張 浩，竇仁超，劉 坤*，孟冬輝*，巴德純，杜廣煜，巴要帥，孫立臣，閆榮鑫

（1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽(yáng) 110819； 2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

質(zhì)譜儀是通過(guò)對(duì)樣品離子質(zhì)荷比的分析實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品定性和定量分析的儀器。大型質(zhì)譜儀目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、藥物、化工、軍事和國(guó)防等各種微量或痕量物質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域。近年來(lái)，在空間環(huán)境探測(cè)、突發(fā)事件應(yīng)急和食品安全檢測(cè)等領(lǐng)域的迫切需求要求分析儀器具有體積小、功耗低、價(jià)格低廉、使用方便等特點(diǎn)，因此微尺度質(zhì)譜儀成為當(dāng)前質(zhì)譜儀研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[1-2]。開(kāi)發(fā)并設(shè)計(jì)新型微尺度質(zhì)譜儀將促進(jìn)其在航空航天、軍事探索和軍民融合領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用，對(duì)于現(xiàn)有質(zhì)譜技術(shù)的革新具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

在過(guò)去10年中，分析系統(tǒng)小型化發(fā)展較為迅速，突破了傳統(tǒng)的龐雜結(jié)構(gòu)，能夠應(yīng)用新設(shè)備和新技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行環(huán)境勘探[3]、深空探索[4]或國(guó)土安全應(yīng)用[5]。而且隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）制造方法的不斷發(fā)展完善，質(zhì)譜儀的尺寸正向著更小的量級(jí)發(fā)展。國(guó)外研究團(tuán)隊(duì)在相關(guān)研究中已發(fā)展出離子阱[6-7]、四極桿[8]、飛行時(shí)間（TOF）[9-11]、維恩濾波器[12]等質(zhì)譜儀整機(jī)或核心部件。國(guó)內(nèi)在小型質(zhì)譜儀方面的研究雖起步較晚，然也有小型磁偏轉(zhuǎn)[13]、四級(jí)桿[14]、離子阱質(zhì)譜儀[15]的相關(guān)研究報(bào)道，但是在MEMS尺度下的質(zhì)譜儀技術(shù)較為薄弱，亟待實(shí)現(xiàn)突破。

本文基于MEMS工藝特點(diǎn)，結(jié)合微型質(zhì)譜儀的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)微尺度質(zhì)譜儀的核心部件——離子源進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并運(yùn)用離子光學(xué)模擬軟件SIMION[16]進(jìn)行了仿真模擬，考察電極電壓、透鏡結(jié)構(gòu)、電極結(jié)構(gòu)等參數(shù)和結(jié)構(gòu)對(duì)離子傳輸效果的影響規(guī)律，通過(guò)優(yōu)化獲取最佳的設(shè)計(jì)方案，為質(zhì)譜儀核心部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)理研究提供參考。

1 微尺度質(zhì)譜儀離子源芯片結(jié)構(gòu)方案

本文設(shè)計(jì)的微尺度質(zhì)譜儀離子源芯片主要包括進(jìn)樣系統(tǒng)和離子源，芯片結(jié)構(gòu)主要包含底層硅、中間層玻璃、頂層玻璃及位于兩層玻璃之間的導(dǎo)電硅。其功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：待測(cè)樣品經(jīng)過(guò)進(jìn)樣系統(tǒng)傳輸，由離子源進(jìn)行離化，并通過(guò)離子源中離子光學(xué)系統(tǒng)的提取、聚焦和加速后，方可進(jìn)入后續(xù)的質(zhì)量選擇器進(jìn)行選擇區(qū)分。

1.1 進(jìn)樣系統(tǒng)

國(guó)外學(xué)者報(bào)道的微尺度質(zhì)譜儀[9-12]采用泵送輸送樣品的方式，其進(jìn)樣系統(tǒng)較為煩瑣。本次設(shè)計(jì)采用直接進(jìn)樣方式，可大大簡(jiǎn)化進(jìn)樣系統(tǒng)的構(gòu)成，如圖1所示，主要包括進(jìn)樣毛細(xì)管、流量計(jì)、微閥等部件：通過(guò)芯片所處真空系統(tǒng)造成質(zhì)譜儀內(nèi)外壓差，利用微閥調(diào)解、流量計(jì)控制氣體流量，將待測(cè)樣品送入電離室中。

圖1 質(zhì)譜儀進(jìn)樣系統(tǒng)示意Fig.1 Injection system of the mass spectrometer

1.2 離子源

有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道過(guò)微尺度質(zhì)譜儀的離子源[9-10]，但將電子源與離子傳輸系統(tǒng)進(jìn)行集成的方法未見(jiàn)報(bào)道。本次離子源設(shè)計(jì)采用碳納米管（CNT）作為電子源材料，將電子源與離子傳輸系統(tǒng)集成于一體。CNT具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)等性能，在高真空環(huán)境下具有優(yōu)良的場(chǎng)致發(fā)射特性，是理想的電子源材料。圖2為本次設(shè)計(jì)所用三級(jí)場(chǎng)致發(fā)射碳納米管離子源的結(jié)構(gòu)示意：在陰陽(yáng)極之間引入柵極，對(duì)柵極施加合適的電壓產(chǎn)生高場(chǎng)強(qiáng)，使得電子逸出；電子通過(guò)柵網(wǎng)后，利用陽(yáng)極和柵極間的低電場(chǎng)對(duì)電子進(jìn)行匯聚和二次加速，電子束能量可由柵極、陽(yáng)極電壓進(jìn)行控制；離子源中的離子傳輸系統(tǒng)由引出極和透鏡電極組組成，利用引出電極和電離室所形成的電場(chǎng)把離子由電離室內(nèi)引出，引出的離子通過(guò)透鏡電極組進(jìn)行聚焦、加速后，進(jìn)入質(zhì)量分析區(qū)中進(jìn)行選擇區(qū)分。

圖2 離子源結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the ion source

2 離子光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算與模擬優(yōu)化

質(zhì)譜儀中的離子光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)㈦x子引出電離區(qū)，并進(jìn)一步加速、聚焦成離子束。良好的離子光學(xué)系統(tǒng)能將大部分離子以較小的束寬和散角送入質(zhì)量分析器中，這在很大程度上決定了質(zhì)譜儀的靈敏度和分辨率。因此，離子光學(xué)系統(tǒng)的計(jì)算與模擬是質(zhì)譜儀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.1 離子光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算

圖3為常見(jiàn)的雙透鏡離子源設(shè)計(jì)方案：由電離室A和引出極B組成，設(shè)電離室電壓為V1，引出電極電壓為V2，電離室與引出電極間距為L(zhǎng)1，引出電極與加速電極間距為L(zhǎng)2。

圖3 雙透鏡離子源結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic diagram of double lens ion source

對(duì)于電離室出口處產(chǎn)生的聚焦效果，其焦距[17]為

對(duì)于引出極產(chǎn)生的聚焦效果，其焦距[17]為

總焦距F的計(jì)算公式[17]為

為了更好地提高聚焦性能，得到更小的離子束寬，我們采用多組電極組成的離子光學(xué)系統(tǒng)，但利用上述經(jīng)典公式無(wú)法計(jì)算實(shí)際焦距，而施加在電極上的電壓、電極間距離、開(kāi)口寬度均會(huì)影響末端電極處的離子束寬，因此擬采用SIMION軟件模擬離子傳輸情況，分析其相互影響規(guī)律并進(jìn)行方案優(yōu)選。

2.2 離子光學(xué)系統(tǒng)模擬

2.2.1 引出極與聚焦極電壓對(duì)離子束寬的影響

如圖4所示，傳統(tǒng)離子源包含電離室、引出極、聚焦極、加速極和出口狹縫。利用SIMION模擬軟件進(jìn)行模型建立（參圖5）及參數(shù)設(shè)置，具體設(shè)置包括：離子源出口寬度為500 μm，電極間距離為600 μm，電離室與電極寬度均為 400 μm，電極高度均為 500 μm。設(shè)置離子初始狀態(tài)，以 50 amu帶正電離子為例，數(shù)量為200，在電離室內(nèi)沿直線(xiàn)分布，起始坐標(biāo)為 (15, 2.5, 16)、終止坐標(biāo)為 (15, 2.5, 25)，初始離子動(dòng)能為0.1 eV。電離室電壓設(shè)為100 V，一般情況下，加速極、出口狹縫接地為0 V。

圖4 傳統(tǒng)離子源結(jié)構(gòu)Fig.4 Traditional ion source structure

圖5 離子源 SIMION 模型Fig.5 SIMION model of the ion source

在傳統(tǒng)離子源中，引出極、聚焦極對(duì)離子束寬的影響較大。在本文研究中，設(shè)定引出極電壓V1的范圍為-50～50 V，聚焦極電壓V2的范圍為20～70 V。在此范圍內(nèi)，對(duì)離子在末端電極處的離子束寬及散角進(jìn)行對(duì)比，將引出極、聚焦極電壓對(duì)離子傳輸?shù)挠绊戇M(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 引出極、聚焦極電壓對(duì)離子束寬影響Fig.6 Effect of voltage of extraction electrode and focusing electrode on ion beam width

圖7 不同引出極、聚焦極電壓下末端電極處離子束散角情況Fig.7 Ion beam divergence angle at the end electrode

由圖6可以看出，引出極、聚焦極電壓變化均會(huì)影響離子束寬：當(dāng)固定聚焦極電壓V2，改變引出極電壓V1時(shí)，離子束寬隨V1的升高先增大后減小；當(dāng)固定引出極電壓V1，改變聚焦極電壓V2時(shí)，離子束寬隨V2的升高逐漸減小。由2.1節(jié)的離子光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算可知，當(dāng)改變引出極、聚焦極電壓時(shí)，會(huì)改變相鄰電極壓差，進(jìn)而影響焦距，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整電壓可使離子在末端電極處產(chǎn)生較好的聚焦效果，離子束散角較小。

由圖7可看出當(dāng)V1=40 V、V2=70 V 時(shí)，離子束寬最小，但此時(shí)模擬結(jié)果顯示離子束散角較大，會(huì)影響質(zhì)譜儀的分辨率。經(jīng)綜合考量，在V1=30 V、V2=60 V 時(shí)，離子束寬為 0.141 2 mm，且散角較小，離子傳輸效果最佳。

2.2.2 聚焦透鏡類(lèi)型對(duì)離子束寬的影響

聚焦透鏡由多個(gè)帶不同電壓的電極組成，其目的是將離子束進(jìn)行匯聚、加速。對(duì)于聚焦透鏡而言，結(jié)構(gòu)不同會(huì)影響離子聚焦效果。除了在2.1節(jié)中介紹的聚焦極、加速極結(jié)構(gòu)組成外，聚焦透鏡的常用類(lèi)型還包括單透鏡、五級(jí)單透鏡等結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 帶有聚焦透鏡的離子源Fig.8 Ion source with different focusing lens

我們基于2.2.1節(jié)的電壓設(shè)置（電離室電壓100 V、引出極電壓 30 V、聚焦極電壓 60 V），討論不同聚焦透鏡對(duì)離子束寬的影響，相應(yīng)的模擬結(jié)果見(jiàn)圖9及表1。可以看出，在相同電壓下，采用五級(jí)單透鏡較單透鏡、傳統(tǒng)透鏡傳輸具有更小的離子束寬且散角較小，這與之前相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果吻合[11,18]。

圖9 不同聚焦透鏡下末端電極處離子束散角情況Fig.9 Ion beam divergence angle at the end electrode for different focusing lens

表1 不同聚焦電極對(duì)離子束寬的影響Table 1 Effect of different focusing electrodes on ion beam width

2.2.3 電極間距對(duì)離子束寬的影響

由2.2.2節(jié)的模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)可以看出，當(dāng)聚焦透鏡類(lèi)型為五級(jí)單透鏡時(shí)，其聚焦效果較其他2種類(lèi)型的離子源表現(xiàn)更佳。在本部分研究中，我們基于五級(jí)單透鏡模型，利用SIMION模擬軟件對(duì)2種電極間距進(jìn)行模擬討論，設(shè)定引出極與電離室間距及透鏡間距為l1，五級(jí)單透鏡電極間距為l2，設(shè)置l1、l2變化范圍為 0.3～0.7 mm，將其對(duì)離子束寬的影響結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖10、圖11所示。

圖10 電極間距對(duì)離子束寬的影響Fig.10 Effect of electrode distance on ion beam width

由圖10可以看出，電極間距的變化會(huì)影響離子束寬，當(dāng)l1一定時(shí)，隨著l2增大，離子束寬逐漸增大；當(dāng)l2一定時(shí)，整體來(lái)看離子束寬隨l1增大而減小。這是由于l1、l2分別影響著引出極、聚焦透鏡的聚焦效果，當(dāng)電壓確定時(shí)，總焦距是關(guān)于l1、l2的等式，適當(dāng)調(diào)整l1、l2會(huì)使得離子束恰好聚焦于末端電極處，且有良好的散角。

圖11 不同電極間距下末端電極處離子束散角情況Fig.11 Ion beam divergence angle at the end electrode for different electrod distances

由圖11 可知，雖然在l1=0.7 mm、l2=0.4 mm 時(shí)有最小離子束寬，但是離子束散角較大，會(huì)影響質(zhì)譜儀的分辨率?？紤]到產(chǎn)品尺寸越小越好，我們最終取引出極與電離室間距及透鏡間距l(xiāng)1=0.3 mm、五級(jí)單透鏡電極間距l(xiāng)2=0.3 mm，此時(shí)離子束寬為0.092 4 mm，且散角小。

2.2.4 電離室出口寬度與電極開(kāi)口寬度對(duì)離子束寬的影響

基于上述離子傳輸模型討論電離室出口寬度與電極開(kāi)口寬度對(duì)離子束寬的影響，電極電壓及間距設(shè)定為上述最優(yōu)結(jié)果。取電離室出口寬d1在 0.3～0.7 mm 范圍變化，電極開(kāi)口寬d2在 0.3～1.1 mm范圍變化，通過(guò)SIMION軟件模擬不同d1、d2對(duì)離子束寬的影響結(jié)果，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)整理如圖12、圖13所示。

從圖12 可知：d1=0.5 mm 情況下，d2＜d1時(shí)，離子束寬隨電極開(kāi)口寬度d2的增加逐漸減小；d2＞d1時(shí)，離子束寬隨電極開(kāi)口寬度d2的增加迅速增大；當(dāng)d1=d2=0.5 mm 時(shí)有最小離子束寬 0.090 8 mm，且散角較小。綜合比對(duì)，當(dāng)d1=d2=0.5 mm時(shí)離子傳輸效果最佳。

圖13 不同電離室出口寬度下的離子束散角情況Fig.13 Ion beam divergence angle at the end electrode for ionization chamber opening width

由圖13模擬結(jié)果來(lái)看：在電離室出口寬度d1=0.3 mm和0.7 mm時(shí)，無(wú)論電極開(kāi)口寬度d2在0.3～1.1 mm之間取何值，都會(huì)有離子與電離室、電極相碰撞的情況；而在d1=0.5 mm時(shí)，離子都可以順利通過(guò)，只是存在聚焦效果優(yōu)良之分。這表明電離室開(kāi)口不能過(guò)大或過(guò)小。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)于微尺度質(zhì)譜儀核心部件——離子源進(jìn)行了原理介紹和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用離子光學(xué)模擬軟件SIMION進(jìn)行仿真，探究電極電壓、透鏡結(jié)構(gòu)、電極結(jié)構(gòu)對(duì)離子傳輸?shù)挠绊懖⑦M(jìn)行優(yōu)化取值：

1）研究不同引出極、聚焦極電壓對(duì)離子束寬和散角的影響，結(jié)合散角綜合考量認(rèn)為，當(dāng)引出極電壓V1=30 V、聚焦極電壓V2=60 V時(shí)離子束寬和散角均較??；

2）對(duì)比不同聚焦透鏡類(lèi)型對(duì)離子束寬和散角的影響，得出采用五級(jí)單透鏡較單透鏡、傳統(tǒng)透鏡傳輸具有更小的離子束寬且散角較?。?/p>

3）分析不同電極間距對(duì)離子束寬和散角的影響，表明當(dāng)引出極與電離室間距及透鏡間距l(xiāng)1=0.3 mm、五級(jí)單透鏡電極間距l(xiāng)2=0.3 mm 時(shí)，離子束寬和散角均較??；

4）改變電離室出口寬度d1、電極開(kāi)口寬度d2，得到當(dāng)d1=d2=0.5 mm 時(shí)有最小離子束寬 0.090 8 mm，且散角較小。

本文的研究?jī)?nèi)容對(duì)質(zhì)譜儀微型化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義：通過(guò)模擬結(jié)果探究電極電壓、透鏡結(jié)構(gòu)、電極結(jié)構(gòu)對(duì)微尺度離子源中離子傳輸性能的影響規(guī)律，優(yōu)化相關(guān)參數(shù)取值，可為后續(xù)微尺度質(zhì)譜儀研制提供參考。