微尺度質(zhì)譜儀離子源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及離子光學(xué)系統(tǒng)仿真

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，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)過程為：待測(cè)樣品經(jīng)過進(jìn)樣系統(tǒng)傳輸，由離子源進(jìn)行離化，并通過離子源中離子光學(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)果見圖9及表1?？梢钥闯?，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)聚焦透鏡類型為五級(jí)單透鏡時(shí)，其聚焦效果較其他2種類型的離子源表現(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。考慮到產(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，電極開口寬d2在 0.3～1.1 mm范圍變化，通過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)，離子束寬隨電極開口寬度d2的增加逐漸減小；d2＞d1時(shí)，離子束寬隨電極開口寬度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)果來看：在電離室出口寬度d1=0.3 mm和0.7 mm時(shí)，無論電極開口寬度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，只是存在聚焦效果優(yōu)良之分。這表明電離室開口不能過大或過小。

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?。?/p>

2）對(duì)比不同聚焦透鏡類型對(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??；

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。