張文臺(tái)，郭美如，肖玉華，趙以德，李得天

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000)

1 引言

磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)穩(wěn)定性和定量性好、豐度靈敏度高，被廣泛應(yīng)用在星球探測(cè)、航天器環(huán)境分析、食品安全、藥物檢測(cè)、工業(yè)過程控制等諸多領(lǐng)域［1］。電子轟擊型離子源(Electron Impact Ion Source，簡(jiǎn)稱EI源)由于其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，被廣泛應(yīng)用于空間小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)［2］，目前商業(yè)用質(zhì)譜－色譜聯(lián)用儀的離子源多數(shù)為EI源［3］。聚焦和離子引出效率是離子源重要的性能指標(biāo)，其中離子源的聚焦性能直接影響質(zhì)譜計(jì)的分辨率，引出效率直接影響質(zhì)譜計(jì)的分析靈敏度［4］。對(duì)于傳統(tǒng)的EI源由于其離子產(chǎn)額較小，離子束流強(qiáng)度弱，使得靈敏度偏低。然而理想的離子源要求離子束流強(qiáng)度大、散角小、能量分散小且束流穩(wěn)定等［5，6］。因此提高EI源的聚焦性能和離子引出效率具有十分重要的意義。從EI源內(nèi)離子的初始分布和EI源電參數(shù)出發(fā)，利用離子光學(xué)仿真軟件SIMION－3D8.0，建立了質(zhì)譜計(jì)EI源的物理模型，采用相空間的分析方法，通過數(shù)值計(jì)算的方法研究了EI源內(nèi)離子初始分布和電參數(shù)對(duì)其聚焦性能和離子引出效率的影響。

2 離子源結(jié)構(gòu)

離子源結(jié)構(gòu)如圖1所示。由電離室B、電離室出口狹縫、聚焦磁鐵、燈絲、推斥極R、聚焦極H、主狹縫S和α狹縫組成。電離室加掃描電壓，范圍為200～2 100 V，其它各電極電壓都以掃描電壓為參考電壓。由推斥電極R、電離室B和聚焦電極H1、H2構(gòu)成的靜電透鏡，使離子聚焦在主狹縫S附近，能夠獲得最強(qiáng)離子流。α縫限制離子束在水平方向的散角。

圖1 離子源結(jié)構(gòu)

3 離子軌跡計(jì)算及相空間分析方法

3.1 離子軌跡計(jì)算

SIMION－3D8.0軟件包主要用來計(jì)算帶電粒子在特定電極(不同電勢(shì)、材料、帶電狀態(tài)、幾何形狀等)產(chǎn)生的電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡［7］，程序提供了強(qiáng)大的計(jì)算功能，并且可使結(jié)果可視化，用戶通過建立幾何模型、編寫用戶程序來完成復(fù)雜的計(jì)算。在SIMION－3D8.0中首先編寫幾何文件1.gem，定義一個(gè)離子源的三維靜電勢(shì)點(diǎn)陣列［8］，每個(gè)電極都是獨(dú)立的電勢(shì)點(diǎn)陣列，如圖2(a)是三維示意圖，圖2(b)是剖視圖，圖中字母代表各個(gè)電極。這些電勢(shì)陣列是由三維的點(diǎn)陣列組成的長(zhǎng)方體陣列構(gòu)成。

圖2 SIMION8.0中的離子源模型

當(dāng)電勢(shì)陣列中的點(diǎn)限制在特定的電極和非電極范圍內(nèi)時(shí)，SIMION－3D8.0就可以通過求解Laplace方程(1)，利用有限元方法計(jì)算三維陣列空間中任意點(diǎn)的電勢(shì)［9］:

再利用四階－龍哥庫(kù)塔法計(jì)算離子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡［8］

圖3 離子在離子源內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡

從圖3(a)中可以看出，離子在引出的過程中，一部分被電離室引出狹縫阻攔，引出后的離子束聚焦后通過主狹縫S和α狹縫傳輸?shù)劫|(zhì)量分析器。為了提高離子源分辨率，主狹縫設(shè)計(jì)的非常小，從而主狹縫S也會(huì)阻擋一部分離子，離子傳輸?shù)溅联M縫處時(shí)也會(huì)被阻擋一部分，因而引出離子的有效利用率是非常小的，本文對(duì)如何提高離子的有效利用率進(jìn)行了研究，從離子的聚焦和引出效率出發(fā)來探討離子源的性能。對(duì)于引出效率的研究通過編寫用戶程序(User Program)記錄引出的離子數(shù)來計(jì)算引入到分析器的離子占離子源內(nèi)離子數(shù)的比例。對(duì)于聚焦性能的研究采用相空間分析方法［10，11］。

3.2 相空間分析方法

在一個(gè)由許多粒子構(gòu)成的體系中，某一粒子于某一瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用它的位置p和速度v來描述，它在直角坐標(biāo)系中的分量分別是x，y，z;vx，vy，vz，該六個(gè)物理量定義的六維空間，稱為相空間。若離子的p點(diǎn)和v點(diǎn)值已確定，那么它在相空間的位置也隨之確定，且隨著粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化而變化。掃描電壓VB加在電離室上，推斥極電壓VR，聚焦電壓VH。離子源的中心線坐標(biāo)為(x，7.0，10.0)，所有狹縫的中心都在離子源中心線上，離子出口狹縫的寬度設(shè)定在z方向，因此離子束的聚焦發(fā)生在z方向上，初始離子按高斯分布隨機(jī)產(chǎn)生500個(gè)離子［12］。圖4為離子在z方向上聚焦的相空間圖形，設(shè)定離子初始能量為0，那么它在相空間圖形中是一條平行于z軸數(shù)值為0的直線，從圖4分析可知離子引出電離室聚焦后，位置聚焦半徑為0.06 mm(狹縫寬為0.2 mm)，速度聚焦半徑為4 mm，說明離子源有很好的位置聚焦性能，但是速度聚焦性能較差，位置聚焦和速度聚焦無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)。

圖4 離子在z方向上聚焦處的相空間圖形

4 結(jié)果分析與討論

4.1 離子初始分布對(duì)聚焦和引出效率的影響

在SIMION－3D8.0內(nèi)設(shè)定離子在x，y，z方向的初始位置分別為6.2、7.0、10，初始動(dòng)能為 0 eV，隨機(jī)產(chǎn)生 500 個(gè)離子，掃描電壓 VB=250 V，VR－VB=6 V，VH=50%VB。圖5(a，b，c)分別為初始離子沿x，y方向無分散，沿z方向分別分散在0.05，0.1，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0 的范圍內(nèi)時(shí)，由相空間分析得到的位置聚焦半徑、速度聚焦半徑以及離子的引出效率與z方向初始分布的關(guān)系，圖6(a，b，c)分別為初始離子沿 y 方向無分散，沿 z方向分散為0.3，沿 x 方向分別隨機(jī)分散在0.05，0.1，0.15，0.2，0.25，0.3 的范圍內(nèi)時(shí)，由相空間分析得到的位置聚焦半徑、速度聚焦半徑以及離子的引出效率與x方向初始分布的關(guān)系。

圖5 z方向離子分散范圍與聚焦半徑和離子引出效率的關(guān)系

圖6 x方向離子分散范圍與聚焦半徑和離子引出效率的關(guān)系

從圖5分析可得，隨著狹縫方向(z方向)初始分散的增大，位置聚焦半徑和速度聚焦半徑都增大，離子引出效率減小，說明隨著z方向離子初始分散的增大，離子源聚焦性能和引出效率都變差。從圖6分析可得，當(dāng)初始離子x方向有分散時(shí)，位置聚焦半徑(圖6a)比在x方向無分散時(shí)(圖5a)增大了一個(gè)數(shù)量級(jí)，速度聚焦半徑不變，引出效率明顯下降，這是由于當(dāng)氣體分子的電離發(fā)生在整個(gè)電離室內(nèi)時(shí)，由于遠(yuǎn)離出口縫的離子在電離室內(nèi)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)電場(chǎng)加速的距離不同，使得它們?cè)诔隹谔幍膭?dòng)能不同，從而影響離子的聚焦和引出效率，同時(shí)也容易引起較大的像差［9］。

從上面的分析可知，使電離室內(nèi)氣體分子的電離盡可能多的發(fā)生在電離室出口狹縫附近，這樣才能保證更好的離子聚焦性能和高的離子引出效率。而且遠(yuǎn)離狹縫的離子即使被引出，這部分離子由于引出距離和時(shí)間長(zhǎng)而引起像差，影響質(zhì)譜計(jì)的分辨率。

4.2 離子源電參數(shù)對(duì)離子聚焦和引出效率的影響

4.2.1 聚焦極電壓對(duì)離子聚焦和引出效率的影響

離子在 x，y，z方向的初始位置分別為 6.2、7.0、10，在 x，y 方向上無分散，在 z方向上的分散為 0.3，初始動(dòng)能為0eV，隨機(jī)產(chǎn)生500個(gè)離子，掃描電壓VB=250 V，VR－VB=6V，分別按聚焦極電壓VH所占掃描電壓VB的百分比給聚焦極VH分配電壓，研究聚焦電極對(duì)離子聚焦和引出的影響，如圖7(a，b，c)所示。

圖7 聚焦電壓比與聚焦半徑和離子引出效率的關(guān)系

從圖7可以看出，隨著聚焦極電壓比的增大，位置聚焦半徑增大，速度聚焦半徑減小，離子引出效率增大。

4.2.2 推斥極電壓與掃描電壓差對(duì)離子聚焦和引出效率的影響

離子在 x，y，z方向的初始位置分別為 6.2、7.0、10，在 x，y 方向上無分散，在 z方向上的分散為 0.3，初始動(dòng)能為0 eV，隨機(jī)產(chǎn)生500個(gè)離子，VH=50%VB，圖8(a，b)分別為掃描電壓VB=250 V時(shí)推斥極電壓與掃描電壓差VR－VB跟位置聚焦半徑、速度聚焦半徑的關(guān)系，由圖8分析得VR－VB對(duì)位置聚焦和速度聚焦的影響不大，因此我們只研究VR－VB與離子引出效率的關(guān)系。其它初始條件不變，設(shè)定掃描電壓VB分別取250 V，500 V，1200 V，2100 V，研究推斥極電壓與掃描電壓差VR－VB對(duì)離子聚焦和引出的影響，如圖9所示。

圖8 推斥極電壓和掃描電壓差與聚集半徑的關(guān)系

從圖9中分析可得，掃描電壓小于250 V時(shí)，VR－VB的差值取1V就能得到很好的引出效率，隨著掃描電壓的增大，若增大電壓差VR－VB，離子的引出效率也隨之增大。但當(dāng)電壓差的值過小時(shí)，由于掃描電壓本身的波動(dòng)誤差，在工程中是很難實(shí)現(xiàn)的，所以綜合各種因素，取電壓差VR－VB的值為3V時(shí)，結(jié)果最理想。

4.2.3 主狹縫S和α狹縫加電時(shí)對(duì)聚焦和離子引出效率的影響

在前面的分析中，主狹縫S和α狹縫都不加電，在仿真研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)S極和α狹縫分別加負(fù)偏壓時(shí)，離子在傳輸過程中能夠?qū)崿F(xiàn)兩次聚焦(如圖3(b))，當(dāng)?shù)谝淮尉劢乖诔隹讵M縫與聚焦極之間，第二次聚焦在主狹縫極S附近時(shí)，具有很好的聚焦性能和引出效率。離子在 x，y，z方向的初始位置分別為 6.2、7.0、10，在 x，y方向上無分散，在z方向上的分散為0.3，初始動(dòng)能為0 eV，隨機(jī)產(chǎn)生500個(gè)離子，掃描電壓 VB=250 V，VR－VB=1V，VH=50%VB。圖10(a，b)分別為主狹縫電壓分別為S=－100 V和S=－400 V時(shí)α狹縫電壓與位置聚焦半徑、速度聚焦半徑的關(guān)系。

圖9 推斥極電壓和掃描電壓差與離子引出效率的關(guān)系

圖10 主狹縫S加電時(shí)，α狹縫電壓與聚焦半徑的關(guān)系

從圖10中可以看出看出，當(dāng)改變S極和α極電壓時(shí)，離子聚焦性能基本保持不變，且聚焦性能都很好。下列討論S，α極電壓與引出效率的關(guān)系。

圖11 α狹縫和主狹縫S電壓與離子引出效率的關(guān)系

從圖11(a，b)分析可得，S=－400 V時(shí)，任意改變?chǔ)岭妷海x子引出效率都大于90%，但從空間質(zhì)譜計(jì)能耗的角度考慮，α偏壓過高不易實(shí)施，分析圖11(b)可以得到，在掃描電壓較低時(shí)，取S=－400 V，α=－500 V時(shí)，離子源具有很好的引出效率。

從以上的分析可知，隨著掃描電壓的增大，相應(yīng)增大推斥電壓與掃描電壓差，會(huì)得到很好的離子引出效率，但當(dāng)推斥電壓與掃描電壓差很小時(shí)，實(shí)驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)S和α狹縫加上負(fù)偏壓時(shí)能夠在推斥電壓與掃描電壓差較小的情況下提高離子束的引出效率，并且實(shí)現(xiàn)在離子束傳輸過程中兩次聚焦。

5 結(jié)論

利用離子光學(xué)軟件SIMION－3D8.0計(jì)算了質(zhì)譜計(jì)EI源的離子運(yùn)動(dòng)軌跡，利用相空間分析方法分析了離子聚焦。結(jié)果表明，當(dāng)EI源內(nèi)氣體分子的電離盡可能多的發(fā)生在離子室出口狹縫附近時(shí)，能更好的保證高的聚焦性能和好的引出效率。通過對(duì)EI源電參數(shù)的研究表明，當(dāng)聚焦電壓比增大時(shí)，離子的引出效率和位置聚焦半徑相應(yīng)增大;隨著掃描電壓的增大，相應(yīng)增大推斥電壓與掃描電壓差，會(huì)得到很好的引出效率，當(dāng)S、α狹縫加負(fù)偏壓時(shí)能夠使離子束在傳輸過程中兩次聚焦，從而得到很好的聚焦性能和引出效率。本模擬結(jié)果能夠?qū)﹄x子源的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供重要的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

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