[发明专利]射频离子源

说明书

本发明与射频(rf)离子源有关，具体地说与能在包括大气压的压强范围内在空气中低功率工作的辉光放电源有关。

开发一种能在与市售电子碰撞离子源相同的条件下工作但更为通用、更为耐用的离子源是相当引入注目的。电子碰撞离子源广泛用于它与质谱仪连接而构成的蒸汽分析系统。在这种离子源中，呈电子形式的电离粒子从受到加热的钨丝发射到一个抽到1．359×(10^-7至10^-6千克／厘米²压强的低压腔内。电子在这个腔内由电场和磁场加速到具有能使受到它碰撞的样品分子电离的能量。电子碰撞离子源的缺点是不能在高压下工作，而且在富氧环境下会烧毁，这使这种离子源不适合在空气中在大气压或接近大气压的气压下工作的那些分析系统中使用。

此外，这种离子源的另一个缺点是，缺乏通用性，因为它实际上局限于在较高能量的电离(所谓“硬”电离)过程中产生正离子，通常需要对样品进行分子碎化。

开发一种可与市售质谱仪对接、能在大气压下以空气作为维持等离子区的放电气体高效率工作的离子源也是相当引人注目的。这就允许直接对空气进行取样，以监测是否存在例如从诸如TNT、RDX、PETN之类的药物或炸药游离出来的杂质气体。

一种能在大气压的空气中进行工作的已知装置可参见Zhao和Lubman在分析化学杂志上所发表的文章(Analytical Chemistry Vol 64，No 13，Pages 1427-1428 and Vol 65，No 7，Pages 866-876)。这种装置包括一根直径为0．04"的对地绝缘的钨棒驱动电极，做成尖端的端部是发生等离子放电的工作端。这个电极与一个rf源连接，伸入一个接地的1′×0．8″(直径)的黄铜室内，这个黄铜室形成了一个有效“板”极。在使用时，在钨棒的工作端和室壁之间发生等离子放电。需要从中产生离子加以检测的样品作为液体引入承载样品的放电气体，由这气体承载，送入黄铜室进行电离。然而，这种装置需要一个能提供16瓦左右的比较高的正向功率的电源以在大气压下的空气中形成和维持等离子区。这就有着电源较费、较笨的缺点。

此外，即使是在这样的较高正向功率的情况下，这种离子源进行的也只是软(低能)电离，因此不能代替电子碰撞离子源。如果需要硬(高能)电离，就要求有一个更高功率的rf源。这会造成前面所提到的缺点，因为为了提供一个硬电离的离子源，就必需有一个能提供甚至比以上所讨论的更高的正向功率的电源。而且，由于由Lubman离子源产生的等离子区只是在125-375KHz的有限rf范围内是稳定的，因此另一个缺点就是可能会造成比较大的离子能量分布，这实际上要降低任何采用质谱仪的分析系统的分辨率。这是因为电离粒子从rf电场获得的能量部分取决于这个rf场的频率，正如熟悉本技术领域的人员所能理解的那样。如果电离粒子在场中的驻留时间长到足以经受rf场几次振荡的作用，那么它们的最终能量将接近于零。相反，如果这些电离粒子从形成到射出等离子区的时间不超过rf周期，那么它们的能量将取决于从它们形成到射出之间的场势变化。因此，对于给定的在射频放电中所产生的离子的驻留时间，射出的电离粒子的能量分布随着rf场频率的减小而增大。

通常，在rf离子源中，正离子和电子都是在等离子区内产生的。这些带电粒子在运动性上的差别使得在与rf电源电容性连接的电极上形成自偏压。这个自偏压的大小取决于离子源的几何配置，特别是取决于各放电电极的可以形成等离子区的相对表面面积。在现有技术的装置中，离子源的几何配置设计成驱动电极工作端的表面面积比通常包括电离室接触壁的接地(或浮动)电极的工作端的表面面积小。结果就产生了一个负的自偏压。因此，驱动电极习惯上称为“阴极”，而接地(或浮动)电极称为“阳极”。在本文件中，阴极和阳极分别用来指驱动电极和接地(或浮动)电极。

本发明的目的是提供一种正、负离子产生源，这种源能在很宽的rf工作频率、rf峰峰振幅和源气压范围内产生稳定的等离子区。

本发明所提供的rf离子源包括一个或多个阴极、一个阳极和与各自所配合的阴极连接的用来使所配合的阴极与一个rf信号源耦合的耦合装置，其中：阳极与阴极相隔不大于5mm，阳极的能发生放电的面积基本上不大于各阴极的能发生放电的相应总面积，各阴极设计成具有使得在rf离子源工作时在阳极与各阴极之间的空间内的电场充分扭曲的形状，以促使在阳极与各阴极之间形成更多的离子和电子。