[发明专利]静电透镜及包括该静电透镜的系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2011年5月4日的临时申请第61/449,193号的权益，其整体内容通过引用包括在本说明书中。

技术领域

本发明涉及静电透镜以及包括静电透镜的系统。

背景技术

各种应用都涉及从一个位置向另一个位置传送带电粒子。例如，在四极质量过滤器和其他类型的质谱仪的离子传送中，从多极离子导向器离子阱中脉冲释放捕获的离子到飞行时间（TOF）质谱仪的脉冲区域中，都是这种情形。此外，存在能进行改进的、更精细的、通用的带电粒子束对焦的需要。然而，传送所选的离子往往伴随着同时传送不想要的粒子，其中可能包括具有明显较高和/或较低动能的带电粒子，以及不带电粒子，如中性粒子和光子。

这些不想要的粒子可能会干扰想要的粒子的传送或最佳利用。例如，高能带电和不带电的粒子，如气溶胶，经常伴随着将来自大气压离子源的分析物离子引入到真空中，并且这种“背景”粒子可能具有较高的能量，使得它们很难被控制或除去。不想要的“背景”粒子的其他示例包括例如在电感耦合等离子体（ICP）离子源和电子引起的电离（EI）离子源中产生的光子，以及中性亚稳粒子，如在这些离子源中产生的中性亚稳粒子，它们可能传递能量给次级粒子以产生不想要的二次离子。所有这样的粒子都可能会导致不希望的后果，如质谱仪检测器中的背景噪声。

在其他情况下，如二次离子质谱分析（SIMS）技术，精细聚焦的高能离子束会冲撞固体样品很小的表面积，从而释放出所谓样品表面物质的二次离子。随后对这些二次离子的质量分析揭示了该小面积样品表面的化学成分。然而，伴随着聚焦离子的高能中性粒子不能聚焦，它们的冲撞从分析区域以外创建样品表面二次离子，这会降低分析的空间特异性。

另外，动能过滤器和分析仪被配置为以较高的透射将具有相对狭窄范围的能量通过，同时尽可能多地阻止具有在此狭窄范围之外的动能的粒子传递给检测器。

发明内容

已经发现静电透镜可以根据本发明被配置为从离子束中减少或除去不想要的背景粒子，同时保持良好的光学特性，可得到较高的离子透射效率和良好的对焦特性。在质谱仪的应用中，这种透镜通过阻止这些不想要的粒子产生背景噪声来改善信噪比是有效的，无论是由于直接的检测器影响，还是通过从表面产生二次粒子再影响检测器。在聚焦离子束的应用中，这种透镜同样对除去离子束中的中性物质也是有用的，可得到改善的分析性能。这种减少或除去背景粒子也可以减轻撞击和寄生背景粒子沉积所导致的表面上的电绝缘层污染物的积累，这种积累会导致有害的充电效果。在一些实施例中，静电透镜被放置在质谱仪的低真空区域中，以确保离子的透射效率不会因为背景气体分子使得离子散射脱离粒子路径而明显恶化。与此形成对比地，RF离子导向器通常用来运输离子通过相对较高和较低真空压力的区域，因为离子导向器内的RF场通常会防止这样的碰撞损失。然而，离子透射损耗和/或离子束光学特性的恶化仍然可能在离子离开RF离子导向器的末端时发生，其中离子可能会由于RF边缘场发生散射和/或与背景气体分子碰撞。此外，虽然静电透镜可以使用静电场聚焦或以其他方式重新引导离子轨迹，但除了引导离子沿离子导向器轴线行进，这不可能使用RF离子导向器实现，尽管由于离子导向器中心部分内的离子和背景气体之间碰撞的冷却效果。因此，静电透镜提供电位，用于通过静电场以比RF离子导向器更高的总体透射效率和更好的对焦透射和对焦离子束同时防止透射不想要的粒子。

本发明的各个方面概述如下。

一般地，在一个方面，本发明描述了一种系统，包括放置在带电粒子源和带电粒子检测器之间的路径中的静电透镜。该静电透镜包括：第一电极，具有放置在路径中并与第一轴线对齐的第一孔径；第二电极，放置在第一电极和带电粒子检测器之间的路径中，第二电极具有放置在路径中并与第二轴线对齐的第二孔径，第二轴线平行于第一轴线，并沿第一方向从第一轴线移位；第三电极，放置在第一电极和第二电极之间的路径中；以及耦合到第一、第二和第三电极的电位生成器。在工作期间，电位生成器将第一电位施加到第一电极，将第二电位施加到第二电极，并将第三电位施加到第三电极，以使得静电透镜将沿第一轴线传播的来自带电粒子源的带电粒子束引导到沿第二轴线传播。

该系统的实施例可包括下列特征中的一个或多个。例如，在工作过程中，静电透镜可以引导具有第一范围内的动能的粒子束中的带电粒子通过第二孔径，而通过第一孔径进入静电透镜的具有第一范围以外的动能的带电粒子被阻止通过第二孔径。

在第一电极处的路径可以与在第二电极处的路径平行。