置有第二定位孔，所述上固定圆台对应设置有第二定位凸起，所述第二定位凸起与所述第二定位孔配合安装实现定位。
20.进一步地，与所述离子入射口或所述离子出射口相对的一侧壁贯穿设置有安装孔，所述安装孔内设置有霍尔元件，用于检测所述磁分析器内部的扇形磁场强度。
21.进一步地，所述第一线圈和所述第二线圈的匝数为10～20。
22.本发明实施例提供的一种二次离子质谱仪中的磁分析器通过将扇形磁铁设计成竖直方向上的截面为梯形的结构，能够将磁场集中在上下两块磁铁之间形成的偏转狭缝中，可以使磁场相对集中，磁场强度相对提高，并且通过软件控制通入线圈的电流、通过霍尔元件监控通电线圈产生的磁场大小，能够产生均匀、快速响应、变化范围大的精密控制的磁场，从而使得离子在洛伦兹力作用下的偏转角度精准可控。该磁分析器应用在二次离子质谱仪中能够用于聚焦、偏转和过滤飞行离子束，使不同能量和不同方向的离子都被收集起来，进而实现可探测。
23.为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
24.图1为背景技术中提及的现有双聚焦型磁质谱计的设计原理示意图；
25.图2为本发明实施例中一种二次离子质谱仪的磁分析器的整体结构示意图；
26.图3为本发明实施例中一种二次离子质谱仪的磁分析器的整体结构的剖面示意图；
27.图4为本发明实施例中一种二次离子质谱仪的磁分析器下安装座和下电磁铁组件的装配结构示意图；
28.图5为本发明实施例中一种二次离子质谱仪的磁分析器的下电磁铁组件的结构示
意图；
29.图6为本发明实施例中一种二次离子质谱仪的磁分析器的下安装座的结构示意图。
30.附图标记：
31.1、上安装座；2、下安装座；21、第一定位孔；22、离子入射口；23、离子出射口；24、环状凹槽；25、安装孔；3、下电磁铁组件；31、下扇形磁铁；32、下固定圆台；33、支撑柱； 34、固定板；35、挡板；36、第一线圈；4、上电磁铁组件；5、真空管。
具体实施方式
32.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施例方式作进一步地详细描述。
33.应当明确，所描述的实施例仅仅是本技术实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术实施例保护的范围。
34.在本技术实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术实施例。在本技术实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和 /或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
35.下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的人体，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
36.此外，在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联人体的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在 a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联人体是一种“或”的关系。
37.针对背景技术提及的技术问题，本发明实施例提供一种二次离子质谱仪中的磁分析器，其用于形成扇形磁场，可以与静电分析器配合使用，具体设置方式如图1所示，使得离子束先通过静电分析器形成的球面电场进行能量聚焦，再通过磁分析器形成的扇形磁场进行方向聚焦，从而实现离子能量和离子方向双聚焦。在其他的例子中，也可以改变静电分析器和磁分析器的设置顺序，使得离子先通过磁分析器进行方向聚焦，再经过静电分析器实现能量聚焦。
38.如图2和图3所示，在一个具体的实施例中，磁分析器包括上安装座1、下安装座2、上电磁铁组件4、下电磁铁组件3和真空管5，上安装座1和下安装座2相互盖合，并在内部形成容置腔，可选的，上安装座1和下安装座2相对于连接处所在平面对称设置，容置腔为圆柱形容置腔，上电磁铁组件4固定于容置腔的上底面，下电磁铁组件3固定于容置腔的下底面，上电磁铁组件4和下电磁铁组件3之间形成磁场，入射离子进入磁场收到洛伦兹力的作用发生偏转。
39.可选的，下安装座2的长度和宽度尺寸范围为320～340mm，高度尺寸范围为140～160mm，上安装座1与下安装座2的尺寸一致，优选的，上安装座1和下安装座2相互盖合形成正方体结构；内部形成的容置腔的直径范围为270～290mm。
40.图4为磁分析器的下安装座2和下电磁铁组件3的结构示意图，图5为下电磁铁组件3 的结构示意图，如图4和图5所示，具体的，下电磁铁组件3包括下扇形磁铁31、下固定圆台32和第一线圈36，下扇形磁铁31的水平截面由底部朝顶部逐渐变小，下扇形磁铁31的底部固定于下固定圆台32上，下固定圆台32固定于容置腔的下底面，第一线圈36围绕下固定圆台32设置。
41.与之对应的，上电磁铁组件4包括上扇形磁铁、上固定圆台和第二线圈，上扇形磁铁与下扇形磁铁31相对设置，上扇形磁铁的水平截面由底部朝顶部逐渐变大，上扇形磁铁的底部固定于上固定圆台上，上固定圆台固定于容置腔的上底面，第二线圈围绕上固定圆台设置；使得在第一线圈36和第二线圈通入相同方向的电流时，上扇形磁铁和下扇形磁铁31之间形成扇形磁场。
42.可选的，如图6所示，下底面的中心处设置有第一定位孔21，下固定圆台32对应设置有第一定位凸起，第一定位凸起与第一定位孔21配合安装实现定位；上底面的中心处设置有第二定位孔，上固定圆台对应设置有第二定位凸起，第二定位凸起与第二定位孔配合安装实现定位。可选的，下安装座2和下固定圆台32的连接处还从下安装座2的底面向上贯穿设置有螺纹孔，螺钉进入螺纹孔将下安装座2和下固定圆台32装配固定，上安装座1和上固定圆台的连接处还从上安装座1的底面向下贯穿设置有螺纹孔，螺钉进入螺纹孔将上安装座1和上固定圆台装配固定。在其他的例子中，下安装座2和下固定圆台32之间、上安装座1和上固定圆台之间还能通过其他的方式进行定位和固定。
43.如图3所示，上扇形磁铁的底部和下扇形磁铁31的顶部之间形成狭缝，可选的，上扇形电磁铁和下扇形磁铁31形成的狭缝的尺寸范围为5～12mm。真空管5设置于该狭缝中，真空管5的弯曲方向与上扇形磁铁和下扇形磁铁31一致，且真空管5的两端穿出容置腔的侧壁，分别形成离子入射口22和离子出射口23；使得二次离子通过离子入射口22进入真空管5内，受到磁场力的作用发生偏转，并从离子出射口23离开扇形磁场，带电离子在经过磁场的偏转后得到具有能量和空间双聚焦，组分纯化的离子束。可选的，上安装座1和下安装座2相互盖合可以形成正方体结构，真空管5可穿过正方体结构的一对相邻侧壁，在两个侧壁上分别形成离子入射口22和离子出射口23。
44.可选的，真空管5为扁平状真空管；为固定和限位扁平状真空管，下固定圆台32上还设置有设置有支撑柱33，支撑柱33的上端设置有固定板34，固定板34远离支撑柱的侧面设置有抵接部，抵接部与真空管5的内侧面抵接，用于对真空管5限位固定。在一个具体的例子中，该侧面包括位于两端的弧面段，以及连接弧形段的平直面段，两端的弧面段设置为抵接部，用于对真空管5进行限位固定。
45.在一个具体的实施例中，下扇形磁铁31和上扇形磁铁竖直方向上的截面为梯形，扇形磁铁的梯形截面的结构使得下扇形磁铁31内部的磁力线由底部向顶部集中，同时上扇形磁铁内部的磁力线由顶部向底部集中，在第一线圈36和第二线圈通入方向一致的电流时，形成竖直方向的磁力线，且磁力线在集中在偏转狭缝附近，该设计能够使得磁场相对集中，磁场强度相对提高，并保持均匀。
46.第一线圈36和第二线圈可以是裸露的，也可以通过塑料对线圈进行封装，在一个具体的实施例中，第一线圈36和第二线圈分别通过环形塑料圈进行封装，两个环形塑料圈分别贯穿设置有两个金属接口，第一线圈36的两端分别与两个金属接口连接，使得通过金属接口给第一线圈36接入电流，第二线圈的两端分别与两个金属接口连接，使得通过金属接口给第二线圈接入电流。可选的，第一线圈36和第二线圈的匝数为10～20，线圈中铜线的直径约为0.55mm。
47.为配合环形塑料圈，下底面和上底面均设置有环状凹槽24，环形塑料圈设置于环状凹槽 24内，该环状凹槽24的外径与容置腔的直径相匹配，环状凹槽24的内径与下固定圆台32 或上固定圆台的直径尺寸相匹配，环状凹槽24的宽度尺寸范围可以为75～95mm，与环形塑料圈的宽度相匹配。
48.优选的，下固定圆台32环绕下扇形磁铁31的较长弧边缘和较短弧边缘设置有多个挡板 35，挡板35的一端与下固定圆台32转动连接，挡板35的另一端可转动至下固定圆台32上端面，或环状凹槽24上方，以固定环形塑料圈；上固定圆台环绕上扇形磁铁的较长弧边缘和较短弧边缘设置有多个挡板35，挡板35的一端与上固定圆台转动连接，挡板35的另一端可转动至上固定圆台下端面，或环状凹槽24下方，以固定环形塑料圈。在一个具体的实施例中，下固定圆台32设置有四个挡板35，两个设置于较长弧一侧的边缘，两个设置于较短弧一侧的边缘，上固定圆台也设置有四个挡板35，两个设置于较长弧一侧的边缘，两个设置于较短弧一侧的边缘。可选的，挡板35可以通过螺钉与上固定圆台或下固定圆台32转动连接，使得挡板35可绕螺钉轴心转动。
49.可选的，与离子入射口22或离子出射口23相对的一侧壁贯穿设置有安装孔25，安装孔 25内设置有霍尔元件，该霍尔元件用于检测磁分析器内部的扇形磁场强度。
50.本发明实施例提供的一种二次离子质谱仪中的磁分析器所形成的扇形磁场参数范围如下：
51.磁感应强度b：线性范围为0～1.5t，不超过2.5t；
52.电流i：线性范围为0～22.5a，不超过40a；
53.电压u：线性范围为0～15v，不超过31v；
54.同时磁分析器装置的上安装座1、下安装座2、上固定圆台、下固定圆台32、上扇形磁铁和下扇形磁铁31均采用渗磁小的软磁性材料，比如白铁等；而真空管5和线圈内导线为无磁性材料。
55.本发明实施例提供的一种二次离子质谱仪中的磁分析器在使用的过程中，通过电脑软件控制晶体管提供大电流接入第一线圈和第二线圈，由大电流产生相应磁场，梯形电磁铁的结构使得磁场集中在偏转狭缝附近，带电离子经过扇形磁场的偏转后得到具有能量和空间双聚焦，组分纯化的离子束，并以转动固定角度进入探测器。
56.本发明实施例提供的一种二次离子质谱仪中的磁分析器通过将扇形磁铁设计成竖直方向上的截面为梯形的结构，能够将磁场集中在上下两块磁铁之间形成的偏转狭缝中，可以使磁场相对集中，磁场强度相对提高，并且通过软件控制通入线圈的电流、通过霍尔元件监控通电线圈产生的磁场大小，能够产生均匀、快速响应、变化范围大的精密控制的磁场，从而使得离子在洛伦兹力作用下的偏转角度精准可控。该磁分析器应用在二次离子质谱仪中能够用于聚焦、偏转和过滤飞行离子束，使不同能量和不同方向的离子都被收集
起来，进而实现可探测。
57.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。