[发明专利]电极矩阵及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于飞行时间质谱仪中电极矩阵及其制作方法。

背景技术

一般，反射式飞行时间质谱仪的结构包括：推斥器、加速器、无场区、反射器和检测器这几种离子光学器件(参阅图1)。其中无场区中没有电场梯度，不需要梯度电场当然也可看作梯度的电场；检测器作用距离太短，对电场的要求不高，容易实现；而推斥区、加速区和反射器通过使用在一维方向电势均匀线型变化的电场对离子进行加速、减速操作，调整并在空间和时间中聚焦离子。由于离子束在飞行时间质谱仪内部占据一定的体积(空间分散)，离子在相同飞行时间对应的空间位置并不在同一平面之中。由于电场的特性，用分散不连续的电极构建的电场，必须通过具有一定空间尺寸的过渡区域才能成为近似均匀变化的均匀梯度电场；而往往近轴空间部分的电场是最接近于理想的均匀梯度电场。对于高分辨的飞行时间质谱仪，对应的电场梯度稳定性应优于千分之一。

推斥器、加速器和反射器一直以来都是无铁磁性、不易产生氧化物层的金属板，如不锈钢(304、316等牌号)、黄铜、铝合金等，加工成内部空心的平面金属框，如圆环、矩形框等，再用绝缘材料隔离成等间距的平行电极阵列，并用电阻连接各级电极以施加电压。用于制作推斥器、加速器和反射器的金属框架电极阵列主要有薄板圆环电极、厚圆环电极、中厚度矩形电极和一体化PCB电极这几种。

常见的薄板圆环梯度场电极阵列，如图2所示。所述薄板圆环梯度场电极阵列采用的是一组切割加工成的薄板圆环，厚度50～200μm，外径由于薄板刚度的影响通常小于100mm，环宽度至少是板间距的2倍以上，板平面度优于30μm。因为薄板电极的厚度非常薄，其环电极内部均匀梯度电场几乎占据了全部内径大小的三维空间，空间利用率可表示为其中r表示内部有效区域的尺寸，T表示电极板间距，R表示薄板圆环的外径。例如，对于外径100mm，内径60mm，板间距5mm的机构而言，其最大空间利用率约35％。薄板电极的优势是有效空间接近内径空间，过渡区域小，劣势在于尺寸因为板刚度的影响无法做大尺寸电极。

另请参阅图3，其显示了一种厚圆环梯度场电极阵列。如图3所示，所述厚圆环梯度场电极阵列是一组车床加工的厚圆环电极，由于刚性好，其尺寸无限制、精度高。常见的厚圆环电极厚度在8～10mm，外径200mm，内径160mm，板间距1mm～2mm，电极平面度优于2μm。但由于电极厚度增加，其内部过渡区域比薄板电极大的多，达到2倍板厚。对于前述尺寸的厚圆环电极，其内部均匀场的尺寸只有直径120mm，空间利用率最大为45％。这样的结构限制了电极设计的灵活性。另外，厚圆环梯度场电极重量十分巨大，限制了飞行时间质谱加速器、反射器在水平方向的应用；而且这种方法由于电极的厚度过大，无法制作小尺寸的加速器、反射器。

再请参阅图4，其显示了一种矩形框电极阵列。如图4所示，所述矩形框电极阵列由厚度0.5mm～3mm的钢板，经线切割或者水切割加工成，电极外形成圆角矩形框，尺寸掌握比前两者(薄板圆环梯度场电极阵列和厚圆环梯度场电极阵列)更加灵活，通常外框长200mm，宽100mm，内框长160mm，宽60mm，板厚2mm，板间距5mm～8mm，平面度优于50μm。矩形框电极的过渡区域介于厚圆环电极和薄板圆环电极之间，对于以上条件的电极，其内部有效区域近似于矩形，长150mm，宽50mm，最大空间利用效率是37.5％。由于矩形框电极的形状并不是完全对称的圆形，所以存在比较大的内部应力变形，限制了电极的加工精度，另外，这种矩形框电极阵列的缺点还在于它制造成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电极矩阵及其制作方法，以提供一种可形成均一稳定的梯度电场，可提供更大的适合离子飞行的空间。

本发明一方面提供一种电极矩阵，包括：支撑基质；导电电极，包括分别设于所述支撑基质的内外表面的导电电极片；所述导电电极的数目为两个以上，相邻两个导电电极之间具有绝缘介质。

可选地，所述支撑基质的截面为圆环、椭圆环或矩形环。

可选地，所述支撑基质的截面为圆环时，所述支撑基质的长度为10mm至600mm，外径尺寸为20mm至300mm，壁厚为1mm至20mm。

可选地，所述支撑基质为陶瓷、玻璃或工程塑料所制成的。

可选地，所述相邻两个导电电极平行同轴。

可选地，所述导电电极中的导电电极片为对应于所述支撑基质的圆环、椭圆环或矩形环。

可选地，所述导电电极中的导电电极片的宽度为1mm至30mm，相邻两个导电电极片之间的轴向距离为0.10mm至10mm。