軸向磁離子源及相關(guān)電離方法
【專利摘要】一種離子源，其配置成用于電子電離并產(chǎn)生同軸的電子和離子束。該離子源包括沿軸線的電離室、配置成用于在所述電離室中產(chǎn)生軸向磁場的磁體組件、電子源、以及透鏡組件，其配置成用于沿著軸線將離子束從電離室引出，朝向電子源將電子束反射回，以及將更高能量的離子從離子源傳送出同時朝向透鏡元件反射更低能量的離子進行中和。
【專利說明】軸向磁離子源及相關(guān)電離方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及利用電子束的離子源，比如可以用于質(zhì)譜，更具體地，涉及產(chǎn)生與電子 束同軸的離子束的離子源。

【背景技術(shù)】
[0002] 一般而言，質(zhì)譜（MS)系統(tǒng)包括：離子源，用于電離目的樣品的組分；質(zhì)量分析器， 用于基于離子的不同質(zhì)荷比（或m/z比、或者更簡單地說"質(zhì)量"）而將其分開；離子檢測 器，用于計數(shù)所分開的離子；以及電子，用于根據(jù)需要處理來自離子檢測器的輸出信號產(chǎn)生 用戶可解釋的質(zhì)譜。通常，質(zhì)譜是一系列峰，其表示作為m/z比的函數(shù)的所檢測到的離子的 相對豐度。質(zhì)譜可被用來確定樣品組分的分子結(jié)構(gòu)，從而使樣品能夠定性和定量地表征。
[0003] 離子源的一實例是電子電離（EI)源。在典型的EI源中，樣品材料以分子蒸汽的形 式被引入室。被加熱的燈絲用來發(fā)射高能電子，其作為光束在加于燈絲與陽極之間的電勢 差的作用下被校準和加速進入室。樣品材料沿著與電子束路徑交叉的路徑被引入到室中。 由于電子束在樣品和電子路徑相交叉的區(qū)域中轟擊樣品材料而產(chǎn)生樣品材料的電離。電離 過程的主要反應可以由下列關(guān)系式來描述- 1^++2^,其中Μ表示分析物分子，表示 電子，M*+表示所得到的分子離子。也就是說，電子足夠親近地接近分子，以通過靜電斥力促 使分子失去電子，因此，單電荷的正離子得以形成。電位差被用來吸引形成于室中朝向出射 孔的離子，然后將所得的離子束加速到下游設(shè)備比如質(zhì)量分析器中，或者首先至中間部件 比如離子導向器、質(zhì)量過濾器等。
[0004] 在廣泛使用的交叉束、或尼爾型EI源中，離子束在與電子束正交的方向上產(chǎn)生。 這種類型的設(shè)計容易造成離子的損失，因為在與EI源的電離室的內(nèi)表面碰撞時大量的離 子被抽出至燈絲或散焦和中和（丟失）。對于許多應用來說，將更有利的是產(chǎn)生在軸線上的 電子束，即，與所得到的離子束并且與離子被傳送到其中的下游設(shè)備比如例如四極質(zhì)量過 濾器同軸的電子束。軸向電子束可以更容易地創(chuàng)建將具有從EI源被成功傳送到下游設(shè)備 中的更高可能性的離子。
[0005] 因此，需要產(chǎn)生與誘導電離的電子束同軸的離子束的離子源，其中的離子損失降 低了。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了全部地或部分地解決上述問題和/或可能已由本領(lǐng)域技術(shù)人員觀察到的其 他問題，本公開提供了方法、過程、系統(tǒng)、設(shè)備、儀器和/或裝置，如通過在所闡述的實施方 式中的實例所述。
[0007] 根據(jù)一實施例，一種離子源包括：主體，其包括電離室和通入所述電離室的樣品入 口，所述電離室包括第一端和第二端，并且具有沿著源軸線從所述第一端至第二端的長度； 磁體組件，其圍繞著所述主體并且配置成用于在所述電離室中產(chǎn)生軸向磁場；電子源，其定 位在所述第一端并且包括熱離子陰極和電子反射器，所述電子源配置成用于沿著所述源軸 線加速電子束通過電離室；以及透鏡組件，其包括位于所述第二端的提取器、在所述電離室 外部并且沿著所述源軸線與所述提取器間隔開的第一透鏡元件、以及沿著所述源軸線與所 述第一透鏡元件間隔開的第二透鏡元件，其中，所述提取器配置成用于沿著所述源軸線將 離子束從所述電離室引出，所述第一透鏡元件配置成用于朝向所述電子源反射電子束，所 述第二透鏡元件配置成用于傳送更高能量的離子同時朝向第一透鏡元件反射更低能量的 離子。
[0008] 根據(jù)另一實施例，離子處理系統(tǒng)包括與所述透鏡組件連通的離子處理裝置。
[0009] 根據(jù)另一實施例，一種用于執(zhí)行電子電離的方法包括：引導作為電子束的電子從 電子源通過具有沿著電子源與透鏡組件之間的源軸線的長度的電離室；通過將軸向磁場施 加至所述電離室，沿著所述源軸線聚焦電子束；沿著所述源軸線在所述電子源與透鏡組件 之間來回反射電子；通過將樣品材料引入所述電離室朝向電子束來產(chǎn)生離子，其中，所述離 子沿著所述源軸線聚焦成離子束；沿著所述源軸線通過透鏡組件傳送離子；以及反射俘獲 在透鏡組件中的離子，以防止這些被俘獲的離子離開透鏡組件，同時將非俘獲的離子從所 述透鏡組件傳送出。
[0010] 對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，通過研究以下附圖和詳細描述，本發(fā)明的其它裝置、設(shè) 備、系統(tǒng)、方法、特征以及優(yōu)點將是或?qū)⒆兊蔑@而易見。意在將所有這些額外的系統(tǒng)、方法、 特征以及優(yōu)點包括在本說明書內(nèi)、在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，并且由所附權(quán)利要求保護。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 通過參照以下附圖可以更好地理解本發(fā)明。附圖中的組件不一定按比例繪制，而 是將重點放在說明本發(fā)明的原理上。在附圖中，相同的參考標號表示整個不同視圖中相應 的部件。
[0012] 圖1是根據(jù)一些實施例的離子源的示例的透視圖。
[0013] 圖2是圖1中所示的離子源的透視剖視圖。
[0014] 圖3是由離子模擬軟件所生成的離子源的模型。
[0015] 圖4是與圖3相同的模型，但是示出了離子軌跡，包括沿著源軸線所約束的離子 束。
[0016] 圖5是透鏡組件周圍區(qū)域的更近的視圖。
[0017] 圖6是由離子模擬軟件所生成的離子源的另一模型。
[0018] 圖7是可以設(shè)置有離子源的硬件的示例的示意圖。
[0019] 圖8是根據(jù)另一實施例的在圖1和2中所示的離子源的一部分的示意圖。
[0020] 圖9是質(zhì)譜（MS)系統(tǒng)的示例的示意圖，其中可以提供如本文所公開的離子源。

【具體實施方式】
[0021] 圖1是根據(jù)一些實施例的離子源1〇〇的實例的透視圖。圖2是圖1所示的離子源 100的透視剖視圖。在所示的實施例中，離子源100通常包括限定內(nèi)部電離室或容積208的 主體104、磁體組件112、電子源116以及透鏡組件1 2〇。
[0022] 離子源100可以具有通常圍繞源軸線124所布置的整體幾何形狀或結(jié)構(gòu)。在操作 中，離子源1〇〇產(chǎn)生沿著源軸線124的電子束，并且可以允許在相對于源軸線丨24的任何方 向上對樣品材料流進行電離。要被分析的樣品材料可以通過任何合適的手段而被引入至離 子源100,包括其中樣品材料是分析分離儀器比如例如氣相色譜（GC)儀器的輸出的帶連接 符的技術(shù)。離子源100隨后產(chǎn)生離子，并且沿著源軸線將這些離子聚焦到離子束中。 離子沿著源軸線124離開離子源100,并進入下一個離子處理裝置，其可能具有沿著源軸線 124的離子入口。
[0023] 電離室208具有沿著源軸線124從第一端至第二端的長度。樣品入口 2?通過主 體104形成在任何適當?shù)奈恢?，以提供用于從樣品源引導樣品材料到電離室208中的路徑， 其中所述樣品材料與電子束相互作用。電離室208的軸向長度可以選擇成提供可用于電離 所需分析物分子的相對較長的存活電子束區(qū)域，從而增加離子源1〇〇的電離效率且因而儀 器作為整體的靈敏度。
[0024] 磁體組件112同軸地圍繞著主體104。磁體組件112配置成用于在電離室208中 產(chǎn)生均勻的軸向磁場，其沿著源軸線124聚集并壓縮電子束和所得到的離子束。磁約束電 子束和相對較長的電離室208可以使得離子束的產(chǎn)生能夠非常適于從電離室 2〇8的改進提 ?。òl(fā)射）并最終進入下游離子處理裝置，比如例如質(zhì)量分析器或者質(zhì)量分析器之前的另 一類型的裝置，比如離子導向器、離子阱、質(zhì)量過濾器、碰撞室等?？梢蕴崛‰x子束，而不會 遭遇公知發(fā)生在尼爾型離子源中的離子損失，其中在與電離室208的內(nèi)表面碰撞時大量的 離子被抽出至燈絲或者散焦并中（丟失）。磁體組件112可以包括繞著源軸線124沿周向 彼此隔開的多個磁體132。所示的實施例包括固定至環(huán)形輒部134的對稱布置的四個磁體 132。磁體132可以是永磁體或電磁體。樣品入口 228以及其它組件比如電導管可以定位 在任何成對相鄰的磁體132之間的間隙中。盡管彼此由間隙隔開，但是磁體I32繞著源軸 線124對稱布置且所產(chǎn)生的軸向磁場是均勻的。
[0025] 電子源116可以是配置成用于產(chǎn)生電子并引導電子束從第一端通過電離室208的 任何裝置。在所示的實施例中，電子源116包括一個或多個陰極23S。陰極 238配置成用 于熱離子發(fā)射，且因此可以是或包括由熱離子發(fā)射材料比如例如錸或鎢-錸合金構(gòu)成的一 個或多個燈絲（或者在芯上的涂層）。陰極238被加熱至足以產(chǎn)生熱離子發(fā)射的溫度。加 熱一般是通過運行電流穿過陰極238來完成的?？梢哉{(diào)節(jié)電流，以調(diào)節(jié)電子能量，其通常 被設(shè)置為約7〇eV，但也可以更低或更高。電子源116還包括離子排斥器 240和電子反射器 244(板或電極）。陰極238定位在電子反射器244與離子排斥器240之間，其中可以被認 為是由離子排斥器240而與電離室208分隔的電子源區(qū)。離子排斥器240 (其也可以被認 為是電子提取器）可以配置為在源軸線124上具有孔的壁或板。電子能量由被施加至離子 排斥器240和電子反射器244的電壓設(shè)定。施加至電子反射器244的電壓加速作為生成的 電子朝向透鏡組件120。為此，軸向電壓梯度可被施加在電子反射器244與陰極 238下游的 任何適當?shù)膶щ娫枠O）比如如下所述的透鏡組件120的"提取器"之間。施加至電 子反射器244的電壓通常為負的，但是更普遍的是比離子排斥器240和達到透鏡組件120 的"第一透鏡元件"的其他下游光學元件更不正，如下面所述。電子反射器 244和陰極238 可以在相同電位下工作，或者電子反射器244可以比陰極238更負，以協(xié)助排斥電子進入電 離室208。
[0026] 透鏡組件120設(shè)置在電離室208的第二端，軸向地相對電子源II6。除其它事項 夕卜，透鏡組件120配置成用于將離子束沿著源軸線124從電離室20S導出并進入下一個離 子處理裝置。為此，透鏡組件120包括可由電壓源獨立尋址的多個透鏡元件（或電極）。每 個透鏡元件可以具有在源軸線124上的孔或槽。在所示的實施例中，透鏡組件120包括離 子提取透鏡（或離子提取器）24S、沿著源軸線124與提取器248隔開的第一透鏡元件（或 電子反射器） 25〇、沿著源軸線1M與第一透鏡元件250隔開的第二透鏡元件（或離子反射 器）252、以及沿著源軸線1M與第二透鏡元件252隔開的離子源出射透鏡元件（或離子束 聚焦透鏡元件）256。離子源出射透鏡元件256可以配置成或者還用作進入離子處理裝置的 入口透鏡元件。透鏡組件1 2〇還可以包括在第二透鏡元件252與離子源出射透鏡元件256 之間的一個或多個額外的離子聚焦透鏡元件254,其可以用于聚焦離子束。離子排斥器240 和提取器248可被視為分別是電離室208的軸向第一和第二端。如由本領(lǐng)域技術(shù)人員所理 解，適當大小的電壓可被施加至提取器248,以有助于將離子束從電離室208抽出。
[0027] 第一透鏡元件25〇剛好位于電離室208的外面，并且在其下游側(cè)上直接相鄰于提 取器248。適當大小的電壓可以被施加至第一透鏡元件250,以將電子束反射回到電離室 208中。因此，陰極238(或陰極238和電子反射器244)與第一透鏡元件250協(xié)同工作，以 沿著源軸線124來回反射電子束穿過電離室208,從而加強可供在電離室208中EI電離分 析物的電子密度。
[0028] 為了將電子反射回電離室208中，可以將相對高幅度的電壓施加至第一透鏡元件 250。這可能導致通常在第一透鏡元件250與提取器248之間的區(qū)域中創(chuàng)建離子，該區(qū)域可 被稱為離子俘獲區(qū)域。相比于電離室208,該區(qū)域中的能量很低，且因此在該區(qū)域中所產(chǎn)生 的離子可能具有不合要求的低離子能量。因此，這些離子遭受被困在該區(qū)域。這些離子在本 文中可以被稱為"低能量"或"更低能量"或"俘獲的"離子，這在本上下文中是指具有能量 足夠低得能夠在計劃用于離子源100的操作條件下被俘獲在俘獲區(qū)域的離子。通過比較， "高能量"或"更高能量"或"非俘獲的"離子（通常是在電離室208中所產(chǎn)生的那些）能夠 穿透透鏡組件120并進入下游離子處理裝置。離子俘獲可能導致不期望的空間電荷和離子 電流的不穩(wěn)定性，從而導致不期望的不穩(wěn)定性能。
[0029] 第二透鏡元件252被提供，以大致減少或消除在第二透鏡元件252與提取器248 之間的區(qū)域中的離子俘獲。設(shè)置在第二透鏡元件252上的電壓可能比設(shè)置在第一透鏡元件 250上的電壓更正。因此，第二透鏡元件252反射回低能量離子朝向第一透鏡元件250,并 且然后這些離子與第一透鏡元件250碰撞并被中和。此外，第一透鏡元件250可以定位成 盡可能地靠近提取器248,以減少在該俘獲區(qū)域中的離子俘獲。
[0030] 圖3是通過離子仿真軟件所產(chǎn)生的離子源300的模型。該模型對應于離子源300 的橫截面?zhèn)纫晥D。離子源300通常類似于如上所述及圖1和2所示的離子源100,并且因 此相同組件由相同的參考標號表示。該模型包括定位在軸線上的射頻（RF)四極質(zhì)量過濾 器3 6〇,離子源300在出射透鏡元件256的正下游，圖3示出了沿著源軸線集中的強烈電子 束362,其中電子在陰極238與第一透鏡元件250之間來回反射。在此模擬中，磁場強度為 750高斯。在實踐中，可以采用更強或更弱的磁場。
[0031] 圖3還不出了一實施例，其中電離室208的至少一部分364(比如由主體104的內(nèi) 表面或表面所限定的一部分）是錐形的或圓錐形的，在透鏡組件120的方向上發(fā)散。即，電 離室208的橫截面積在透鏡組件120的方向上逐漸增加。這種變化的幾何形狀巧妙地衰減 電場，這可能導致離子優(yōu)先地在透鏡組件120以及隨后的離子處理裝置的方向上行進。
[0032] 圖4是與圖3相同的模型，但示出了離子的軌跡，包括沿著源軸線約束的離子束 466。圖5是透鏡組件120附加區(qū)域的放大視圖。離子俘獲區(qū)域由圓568表示。圖4和5 中示出了從第二透鏡元件252反射并且與第一透鏡元件 25〇碰撞的低能量離子4了0。圖4 和5表明，本文所公開的離子源能夠顯著減少或消除俘獲同時保持在離子源的離子容積中 所創(chuàng)建的更高能量離子的高效傳送的離子。應當指出的是，雖然通過使用錐形離子容積幾 何形狀對圖3-5中的離子源300進行建模了，但是，通過使用比如在圖2中所示的直孔（恒 定內(nèi)徑）幾何形狀，其他模型被模擬并且產(chǎn)生類似的結(jié)果。
[0033] 在另一實施例中，軸向磁場可以被修改以適應電子束的形狀并且隨后以所需的方 式產(chǎn)生離子束。例如，這可以通過修改磁組件的配置而被實現(xiàn)。圖6是通過離子仿真軟件所 生成的離子源600的另一模型，示出了根據(jù)另一實施例的軸向電子束672和磁體組件612。 除了相對于源軸線徑向定位的磁體（徑向磁體132)，磁體組件612包括后部或在軸線上的 磁體674。在軸線上的磁體674被定位在電離室208外部的源軸線上，在相對電離室208的 電子反射器244上的一側(cè)上。在此實例中，在軸線上的磁體674是圓盤形的，且源軸線穿過 其中心。由于添加了在軸線上的磁體674,電子束672更集中在電子源端部，并且在透鏡組 件120的方向上逐漸擴大或發(fā)散。擴大電子束672的包絡線產(chǎn)生更大的電離區(qū)域，這可以 提高電離概率。這對于解決電離過程中空間電荷的不利影響可能是有用的。
[0034] 圖7是設(shè)置有如本文所公開的離子源的硬件或電子器件700的示意圖。施加至離 子源的各個組件的個別電壓被表示為相應的電壓源776-792 (其在本文中可被統(tǒng)稱為電源 或電壓源）。在一些實施例中，一個或多個電壓786可被施加至主體104的一個或多個導電 元件。電壓源776-792示出為與控制器794(例如，基于電子處理器的控制器或計算機）信 號連通，以表明電壓源776-792中的一個或多個的參數(shù)可以由控制器794控制。例如，這些 參數(shù)可以包括電壓幅度的設(shè)置和調(diào)節(jié)；所施加電壓的開/關(guān)狀態(tài)、定時和持續(xù)時間；施加電 壓至兩個或更多個的電壓源776-792的協(xié)調(diào)或同步等。控制器794可以包括計算機可讀介 質(zhì)或軟件796,用于實施電壓源776-792的編程控制。在一些實施例中，控制器794可以全 部或部分地實施（例如，利用固件和/或軟件）本文所公開的一種或多種方法。
[0035] 在一些實施例中，當啟動電子發(fā)射時，"初始"電子能量可以被向上設(shè)置為熱離子 陰極238與離子排斥器240之間的電位差。隨著陰極238或離子排斥器240上的電壓變化， 通過調(diào)節(jié)其他組件上的電壓，該電位差可以保持在理想的固定值。例如，通過調(diào)節(jié)陰極238 上的電壓，離子排斥器240可以斜坡優(yōu)化，同時仍保持適當?shù)碾娮幽芰科屏?，以使得其?蹤電子反射器244上的電壓。另外，在第一透鏡元件250上的電壓可以跟蹤陰極電壓，以優(yōu) 化第一透鏡元件250的電子反射功能。跟蹤功能可以被實現(xiàn)，例如通過在圖7中示意性示 出的控制器794。作為默認操作，控制器794可以讀取陰極電壓并且將相同的值施加至第一 透鏡元件250。為了進一步允許細化第一透鏡元件250的優(yōu)化，額外所施加的偏移電壓可以 與默認所施加的陰極匹配電壓斜坡相加，即，。施加偏移電壓可以在 第一透鏡元件250提供電子的更強反射，以盡可能減少電子侵入第一透鏡元件250與提取 器248之間的離子俘獲區(qū)域，從而進一步增加更存活高能量離子的量并且減少不希望的低 能量離子的量。同樣地，斜坡電子能量改變陰極電壓，且施加至第一透鏡兀件250的電壓以 及可以跟蹤斜坡陰極電壓。
[0036] 在一些應用中，可能是可取的是，減少或消除在離子源中發(fā)展的電子空間電荷的 效應。例如，空間電荷效應可能足以促使電子束調(diào)制失控從而不利地影響離子束的穩(wěn)定 性。為了解決這個問題，在一些實施例中，可以將周期性的電壓施加至電子源116、透鏡組件 120和/或主體104的導電元件的一個或多個。周期性電壓可以是周期性的DC脈沖（脈沖 寬度、周期和振幅得以經(jīng)驗性地優(yōu)化）或高頻（例如,即）電位。周期性電壓可以釋放污染 程度增加所致的積聚的任何不必要的表面電荷?？商娲?，所述電子束可被選通，以減輕積 聚的空間電荷，例如通過使用適當?shù)碾娮庸鈱W器件以周期性地偏轉(zhuǎn)電子束遠離源軸線。在 一些實施例中，空間電荷效應可以通過實施在美國專利第 7291845號中所公開的技術(shù)來解 決，該申請的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合在本文中。
[0037] 圖8是根據(jù)另一實施例的在圖1和2中所示的離子源100的一部分的示意圖。在 本實施例中，額外的電極（或電子提取器）802被添加至陰極（燈絲） 238與離子排斥器240 之間的電子源116。通過將適當?shù)碾妷菏┘又岭娮犹崛∑?02,電子提取器802可以用來調(diào) 節(jié)電子源116中的電場條件，特別是當以低電子能量（例如， 9eV至25eV)操作時。例如，電 子提取器802可能協(xié)助抽取電子遠離陰極238并朝向電離室 2〇8,且保持源主體104與離子 排斥器240下部之間的電位差。
[0038] 圖9是其中可以提供如本文所公開的離子源100的質(zhì)譜（MS)系統(tǒng)300的實例的 示意圖。MS系統(tǒng)900通常包括樣品源902、離子源100、質(zhì)譜儀（MS) 9〇6、以及用于將離子源 100和MS906的內(nèi)部維持在受控低于大氣壓力水平的真空系統(tǒng)。真空系統(tǒng)由分別從離子源 100和MS906引出的真空管線908和910示意性示出。真空管線908和910示意性地代表 一個或多個真空產(chǎn)生泵以及本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的相關(guān)管道和其他組件。還可以理解的 是，一個或多個其它類型的離子加工裝置（未示出）可以設(shè)置在離子源1〇〇與MS906之間。 各種類型的樣品源、光譜儀及相關(guān)組件的結(jié)構(gòu)和操作通常被本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解，因此 根據(jù)需要為了理解本發(fā)明所公開的主題將只進行簡要地描述。在實踐中，離子源1〇〇可以 與MS906集成或者以其他方式被認為是MS906的前端或入口，從而在一些實施例中可以被 認為是MS906的組件。
[0039] 樣品源902可以是任何設(shè)備或系統(tǒng)，用于將要被分析的樣品供給至離子源100。樣 品可以以從樣品源902流入到離子源100中的氣相或蒸汽的形式被提供。在帶有連字符的 系統(tǒng)中，比如氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS)系統(tǒng)，樣品源902可以是GC系統(tǒng)，在此情況下，GC系 統(tǒng)的分析柱通過合適的硬件與離子源100連接。
[0040] MS906通常可以包括封閉在外殼916中的質(zhì)量分析器912和離子檢測器914。真 空管線910將質(zhì)量分析器912的內(nèi)部維持在非常低的（真空）壓力。在一些實施例中，質(zhì) 量分析器912的壓力范圍為10 4至lO^Torr。真空管線910還可以將任何剩余的非分析中 性分子從MS906中去除。質(zhì)量分析器912可以是配置成基于相應m/ Z比率來分離、分選或 過濾分析物離子的任何設(shè)備。質(zhì)量分析器的實例包括但不限于多極電極結(jié)構(gòu)（例如，四極 質(zhì)量過濾器、離子阱等）、飛行時間質(zhì)譜（T(F)分析器和離子回旋共振（ICR)阱。質(zhì)量分析 器912可以包括一個以上質(zhì)量分析器的系統(tǒng)，尤其是當需要離子碎裂分析時。作為實例，質(zhì) 量分析器912可以是串聯(lián)MS或MS n系統(tǒng)，如由本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解。作為另一實例，質(zhì) 量分析器912可以包括質(zhì)量過濾器，后跟碰撞室，其后又跟質(zhì)量過濾器（例如，三重四極桿 或QQQ系統(tǒng)）或T0F裝置（例如，qTOF系統(tǒng)）。離子檢測器914可以是配置成用于收集并 測量從質(zhì)量分析器912所輸出的質(zhì)量判定離子的通量（或電流）的任何裝置。離子檢測器 914的實例包括但不限于電子倍增器、光電倍增管以及法拉第杯。
[0041] 在一些實施例中，本文所公開的軸向EI源可以以高電子能量或低電子能量進行 操作。該電子束的能量可以通過調(diào)節(jié)施加至燈絲的電壓而得以調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)通過燈絲的 電流。在一些實施例中，電子束可以在9eV至150eV的范圍上進行調(diào)節(jié)。低于70eV例如在 9eV至25eV范圍中的電子能量可以被認為在軟電離的體制內(nèi)。本文所公開的軸向EI源能 夠在電子能量的這些范圍上有效地實施EI。即使在非常低的能量，EI源也能夠產(chǎn)生具有足 以用于許多實驗的強度和電離產(chǎn)量的電子束。這些軸向EI源從而能夠?qū)嵤┯搽婋x或軟電 離，并且根據(jù)希望或需要，能夠在硬電離與軟電離之間切換（包括在相同的實驗過程中）， 用于優(yōu)化對于給定分析物或成組分析物的電離和質(zhì)量分析過程。因此，軸向EI源可以用在 許多情況下，其中有利于常規(guī)軟電離過程比如化學電離（CI)的常規(guī)EI被舍棄。因此，相較 于其他裝置比如CI源和常規(guī)EI源，本文所公開的軸向EI源可能是更普遍的電離裝置。例 如，軸向EI源可以以有利于所希望的電離途徑的低電子能量進行操作，比如形成分子離子 或其他高質(zhì)量離子。涉及以低電子能量進行軸向EI源操作的方法公開在同時與本申請?zhí)?交的代理人案卷號為20120352-01的標題為"利用不同EI能量的電子電離（EI) "的美國專 利申請中，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。
[0042] 要理解的是，雖然在EI的上下文中主要對以上的離子源的實例進行了描述，但是 本文所教導的離子源可以另外地或替代地配置成用于化學電離（CI)，其是也利用電子束的 眾所周知的技術(shù)。在CI的情況下，離子源可以包括用于容許反應氣體進入電離室的入口。
[0043] 示例性實施例
[0044] 根據(jù)本發(fā)明公開的主題所提供的示例性實施例包括但不限于以下內(nèi)容：
[0045] 1. 一種離子源包括：主體，其包括電離室和通入所述電離室的樣品入口，所述電 離室包括第一端和第二端，并且具有沿著源軸線從所述第一端至第二端的長度；磁體組件， 其圍繞著所述主體并且配置成用于在所述電離室中產(chǎn)生軸向磁場；電子源，其定位在所述 第一端并且包括熱離子陰極和電子反射器，所述電子源配置成用于沿著所述源軸線加速電 子束通過電離室；以及透鏡組件，其包括位于所述第二端的提取器、在所述電離室外部并且 沿著所述源軸線與所述提取器間隔開的第一透鏡元件、以及沿著所述源軸線與所述第一透 鏡元件間隔開的第二透鏡元件，其中，所述提取器配置成用于沿著所述源軸線將離子束從 所述電離室引出，所述第一透鏡元件配置成用于朝向所述電子源反射電子束，所述第二透 鏡元件配置成用于傳送更高能量的離子同時朝向第一透鏡元件反射更低能量的離子。
[0046] 2.根據(jù)實施例1所述的離子源，其中，所述電離室具有沿長度恒定的橫截面面積 或者沿至少一部分長度增大的橫截面面積。
[0047] 3.根據(jù)實施例1或2所述的離子源，其中，所述磁體組件包括繞著所述源軸線沿周 向彼此間隔開的多個磁體。
[0048] 4.根據(jù)實施例3所述的離子源，其中，所述樣品入口定位在兩個磁體之間。
[0049] 5.根據(jù)實施例3或4所述的離子源，其中，所述磁體組件包括在軸線上的磁體，其 定位在所述電離室外面的源軸線上并且配置成用于修改所述軸向磁場，以使得電子束在朝 向所述提取器的方向上發(fā)散。
[0050] 6.根據(jù)實施例1-5中任一項所述的離子源，包括定位在所述陰極與提取器之間的 第一端的離子排斥器。
[0051] 7.根據(jù)實施例1-6中任一項所述的離子源，其中，所述透鏡組件包括出射透鏡，其 與所述第二透鏡元件間隔開并且配置成用于沿著所述源軸線將離子束引入離子處理裝置。
[0052] 8.根據(jù)實施例1-7中任一項所述的離子源，包括與所述電子源和透鏡組件信號連 通的電壓源，以及配置成用于控制電壓源操作的控制器，所述電壓源選自由以下構(gòu)成的組： 調(diào)節(jié)施加至所述陰極的電壓；維持所述陰極與定位在所述陰極與提取器之間的第一端的離 子排斥器之間的固定電位差，同時調(diào)節(jié)施加至所述陰極的電壓；基于對施加至所述陰極的 電壓的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)施加至所述第一透鏡元件的電壓；將施加至所述陰極和第一透鏡元件的 電壓設(shè)定成足以維持電子束在所述陰極與第一透鏡元件之間反射的相應值；將施加至所述 陰極和第一透鏡元件的電壓設(shè)定成足以維持電子束在所述陰極與第一透鏡元件之間反射 的相應值，并且相對于所述陰極將電壓偏移添加至所述第一透鏡元件，以增加電子束從第 一透鏡元件的反射；將施加至所述第二透鏡元件的電壓設(shè)定成足以用于朝向所述第一透鏡 元件加速被俘獲在所述第二透鏡元件與提取器之間的離子的值；將電壓脈沖施加至所述電 子源的導電元件；將電壓脈沖施加至所述透鏡組件的導電元件；將電壓脈沖施加至所述主 體；選通電子束；以及前述中的兩個或更多個。
[0053] 9.根據(jù)實施例1-8中任一項所述的離子源，包括在所述陰極與電離室之間的離子 排斥器和在所述陰極與離子排斥器之間的電子提取器。
[0054] 10. -種離子處理系統(tǒng)，包括：根據(jù)實施例1-9中任一項所述的離子源；以及與所 述透鏡組件連通的離子處理裝置。
[0055] 11.根據(jù)實施例10所述的離子處理系統(tǒng)，其中，所述離子處理裝置選自由以下構(gòu) 成的組：離子導向器、離子阱、質(zhì)量過濾器、碰撞室以及質(zhì)量分析器。
[0056] 12.根據(jù)實施例10所述的離子處理系統(tǒng)，其中，所述離子處理裝置包括質(zhì)量分析 器，并且還包括與所述質(zhì)量分析器連通的離子檢測器。
[0057] 13. -種用于執(zhí)行電子電離的方法，所述方法包括：引導作為電子束的電子從電 子源通過具有沿著電子源與透鏡組件之間的源軸線的長度的電離室；通過將軸向磁場施加 至所述電離室，沿著所述源軸線聚焦電子束；沿著所述源軸線在所述電子源與透鏡組件之 間來回反射電子；通過將樣品材料引入所述電離室朝向電子束來產(chǎn)生離子，其中，所述離子 沿著所述源軸線聚焦成離子束；沿著所述源軸線通過透鏡組件傳送離子；以及反射俘獲在 透鏡組件中的離子，以防止這些被俘獲的離子離開透鏡組件，同時將非俘獲的離子從所述 透鏡組件傳送出。
[0058] 14.根據(jù)實施例13所述的方法，包括引導用于施加軸向磁場的兩個磁體之間的樣 品材料。
[0059] 15.根據(jù)實施例13或14所述的方法，其中，聚焦電子包括利用繞著所述源軸線沿 周向彼此間隔開的多個磁體。
[0060] 16.根據(jù)實施例13-15中任一項所述的方法，其中，進行聚焦電子以使得電子束在 朝向所述提取器的方向上發(fā)散。
[0061] 17.根據(jù)實施例13-16中任一項所述的方法，其中，聚焦電子包括利用繞著所述源 軸線沿周向彼此間隔開的多個磁體和定位在所述電離室外面的源軸線上的在軸線上的磁 體。
[0062] 18.根據(jù)實施例13-17中任一項所述的方法，其中，通過將電壓施加至陰極來進行 產(chǎn)生電子，并且還包括通過調(diào)節(jié)電壓來調(diào)節(jié)電子的能量。
[0063] 19.根據(jù)實施例18所述的方法，包括，同時調(diào)節(jié)在陰極上的電壓，調(diào)節(jié)定位在所述 陰極與透鏡組件之間的離子排斥器上的電壓來維持在所述陰極與離子排斥器之間的固定 電位差。
[0064] 20.根據(jù)實施例18或19所述的方法，包括將電壓施加至所述透鏡組件的透鏡元 件，以將電子束反射回所述電離室中，并且同時調(diào)節(jié)在陰極上的電壓，等量地調(diào)節(jié)在透鏡元 件上的電壓。
[0065] 21.根據(jù)實施例18-20中任一項所述的方法，其中，通過將電壓施加至陰極來進行 產(chǎn)生電子，并且還包括將電壓施加至所述透鏡組件的透鏡元件，以將電子束反射回所述電 離室中。
[0066] 22.根據(jù)實施例21所述的方法,包括將施加至所述陰極和透鏡元件的電壓設(shè)定成 足以維持電子束在所述陰極與透鏡元件之間反射的相應值。
[0067] 23.根據(jù)實施例22所述的方法，包括將施加至所述陰極和透鏡元件的相應電壓設(shè) 定成相等的值，或者相對于施加至陰極的電壓將施加至透鏡元件的電壓增加偏移量，以增 加在透鏡元件的反射。
[0068] 24.根據(jù)實施例13-23中任一項所述的方法，包括將電壓施加至所述透鏡組件的 提取器，以將離子從所述電離室傳送到透鏡組件中。
[0069] 25.根據(jù)實施例24所述的方法，包括將電壓施加至定位在所述電離室外部的透鏡 組件的第一透鏡元件，以反射電子束通過提取器并進入電離室。
[0070] 26.根據(jù)實施例25所述的方法，包括將電壓施加至所述透鏡組件的第二透鏡元 件，以反射被俘獲的離子與所述第一透鏡元件碰撞。
[0071] 27.根據(jù)實施例13-26中任一項所述的方法，包括將電壓施加至所述透鏡組件的 透鏡元件，以反射被俘獲的離子與所述透鏡組件的另一透鏡元件碰撞。
[0072] 28.根據(jù)實施例13-27中任一項所述的方法，包括執(zhí)行脈沖步驟，其選自由以下構(gòu) 成的組：將電壓脈沖施加至所述電子源的導電元件；將電壓脈沖施加至所述透鏡組件的導 電元件；將電壓脈沖施加至限定至少一部分電離室的主體；選通電子束；以及前述中的兩 個或更多個。
[0073] 29.根據(jù)實施例13-28中任一項所述的方法，包括從所述電子源的陰極發(fā)射電子， 并且通過將電壓施加至電子源的電子提取器來抽取所發(fā)射的電子遠離陰極。
[0074] 30.根據(jù)實施例29所述的方法，包括通過將電壓施加至定位在所述電子源與電離 室之間的離子排斥器來排斥離子遠離電子源。
[0075] 31.根據(jù)實施例13-30中任一項所述的方法，包括傳送離子通過所述透鏡組件并 進入在所述源軸線上含有入口的離子處理裝置。
[0076] 32.根據(jù)實施例13-31中任一項所述的方法，包括在將樣品材料引入所述電離室 之前從氣相色譜儀輸出所述樣品材料。
[0077] 要理解的是，圖7中示意性示出的系統(tǒng)控制器794可以代表配置成用于控制、監(jiān) 測、定時、同步和/或協(xié)調(diào)離子源的各個功能方面的一個或多個模塊。系統(tǒng)控制器794還可 以代表配置成用于控制相關(guān)光譜測量系統(tǒng)的功能或組件的一個或多個模塊，例如包括接收 離子測量信號并且根據(jù)需要執(zhí)行與數(shù)據(jù)采集和信號分析相關(guān)的其它任務，以產(chǎn)生根據(jù)分析 表征樣品的質(zhì)譜。
[0078]為了所有這些目的，控制器794可以包括計算機可讀介質(zhì)，其包括用于執(zhí)行本文 所公開的任何方法的指令?？刂破?94示意性地示出為通過有線或無線通信鏈路而與離子 源的各種組件信號連通。同樣為了這些目的，控制器794可以包括一個或多個類型的硬件、 固件和/或軟件，以及一個或多個存儲器和數(shù)據(jù)庫。控制器794通常包括提供總體控制的主 電子處理器,并且可以包括配置成用于專用的控制操作或特定的信號處理任務的一個或多 個電子處理器。系統(tǒng)控制器794還可以示意性地表示未具體示出的所有電壓源，以及根據(jù) 需要將電壓施加至各個組件的時序控制器、時鐘、頻率/波形發(fā)生器等。控制器794還可以 代表一種或多種類型的用戶接口設(shè)備，比如用戶輸入設(shè)備（例如鍵盤、觸摸屏、鼠標等）、用 戶輸出設(shè)備（例如顯示屏、打印機、視覺指示器或警報、聽覺指示器或警報等）、由軟件控制 的圖形用戶界面（GUI)、以及用于承載由電子處理器（例如，體現(xiàn)在軟件、數(shù)據(jù)等中的邏輯 指令）可讀取的介質(zhì)的設(shè)備?？刂破?94可以包括操作系統(tǒng)（例如，Microsoft Windows?、 軟件），用于控制和管理控制器794的各種功能。
[0079]要理解的是，本文所用的術(shù)語"信號連通"指的是兩個或更多個系統(tǒng)、設(shè)備、組件、 模塊或子模塊能夠通過在某種類型的信號路徑上傳播的信號而相互連通。該信號可以是通 信、電源、數(shù)據(jù)或能量信號，其可以將信息、電源或能量從第一系統(tǒng)、設(shè)備、組件、模塊或子模 塊沿著第一與第二系統(tǒng)、設(shè)備、組件、模塊或子模塊之間的信號路徑連通至第二系統(tǒng)、設(shè)備、 組件、模塊或子模塊。信號路徑可以包括物理、電、磁、電磁、電化學、光學、有線或無線連接。 信號路徑還可以包括另外的系統(tǒng)、設(shè)備、組件、模塊、或第一與第二系統(tǒng)、設(shè)備、組件、模塊或 子模塊之間的子模塊。
[0080] 更一般地，術(shù)語比如"連通"和"與……連通，，（例如，第一組件與第二組件"連通"） 在t文中用來表示在兩個或更多個組件或元件之間的結(jié)構(gòu)、功能、機械、電、信號、光、磁、電 磁、離子或流體的關(guān)系。因此，一組件被說成與第二組件連通的事實并非旨在排除附加組件 可能存在第一與第二組件之間和/或可操作地與之相關(guān)聯(lián)或與之接合的可能性。
[0081]要理解的是，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以改變本發(fā)明的各個方面或細 節(jié)。此外，前面的描述僅是為了說明的目的，而不是為了限制--由權(quán)利要求所限定的本發(fā) 明的目的。
【權(quán)利要求】
1. 一種離子源，包括： 主體，其包括電離室和通入所述電離室的樣品入口，所述電離室包括第一端和第二端， 并且具有沿著源軸線從所述第一端至第二端的長度； 磁體組件，其圍繞著所述主體并且配置成用于在所述電離室中產(chǎn)生軸向磁場； 電子源，其定位在所述第一端并且包括熱離子陰極和電子反射器，所述電子源配置成 用于沿著所述源軸線加速電子束通過電離室；以及 透鏡組件，其包括位于所述第二端的提取器、在所述電離室外部并且沿著所述源軸線 與所述提取器間隔開的第一透鏡元件、以及沿著所述源軸線與所述第一透鏡元件間隔開的 第二透鏡元件，其中，所述提取器配置成用于沿著所述源軸線將離子束從所述電離室引出， 所述第一透鏡元件配置成用于朝向所述電子源反射電子束，所述第二透鏡元件配置成用于 傳送更高能量的離子同時朝向第一透鏡元件反射更低能量的離子。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子源，其中，所述電離室具有沿長度恒定的橫截面面積或 者沿至少一部分長度增大的橫截面面積。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的離子源，其中，所述磁體組件包括以下中的至少一個： 多個磁體，其繞著所述源軸線沿周向彼此間隔開；以及 在軸線上的磁體，其定位在所述電離室外面的源軸線上并且配置成用于修改所述軸向 磁場，以使得電子束在朝向所述提取器的方向上發(fā)散。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的離子源，包括定位在所述陰極與提取器之間的第 一端的離子排斥器。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的離子源，包括與所述電子源和透鏡組件信號連通 的電壓源，以及配置成用于控制電壓源操作的控制器，所述電壓源選自由以下構(gòu)成的組： 調(diào)節(jié)施加至所述陰極的電壓； 維持所述陰極與定位在所述陰極與提取器之間的第一端的離子排斥器之間的固定電 位差，同時調(diào)節(jié)施加至所述陰極的電壓； 基于對施加至所述陰極的電壓的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)施加至所述第一透鏡元件的電壓； 將施加至所述陰極和第一透鏡元件的電壓設(shè)定成足以維持電子束在所述陰極與第一 透鏡元件之間反射的相應值； 將施加至所述陰極和第一透鏡元件的電壓設(shè)定成足以維持電子束在所述陰極與第一 透鏡元件之間反射的相應值，并且相對于所述陰極將電壓偏移添加至所述第一透鏡元件， 以增加電子束從第一透鏡元件的反射； 將施加至所述第二透鏡元件的電壓設(shè)定成足以用于朝向所述第一透鏡元件加速被俘 獲在所述第二透鏡元件與提取器之間的離子的值； 將電壓脈沖施加至所述電子源的導電元件； 將電壓脈沖施加至所述透鏡組件的導電元件； 將電壓脈沖施加至所述主體； 選通電子束；以及 前述中的兩個或更多個。
6. -種用于執(zhí)行電子電離的方法，所述方法包括： 引導作為電子束的電子從電子源通過具有沿著電子源與透鏡組件之間的源軸線的長 度的電離室； 通過將軸向磁場施加至所述電離室，沿著所述源軸線聚焦電子束； 沿著所述源軸線在所述電子源與透鏡組件之間來回反射電子； 通過將樣品材料引入所述電離室朝向電子束來產(chǎn)生離子，其中，所述離子沿著所述源 軸線聚焦成離子束； 沿著所述源軸線通過透鏡組件傳送離子；以及 反射俘獲在透鏡組件中的離子，以防止這些被俘獲的離子離開透鏡組件，同時將非俘 獲的離子從所述透鏡組件傳送出。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，進行聚焦電子以使得電子束在朝向所述提取器 的方向上發(fā)散。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其中，聚焦電子包括利用繞著所述源軸線沿周向彼 此間隔開的多個磁體和定位在所述電離室外面的源軸線上的在軸線上的磁體。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項所述的方法，其中，通過將電壓施加至陰極來進行產(chǎn)生 電子，并且還包括以下中的至少一個： 通過調(diào)節(jié)電壓來調(diào)節(jié)電子的能量； 通過調(diào)節(jié)電壓來調(diào)節(jié)電子的能量，并且同時調(diào)節(jié)在陰極上的電壓，調(diào)節(jié)定位在所述陰 極與透鏡組件之間的離子排斥器上的電壓來維持在所述陰極與離子排斥器之間的固定電 位差； 通過調(diào)節(jié)電壓來調(diào)節(jié)電子的能量，并且將電壓施加至所述透鏡組件的透鏡元件，以將 電子束反射回所述電離室中，并且同時調(diào)節(jié)在陰極上的電壓，等量地調(diào)節(jié)在透鏡元件上的 電壓； 將電壓施加至所述透鏡組件的透鏡元件，以將電子束反射回所述電離室中； 將電壓施加至所述透鏡組件的透鏡元件，以將電子束反射回所述電離室中，并且將施 加至所述陰極和透鏡元件的電壓設(shè)定成足以維持電子束在所述陰極與透鏡元件之間反射 的相應值；以及 將電壓施加至所述透鏡組件的透鏡元件，以將電子束反射回所述電離室中，將施加至 所述陰極和透鏡元件的電壓設(shè)定成足以維持電子束在所述陰極與透鏡元件之間反射的相 應值，并且將施加至所述陰極和透鏡元件的相應電壓設(shè)定成相等的值，或者相對于施加至 陰極的電壓將施加至透鏡元件的電壓增加偏移量，以增加在透鏡元件的反射。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一項所述的方法，包括以下中的至少一個： 將電壓施加至所述透鏡組件的提取器，以將離子從所述電離室傳送到透鏡組件中； 將電壓施加至所述透鏡組件的提取器，以將離子從所述電離室傳送到透鏡組件中，并 且將電壓施加至定位在所述電離室外部的透鏡組件的第一透鏡元件，以反射電子束通過提 取器并進入電離室； 將電壓施加至所述透鏡組件的提取器，以將離子從所述電離室傳送到透鏡組件中，將 電壓施加至定位在所述電離室外部的透鏡組件的第一透鏡元件，以反射電子束通過提取器 并進入電離室，并且將電壓施加至所述透鏡組件的第二透鏡元件，以反射被俘獲的離子與 所述第一透鏡元件碰撞； 將電壓施加至所述透鏡組件的透鏡元件，以反射被俘獲的離子與所述透鏡組件的另一 透鏡元件碰撞；以及 執(zhí)行脈沖步驟，其選自由以下構(gòu)成的組：將電壓脈沖施加至所述電子源的導電元件； 將電壓脈沖施加至所述透鏡組件的導電元件；將電壓脈沖施加至限定至少一部分電離室的 主體；選通電子束；以及前述中的兩個或更多個。
【文檔編號】H01J49/14GK104241076SQ201410222709
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月24日
【發(fā)明者】C.W.魯斯, H.F.普雷斯特, J.T.科南 申請人:安捷倫科技有限公司