WO2016108451A2 - 비행시간 질량분석기 - Google Patents

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    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/40—Time-of-flight spectrometers

Definitions

  • the present invention relates to a mass spectrometer, specifically to a time-of-flight mass spectrometer using a cold electron beam as an ionization source.
  • the time-of-flight mass spectrometer can ionize molecules of different masses in a sample and measure the current of ions generated. Mass spectrometers can be classified into various forms depending on the method of separating ions.
  • the time-of-flight mass spectrometer can analyze the mass using the flight time of the ions. For accuracy of mass spectrometry, electrons collide with the sample by minimizing the difference in ionization time.
  • One object of the present invention is to provide an accurate time-of-flight mass spectrometer.
  • One problem to be solved by the present invention is to provide a time-of-flight mass spectrometer suitable for miniaturization.
  • the time-of-flight mass spectrometer of the present invention for solving the above problems includes an ionizer which receives an electron beam and emits ions; A cold electron supply unit injecting the electron beam into the ionization unit; An ion detector configured to sense the ions emitted from the ionizer; And an ion separation unit connecting the ionization unit and the ion detection unit, wherein the cold electron supply unit includes a microchannel plate that receives ultraviolet rays and emits the electron beams. Ions pass through the ion separation unit to reach the ion detection unit, and the ion separation unit may have a straight tube shape.
  • the cold electron supply unit may further include a UV diode emitting the ultraviolet rays to the microchannel plate.
  • the microchannel plate comprises a front plate for receiving the ultraviolet rays to generate electrons; And a backplane emitting the electron beam, wherein the electron beam may be the electrons multiply within the microchannel plate.
  • the multiplication may be 10 4 times to 10 9 times.
  • the cold electron supply unit may further include a channeltron electron multiplier that multiply the electron beam emitted from the microchannel plate.
  • the channeltron electron multiplier may multiply the electron beam emitted from the microchannel plate by 10 4 to 10 9 times.
  • the cold electron supply unit may further include an ion lens configured to focus the electron beam multiplied through the channeltron electron multiplier and emit the electron beam to the ionizer.
  • the cold electron supply unit may further include a gate electrode that blocks or allows the electron beam emitted from the ion lens to be injected into the ionizer.
  • the ion detector may receive the ions to generate, amplify, and detect electrons, and the ion detector may include a microchannel plate or a channeltron electron multiplier that amplifies the electrons.
  • the interior space may be a vacuum.
  • the pressure in the internal space may be 10 -10 ⁇ 10 -4 Torr.
  • the ionization unit collides with the electron beam
  • the sample unit is disposed a sample generating the ions; And it may include a sample supply unit for supplying the sample on the sample unit.
  • the sample supply unit may spray a gas sample on the sample unit, the gas sample may be adsorbed on the upper surface of the sample unit.
  • the sample supply unit may provide the gas sample on the sample unit in a pulse manner.
  • the sample supply unit may spray a liquid sample onto the sample unit, and the liquid sample may be adsorbed onto the sample unit.
  • a flight time mass spectrometer having a small difference in ionization time of ions may be provided. Accordingly, the accuracy of the time-of-flight mass spectrometer may be high.
  • a time-of-flight mass spectrometer with low power consumption and high accuracy may be provided. Accordingly, a time-of-flight mass spectrometer suitable for miniaturization can be provided.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a time-of-flight mass spectrometer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the cold electron supply unit and the ionization unit of the time-of-flight mass spectrometer according to the embodiment of the present invention.
  • 3 to 5 are cross-sectional views of a cold electron supply unit and an ionization unit of a time-of-flight mass spectrometer according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a cross-sectional view of a time-of-flight mass spectrometer according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a cross-sectional view of the cold electron supply unit and the ionization unit of the time-of-flight mass spectrometer according to the embodiment of the present invention.
  • the cold electron supply unit 100 may be provided.
  • the cold electron supply unit 100 may emit cold electrons using ultraviolet rays, not hot electrons.
  • the cold electron supply unit 100 includes an ultraviolet diode 110 emitting ultraviolet light and a microchannel plate 120 that generates, multiplies, and emits an electron beam e using the ultraviolet light. ), A channeltron electron multiplier (130) that multiplies and emits the electron beam (e), and an inlet electrode (140) which emits the electron beam (e) from the channeltron electron multiplier without loss. It may include an ion lens 150 for integrating the electron beam (e), and a gate electrode 160 for controlling whether the electron beam (e) is emitted.
  • the inner space of the cold electron supply unit 100 may be substantially vacuum. In one example, the internal space of the cold electron supply unit 100 may have a pressure of about 10 -10 to 10 -4 Torr.
  • the ultraviolet diode 110 may emit ultraviolet rays toward the microchannel plate 120. Since the ultraviolet diode 110 uses a current of several to several hundred mA for a short time for several nanoseconds to several hundred microseconds, power consumption may be low.
  • the microchannel plate 120 facing the ultraviolet diode 110 may be provided.
  • the microchannel plate 120 may generate, amplify, and emit an electron beam e using ultraviolet rays.
  • the microchannel plate 120 may have a front plate 122 facing the ultraviolet diode 110 and a back plate 124 disposed opposite the front plate 122.
  • the front plate 122 may receive the ultraviolet light supplied from the ultraviolet diode 110 to generate optoelectronics.
  • the front plate 122 may have a negative voltage. For example, the voltage of the front plate 122 may be about -3000V to -1000V.
  • Optoelectronics can be multiplied in the microchannel plate.
  • the multiplied photoelectrons may be referred to as the electron beam e.
  • the electron beam e can be multiplied by about 10 4 to 10 9 times than the optoelectronics.
  • Backplate 124 may emit a multiplied electron beam e.
  • the back plate 124 may have a negative voltage.
  • the voltage of the backplane 124 may be about -3000V to -1000V.
  • the backplate 124 may emit an electron beam e to the channeltron electron multiplier 130.
  • the channeltron electron multiplier 130 may multiply the electron beam e supplied from the microchannel plate 120.
  • the channeltron electron multiplier 130 may include an inlet 132, a first electrode 133, a multiplier 136, a second electrode 134, and an outlet 138 sequentially arranged.
  • the electron beam e may be multiplied through the inlet 132, the multiplier 136, and the outlet 138. In one example, the electron beam e can be multiplied by 10 4 times to 10 9 times.
  • the injection hole 132 may be disposed adjacent to the rear plate 124 of the microchannel plate 120.
  • the injection hole 132 may have a cone shape.
  • the injection hole 132 may receive the electron beam e from the microchannel plate 120 and multiply it.
  • the first electrode 133 may apply a negative voltage to the injection hole 132.
  • the first electrode 133 may apply a voltage substantially equal to the voltage of the back plate 124 of the microchannel plate 120 to the injection hole 132.
  • the voltage applied by the first electrode 133 to the injection hole 132 may be about -3000V to -1000V.
  • the multiplier 136 and the outlet 138 may multiply the electron beam e.
  • the second electrode 134 may apply a negative voltage to the outlet 138.
  • the second electrode 134 may apply a voltage higher than the voltage of the back plate 124 to the outlet 138.
  • the voltage applied by the second electrode 134 to the outlet 138 may be about ⁇ 200 V to 0 V.
  • the inlet electrode 140 may increase the straightness of the electron beam e in the channeltron electron multiplier 130 so that the electron beam e may face the outlet 138. Accordingly, the electron beam e in the channeltron electron multiplier 130 can be emitted without loss out of the outlet 138.
  • the voltage of the inlet electrode 140 may be about ⁇ 200 V to 0 V.
  • the ion lens 150 may focus the electron beam e emitted from the outlet 138.
  • the ion lens 150 may have a negative voltage. In one example, the ion lens 150 may have a voltage higher than the voltage applied to the back plate 124 of the microchannel plate 120.
  • the gate electrode 160 may block or allow the electron beam e passing through the ion lens 150 to be injected into the ionizer 200.
  • the gate electrode 160 may have an on / off state. In the on state of the gate electrode 160, the electron beam e passing through the ion lens 150 may pass through the gate electrode 160 and be injected into the ionizer 200. In the off state of the gate electrode 160, the electron beam e having passed through the ion lens 150 may not be injected into the ionizer 200.
  • An ionizer 200 in which ions I are generated may be provided. Ions I may be formed using the electron beam e injected from the cold electron supply unit 100.
  • the ionizer 200 may share an internal space with the cold electron supply unit 100. Accordingly, the ionizer 200 may have a vacuum state substantially the same as that of the cold electron supply unit 100.
  • the inner space of the ionization part (200) is about 10 -10 to 10 may have a pressure of 4 Torr.
  • the ionization unit 200 may include a sample unit 210 in which a sample is disposed, and a mesh unit 220 spaced apart in a direction perpendicular to the surfaces of the sample unit 210 and the sample unit 210.
  • the mesh unit 220 may allow the ions I emitted from the sample unit 210 to have straightness.
  • the mesh unit 220 may have a grid shape. Ions I may pass through the mesh unit 220.
  • a positive voltage may be applied to the sample unit 210 and a negative voltage may be applied to the mesh unit 220. Accordingly, an electric field may be formed between the sample part 210 and the mesh part 220. The electric field may have a direction from the sample part 210 toward the mesh part 220.
  • the electron beam e injected into the ionization unit 200 may be bent toward the sample unit 210 by receiving a force toward the sample unit 210 by the electric field.
  • the sample on the sample unit 210 may collide with the electron beam e to emit ions I.
  • the gas sample G may be injected onto the sample unit 210.
  • the gas sample G may be sprayed onto the sample unit 210 in a pulsed manner.
  • the gas sample G may be adsorbed on the surface of the sample unit 210.
  • the sample adsorbed on the surface of the sample unit 210 may collide with the electron beam e injected from the cold electron supply unit 100.
  • ions I can be released from the sample.
  • the ions I may include ions I having different masses according to the composition of the sample.
  • the ions I may be positively charged and may receive a force from the sample portion 210 toward the mesh portion 220. Ions I may move through the mesh unit 220 to the ion separator 300.
  • the mesh unit 220 may be two or more. In this case, the mesh units 220 may be disposed in parallel to each other.
  • An ion separator 300 may be provided to receive the ions I passing through the mesh unit 220.
  • the ion separator 300 may have a straight tube shape.
  • the ion separator 300 may share an internal space with the ionizer 200 and the cold electron supply unit 100 to have a vacuum state.
  • the inner space of the ion separator 300 may have a pressure of about 10 -10 to 10 -4 Torr.
  • the ions I generated by the ionizer 200 may move to the ion detector 400 through the ion separator 300.
  • the ion separation unit 300 may extend in a direction perpendicular to the surface of the sample unit 210.
  • the moving speed of the ions I having a relatively small mass may be faster than the moving speed of the ions I having a relatively large mass.
  • Ions I having different masses may have different passage times of the ion separator 300.
  • An ion detector 400 that detects the ions I passing through the ion separator 300 may be provided.
  • the ion detector 400 may have a vacuum state by sharing an internal space with the ion separator 300, the ionizer 200, and the cold electron supply unit 100.
  • the inner space of the ion detector 400 is about 10 -10 to 10 may have a pressure of 4 Torr.
  • the ion detector 400 may include a microchannel plate (not shown) and / or a channeltron electron multiplier (not shown). In this case, the microchannel plate and the channeltron electron multiplier may be substantially the same as the microchannel plate 120 and the channeltron electron multiplier 130 included in the cold electron supply unit 100.
  • ions I may be implanted in the microchannel plate and / or channeltron electron multiplier to induce electrons. Electrons can be amplified in the microchannel plate and / or channeltron electron multiplier and sensed by a detection circuit (not shown).
  • ions (I) having a relatively small mass and ions (I) having a relatively large mass enter the ion separator 300 at the same time, ions (I) having a relatively small mass have a relatively large mass.
  • the ion detector 400 may be detected before the excitation ion. As the length of the ion separator 300 is longer, a difference in time for detecting ions I having different masses may be greater.
  • Molecules having different masses collide with the electron beam (e), so the smaller the difference in ionization time for emitting ions, the higher the accuracy of the time-of-flight mass spectrometer.
  • the difference in ionization time of ions having different masses can range from several to several hundred nanoseconds. Accordingly, the flight time mass spectrometer including the cold electron supply unit 100 may have high accuracy.
  • a time-of-flight mass spectrometer of desired accuracy can be obtained. Accordingly, a time-of-flight mass spectrometer suitable for miniaturization can be provided.
  • the time-of-flight mass spectrometer of the present invention uses ultraviolet diodes, so that power consumption may be low.
  • 3 to 5 are cross-sectional views of a cold electron supply unit and an ionization unit of a time-of-flight mass spectrometer according to an embodiment of the present invention.
  • the description of what is substantially the same as that described with reference to FIGS. 1 and 2 may be omitted.
  • a liquid sample L may be provided on the sample unit 210.
  • the liquid sample L may be sprayed onto the sample part 210 through the sample supply nozzle 510.
  • the liquid sample L may be adsorbed on the surface of the sample unit 210.
  • the liquid sample L may collide with the electron beam e to generate ions I. Ions I may be detected at the ion detector by passing through the ion separator.
  • a solid sample rod 520 may be used as a sample.
  • the solid sample rod 520 may collide with the electron beam e to generate ions I.
  • Ions I may be detected at the ion detector by passing through the ion separator.
  • a matrix sample, a carbon nano tube (CNT), or graphene 530 may be provided on the sample unit 210.
  • the matrix sample, carbon nanotubes, or graphene 530 may collide with the electron beam e to generate ions I.
  • Ions I may be detected at the ion detector by passing through the ion separator.

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Abstract

비행시간 질량분석기는 전자 빔을 수용하여, 이온을 방출하는 이온화부, 이온화부에 전자 빔을 주입하는 냉전자 공급부, 이온화부로부터 방출된 이온을 감지하는 이온 검출부, 및 이온화부와 이온 검출부를 연결하는 이온 분리부를 포함하되, 냉전자 공급부는 자외선을 수용하여 전자 빔을 방출하는 마이크로채널 플레이트(Microchannel Plate)를 포함하며, 이온화부에서 방출된 이온은 이온 분리부를 통과하여 이온 검출부에 도달하고, 이온 분리부는 곧은 관(straight tube) 형상을 가진다.

Description

비행시간 질량분석기
본 발명은 질량분석기에 대한 것으로, 구체적으로 냉전자 빔을 이온화원으로 사용하는 비행시간 질량분석기에 대한 것이다.
비행시간 질량분석기는 시료에서 서로 다른 질량을 갖는 분자들을 이온화시키고, 발생한 이온의 전류를 측정할 수 있다. 질량분석기는 이온을 분리하는 방법에 따라 다양한 형태로 구분될 수 있다.
질량분석기들 중 하나로, 비행시간 질량분석기가 있다. 비행시간 질량분석기는 이온들의 비행시간을 이용하여 질량을 분석할 수 있다. 질량분석의 정확성을 위해서, 이온화 시간의 차이를 최소화하여 전자를 시료와 충돌시킨다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 정확도가 높은 비행시간 질량분석기를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 소형화에 적합한 비행시간 질량분석기를 제공하는 것에 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 개시에 한정되지 않는다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 비행시간 질량분석기는 전자 빔을 수용하여, 이온을 방출하는 이온화부; 상기 이온화부에 상기 전자 빔을 주입하는 냉전자 공급부; 상기 이온화부로부터 방출된 상기 이온을 감지하는 이온 검출부; 및 상기 이온화부와 상기 이온 검출부를 연결하는 이온 분리부를 포함하되, 상기 냉전자 공급부는 자외선을 수용하여 상기 전자 빔을 방출하는 마이크로채널 플레이트(Microchannel Plate)를 포함하며, 상기 이온화부에서 방출된 상기 이온은 상기 이온 분리부를 통과하여 상기 이온 검출부에 도달하고, 상기 이온 분리부는 곧은 관(straight tube) 형상을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 냉전자 공급부는 상기 마이크로채널 플레이트로 상기 자외선을 방출하는 자외선 다이오드(UV diode)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 마이크로채널 플레이트는 상기 자외선을 수용하여 전자들을 생성하는 전면판; 및 상기 전자 빔을 방출하는 후면판을 포함하고, 상기 전자 빔은 상기 마이크로채널 플레이트 내에서 증배(multiply)된 상기 전자들일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 증배는 104배 내지 109배일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 냉전자 공급부는 상기 마이크로채널 플레이트에서 방출된 상기 전자 빔을 증배(multiply)하는 채널트론 전자 증배기(channeltron electron multiplier)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 채널트론 전자 증배기는 상기 마이크로채널 플레이트에서 방출된 상기 전자 빔을 104 배 내지 109 배 증배할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 냉전자 공급부는 상기 채널트론 전자 증배기를 통해 증배된 상기 전자 빔을 집적(focusing)하여, 상기 이온화부로 방출하는 이온 렌즈를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 냉전자 공급부는 상기 이온 렌즈에서 방출된 상기 전자 빔이 상기 이온화부로 주입되는 것을 차단하거나 허용하는 게이트 전극을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 이온 검출부는 상기 이온을 수용하여, 전자를 생성, 증폭 및 감지하고, 상기 이온 검출부는 상기 전자를 증폭하는 마이크로채널 플레이트 또는 채널트론 전자 증배기를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 내부 공간이 진공일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 내부 공간의 압력이 10-10~10-4Torr일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 이온화부는 상기 전자 빔과 충돌하여, 상기 이온을 발생하는 시료가 배치되는 시료부; 및 상기 시료부 상에 상기 시료를 공급하는 시료 공급부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 시료 공급부는 기체 시료를 상기 시료부 상에 분사하고, 상기 기체 시료는 상기 시료부 상면에 흡착될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 시료 공급부는 상기 기체 시료를 펄스(pulse) 방식으로 상기 시료부 상에 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 시료 공급부는 액체 시료를 상기 시료부 상에 분무하고, 상기 액체 시료는 상기 시료부 상에 흡착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이온들의 이온화 시간 차이가 작은 비행시간 질량분석기가 제공될 수 있다. 이에 따라, 비행시간 질량분석기의 정확도가 높을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전력 소비가 적고, 정확도가 높은 비행시간 질량분석기가 제공될 수 있다. 이에 따라, 소형화에 적합한 비행시간 질량분석기가 제공될 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 개시에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 질량분석기의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 질량분석기의 냉전자 공급부와 이온화부의 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따르는 비행시간 질량분석기의 냉전자 공급부와 이온화부의 단면도들이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 질량분석기의 단면도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비행시간 질량분석기의 냉전자 공급부와 이온화부의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 냉전자 공급부(100)가 제공될 수 있다. 냉전자 공급부(100)는 열전자가 아닌, 자외선을 이용한 냉전자를 방출할 수 있다. 냉전자 공급부(100)는 자외선을 방출하는 자외선 다이오드(UV diode)(110), 상기 자외선을 이용하여 전자 빔(e)을 생성, 증배, 및 방출하는 마이크로채널 플레이트(Microchannel Plate, MCP)(120), 상기 전자 빔(e)을 증배하여 방출하는 채널트론 전자 증배기(Channeltron Electron Multiplier)(130), 상기 전자 빔(e)을 손실없이 채널트론 전자 증배기에서 방출되도록 하는 입구 전극(140), 상기 전자 빔(e)을 집적하는 이온 렌즈(150), 및 상기 전자 빔(e)의 방출 여부를 제어할 수 있는 게이트 전극(160)을 포함할 수 있다. 냉전자 공급부(100)의 내부 공간은 실질적으로 진공 상태일 수 있다. 일 예에서, 냉전자 공급부(100)의 내부 공간은 약 10-10~10-4Torr의 압력을 가질 수 있다.
자외선 다이오드(110)는 자외선을 마이크로채널 플레이트(120)를 향해 방사할 수 있다. 자외선 다이오드(110)는 수~수백 mA 수준의 전류를 수 나노 초 내지 수백 마이크로 초 동안 짧게 이용하므로, 전력 소모가 적을 수 있다.
자외선 다이오드(110)와 마주보는 마이크로채널 플레이트(120)가 제공될 수 있다. 마이크로채널 플레이트(120)는 자외선을 이용하여 전자 빔(e)을 생성, 증폭, 및 방출할 수 있다. 마이크로채널 플레이트(120)는 자외선 다이오드(110)에 대향되는 전면판(122)과 전면판(122)의 반대편에 배치되는 후면판(124)을 가질 수 있다. 전면판(122)은 자외선 다이오드(110)로부터 공급된 자외선을 수용하여 광전자들을 생성할 수 있다. 전면판(122)은 음(negative) 전압을 가질 수 있다. 예를 들어, 전면판(122)의 전압은 약 -3000 V 내지 -1000 V일 수 있다. 광전자들은 마이크로채널 플레이트 내에서 증배될 수 있다. 증배된 광전자들은 전자 빔(e)으로 지칭될 수 있다. 일 예에서, 전자 빔(e)은 광전자들보다 약 104배 내지 109배 증배될 수 있다. 후면판(124)은 증배된 전자 빔(e)을 방출할 수 있다. 후면판(124)은 음전압을 가질 수 있다. 예를 들어, 후면판(124)의 전압은 약 -3000 V 내지 -1000 V일 수 있다. 후면판(124)은 채널트론 전자 증배기(130)으로 전자 빔(e)을 방출할 수 있다.
채널트론 전자 증배기(130)는 마이크로채널 플레이트(120)로부터 공급된 전자 빔(e)을 증배할 수 있다. 채널트론 전자 증배기(130)는 차례로 배열된 주입구(132), 제1 전극(133), 증배관(136), 제2 전극(134) 및 배출구(138)을 포함할 수 있다. 전자 빔(e)은 주입구(132), 증배관(136), 및 배출구(138)를 통과하여, 증배될 수 있다. 일 예에서, 전자 빔(e)은 104배 내지 109배까지 증배될 수 있다.
주입구(132)는 마이크로채널 플레이트(120)의 후면판(124)에 인접하게 배치될 수 있다. 주입구(132)는 콘 형상을 가질 수 있다. 주입구(132)는 마이크로채널 플레이트(120)로부터 전자 빔(e)을 공급받아, 증배할 수 있다. 제1 전극(133)은 주입구(132)에 음 전압을 인가할 수 있다. 일 예에서, 제1 전극(133)은 마이크로채널 플레이트(120)의 후면판(124)의 전압과 실질적으로 동일한 전압을 주입구(132)에 인가할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(133)이 주입구(132)에 인가하는 전압은 약 -3000 V 내지 -1000 V일 수 있다. 증배관(136)과 배출구(138)는 전자 빔(e)을 증배할 수 있다. 제2 전극(134)은 배출구(138)에 음 전압을 인가할 수 있다. 일 예에서, 제2 전극(134)은 후면판(124)의 전압보다 높은 전압을 배출구(138)에 인가할 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(134)이 배출구(138)에 인가하는 전압은 약 -200 V 내지 0 V일 수 있다.
입구 전극(140)은 채널트론 전자 증배기(130) 내의 전자 빔(e)의 직진성을 높여서, 전자 빔(e)이 배출구(138)를 향하도록 할 수 있다. 이에 따라, 채널트론 전자 증배기(130) 내의 전자 빔(e)은 배출구(138) 밖으로 손실없이 방출될 수 있다. 일 예에서, 입구 전극(140)의 전압은 약 -200 V 내지 0 V일 수 있다. 이온 렌즈(150)는 배출구(138)에서 방출되는 전자 빔(e)을 집적(focusing)할 수 있다. 이온 렌즈(150)는 음전압을 가질 수 있다. 일 예에서, 이온 렌즈(150)는 마이크로채널 플레이트(120)의 후면판(124)에 인가되는 전압보다 높은 전압을 가질 수 있다. 게이트 전극(160)은 이온 렌즈(150)를 통과한 전자 빔(e)이 이온화부(200)로 주입되는 것을 차단하거나, 허용할 수 있다. 예를 들어, 게이트 전극(160)은 온(on)/오프(off) 상태를 가질 수 있다. 게이트 전극(160)의 온(on) 상태에서, 이온 렌즈(150)를 통과한 전자 빔(e)은 게이트 전극(160)을 통과하여, 이온화부(200) 내로 주입될 수 있다. 게이트 전극(160)의 오프(off) 상태에서, 이온 렌즈(150)를 통과한 전자 빔(e)은 이온화부(200) 내로 주입되지 못할 수 있다.
이온(I)이 생성되는 이온화부(200)가 제공될 수 있다. 이온(I)은 냉전자 공급부(100)로부터 주입되는 전자 빔(e)을 이용하여, 형성될 수 있다. 이온화부(200)는 냉전자 공급부(100)와 내부 공간을 공유할 수 있다. 이에 따라, 이온화부(200)는 냉전자 공급부(100)와 실질적으로 동일한 진공 상태를 가질 수 있다. 일 예에서, 이온화부(200)의 내부 공간은 약 10-10~10- 4Torr의 압력을 가질 수 있다. 이온화부(200)는 시료가 배치되는 시료부(210) 및 시료부(210)와 시료부(210)의 표면에 수직한 방향으로 이격되는 메쉬부(220)를 포함할 수 있다. 메쉬부(220)는 시료부(210)에서 방출된 이온들(I)이 직진성을 갖도록 할 수 있다. 메쉬부(220)는 그리드 형태를 가질 수 있다. 이온들(I)은 메쉬부(220)를 통과할 수 있다.
시료부(210)에 양의 전압이 인가되고, 메쉬부(220)에 음의 전압이 인가될 수 있다. 이에 따라, 시료부(210)와 메쉬부(220) 사이에 전기장이 형성될 수 있다. 전기장은 시료부(210)에서 메쉬부(220)를 향하는 방향을 가질 수 있다. 이온화부(200) 내로 주입되는 전자 빔(e)은 전기장에 의해 시료부(210) 방향으로 힘을 받아, 시료부(210)를 향해 휘어질 수 있다. 시료부(210) 상의 시료는 전자 빔(e)과 충돌하여, 이온들(I)을 방출할 수 있다.
일 예에서, 기체 시료(G)가 시료부(210) 상에 분사될 수 있다. 예를 들어, 기체 시료(G)는 펄스 방식으로 시료부(210) 상에 분사될 수 있다. 기체 시료(G)는 시료부(210)의 표면에 흡착될 수 있다. 시료부(210)의 표면에 흡착된 시료는 냉전자 공급부(100)로부터 주입된 전자 빔(e)과 충돌할 수 있다. 이에 따라, 이온들(I)이 시료로부터 방출될 수 있다. 이온들(I)은 시료의 조성에 따라 서로 다른 질량을 가지는 이온들(I)을 포함할 수 있다. 이온들(I)은 양전하를 띠고, 시료부(210)에서 메쉬부(220) 방향으로 힘을 받을 수 있다. 이온들(I)은 메쉬부(220)를 통과하여 이온 분리부(300)로 이동할 수 있다. 일 예에서, 메쉬부(220)는 둘 이상일 수 있다. 이때, 메쉬부들(220)은 서로 평행하게 배치될 수 있다.
메쉬부(220)를 통과한 이온들(I)을 주입받는 이온 분리부(300)가 제공될 수 있다. 이온 분리부(300)는 곧은 관(straight tube) 형상을 가질 수 있다. 이온 분리부(300)는 이온화부(200) 및 냉전자 공급부(100)와 내부 공간을 공유하여, 진공 상태를 가질 수 있다. 일 예에서, 이온 분리부(300)의 내부 공간은 약 10-10~10-4Torr의 압력을 가질 수 있다. 이온화부(200)에서 생성된 이온들(I)은 이온 분리부(300)를 통해 이온 검출부(400)로 이동할 수 있다. 이온 분리부(300)는 시료부(210)의 표면으로부터 수직한 방향으로 연장될 수 있다. 상대적으로 작은 질량을 가지는 이온(I)의 이동 속력은 상대적으로 큰 질량을 가지는 이온(I)의 이동 속력보다 더 빠를 수 있다. 서로 다른 질량을 가지는 이온들(I)은 서로 다른 이온 분리부(300) 통과 시간을 가질 수 있다.
이온 분리부(300)를 통과한 이온들(I)을 감지하는 이온 검출부(400)가 제공될 수 있다. 이온 검출부(400)는 이온 분리부(300), 이온화부(200), 및 냉전자 공급부(100)와 내부 공간을 공유하여, 진공 상태를 가질 수 있다. 일 예에서, 이온 검출부(400)의 내부 공간은 약 10-10~10- 4Torr의 압력을 가질 수 있다. 일 예에서, 이온 검출부(400)는 마이크로채널 플레이트(미도시) 및/또는 채널트론 전자 증배기(미도시)를 포함할 수 있다. 이때, 마이크로채널 플레이트, 채널트론 전자 증배기는 냉전자 공급부(100)에 포함된 마이크로채널 플레이트(120), 채널트론 전자 증배기(130)와 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 이온들(I)은 마이크로채널 플레이트 및/또는 채널트론 전자 증배기에 주입되어, 전자를 유도할 수 있다. 전자는 마이크로채널 플레이트 및/또는 채널트론 전자 증배기 내에서 증폭되어 검출 회로(미도시)에 의해 감지될 수 있다. 상대적으로 작은 질량을 가진 이온(I)과 상대적으로 큰 질량을 가진 이온(I)이 동시에 이온 분리부(300) 내로 진입한 경우, 상대적으로 작은 질량을 가진 이온(I)이 상대적으로 큰 질량을 가진 이온보다 먼저 이온 검출부(400)에 검출될 수 있다. 이온 분리부(300)의 길이가 길수록 서로 다른 질량을 가지는 이온들(I)이 검출되는 시간의 차이가 클 수 있다.
서로 다른 질량을 가지는 분자들이 전자 빔(e)과 충돌하여, 이온을 방출하는 이온화 시간의 차이가 작을 수록 비행시간 질량분석기의 정확도가 높을 수 있다. 냉전자를 이온화원(Ionization source)으로 이용하면, 서로 다른 질량을 갖는 이온들의 이온화 시간 차이는 수~수백 나노초 범위가 될 수 있다. 이에 따라, 냉전자 공급부(100)를 포함하는 비행시간 질량분석기는 정확도가 높을 수 있다.
냉전자를 이온화원으로 사용하여, 냉전자가 아닌 다른 이온화원을 사용하는 경우보다 이온 분리부(300)의 길이를 짧게 하여도 원하는 정확도의 비행시간 질량분석기를 얻을 수 있다. 이에 따라, 소형화에 적합한 비행시간 질량분석기가 제공될 수 있다. 또한, 본 발명의 비행시간 질량분석기는 자외선 다이오드를 이용하여, 전력 소모가 적을 수 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따르는 비행시간 질량분석기의 냉전자 공급부와 이온화부의 단면도들이다. 설명의 간결함을 위하여, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 내용과 실질적으로 동일한 것에 대한 설명은 생략될 수 있다.
도 3을 참조하면, 시료부(210) 상에 액체 시료(L)가 제공될 수 있다. 액체 시료(L)는 시료 공급 노즐(510)을 통해 시료부(210) 상으로 분무될 수 있다. 액체 시료(L)는 시료부(210)의 표면에 흡착될 수 있다. 액체 시료(L)는 전자 빔(e)과 충돌하여, 이온들(I)을 생성할 수 있다. 이온들(I)은 이온 분리부를 통과하여 이온 검출부에서 검출될 수 있다.
도 4를 참조하면, 시료로서 고체 시료봉(520)이 이용될 수 있다. 고체 시료봉(520)은 전자 빔(e)과 충돌하여, 이온들(I)을 생성할 수 있다. 이온들(I)은 이온 분리부를 통과하여 이온 검출부에서 검출될 수 있다.
도 5를 참조하면, 시료부(210) 상에 매트릭스 샘플(matrix Sample), 탄소 나노 튜브(Carbon Nano-Tube, CNT), 또는 그래핀(Graphene)(530)이 제공될 수 있다. 매트릭스 샘플, 탄소 나노 튜브, 또는 그래핀(530)은 전자 빔(e)과 충돌하여, 이온들(I)을 생성할 수 있다. 이온들(I)은 이온 분리부를 통과하여 이온 검출부에서 검출될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 대한 이상의 설명은 본 발명의 설명을 위한 예시를 제공한다. 따라서 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.

Claims (15)

  1. 전자 빔을 수용하여, 이온을 방출하는 이온화부;
    상기 이온화부에 상기 전자 빔을 주입하는 냉전자 공급부;
    상기 이온화부로부터 방출된 상기 이온을 감지하는 이온 검출부; 및
    상기 이온화부와 상기 이온 검출부를 연결하는 이온 분리부를 포함하되,
    상기 냉전자 공급부는 자외선을 수용하여 상기 전자 빔을 방출하는 마이크로채널 플레이트(Microchannel Plate)를 포함하며,
    상기 이온화부에서 방출된 상기 이온은 상기 이온 분리부를 통과하여 상기 이온 검출부에 도달하고,
    상기 이온 분리부는 곧은 관(straight tube) 형상을 가지는 비행시간 질량분석기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉전자 공급부는 상기 마이크로채널 플레이트로 상기 자외선을 방출하는 자외선 다이오드를 더 포함하는 비행시간 질량분석기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로채널 플레이트는 상기 자외선을 수용하여 전자들을 생성하는 전면판; 및
    상기 전자 빔을 방출하는 후면판을 포함하고,
    상기 전자 빔은 상기 마이크로채널 플레이트 내에서 증배(multiply)된 상기 전자들인 비행시간 질량분석기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 증배는 104배 내지 109배인 비행시간 질량분석기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉전자 공급부는 상기 마이크로채널 플레이트에서 방출된 상기 전자 빔을 증배(multiply)하는 채널트론 전자 증배기(channeltron electron multiplier)를 더 포함하는 비행시간 질량분석기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 채널트론 전자 증배기는 상기 마이크로채널 플레이트에서 방출된 상기 전자 빔을 104배 내지 109배 증배하는 비행시간 질량분석기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 냉전자 공급부는 상기 채널트론 전자 증배기를 통해 증배된 상기 전자 빔을 집적(focusing)하여, 상기 이온화부로 방출하는 이온 렌즈를 더 포함하는 비행시간 질량분석기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 냉전자 공급부는 상기 이온 렌즈에서 방출된 상기 전자 빔이 상기 이온화부로 주입되는 것을 차단하거나 허용하는 게이트 전극을 더 포함하는 비행시간 질량분석기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온 검출부는 상기 이온을 수용하여, 전자를 생성, 증폭 및 감지하고,
    상기 이온 검출부는 상기 전자를 증폭하는 마이크로채널 플레이트 또는 채널트론 전자 증배기를 포함하는 비행시간 질량분석기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    내부 공간이 진공인 비행시간 질량분석기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    내부 공간의 압력이 10-10~10- 4Torr인 비행시간 질량분석기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온화부는 상기 전자 빔과 충돌하여, 상기 이온을 발생하는 시료가 배치되는 시료부; 및
    상기 시료부 상에 상기 시료를 공급하는 시료 공급부를 포함하는 비행시간 질량분석기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 시료 공급부는 기체 시료를 상기 시료부 상에 분사하고,
    상기 기체 시료는 상기 시료부 상면에 흡착되는 비행시간 질량분석기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 시료 공급부는 상기 기체 시료를 펄스(pulse) 방식으로 상기 시료부 상에 제공하는 비행시간 질량분석기.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 시료 공급부는 액체 시료를 상기 시료부 상에 분무하고,
    상기 액체 시료는 상기 시료부 상에 흡착되는 비행시간 질량분석기.
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