[发明专利]一种高效制冷的多极杆冷阱系统

说明书

本发明公开了一种高效制冷的多极杆冷阱系统，包括八极杆离子阱、离子聚焦透镜组及二十二极杆离子阱。本发明采用八极杆圆柱体空间内剧烈变化的射频电场驱使较热的离子在场内运动，进而迅速与缓冲气体发生碰撞过程，实现离子单次飞行八极杆从300K降温到40K的设计目标；采用二十二极杆构造的射频势阱对预冷的离子进行聚集与约束，加上轴向梯度电极的约束，使得预冷的离子与缓冲气体发生充分地碰撞直至温度冷却到达到设定的温度4.2K左右。两级制冷提高了离子的冷却效率，降低了离子的冷却时间，实现了高重复频率、高效制备低温离子的目的。

技术领域

本发明设计涉及光物理光化学及质谱技术领域，尤其是一种高效制冷的多极杆冷阱系统。

背景技术

离子及离子团簇的物态组成、光谱特性一直是光物理和光化学领域的研究热点。测量和分析不同离子、离子团簇的发光光谱、离子飞行时间谱、光电子能谱以及光电子二维动量谱是深入理解大尺寸分子离子与光场相互作用超快动力学过程的重要实验手段。为了减少离子源中离子本身无规则热运动对探测信号的影响，特别是降低与激光场作用过程中的多普勒展宽，人们发展了多种离子减速技术。目前，碰撞减速是制备低温离子源的主要技术手段，在实验过程中，室温离子在碰撞反应池中与低温缓冲气体（一般是氦气He）进行碰撞，交换动能，从而实现减速和降温。为了更好地富集和减速低温离子，上述碰撞过程通常都是在一个势阱内进行，通过电磁场将目标离子囚禁在一个区域内与缓冲气体进行热交换。

三维离子阱的工作原理是通过施加到两片环形电极上相位相反、幅度相同的射频电压，构造出径向振荡的射频电场，在射频电场驱动下的离子的运动规律符合马修运动方程。通过调节施加的射频电压和直流电压，实现对离子径向发散和束缚的控制。对于轴向约束，通过调整端盖电极被施加的交流低压，使交变电压与离子运动产生共振，这时离子振荡幅度会随着时间的延长而线性增加，当振幅足够大时，离子被推出阱外。三维离子阱的缺点：一是双曲面电极加工难度大，对机械加工和装配精度要求极高，加工难度和组装难度大，难以推广和普及；二是三维离子阱的离子稳定区域较小，注入阱中的很多离子尚未冷却进入稳定区就撞在电极上淬灭了，只有5% 动能较低的离子被有效捕获；三是工作操作繁杂，需要调整射频电压和交变电压参数；四是有效存储空间为离子阱中心的原点，存储离子能力弱，离子富集率低，仪器灵敏度低。

线性离子阱将三维离子阱的环电极拉长，用平面电极来代替端盖电极，依靠双曲面极杆的射频电压（径向囚禁）和两端的门电极电压（轴向囚禁）共同作用来束缚和囚禁离子。线性离子阱的多极杆在直流电压为零、仅有射频电压的状态下工作，通过改变射频电压的幅度或者频率，就可以改变离子运动状态，从而使得不同质荷比的离子依次从离子阱两边的狭缝出射。同时在多极杆上加一个偏置直流电压，实现更好的聚焦效果。线性离子阱相比三维离子阱具有以下优点：一是加工精度降低，便于推广和普及；二是线性离子阱内的稳定区域较大，注入阱中70%的离子可被有效捕获，缩短了离子注入时间，减小了线性离子阱的扫描循环时间，提高了离子富集效率。三是线性离子阱的工作模式简单易操作；四是线性离子阱的存储能力强，容量大。

随着技术的发展，线性离子阱的电极形状从双曲面结构发展到圆柱形、矩形结构，电极数目从四极杆发展到多极杆，如八极杆、二十二极杆（2N）等。多极杆的工作原理与三维离子阱以及线性离子阱类似，离子的径向运动是通过分别施加到2N根极杆上相位相反、幅度相同的射频电压，构造出反复振荡的射频电场来控制；而轴向的运动则通过施加到梯度电极的直流梯度电场来实现。多极杆的优点主要体现在以下方面:第一、离子传输效率高；第二、有效降低离子动能和空间发散度；第三、可以将电喷雾和脉冲模式质量分析器有效匹配。但是主流的线性离子阱采用单离子阱设计，这种单离子阱设计使得离子的富集、离子的碰撞冷却、离子选质均在一个多极杆离子阱中完成，离子的冷却时间长，富集的效率低，制约了离子脉冲束的频率，拉长了实验的周期，增加了实验的不稳定性。

发明内容