黃 超,趙學(xué)玒,張建超,汪 曣

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,天津 300072)

電子轟擊源內(nèi)空間電荷對(duì)其性能的影響

黃 超,趙學(xué)玒,張建超,汪 曣

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,天津 300072)

在實(shí)際應(yīng)用中,電子轟擊(EI)源內(nèi)的電子束會(huì)引起空間電荷效應(yīng),它對(duì)離子源性能的影響是不能被忽略的。首先,通過數(shù)值計(jì)算方法,獲得電子轟擊源內(nèi)電場(chǎng)的泊松分布和離子在其內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并分析電子轟擊源內(nèi)的空間電荷效應(yīng)對(duì)其性能的影響機(jī)理;隨后,獲得電子轟擊源燈絲發(fā)射電流與不同離子出射強(qiáng)度的關(guān)系曲線,驗(yàn)證理論計(jì)算和分析的正確性。

電子轟擊源;空間電荷;性能;數(shù)值計(jì)算方法

電子轟擊(EI)是重要的氣相離子源之一,能夠用于四極桿、飛行時(shí)間和磁式等諸多質(zhì)量分析器[1-2],并擁有標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù),是氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀最常用的電離源之一,在物理、化工、環(huán)境、能源、檢驗(yàn)檢疫、公共安全等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[3-6]。

電離效率是 EI源最為重要的性能參數(shù),這是因?yàn)镋I源的電離效率直接影響著質(zhì)譜儀的分析靈敏度。提高 EI源電離效率的方法有很多種,例如提高電離區(qū)域的局部樣品濃度[7]等,最為直接的方法是增加 EI源燈絲電流,使之產(chǎn)生密度更大的電子束。然而,隨著 EI源燈絲電流的增大,EI源內(nèi)電子束的密度也隨之增大,當(dāng)增大至一定程度時(shí),其產(chǎn)生的空間電荷效應(yīng)就會(huì)改變離子在EI源內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),從而影響質(zhì)譜儀的分析靈敏度。

為了研究空間電荷效應(yīng)對(duì)EI源性能影響的機(jī)理,本研究首先基于泊松方程,利用數(shù)值計(jì)算方法獲得不同EI燈絲發(fā)射電流下離子源內(nèi)的電場(chǎng)分布和在該電場(chǎng)分布下的離子運(yùn)動(dòng)狀態(tài),進(jìn)而分析空間電荷效應(yīng)是如何影響EI源的性能。然后,通過實(shí)驗(yàn)研究不同 EI源燈絲電流與檢測(cè)到離子強(qiáng)度的變化情況,驗(yàn)證理論計(jì)算和分析的正確性。

1 EI源結(jié)構(gòu)

EI源結(jié)構(gòu)由燈絲、電子勢(shì)阱、引出電極、聚焦電極、傳輸電極和永磁鐵組成,示于圖1。

圖1 EI源結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Setup of EI source

燈絲采用WRe20合金材料(北京鎢鉬材料廠產(chǎn)品),比純鎢具有更好的韌性和延展性,直徑為0.2 mm,盤繞2圈增大電子發(fā)射面積,有效長(zhǎng)度為8 mm。離子源中燈絲發(fā)射電流為幾十到幾百微安。當(dāng)通電受熱的燈絲溫度達(dá)到1 500 K時(shí),在電場(chǎng)的作用下,電子會(huì)從鎢錸合金材料的表面逃逸出來,并被加速,在永磁鐵形成的500 Gs磁場(chǎng)作用下,電子盤旋前進(jìn)增加電離效率,最后被電子勢(shì)阱收集。電子所獲得的動(dòng)能是由燈絲與電子接收阱間的相對(duì)電壓值決定的,能量在10～70 eV之間可調(diào)。引出電極是厚度0.6 mm的不銹鋼圓片,聚焦電極是長(zhǎng)13 mm的不銹鋼圓筒,與離子源殼體共同組成離子透鏡。

2 EI源內(nèi)的空間電荷效應(yīng)

2.1 電離室內(nèi)的泊松電場(chǎng)分布

燈絲電流很小,且不加入磁鐵時(shí),空間電荷密度很小,其對(duì)離子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響可以忽略不計(jì),此時(shí),離子源內(nèi)電場(chǎng)分布滿足拉普拉斯方程。當(dāng)增大燈絲發(fā)射電流或加入磁鐵來增加電子路徑時(shí),隨著發(fā)射電流的增加和磁體作用效應(yīng)的體現(xiàn),EI源內(nèi)電子空間電荷效應(yīng)也會(huì)加強(qiáng),拉普拉斯方程已不再適用,這時(shí) EI源內(nèi)的電場(chǎng)分布需要利用泊松方程進(jìn)行求解。

其中,ρ為空間內(nèi)的電荷密度,ε0為真空中的介電常數(shù)。這里,設(shè)電荷在燈絲孔下方區(qū)域均勻分布,具體的函數(shù)形式為:

其中,f(r)表示電荷密度函數(shù),Iemission表示燈絲發(fā)射電流。

在實(shí)際電子或離子光學(xué)系統(tǒng)中,由于邊界條件復(fù)雜,一般很難用解析的方法求解拉普拉斯方程或泊松方程。在這種情況下,需要用數(shù)值計(jì)算法和迭代法去逼近解析值。泊松方程的求解是一個(gè)自洽求解過程[8],主要計(jì)算流程示于圖2。

圖2 泊松方程求解電場(chǎng)分布的計(jì)算流程Fig.2 Flowchart of calculation for Poisson equation of electric field in EI source

在Matlab中進(jìn)行編程計(jì)算后,獲得電離室內(nèi)的電場(chǎng)分布,示于圖3。將泊松分布場(chǎng)減去拉普拉斯分布場(chǎng)后獲得的場(chǎng)分布可認(rèn)為是空間電荷在電離室內(nèi)形成的電場(chǎng),它是一個(gè)環(huán)形場(chǎng),示于圖4。

圖3 不同電子流強(qiáng)度下,電離室內(nèi)的電場(chǎng)分布Fig.3 Distribution of electric field in the ionization room under different electron flows

圖4 不同電子流強(qiáng)度下,空間電荷所形成的電場(chǎng)Fig.4 Electric field in the ionization room caused by space charge under different electron flows

2.2 空間電荷效應(yīng)對(duì)離子運(yùn)動(dòng)的影響

由圖3、4可知,強(qiáng)電子流引起的空間電荷會(huì)使電離室內(nèi)的電場(chǎng)發(fā)生畸變。圖3示意了隨著EI源燈絲發(fā)射電流的增加,電離室內(nèi)電場(chǎng)的等勢(shì)線隨著發(fā)射電流的增加從“外凸”到“內(nèi)凹”,離子運(yùn)動(dòng)軌跡也由發(fā)散變成了會(huì)聚。因此,當(dāng)燈絲發(fā)射電流增加到一定程度(大約1 mA),使得從EI源出射的離子強(qiáng)度增加的不僅僅是因?yàn)殡娮邮芏鹊脑黾?還由于離子運(yùn)動(dòng)軌跡由發(fā)散變?yōu)闀?huì)聚,從而增加了出射離子的數(shù)量。

但是,從圖4可以看出,隨著 EI源燈絲發(fā)射電流的增加,由強(qiáng)電子流引起的空間電荷效應(yīng)產(chǎn)生的環(huán)形電場(chǎng)強(qiáng)度也在增加。當(dāng)該環(huán)形電場(chǎng)強(qiáng)度增加到一定程度,會(huì)使電離后的離子做環(huán)繞運(yùn)動(dòng),對(duì)離子有滯留的效果,離子無法快速引出,因此很容易與電子重新復(fù)合而成為中性粒子,從而降低離子傳輸效率和儀器靈敏度。

當(dāng)環(huán)形場(chǎng)強(qiáng)度比較小時(shí),離子飛行時(shí)間基本與質(zhì)量的平方根成正比,并且不同質(zhì)量數(shù)的離子不會(huì)發(fā)生軌跡分離。在SIMION模擬中,推斥極板電壓為80 V,而環(huán)形場(chǎng)內(nèi)外電極電勢(shì)差為20 V時(shí)的情況示于圖5。當(dāng)環(huán)形場(chǎng)強(qiáng)度增加,飛行時(shí)間與質(zhì)量的平方根出現(xiàn)非線性,質(zhì)量大的離子更容易滯留在環(huán)形場(chǎng)內(nèi),數(shù)據(jù)列于表1。因此,空間電荷效應(yīng)對(duì)不同質(zhì)量離子具有不同程度的影響,從而產(chǎn)生質(zhì)量歧視。

圖5 處于加速電場(chǎng)中的環(huán)形電場(chǎng)內(nèi)離子運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.5 Ion motion in the circular field located in the accelerating field

表1 不同環(huán)形電場(chǎng)強(qiáng)度下,離子飛行時(shí)間與質(zhì)量數(shù)平方根的比Table 1 The ratio between time of flight and square root of mass of ions under different circular field strength

3 結(jié)果及討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1.1 無磁體 從圖6可以看出,OH+(17 u)隨著發(fā)射電流升高而升高,700μA以后,升高趨勢(shì)變得平緩。另外,從不同離子強(qiáng)度與OH+強(qiáng)度之比隨發(fā)射電流變化曲線可以看出,發(fā)射電流對(duì)不同質(zhì)量數(shù)離子的通過率是不同的,即強(qiáng)電子流引起的空間電荷效應(yīng)是產(chǎn)生質(zhì)量歧視的根源之一,示于圖7。

圖6 不同發(fā)射電流下,離子流強(qiáng)度的變化Fig.6 Change of ion intensity under different emission currents

圖7 各離子強(qiáng)度與OH+強(qiáng)度比值隨發(fā)射電流變化曲線Fig.7 Change of the proportion of other ions to OH+during the emission current increasing

3.1.2 有磁體 加入磁鐵后,由于電子的螺旋運(yùn)動(dòng)使空間內(nèi)的電荷密度增加,從而使由電子引起的空間電荷效應(yīng)更加明顯,示于圖8。與沒有加入磁體相比(圖6),加入磁鐵后,空間電荷效應(yīng)表現(xiàn)得極為明顯,出現(xiàn)離子流強(qiáng)度隨著發(fā)射電流的增加而降低的現(xiàn)象。

從圖9可以看出,EI源燈絲發(fā)射電流增大,大質(zhì)量數(shù)的離子更快的達(dá)到極大值,然后,隨著發(fā)射電流增大而減少,因此,離子質(zhì)荷比越大,空間電荷效應(yīng)對(duì)其影響就越明顯。與沒有加入磁體相比(圖7),加入磁鐵后,質(zhì)量歧視更嚴(yán)重,這是因?yàn)榧尤氪盆F后,加劇了空間電荷效應(yīng)。所以,空間電荷效應(yīng)是 EI源MS產(chǎn)生質(zhì)量歧視的因素之一。在乙醇進(jìn)樣下,Ar+與C2H5O+峰強(qiáng)隨燈絲電流的變化示于圖10。

圖8 加入磁體時(shí),離子流隨發(fā)射電流強(qiáng)度的變化Fig.8 Change of ion intensity under different emission current with magnet

圖9 不同質(zhì)量數(shù)離子流強(qiáng)度隨發(fā)射電流的變化Fig.9 Change of the intensity of different ions with the emission current increasing

圖10 乙醇進(jìn)樣下,譜圖隨燈絲電流的變化情況Fig.10 Change of spectrum of C2H5OH with the emission current increasing

4 結(jié)論

通過理論計(jì)算和分析可知,當(dāng) EI源燈絲發(fā)射電流在一定范圍內(nèi)增加時(shí),空間電荷效應(yīng)可以忽略,此時(shí)EI源出射離子流強(qiáng)度隨燈絲發(fā)射電流的增大而增大。然而,當(dāng) EI源燈絲發(fā)射電流增大到一定程度時(shí),空間電荷效應(yīng)不可忽略,它將阻礙離子引出,此時(shí) EI源出射離子流強(qiáng)度隨燈絲發(fā)射電流的增大而減小。而且,由于空間電荷等效環(huán)形場(chǎng)電場(chǎng)對(duì)不同質(zhì)量數(shù)離子束縛能力不同,造成不同電子流強(qiáng)度下,不同質(zhì)量數(shù)的離子會(huì)有不同的傳輸率,從而給 EI源帶來質(zhì)量歧視效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論計(jì)算和分析得出的空間電荷對(duì)EI源性能影響的結(jié)論。

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Influence of the Space Charge in Electron Impact Ion Source on Its Performance

HUANG Chao,ZHAO Xue-hong,ZHANGJian-chao,WANG Yan
(College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering,Tianjin University,Tianjin300072,China)

In the practical application,space charge will be caused by the electron beam in the electron impact ion source,the influence of which should not be ignored.The passion distribution of electric field in ion source was achieved by the numerical method,and the movement of ions in it was also gotten.After that,with the use of the result from the calculation,the influence of the space charge on the performance of ion source was analyzed.Finally,an experiment was carried out to obtain the relationship between emission current of ion source and the intensity of different ions.The result of this experiment verifies the calculation and analysis mentioned above.

electron impact ion source;space charge;performance;numerical method

O 657.63

A

1004-2997(2011)02-0071-06

2010-06-30;

2010-09-29

黃 超(1981～),男(漢族),江西都昌人,博士研究生,從事質(zhì)譜儀器研究。E-mail:huangchao@tju.edu.cn

趙學(xué)玒(1956～),男(漢族),天津人,副教授,從事分析儀器研究。E-mail:zhaoxh@tju.edu.cn