一种线电极离子阱

本发明属于离子操控器件，涉及一种线电极离子阱，具体涉及一种用于原子分子团簇储存与冷却的线电极离子阱。

背景技术：

1、原子分子团簇是由几个乃至上千个原子或分子组成，通过物理或化学作用结合形成的亚微观或微观聚集体，尺寸介于微观的原子分子和宏观的固体液体之间，其性质既不能看作单个原子分子的性质线性叠加，也不同于固体液体性质，是一种新的物质层次，具有独特的性质。在各类原子分子团簇研究的方法中，光谱能够直接反映团簇的结构与性质，帮助理解原子分子团簇参与的物理与化学过程。其中，基于高灵敏高分辨质谱分析的光解离光谱具有高分辨能力，这类光谱技术使用一个惰性标记原子或分子与离子结合，根据光解离前后的离子强度变化，分析得到所研究离子的光谱。这要求囚禁富集离子、冷却离子，并使用稀有气体标记待测离子形成弱结合的复合物。

2、1953年wolfgang paul发明了三维离子阱，后被称为保罗阱，使用射频电场和稳恒电场共同构造离子阱。保罗离子阱囚禁带电离子，可形成离子射流，用于谱学研究。随着技术的进步，多种几何结构的离子阱诞生。不同电极形成的空间有效势能分布不同，会影响离子囚禁效果，进而影响光谱测量。

3、目前，用于团簇分析的离子阱几何结构主要是保罗阱和22极阱，保罗阱电极有较高的加工精度要求，容易出现更强的射频加热；22极阱势阱的中心区域较为平坦，形成的离子团较大，会降低飞行时间质谱分辨率，两者均存在改进空间。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种线电极离子阱，能够实现降低射频加热效应下离子团的冷却和稳定囚禁。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明公开的一种线电极离子阱，包括离子阱壳体，在离子阱壳体中开设有用于盛放线电极的腔体，离子阱壳体壁上开设有与腔体连通的进气孔，在离子阱壳体两端封装有pcb板，用于固定线电极并为线电极提供特定电压；在pcb板上安装端帽电极用于提供离子的轴向束缚；

4、所述线电极在腔体中呈双曲线形状排布，用于提供离子径向囚禁电场；所述端帽电极用于提供轴向囚禁电场。

5、优选地，根据本发明的实施方案，所述线电极包括一组射频线电极和一组直流线电极，两组线电极分别对称排布于腔体中。两组线电极共同提供径向束缚。

6、进一步优选地，根据本发明的实施方案，所述射频线电极和直流线电极均采用每侧n条线电极(如n＝6)提供势能分布；示例地，线电极位置依据四极有效势能的双曲线边界条件确定。

7、进一步优选地，根据本发明的实施方案，射频线电极和直流线电极为圆柱状线电极，直径1mm。

8、优选地，根据本发明的实施方案，使用时，通过与外接的电压控制单元连接供电；所述电压控制单元包括直流电单元、射频电单元和脉冲电单元；其中，直流电单元包括第一直流电单元和第二直流电单元，第一直流电单元施加于一组直流线电极上，第二直流单元施加于端帽电极上，射频电单元施加于另一组射频线电极上，脉冲电单元用于为端帽电极施加脉冲信号。

9、第一直流电单元与直流线电极连接，第二直流电单元与端帽电极连接。示例性的，第一直流电单元设置为0v。第二直流电单元设置为5v。

10、其中，所述射频电单元与射频线电极连接。示例性的，射频电单元的射频频率为1.0mhz，电压幅度值为100v。进一步优选地，射频电压的波形为正弦波。

11、其中所述脉冲电单元与第二直流电单元连接，只有在形成离子射流时开启，向其中一侧的端帽电极提供脉冲电压。示例性的，脉冲电压幅度为-5v，脉冲时间100ms。

12、优选地，根据本发明的实施方案，端帽电极的中心设置圆形通孔作为离子注入和离子出射口。

13、进一步优选地，根据本发明的实施方案，所述端帽电极直径为9mm，中心的圆形通孔的直径为7mm，端帽电极厚度为2mm。

14、优选地，根据本发明的实施方案，所述离子阱沿轴向长度为35-60mm，更优选为52mm。

15、优选地，根据本发明的实施方案，进气孔连接冷却气体引入管，在冷却气体引入管上设有脉冲阀或针阀，用于控制进气。由于气相离子进入离子阱区时往往携带较大的动能，为冷却离子，通过冷却气引入管以引入冷却气与气相离子碰撞并带走气相离子的额外动能，从而便于在离子阱内约束气相离子。

16、根据本发明的实施方案，通过脉冲阀控制进气，根据离子阱内冷却需求控制进气量。

17、优选地，冷却气体选择稀有气体，冷却气体的数密度和电极电压随离子电荷、质量、初速度以及冷却气体种类而变化，满足稳定囚禁条件。

18、优选地，所述冷却气在离子阱内数密度为1016cm-3。

19、优选地，根据本发明的实施方案，离子阱腔体装配有温度探测器，在离子阱壳体壁上开设有与腔体连通的测温孔，探测通道与离子阱内部空腔连通使用。

20、优选地，离子阱壳体底部设有离子阱基座，离子阱基座与外接制冷设备的制冷机冷头紧密连接，在连接处安装有铟片。

21、优选地，根据本发明的实施方案，pcb板上设有与线电极数量与排布位置对应的通孔，线电极穿过所述通孔实现位置固定，所有线电极使用pcb板提供机械支撑并提供适当电压。

22、优选地，所述pcb基底材料可以选取陶瓷填充的聚四氟乙烯(ptfe)材料保证射频传输和绝缘性能。

23、优选地，根据本发明的实施方案，所述装置中pcb板通过金属螺丝固定在离子阱壳体上。

24、优选地，根据本发明的实施方案，本发明的离子阱壳体为长方体结构，为无氧铜腔体，内部开设的腔体为圆柱状空腔，线电极均装配于圆柱状空腔中，圆柱状空腔两侧由pcb封闭，线电极穿过pcb上的通孔实现位置固定。

25、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

26、本发明公开的线电极离子阱，在离子阱壳体中开设有腔体，线电极安装于该腔体中，pcb板上绘制有电路能够为线电极提供特定电压，同时pcb板上能够给线电极提供支撑，pcb板上还安装有端帽电极，线电极在腔体中呈双曲线形状排布，用于提供离子径向囚禁电场，端帽电极则用于提供轴向囚禁电场。采用线电极囚禁离子，线电极模拟囚禁离子所需的边界条件，结合pcb板(印刷电路板)和缓冲气体进行冷却，能够实现低温为4k下离子的稳定囚禁。本发明通过使用合理分布的线电极，能够在离子阱中心区域提供四极势阱，囚禁小离子团，实现离子的高效收集、冷却与排出。相较于保罗阱，线电极的使用降低了加工难度，增加了离子阱的光学开放性，降低了射频加热效应；相较于22极阱，当前离子阱中储存的离子团更小，有利于提升飞行时间质谱分析的分辨率。

27、进一步地，本发明具有预先设计的电极位置，在一定区域内可以模拟所需空间电场分布，如类似保罗阱的四极电场分布。且本发明的边界条件不仅限于四极势能分布，其它类型的势能分布可以使用类似方法获得相应边界条件。

28、进一步地，使用不锈钢作为线电极材料，两侧使用低射频损耗、耐低温的高机械强度板材作为印刷电路板基底材料，具有高装配精度。

29、进一步地，所述pcb板的基底材料可以选取陶瓷填充的聚四氟乙烯(ptfe)材料保证射频传输和绝缘性能，pcb板通过金属螺丝固定在离子阱壳体两端。