本發(fā)明涉及用于質(zhì)譜儀(特別是諸如氣相色譜/質(zhì)譜儀(gcms)的臺式質(zhì)譜儀)的電子轟擊離子源。

背景技術(shù)：

通常，氣相色譜/質(zhì)譜儀儀器使用電子轟擊(ei)源來產(chǎn)生離子。在最常見的現(xiàn)有技術(shù)中(參見圖1)，樣本在氣相色譜儀(gc)中蒸發(fā)汽化并被引入到這樣的源中，在該源中，樣本分子從gc柱(41)的末端流出并且在電離室(40)的內(nèi)壁上反彈，以在它們通過源開口擴(kuò)散并被抽走之前產(chǎn)生瞬態(tài)局部壓力。ei源使用燈絲組件(42)，燈絲組件(42)具有產(chǎn)生電子的直燈絲，所述電子朝向在其中電子與樣本分子碰撞并電離的電離區(qū)被加速到通常七十電子伏。電子可以由包括兩個磁體(46)和(47)和磁軛(48)的磁組件引導(dǎo)。通過有孔電極(44)從離子源室(40)中提取離子并形成離子束(45)。源在低于1帕斯卡(比如，10^-2帕斯卡或更低)的壓力下的高真空中操作，使得電離在平均自由程大于源的典型尺寸的條件下發(fā)生。

電子轟擊橫截面非常小，并且在典型ei源中，通常采取若干措施來提高電離效率。

舉例來說，us9,117,617b2(安捷倫科技有限公司、santaclara、ca(us)、charleswilliamruss、iv、harryf.prest、jeffreyt.kernan于2013年6月24日提交的題為“axialmagneticionsourceandrelatedionizationmethods”(“軸向磁離子源和相關(guān)電離方法”)的專利)使用電子路徑與離子提取路徑的軸向?qū)?zhǔn)來提高ei源的離子提取效率。然而，在樣本分子以與電子路徑成直角的方式被引入到源中并擴(kuò)散通過整個源體積時，電離面積仍僅限于沿著源的軸的狹窄的密閉空間。所以，電離效率仍然相對較低。

如us6,617,771b2(avivamirav于2002年1月24日提交的題為“electronionizationionsource”(“電子電離離子源”)的專利)所述的另一項(xiàng)現(xiàn)有技術(shù)通過噴嘴-分流器裝置以密閉超音速噴射流形式來將樣本引入到源中，然后再進(jìn)行交叉束電子電離(參見圖2)。這種技術(shù)的一個優(yōu)點(diǎn)在于此時樣本被限制在狹窄的噴射流體積中。另一個優(yōu)點(diǎn)在于樣本分子不與任何源壁發(fā)生撞擊，由此消除了如圖1中示例性示出的一般ei源的一些缺點(diǎn)。電子電離通過來自與中性樣本氣體噴射流平行地取向的長燈絲的電子簾來實(shí)現(xiàn)。這種實(shí)現(xiàn)方式的缺點(diǎn)在于電離效率不佳，這是由于電子束限制性較差和所發(fā)射的電子通過樣本噴射流的單程性而造成的。因此，需要使用非常大的電子發(fā)射電流，但這會導(dǎo)致燈絲隨著時間的推移而逐漸變形并使熱管理復(fù)雜化。

圖3示出了另一現(xiàn)有技術(shù)，其示意性地描繪了在m.dekievietetal.“designandperformanceofahighlyefficientmassspectrometerformolecularbeams”；reviewofscientificinstruments,may2000；vol.71,no.5(m.dekieviet等人.“用于分子束的高效質(zhì)譜儀的設(shè)計(jì)和性能”.《科學(xué)儀器評論》，2000年5月，第71卷第5期)中所描述的離子源。dekieviet等人也以密閉氣體噴射流(51)形式引入樣本，然后再進(jìn)行電子轟擊電離，但是，來自環(huán)形燈絲組件(50)的電子束(56)通過由環(huán)形燈絲下游的螺線管磁體(52)產(chǎn)生的磁場(55)而被聚集并與噴射區(qū)域?qū)?zhǔn)。電子在螺線管磁體的邊緣場內(nèi)偏離軸地產(chǎn)生，然后，朝向樣本噴射流(51)流動的源的軸向被加速。沿著磁場線進(jìn)行所述加速，從而使電子(56)在逐漸接近磁場更密集的軸的過程中螺旋環(huán)繞的半徑越來越小。

這種配置具有一些優(yōu)點(diǎn)：其將中性樣本限制在噴射流的區(qū)域內(nèi)，然后使用螺線管磁場將電子限制在同一區(qū)域內(nèi)，使得電離和離子提取可以具有較高的效率。但這種配置的一個缺點(diǎn)在于：螺線管需要大電流才能產(chǎn)生所需強(qiáng)度的磁場，這對冷卻的要求很高，并將此源的應(yīng)用范圍局限于大型高功率儀器。這基本上排除了在以臺式儀器為標(biāo)準(zhǔn)的、實(shí)際廣受客戶需求的典型gcms中使用該源的情況。另一缺點(diǎn)就是在螺線管磁體內(nèi)部的噴氣路徑上產(chǎn)生一種“磁阱”，在該“磁阱”中大量電子可能隨時間的推移而逐漸積聚，最終導(dǎo)致空間電荷問題。

鑒于上述情況，仍然存在對用于質(zhì)譜分析(特別是用于gcms儀器)的小型高效電子轟擊離子源的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開提出了一種具有電子轟擊離子(ei)源的質(zhì)譜儀，其可以特別地連接氣相色譜儀和之后的質(zhì)量分析器。ei源包括用于形成被驅(qū)動以沿著第一方向通過相互作用區(qū)域(在其中氣體束與電子束彼此穿透)的樣本氣體束的噴射器。磁組件被配置和布置為使得其磁場線以實(shí)質(zhì)上與第一方向平行的方式穿過相互作用區(qū)域。還存在用于在與第一方向?qū)嵸|(zhì)上反向?qū)?zhǔn)的第二方向上將電子引向相互作用區(qū)域的電子發(fā)射器組件(比如，燈絲組件或納米管組件)。電子在到達(dá)相互作用區(qū)域并在其中形成樣本氣體離子之前沿著磁場線傳播并被限制在磁場線附近。還可以預(yù)見的是位于相互作用區(qū)域的下游(以及電子發(fā)射器組件的下游)的質(zhì)量分析器，其用于將樣本氣體離子引入該質(zhì)量分析器中以供質(zhì)量分析。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，所述第一方向(氣體束方向)和所述第二方向(電子傳播的方向)的反向?qū)?zhǔn)可以包括在約120度至約240度之間的角度，優(yōu)選地為約135度至約225度之間的角度，更優(yōu)選地為約157.5度至約202.5度之間的角度，其中，180度表示直接正對的對流布置，而零度則意味著氣體束和電子束中的樣本氣體分子的運(yùn)動方向一致。

當(dāng)電子實(shí)質(zhì)上正對(headon)地進(jìn)入到氣體分子束時，電子中的第一部分將開始對氣體分子進(jìn)行電離，并且因此被減速并從中心氣體束橫向散射到圍繞磁場線的更大的軌道上，而尚未與氣體分子發(fā)生反應(yīng)的電子的第二部分仍將深入穿入到氣體束中。由于對流，尚未發(fā)生反應(yīng)的后一部分電子進(jìn)入同樣尚未發(fā)生反應(yīng)的氣體束中的氣體分子上游區(qū)域，因此增大了關(guān)于最初的多個電子的電離的概率。

本申請中所提出的對流布置與例如由dekieviet等人提出的同向流動布置的顯著差異在于：尚未發(fā)生反應(yīng)的第二部分電子隨其中一些氣體分子已經(jīng)被電離的氣體束一起流動，從而部分地殘留其中。由于已經(jīng)電離的分子與電子的第二次相互作用不對整體電離產(chǎn)生進(jìn)一步貢獻(xiàn)，所以，本公開中所提出的對流布置通過更加充分地利用電子來提高電離效率。由于根據(jù)本發(fā)明的電子轟擊離子源采用用于將電子引入到相互作用區(qū)域的磁體的邊緣場，所以不存在生成這樣一個“磁阱”的重大風(fēng)險(xiǎn)，在該“磁阱”中電子將積聚、創(chuàng)建空間電荷區(qū)并對氣體束中生成的樣本氣體離子的運(yùn)動造成不利影響。

由于電子發(fā)射器(比如，燈絲)通常多向地發(fā)射電子，所以不言而喻的是，ei源可以與位于電子發(fā)射器附近位置處的合適的推斥電極聚焦透鏡組件互補(bǔ)，以便確保電子被引導(dǎo)在所期望的與氣體束傳播方向(第一方向)實(shí)質(zhì)相反的第二方向上。因此，優(yōu)選地，將氣體噴射器和電子發(fā)射器組件沿著第一方向放置在相互作用區(qū)域的兩個相對側(cè)。

在各實(shí)施例中，磁組件可以為環(huán)形形狀，并且圍繞噴射器同心地設(shè)置。在一個變型中，磁組件可以包括被徑向磁化的環(huán)形永磁體。在其它變型中，磁組件可以包括以輪輻圖案環(huán)繞所述噴射器而同心布置的多個軸向磁化的永磁體(比如，條形磁體)。優(yōu)選地，相互作用區(qū)域位于磁組件的邊緣場中并且位于磁組件的下游。進(jìn)一步優(yōu)選地，將磁組件和電子發(fā)射器組件沿著第一方向放置在相互作用區(qū)域的相對側(cè)。

在各個實(shí)施例中，磁組件可以被設(shè)計(jì)和配置為使得其磁場線沿著與第一方向相反的方向在相互作用區(qū)域內(nèi)會聚，用以建立對入射電子進(jìn)行反射的磁瓶效應(yīng)。在這種情況下，在電子首次對流通過氣體束時未與氣體束分子發(fā)生相互作用時，電子可以在被反射并以相同的流向第二次通過氣體束時獲得與氣體束中的分子發(fā)生相互作用的第二次機(jī)會。

在其它實(shí)施例中，磁組件可以包括位于噴射器后方并與噴射器同軸對準(zhǔn)的軸向磁化的磁體(比如，實(shí)心或空心的圓柱形磁體)。例如，軸向磁化條形磁體很容易在市場上獲得，這簡化了此類離子源的生產(chǎn)，并使其更加經(jīng)濟(jì)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，優(yōu)選地，將磁場強(qiáng)度或幅度選擇為確保只有比較輕的電子(約為原子質(zhì)量單位的1/1836)的軌跡受磁場強(qiáng)度或幅度的影響，而通過與電子發(fā)生相互作用而生成的樣本氣體離子(通常為數(shù)十至數(shù)千個原子質(zhì)量單位)的運(yùn)動軌跡基本上保持不變。舉例來說，在相互作用區(qū)域內(nèi)部及附近的約為10^-3至0.1特斯拉之間的場強(qiáng)(例如，10^-2特斯拉)通常適于該目的。

在各實(shí)施例中，壁部可將噴射器與相互作用區(qū)域之間不同的真空級進(jìn)行隔離。壁部可以有大致位于噴射器對面的開口。在這種情況下，可以在占總氣體負(fù)荷一定比例并可能過早淬滅電子的中性分子到達(dá)相互作用區(qū)域之前，移除中性分子中的一部分。此外，開口有助于在其下游側(cè)形成準(zhǔn)備好要與電子發(fā)生接觸的界限清楚的氣體束。在一個變型中，壁部包括具有指向噴射器的有孔頂點(diǎn)的錐形分流器，從而有助于橫向地去除多余氣體并形成界限清楚的窄氣體束，這轉(zhuǎn)而有助于防止噴射出的樣本氣體分子撞擊離子源表面，而噴射出的樣本氣體分子撞擊離子源表面會造成的污染。

在各實(shí)施例中，電子發(fā)射器組件可以包括燈絲環(huán)或燈絲線圈和與其尺寸適配的推斥電極聚焦透鏡組件，其中，燈絲環(huán)或燈絲線圈和推斥電極聚焦透鏡組件兩者圍繞所述第一方向同心地設(shè)置。燈絲環(huán)可以從360度全立體角生成電子并將其引向相互作用區(qū)域，以此增大電子密度，從而增大電子與氣體分子發(fā)生相互作用的概率。

在其它實(shí)施例中，電子發(fā)射器組件可以包括從所述第一方向起橫向移位放置的一個或多個(單獨(dú)的)燈絲和相關(guān)聯(lián)的推斥電極聚焦透鏡組件。如果使用了多于一個的直燈絲或成圈狀的燈絲，則優(yōu)選地將這些燈絲環(huán)繞第一方向旋轉(zhuǎn)對稱的布置。例如，兩個燈絲可以以環(huán)繞第一方向沿直徑對置方式來放置；三個燈絲可以以等角度地(以120度為間隔)或等距離地環(huán)繞第一方向等方式來放置。使用多個單獨(dú)的燈絲雖然使設(shè)置方式變得略微復(fù)雜，但是可以提高離子源的魯棒性，這是因?yàn)槎鄠€單獨(dú)燈絲中的一個失效(例如，由于熱或機(jī)械應(yīng)力而導(dǎo)致的失效)將仍然留下其余的可操作的單獨(dú)的燈絲，而在使用單個燈絲的情況下單個環(huán)形燈絲的失效例如就需要對其進(jìn)行更換才能繼續(xù)對離子源進(jìn)行操作。如果將單獨(dú)燈絲替換成其它單獨(dú)的電子發(fā)射器(比如，單獨(dú)的納米管發(fā)射器)，則該論點(diǎn)也是適用的。

原則上，電子發(fā)射器組件的連續(xù)工作是離子源的優(yōu)選工作模式，該工作模式使得電子隨時間的推移被不斷地發(fā)射。然而，在一些實(shí)施例中，在包括電子發(fā)射和不發(fā)射的交替階段的脈沖工作模式適于本申請的情況下，將電子發(fā)射器組件設(shè)為這樣的脈沖工作模式可為有用的。

在各實(shí)施例中，噴射器可包括噴嘴和孔中的一個。在一些實(shí)施例中，可將噴嘴配置為生成樣本氣體的超聲束。這種情況下，可在很大程度上防止由于氣體分子束的摩擦(fraying)而造成的有用的(interest)分析物分子的橫向損失。在一些情況下，超聲氣體流射的形成可使源體積分割成不是必須的單獨(dú)的真空級。

在各實(shí)施例中，噴射器的上游可以耦接至氣相色譜儀的輸出，而氣相色譜儀的洗脫液隨后將在質(zhì)量分析器中被分析。通常，質(zhì)量分析器可以取自包括四極桿質(zhì)量過濾器、三重四級桿質(zhì)量分析器、離子阱質(zhì)量分析器、飛行時間質(zhì)量分析器、傅里葉變換(離子回旋共振)質(zhì)量分析器等的組。

在各實(shí)施例中,射頻(rf)離子導(dǎo)向器或離子漏斗可以位于相互作用區(qū)域與質(zhì)量分析器之間，用于將樣本氣體離子導(dǎo)入質(zhì)量分析器中。在這種情況下，可確保在之后的質(zhì)量分析器中對大量生成的離子進(jìn)行采樣和測量。優(yōu)選地，離子導(dǎo)向器或離子漏斗被構(gòu)造成可以例如通過在其中提供非線性離子通道來將(尚未發(fā)生反應(yīng)的)多余氣體與其余的樣本氣體離子隔離開來。

在各實(shí)施例中，可以預(yù)見的是位于相互作用區(qū)域與質(zhì)量分析器之間的界面(比如，分隔壁)，從而使得相互作用區(qū)域和質(zhì)量分析器處于不同的真空級和壓力狀態(tài)下。

附圖說明

現(xiàn)參考大體上未按比例繪制而僅示意性地示出本發(fā)明的以下附圖來描述本發(fā)明的一般原理：

圖1示出了一般的磁輔助電子轟擊離子源。樣本氣體通過毛細(xì)管(41)被吹入到離子源室(40)。具有直燈絲的燈絲組件(42)發(fā)射電子，所述電子被加速到約七十電子伏，并被具有磁體(46)和(47)以及磁軛(48)的磁組件的磁場引入到離子源室(40)中。通過有孔電極(44)提取電離的樣本氣體分子，并形成離子束(45)。

圖2示出了如us6,617,771b2中所述的由avivamirav設(shè)計(jì)出的交叉流分子束電子轟擊離子源。

圖3示意性地示出了由dekieviet等人設(shè)計(jì)的離子源。氣體噴射流(51)被引導(dǎo)進(jìn)入并穿過螺線管電磁體(52)的孔。具有環(huán)形發(fā)射器的電子源組件(50)發(fā)射電子(56)，并沿著磁場的場線(55)對電子進(jìn)行加速使其進(jìn)入到位于磁體中心處的樣本氣體噴射流中。通過電極(57)提取離子并形成離子束(58)。

圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的原理的采用對流布置的用于質(zhì)譜分析的磁輔助電子轟擊離子源的第一實(shí)施例。

圖5示意性地示出了用于環(huán)形徑向磁化永磁體的合適的構(gòu)造原理。

圖6示出了如圖4所示的采用對流布置的用于質(zhì)譜分析的磁輔助電子轟擊離子源的基本實(shí)施例的一些變型。

圖7示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明原理的采用對流布置的用于質(zhì)譜分析的磁輔助電子轟擊離子源的另一實(shí)施例。

圖8示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明原理的采用對流布置的用于質(zhì)譜分析的磁輔助電子轟擊離子源的另一實(shí)施例。

圖9示出了根據(jù)本發(fā)明原理的采用對流布置的用于質(zhì)譜分析的磁輔助電子轟擊離子源中的模擬電子軌跡。

具體實(shí)施方式

雖然已經(jīng)參考本發(fā)明的多個不同實(shí)施例示出和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，可在不脫離由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍的情況下，可以在形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行各種改變。

圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明原理的用于質(zhì)譜分析的磁輔助電子轟擊離子源的第一實(shí)施例。該源主要包括兩個相鄰的真空級v1和v2，通過被表示為p1和p2的真空泵將每個真空級抽空降壓至期望壓力。舉例來說，v1中合適的工作壓力可以是≤10^-1帕斯卡，而v2中合適的工作壓力可以是≤10^-3帕斯卡。不同的壓力狀態(tài)由中心處具有小開口(2)的分隔壁(1)隔開。用作噴射器的氣體噴嘴n位于第一真空級v1中，噴嘴尖端指向分隔壁的開口(2)。例如，可以從氣相色譜儀向噴嘴n供應(yīng)洗脫液。洗脫液一旦離開噴嘴n就形成為氣體束(如箭頭所示)，氣體束中的大部分通過開口(2)進(jìn)入到第二真空級v2中，而氣體束中的一小部分則在分隔壁的開口(2)周圍的邊緣處發(fā)生偏轉(zhuǎn)并被抽出。噴嘴n通常在高溫條件(例如，在100攝氏度到400攝氏度之間，優(yōu)選地，在200攝氏度至300攝氏度之間)下操作。

環(huán)形徑向磁化磁體m位于第一真空級v1中，使得噴嘴n位于略微靠后于磁體m的前邊緣的環(huán)形孔中。然而，除了圖中所示出的位置之外，也可以想到不同于所繪制出的磁體m與噴嘴n的相對位置的其它相對位置。磁體m可以由以環(huán)形排列(“輪輻”排列)方式互相結(jié)合的一系列條形磁體組成，這將在下文中進(jìn)一步描述。

圖4還示出了從磁體m發(fā)出并返回至磁體m的磁場線。由于磁體m的內(nèi)圓周處的相對表面具有相同的磁化方向，所以，除了正好處于磁體環(huán)形孔中心的位置的場線以外，內(nèi)部的場線被壓縮成相對密集的狀態(tài)。沿著磁體m的軸線(在示圖中從左向右延伸)方向在環(huán)形磁體中心處的位置與更遠(yuǎn)離磁體m的外側(cè)之間建立相鄰場線會聚的邊緣磁場，進(jìn)而形成可以被稱為“磁瓶”的磁收縮現(xiàn)象。磁場線密度最高的區(qū)域內(nèi)的至少部分區(qū)域特別適合用作入射電子與氣體束內(nèi)的中性分子的相互作用區(qū)域(點(diǎn)劃輪廓線)3，這將從下文詳述中可以明顯看出。不言而喻的是，有利地選擇本示例中的兩個真空級v1和v2的邊界材料(包括分隔壁(1))，使得不會從根本上使磁體m所產(chǎn)生的磁場發(fā)生變形。

第二真空級v2包含電子發(fā)射器(為便于圖示，圖4中以兩個正方形(4)示意性地示出該發(fā)射器)。正方形(4)可以表示這樣的組件，其具有環(huán)形燈絲和相關(guān)聯(lián)的尺寸適配的環(huán)形推斥電極聚焦透鏡組件，其中，該環(huán)形推斥電極聚焦透鏡組件在與氣體束的傳播方向(第一方向)大致相反的所期望的第二方向上對多方向發(fā)射出的電子(5)進(jìn)行加速。舉例來說，環(huán)形燈絲可在電氣上分為多個單獨(dú)受支撐的區(qū)段，并可以采用在共同待審的美國專利申請no.14/341,076(該專利以引用的方式整體并入本文中)中所述的形式。在所示出的示例中，從相互作用區(qū)域(3)的中心看去，正方形(4)與中心軸線的角度偏差約等于十二度，或者換句話說，第一方向與第二方向?qū)⒎謩e以約168度(上部的正方形)和約192度(下部的正方形)的角度對準(zhǔn)。

在其它變型中，兩個正方形(4)除表示電子發(fā)射器組件的環(huán)形設(shè)計(jì)以外，還可以表示關(guān)于氣體束傳播方向?qū)ΨQ放置的多個單獨(dú)燈絲(例如，直燈絲或成圈狀的燈絲)。根據(jù)具體情況，每個這樣的燈絲可以具有各自適配的推斥電極聚焦透鏡組件?？梢钥闯觯娮影l(fā)射器所在位置處的磁場線在會聚到靠近分隔壁的開口(2)的磁體環(huán)形孔外部的緊鄰位置處之前以相對較大的拱形的形式延伸。最初，將由燈絲(忽略燈絲的確切形狀)發(fā)射的電子(5)沿著大致與一條磁場線相平行的方向(即，最初被限制為與離子源的中心軸線(該中心軸線與磁軸線重合)相交的方向)加速到通常為七十電子伏的動能。然而，當(dāng)場線路徑開始彎曲直至與環(huán)形磁體m的中心軸線對準(zhǔn)時，電子憑借洛倫茲力而開始以螺旋軌跡沿著該曲率運(yùn)動。以這種方式，電子(5)被引導(dǎo)成基本上正對地穿過氣體分子束，從而在相互作用區(qū)域(3)內(nèi)發(fā)生電子電離。

如上所述，在本示例中，環(huán)形磁體m在分隔壁(1)內(nèi)的開口(2)附近形成三維磁收縮，由此，在相互作用區(qū)域(3)內(nèi)尚未與樣本氣體分子相互作用的電子將至少在與第一氣體束方向相反的方向上被減速至靜止，并最終被反射回來。在這種情況下，如果首次逆流通過氣體束沒有成功，則這些電子獲得與氣體束中的分子相互作用的第二次機(jī)會。在相互作用區(qū)域(3)內(nèi)產(chǎn)生的樣本氣體離子可以進(jìn)入(如箭頭6所示)至其中布置了合適的質(zhì)量分析器(例如，質(zhì)量過濾器或離子阱質(zhì)量分析器)的質(zhì)量分析區(qū)域。質(zhì)量分析器可以位于如下位置處：(i)與電子發(fā)射器組件(4)和相互作用區(qū)域(3)處于相同的真空級v2中；或(ii)超出第二真空級的邊界(以最右側(cè)虛線輪廓線表示)，其中，離子通過孔被采樣到保持在很低壓力的單獨(dú)的質(zhì)量分析區(qū)域中，隨后將質(zhì)量分析儀布置在該區(qū)域中。

圖5示意性地示出了如何由多個軸向磁化條形永磁體來近似環(huán)形徑向磁化永磁體。圖5中的左部分a)示出了對稱地環(huán)繞并在前視圖(上)和側(cè)視圖(下)中指向中心噴嘴的四個軸向磁化條形磁體。條形磁體的極性僅為示例，其極性也可相反。由于條形磁體并非360度地完整覆蓋環(huán)面，所以產(chǎn)生的磁場也將不是完全旋轉(zhuǎn)對稱的，而是在間隙中有一定的變形(出于安裝目的，可利用非磁性或其它磁性材料來填補(bǔ)間隙，以使環(huán)形完整)。然而，本發(fā)明采用這樣的磁體的邊緣場中的磁場線，其中間隙變形(如果存在的話)對整個磁場的貢獻(xiàn)越來越不顯著。

圖5中的右部分b)示出了環(huán)形徑向磁化永磁體的實(shí)施例，該環(huán)形徑向磁化永磁體由更多數(shù)量(此示例中有十二個)軸向磁化條形磁體組成，同時仍采用與左部分a)所示的構(gòu)造原理相同的構(gòu)造原理。相關(guān)領(lǐng)域中的技術(shù)人員可以理解，使用這一構(gòu)造原理，在環(huán)上布置的條形磁體越多，就能更好地近似成完美的環(huán)形磁體。

在圖6的頂部，部分a)以略微簡化的示圖示出了第一個實(shí)施例的變型。例如，省略了磁場線和真空級的外邊界。與圖4所示的實(shí)施例的顯著差異在于：在第二真空級中，在燈絲組件(未示出)下游與質(zhì)量分析器上游之間的位置處存在射頻(rf)離子導(dǎo)向器(7)，這將在下文中加以詳述。

本示例中的rf離子導(dǎo)向器(7)由具有位于其中心處的用于離子通過的中心孔的一系列堆疊的電極板構(gòu)成。向相鄰的電極板交替地供應(yīng)兩個極性的射頻電壓(如(+)和(-)符號所示)，使得生成這樣的離子管或離子隧道，該離子管或離子隧道防止帶電粒子與電極板相碰撞且防止帶電粒子從電極板之間的間隙逃逸。電極板中的孔徑被示出為具有均勻的尺寸。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，孔徑可在rf離子導(dǎo)向器的長度方向上逐漸變小，從而形成既可改善樣本氣體離子的軸向聚焦又有助于將離子傳入到分析區(qū)域中的公知的離子漏斗。

rf離子導(dǎo)向器(7)的入口通常與由在分隔壁(1)的另一側(cè)處的噴嘴產(chǎn)生的氣體束的運(yùn)動方向?qū)?zhǔn)，該運(yùn)動方向與在相互作用區(qū)域(3)內(nèi)通過暴露在入射電子(5)之下而產(chǎn)生的樣本氣體離子的運(yùn)動方向基本重合。rf離子導(dǎo)向器的出口將輸出輸入至其中放置有合適的質(zhì)量分析器(處于相同的真空級或單獨(dú)的真空級中)的分析區(qū)域。可以看出，rf離子導(dǎo)向器(7)的入口與出口由于彎曲的非線性中心通道而導(dǎo)致彼此之間稍有偏移。在從入口到出口建立的直流電壓梯度的幫助下，由rf離子導(dǎo)向器(7)中的振蕩電場限制的樣本氣體離子將通過電極板中的孔。另一方面，在通過相互作用區(qū)域(3)后仍保持中性的氣體束中的氣體分子不受這樣的限制，其將遲早與電極板中的一個發(fā)生撞擊并擴(kuò)散開來。擴(kuò)散的氣體可通過電極板之間的間隙離開rf離子導(dǎo)向器(7)的內(nèi)部(如箭頭(8)所示)，并隨后被抽走。在這種情況下，可以降低或徹底消除與質(zhì)量分析器耦接的離子檢測器上的背景噪聲。

圖6左下方的部分b)示出了由關(guān)于中軸對稱排列的多個平行桿組成的rf離子導(dǎo)向器(7)的另一變型(本領(lǐng)域中的從業(yè)者所公知的名稱為多極桿離子導(dǎo)向器)。常見的實(shí)施方式包括四極桿離子導(dǎo)向器、六極桿離子導(dǎo)向器和八極桿離子導(dǎo)向器等。在所示示例中，桿的曲率為90度，這意味著樣本氣體離子沿著與入射到離子導(dǎo)向器的入射軸成直角的軸的方向(虛線箭頭)離開離子導(dǎo)向器。如前所述，中性氣體分子不受rf振蕩電場的約束效應(yīng)影響，并且將僅直直地通過桿間縫隙(實(shí)線箭頭)。以這種方式，可實(shí)現(xiàn)中性分子與帶電分子的有效分離。不言而喻的是，包括質(zhì)量分析器的分析區(qū)域?qū)⒈仨毐恢匦露ㄎ坏脚c彎曲的rf離子導(dǎo)向器(7)的出口相對的位置處。

圖6右下方的部分c)更詳細(xì)地示出了部分a)中的與圖4的實(shí)施例中所使用的環(huán)形燈絲不同的燈絲組件。部分a)呈現(xiàn)的是側(cè)視圖，而部分c)則沿著離子源的中軸(其與氣體束方向(第一方向)以及環(huán)形磁對稱的方向重合)的將視角轉(zhuǎn)變?yōu)榍耙晥D。此組件包括三個直線燈絲(9)，每一個直線燈絲(9)均安裝在還可用作供電觸點(diǎn)的兩個正方形燈絲座(10)之間。各個燈絲(9)關(guān)于氣體束方向?qū)ΨQ放置。在對流方向上對電子(5)進(jìn)行加速的推斥電極(11)位于燈絲(9)的后方。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，此實(shí)施例中存在的三個燈絲(9)僅以示例的形式給出，而不應(yīng)被限定性地解釋。從氣體束方向起橫向地間隔開的兩個、四個甚至更多個單獨(dú)的燈絲也是可行的。如果相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員認(rèn)為得當(dāng)，甚至能夠分別改變各個燈絲沿著第一氣體束方向的軸向位置，只要能將發(fā)射的電子可靠地引入到磁體的遠(yuǎn)邊緣場中使得它們可以被由此引導(dǎo)至相互作用區(qū)域(3)即可。進(jìn)一步不言而喻的是，當(dāng)然也可以將直線燈絲(9)替換為其它形狀的燈絲(例如，成圈狀的燈絲)。燈絲還可被替換成其它電子發(fā)射裝置(例如，納米管發(fā)射器)。在此方面，本公開不應(yīng)被限制性地解釋。

圖7示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明原理的用于質(zhì)譜分析的磁輔助電子轟擊離子源的另一個實(shí)施例。此實(shí)施例的特征在于與離子源的整個軸線方向(圖中從左向右延伸)基本對準(zhǔn)的單軸向磁化條形永磁體。雖然圖中示出了永磁體的北極(n)和南極(s)，但是可以在不影響源的可操作性的情況下使用反向排列。磁場線從磁極中的一個處發(fā)出，并且返回至磁體的另一相應(yīng)磁極處。s極的正面的前方處設(shè)置有氣體噴射器(12)，該氣體噴射器(12)通過合適的開口將在軸向上的樣本氣體沿著背離磁體s極的第一方向排出?？梢钥闯?，這種布置會需要從側(cè)向?yàn)閲娚淦?12)供應(yīng)樣本氣體。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，還可以想到提供具有其中設(shè)置有軸向氣體供應(yīng)的中心孔的軸向磁化條形磁體。

樣本氣體朝著分隔壁(1)上的開口(2)噴射，在本示例中，分隔壁(1)略呈錐形且用作氣體分流器(skimmer)。換句話說，樣本氣體中的以大角度噴射的部分樣本氣體撞擊在分流器頂點(diǎn)處的中心開口(2)周圍的邊緣部分上，發(fā)生偏轉(zhuǎn)并被泵(本示圖中未示出)抽走。另一方面，通過分流器中的開口(2)的樣本氣體則形成為被引導(dǎo)通過靠近分流器開口(2)并處于其下游的相互作用區(qū)域(點(diǎn)劃輪廓線)3的窄氣體束。

電子發(fā)射器組件位于可以表示單獨(dú)的真空級的分流器主體內(nèi)的更下游處，并且該電子發(fā)射器組件可以包括圍繞氣體束的第一方向同心排列的環(huán)形燈絲(13)和適配的環(huán)形推斥電極聚焦透鏡組件(14)，所述環(huán)形推斥電極聚焦透鏡組件(14)在所期望的對流方向(第二方向)上對由燈絲(13)發(fā)射出的電子(5)進(jìn)行加速和導(dǎo)向。除了環(huán)形燈絲設(shè)計(jì)外，燈絲組件還可包括帶有相關(guān)聯(lián)的推斥電極聚焦透鏡組件的多個單獨(dú)的燈絲，其如前所述圍繞氣體束方向?qū)ΨQ排列。如前所述，也可將燈絲替換成其它合適的電子發(fā)射器。在所述示例中，從相互作用區(qū)域(3)的中心看去，燈絲組件設(shè)在與中軸約成28度角的位置處。換句話說，第一方向與第二方向分別以約152度(上側(cè))和約208度(下側(cè))對準(zhǔn)。

在必然與中軸(其與氣體束方向(第一方向)和磁軸兩者均重合)相交的方向上對由燈絲組件發(fā)射的電子(5)進(jìn)行加速。然而，如前所述，電子(5)最終將以螺旋軌道沿著磁場線的曲率運(yùn)動，從而沿著基本上與氣體束相反的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。一旦電子(5)到達(dá)相互作用區(qū)域(3)，則電子(5)可與氣體束中的氣體分子發(fā)生相互作用，并且引起電子電離。如前所述，磁性材料外部的磁場線密度顯示出了相當(dāng)大的梯度，所以，根據(jù)電子能量，尚未與氣體束中的氣體分子相互作用的電子將最終到達(dá)分流器的開口(2)的前面的返回點(diǎn)，在該返回點(diǎn)處，電子被反射回至它們的來源之地(“磁瓶效應(yīng)”)。

如前所例示的那樣，在相互作用區(qū)域(3)內(nèi)通過電子電離產(chǎn)生的樣本氣體離子可進(jìn)一步往下游傳輸?shù)胶竺娴馁|(zhì)量分析器(未示出)(如向右指向的箭頭(15)所示)，質(zhì)量分析器可以位于分流器范圍中并與相互作用區(qū)域(3)和電子發(fā)射器組件(13、14)所處的真空級相同的真空級中。

圖8中示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明原理的另一實(shí)施例，其示出了如何通過環(huán)形推斥電極聚焦透鏡組件(14)來將環(huán)形發(fā)射器(13)的電子(5)沿著虛曲線加速進(jìn)入到環(huán)形磁體m的邊緣磁場中,在邊緣磁場中電子圍繞磁場線旋轉(zhuǎn)并將樣本氣體分子進(jìn)行電離。磁場在環(huán)形磁體m外部近側(cè)處形成會聚(類似于磁瓶)，電子(5)經(jīng)過反射回到樣本氣體束內(nèi)部。這為那些尚未與樣本氣體相互作用而向前運(yùn)行“進(jìn)入磁瓶”的電子制造了使得這些電子在反向返程時與樣本氣體分子進(jìn)行相互作用的額外機(jī)會。

在環(huán)形磁體m的軸線上，可經(jīng)導(dǎo)管連接至gc毛細(xì)管(未示出)的末端的噴嘴n生成如示圖中所示的從左向右行進(jìn)的樣本氣體束。在優(yōu)選實(shí)施例中，通過如圖所示的噴嘴n中的德拉瓦(delaval)型收縮來產(chǎn)生超聲樣本氣體束。樣本氣體中較輕的分子以較大錐體的形式離開噴嘴n，進(jìn)而通過分隔此示例中的兩級差分抽氣系統(tǒng)(其中的泵未示出)的分流器(1)而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。環(huán)形燈絲(13)環(huán)繞在處于分流器內(nèi)部中并位于相互作用區(qū)域(點(diǎn)劃輪廓線)3下游處的樣本氣體束的周圍。發(fā)射的電子(5)朝著靠近錐形分流器(1)的中心開口(2)處的樣本氣體束加速到大約七十電子伏。為了提取離子并形成被向下游引導(dǎo)到質(zhì)量分析器(未示出)的離子束，可預(yù)見的是旋轉(zhuǎn)對稱離子透鏡(16)和(17)以及圓柱體(18)。在所述示例中，從相互作用區(qū)域(3)的中心看去，燈絲組件設(shè)在與中軸約成26度角的位置處。換句話說，第一方向與第二方向分別以約154度(上側(cè))和約206度(下側(cè))對準(zhǔn)。

如前詳述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，可以使用位于氣體束一側(cè)的單個燈絲(直燈絲或成圈狀的燈絲)或圍繞氣體束對稱布置的多個單獨(dú)的此類燈絲來替代環(huán)形發(fā)射器(13)，用以與后面的質(zhì)量分析器(比如，四極桿質(zhì)量分析器)的對稱性相匹配。例如，可使用兩個或更多個單獨(dú)的燈絲來組成環(huán)繞著氣體束的多邊形(如圖6的圖c)中所示)。如前所述，燈絲也可被替換成其它電子發(fā)射裝置(比如，納米管發(fā)射器)。

圖9示意性地示出了采用對流布置的旋轉(zhuǎn)對稱磁輔助電子轟擊離子源的簡單模型，其用于對單個電子(5)從橫向偏移中心軸的環(huán)形發(fā)射器(13)的位置處進(jìn)入到分流器中的分隔壁的開口(2)處的靠近軸的相互作用區(qū)域中的軌跡、及其隨后在“磁瓶”中的反向反射的軌跡進(jìn)行模擬。模型元件與圖8所示的那些元件基本類似，只不過部分地采用稍微改動的幾何設(shè)計(jì)。例如，推斥電極聚焦透鏡組件(14)具有傾斜成一定角度的環(huán)形推斥電極、環(huán)形板透鏡和兩個環(huán)形離子透鏡。環(huán)形永磁體的尺寸由示出在分流器的開口(2)的前方(左側(cè))處的一組十字表示。從燈絲處起始的電子(5)的軌跡首先在必然與中軸相交的方向上幾乎沿直線行進(jìn)，然后在由幾何偏轉(zhuǎn)而引起的略微波動的軌道上過渡成與假想氣體束流動方向相反的軸的方向?qū)?zhǔn)，并由于洛倫茲力而進(jìn)入到圍繞磁場線(未示出)的螺旋軌道中。電子(5)在到達(dá)內(nèi)分流器頂點(diǎn)附近處的一點(diǎn)后就停止前向運(yùn)動(但它仍可圍繞局部場線旋轉(zhuǎn))，然后開始反向運(yùn)動，在所描述的單個電子的特定示例中，電子基本上平行于中軸運(yùn)動并進(jìn)入到中心圓柱形離子透鏡中。然而，通常情況下，多個反射電子的反向運(yùn)動極為發(fā)散，反向運(yùn)動的范圍可以涵蓋圖示平面中及該平面之外的廣角域。

雖然已經(jīng)參考本發(fā)明的多個實(shí)施例示出并描述了本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，如果可行的話，可以改變本發(fā)明的各個方面或細(xì)節(jié)，或者將不同實(shí)施例的各個方面或細(xì)節(jié)進(jìn)行任意地組合。例如，雖然已經(jīng)將用于質(zhì)譜分析的磁輔助電子轟擊離子源描述為特別適用于gcms應(yīng)用，但是，也可在質(zhì)譜分析的其它背景下應(yīng)用該用于質(zhì)譜分析的磁輔助電子轟擊離子源的原理。此外，雖然已經(jīng)引述了包括燈絲的電子發(fā)射器組件，但是同樣也可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)為合適的其它電子發(fā)射裝置(比如，納米管發(fā)射器)。通常，前述的描述僅出于說明目的，而非出于限制本發(fā)明的目的，本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求書及其任何等同實(shí)施方式(視情況而定)來限定。