小型雙聚焦磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)研究

楊 喆，李得天，郭美如，任正宜，李 剛，成永軍，孫雯君

（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000 2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽(yáng) 110819）

0 引言

質(zhì)譜計(jì)作為一種高端科學(xué)儀器，廣泛應(yīng)用于航天科技、生命科學(xué)、半導(dǎo)體工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、國(guó)防軍事等各個(gè)領(lǐng)域。質(zhì)譜計(jì)主要由離子源、質(zhì)量分析器和檢測(cè)器組成，能將物質(zhì)離子化，然后按照離子的質(zhì)荷比（m/q）測(cè)量各種離子譜峰的強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的定性、定量分析[1]。其中，離子源是一種使中性原子或分子電離并從中引出離子束流的裝置[2-3]。質(zhì)量分析器可以將不同質(zhì)荷比的離子分離。按照工作原理，質(zhì)譜計(jì)的類型可分為：基于離子空間分離的磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)、基于射頻四極電場(chǎng)離子穩(wěn)定性分離的四極質(zhì)譜計(jì)、離子阱質(zhì)譜計(jì)和基于離子群時(shí)間分離的飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)[4-5]；檢測(cè)器的作用是檢測(cè)并放大離子強(qiáng)度信號(hào)[6-7]。

傳統(tǒng)的質(zhì)譜儀器受到質(zhì)量、尺寸、功率和真空度等要求的限制，僅應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。便攜式質(zhì)譜計(jì)的出現(xiàn)拓寬了質(zhì)譜計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景，為現(xiàn)場(chǎng)原位和在線分析奠定了基礎(chǔ)[8-9]。在深空探測(cè)領(lǐng)域，目前應(yīng)用的質(zhì)譜計(jì)主要有磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)、飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)、四極質(zhì)譜計(jì)和離子阱質(zhì)譜計(jì)，其中，離子阱和四極質(zhì)譜計(jì)的物理尺寸較小[10]，便于小型化；隨著能量聚焦引入技術(shù)和高速電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，離子在較短管內(nèi)的飛行距離延長(zhǎng)[11]，使得飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)的小型化成為可能。小型雙聚焦質(zhì)譜計(jì)作為磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)的一種，利用磁場(chǎng)和電場(chǎng)分析器實(shí)現(xiàn)方向聚焦和速度聚焦，具有分辨率高、性能可靠等特點(diǎn)[12-13]，應(yīng)用于ROSINA號(hào)等空間探測(cè)任務(wù)。但由于其質(zhì)量分辨率的提高依賴于磁分析器尺寸的增大，進(jìn)一步小型化的難度很大[14]。目前，隨著高性能釹鐵硼等材料及空間編碼孔徑技術(shù)[15-16]的出現(xiàn)，小型雙聚焦質(zhì)譜計(jì)得到了迅猛的發(fā)展。

目前我國(guó)對(duì)空間用小型雙聚焦質(zhì)譜計(jì)的研究較少，因此它的研制對(duì)推動(dòng)我國(guó)空間科學(xué)探測(cè)等眾多技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。本文將基于離子光學(xué)原理對(duì)小型雙聚焦質(zhì)譜計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用SIMION8.1仿真，研究離子初始狀態(tài)等參數(shù)變化對(duì)成像結(jié)果的影響，從而優(yōu)化相關(guān)結(jié)構(gòu)；最終通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)所研制儀器的性能，如靈敏度、分辨率。

1 原理與結(jié)構(gòu)

1.1 原理

小型雙聚焦質(zhì)譜計(jì)采用反向馬赫型（Mattauch-Herzog）結(jié)構(gòu)，如圖1所示。采用的電子轟擊型離子源（EI）主要由燈絲F、電離室B、推斥極R、聚焦極H、主狹縫S0和α縫組成。電離室出口狹縫為1 mm×3 mm，聚焦極間距為1.5 mm，主狹縫寬0.2 mm，α縫寬0.5 mm，且依次相差的距離為2、3、8 mm，如圖2所示。質(zhì)量分析器由靜電分析器（ESA）和磁分析器組成，ESA采用圓柱形結(jié)構(gòu)，工作時(shí)上下兩極加大小相等的正負(fù)電壓；磁分析器采用場(chǎng)強(qiáng)分布均勻的釹鐵硼材料；檢測(cè)器為焦平面型，包括微通道板（MCP）、熒光屏和CCD相機(jī)。

圖1 Mattauch-Herzog型質(zhì)譜計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of Mattauch-Herzog mass spectrometer

圖2 EI離子源結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The schematic of EI ion source

離子通過(guò)離子源加速進(jìn)入質(zhì)量分析器后，靜電分析器與磁分析器產(chǎn)生的能量色散相互抵消，使不同質(zhì)荷比的離子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)半徑不同，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量分離。其工作原理可以用式（1）表示[17]：

式中：m/q為質(zhì)荷比；B為磁分析器的場(chǎng)強(qiáng)；e為元電荷量；VB為離子源加速電壓。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度和加速電壓一定時(shí)，不同質(zhì)荷比的離子強(qiáng)度信號(hào)將匯聚在焦平面的不同位置，由MCP放大，最后由CCD相機(jī)記錄離子撞擊熒光屏的位置并成像。

1.2 雙聚焦條件

靜電分析器的能量色散系數(shù)Ke″由式（2）推導(dǎo)出：

式中：f為ESA的焦距，mm；g為焦點(diǎn)到透鏡邊緣的 距離，mm。

與靜電場(chǎng)類似，可由式（3）推導(dǎo)得到一般情況 下磁分析器的能量色散系數(shù)Km'：

式中：εm'為離子在磁場(chǎng)中的入射角度。對(duì)于Mattauch-Herzog型離子光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙聚焦的基本條件是磁分析器與靜電分析器產(chǎn)生的能量色散相互抵消[18]，即：

2 計(jì)算與仿真

2.1 質(zhì)量分析器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

小型Mattauch-Herzog雙聚焦質(zhì)譜計(jì)的參數(shù)設(shè)定為：εm'=0°，Φm=90°，即離子束垂直入射磁分析器且在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)角度為90°，同時(shí)在磁場(chǎng)出口邊界上實(shí)現(xiàn)雙聚焦，即lm″=0，由雙聚焦條件式（4）計(jì)算得到Φe=31.8°。分別用式（5）和式（6）計(jì)算le'和εm″：

式中：εm″為離子在磁場(chǎng)中的出射角度。

質(zhì)量分析器的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所列。

表1 質(zhì)量分析器的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of mass analyzer

2.2 仿真結(jié)果分析

利用離子光學(xué)仿真軟件SIMION8.1建立物理模型，研究離子的傳輸及聚焦情況。首先設(shè)置聚焦電壓VH/加速電壓VB=0.7，推斥極電壓VR=30 V，離子束初始束寬0.2 mm，發(fā)散角0.2°，能量分散0 eV，隨機(jī)選取500個(gè)離子，加速電壓VB為2 000 V，離子質(zhì)量為 44 amu，le'為 35.36 mm，le″+lm'為 11 mm，從圖3（a）可以看出，隨著離子束初始寬度的增加，傳輸效率逐漸降低，而焦平面位置處的像寬基本不變。

圖3 離子束初始狀態(tài)對(duì)成像結(jié)果的影響Fig.3 The effect of initial state of ion beam on imaging results

從圖3（b）可以發(fā)現(xiàn)，盡管離子束初始角度發(fā)散程度在變化，但是傳輸效率和焦平面位置處的像寬變化不大；由于離子束在磁分析器焦平面位置處聚焦，檢測(cè)器與焦平面之間距離越遠(yuǎn)，離子束發(fā)散程度越高，檢測(cè)到的像寬越大，如圖3（c）所示。此外，當(dāng)VH/VB逐漸增大，即聚焦電壓增大時(shí)，離子束像寬逐漸減小，傳輸效率逐漸增大；當(dāng)串聯(lián)在加速電壓VB上的推斥極電壓VR增大時(shí)，離子束像寬和傳輸效率均呈現(xiàn)為減小趨勢(shì)，如圖4所示。

圖4 聚焦極與推斥極電壓變化對(duì)成像結(jié)果的影響Fig.4 The effect of voltage changes of focusing and repeller on imaging results

根據(jù)上述分析，固定離子束初始束寬為0.6 mm，發(fā)散角為0.2°，能量分散為0.2%，le'=35.36 mm，le″+lm'=11 mm，VH/VB=0.8，VR=20 V，加速電壓為2 000 V，質(zhì)荷比為12、18、32、44時(shí)離子束的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示?？梢钥闯觯诮蛊矫嫣?，各離子束像寬均最小，當(dāng)遠(yuǎn)離焦平面時(shí)，離子束像寬呈現(xiàn)為增大趨勢(shì)，因此，該設(shè)計(jì)方案能夠滿足雙聚焦條件。

圖5 離子光學(xué)系統(tǒng)仿真模擬Fig.5 Simulation of ion optical system

此外，上述模擬沒(méi)有考慮邊緣場(chǎng)的影響，而實(shí)際上在磁分析器入口前有一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度，會(huì)使離子提前偏轉(zhuǎn)。圖6顯示了理論和實(shí)際條件下磁場(chǎng)入口處的邊緣場(chǎng)分布，理想情況下，外部磁場(chǎng)強(qiáng)度為0，而在入口處會(huì)發(fā)生階躍突變，如紅色虛線所示；在實(shí)際應(yīng)用中，磁場(chǎng)強(qiáng)度在磁場(chǎng)入口附近有一個(gè)漸變過(guò)程，與階躍分布完全不同。也就是說(shuō)，離子束在進(jìn)入磁分析器之前就受到了磁場(chǎng)的影響，失去了平行入射的可能性。鑒于此，對(duì)磁分析器入口處進(jìn)行優(yōu)化，即在要屏蔽的區(qū)域，采用高磁導(dǎo)率的材料設(shè)置屏蔽板形成磁回路，有效減小了目標(biāo)區(qū)域的邊緣場(chǎng)。

圖6 理論和實(shí)際條件下磁場(chǎng)入口處的邊緣場(chǎng)分布Fig.6 Theoretical and practical fringe field distributions

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)在蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的質(zhì)譜計(jì)調(diào)測(cè)研究裝置中進(jìn)行，該裝置主要由穩(wěn)壓室、質(zhì)譜分析室、抽氣系統(tǒng)等組成，如圖7所示，（a）為實(shí)驗(yàn)裝置；（b）為原理圖。將待測(cè)試小型雙聚焦質(zhì)譜計(jì)放置于分析室中，當(dāng)測(cè)試分析室中殘余氣體成分時(shí)，開(kāi)啟抽氣系統(tǒng)，將質(zhì)譜分析室的壓力抽至10-4Pa以下，測(cè)試質(zhì)譜計(jì)的性能；當(dāng)測(cè)量高純氣體（純度為99.99%的He、H2）時(shí)，還須通過(guò)針閥將待測(cè)氣體先后引入到小腔體進(jìn)氣室及質(zhì)譜分析室中，測(cè)試雙聚焦質(zhì)譜計(jì)的相關(guān)性能。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置及其原理圖Fig.7 Schematic diagram of the testing equipment

圖8為空間用小型雙聚焦質(zhì)譜計(jì)實(shí)物圖。為了驗(yàn)證靜電場(chǎng)電壓Ve和加速電壓VB之間的比例關(guān)系是否恒定，在僅安裝了離子源—靜電分析器的情況下，測(cè)試了不同加速電壓VB下（200 V、300 V、500 V、800 V、1 000 V、1 500 V）的離子流強(qiáng)度。按照離子從加速極獲得的動(dòng)能計(jì)算出離子以圓周運(yùn)動(dòng)穿過(guò)靜電場(chǎng)中心處飛出時(shí)，靜電場(chǎng)電壓Ve和離子源加速電壓VB之比為1∶10，如圖9所示，離子流強(qiáng)度峰值大致位于Ve/VB=0.1處，但是隨著加速電壓的增大，Ve/VB呈現(xiàn)為逐漸減小的趨勢(shì)，這可能是受到邊緣場(chǎng)的影響。因此，在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，須對(duì)其進(jìn)行修正。

圖8 空間用小型雙聚焦質(zhì)譜計(jì)實(shí)物圖Fig.8 The physical map of miniature space double-focusing mass spectrometer

圖9 不同Ve/VB下通過(guò)的離子流強(qiáng)度Fig.9 The intensity of ion current under different Ve/VB

空氣中存在多種氣體成分[19]，用磁質(zhì)譜基本方程式（1）計(jì)算可得：在磁場(chǎng)強(qiáng)度0.85 T、離子源燈絲加熱電流2.8 A、加速電壓為2 000 V的情況下，H2O等大多數(shù)氣體均能在熒光屏上成像，圖10（a）所示為實(shí)際成像位置，圖10（b）是通過(guò)控制軟件將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)得到的關(guān)于離子相對(duì)強(qiáng)度的質(zhì)譜圖。真空系統(tǒng)中的主要?dú)堄鄽怏w有H2O（m/q，18）、N2（m/q，28）、O2（m/q，32）等及其各自的碎片峰，其中質(zhì)譜計(jì)對(duì)H2O的半峰寬（FWHM）為0.361 amu，分辨能力為 49.861；對(duì) N2和 O2的半峰寬（FWHM）分別為0.734 amu和 0.857 amu，分辨能力為 38.147和37.340。由于磁分析器本身的特性及熒光屏實(shí)際安裝時(shí)與磁分析器焦平面出口有一定的距離，因此會(huì)造成譜峰與實(shí)際質(zhì)荷比有一定的誤差，后續(xù)須進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖10 殘余空氣測(cè)試結(jié)果Fig.10 The testing results of residual air

由于離子源的最大加速電壓為3 000 V，無(wú)法采用0.85 T磁鐵測(cè)試小質(zhì)量數(shù)離子，因此用0.25 T的磁鐵測(cè)試He和H2的成像及質(zhì)譜圖如11、12所示。當(dāng)加速電壓VB為1 500 V、磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.25 T時(shí)，He的半峰寬（FWHM）和分辨本領(lǐng)分別為0.124 amu和32.26；當(dāng)加速電壓為2 500 V、磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.25 T時(shí)，H2的半峰寬（FWHM）和分辨本領(lǐng)分別為0.087 5 amu和22.86。

圖11 He測(cè)試結(jié)果Fig.11 The testing results of He

圖12 H2測(cè)試結(jié)果Fig.12 The testing results of H2

4 結(jié)論

本文通過(guò)理論計(jì)算對(duì)小型Mattauch-Herzog雙聚焦質(zhì)譜計(jì)的離子光學(xué)系統(tǒng)物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)。利用離子光學(xué)透鏡模擬軟件SIMION8.1進(jìn)行仿真，研究了離子初始狀態(tài)變化對(duì)最終焦平面成像結(jié)果的影響。結(jié)果表明，隨著離子束初始寬度增大，傳輸效率降低，而在焦平面位置處的像寬基本不變；若檢測(cè)器離焦平面的距離越遠(yuǎn)，檢測(cè)到的像寬越大。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度與加速電壓為0.85 T和2 000 V時(shí)，H2O的半峰寬（FWHM）為0.361 amu，分辨能力為49.861；N2和O2的半峰寬（FWHM）分別為0.734 amu和0.857 amu，分辨能力為38.147和37.340。當(dāng)加速電壓為1 500 V、磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.25 T時(shí)，He的半峰寬（FWHM）和分辨本領(lǐng)為0.124 amu和32.26；當(dāng)加速電壓為2 500 V、磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.25 T時(shí)，H2的半峰寬（FWHM）和分辨本領(lǐng)為0.087 5 amu和22.86。該質(zhì)譜計(jì)有望應(yīng)用于真空檢漏、真空質(zhì)譜定性和定量分析等領(lǐng)域。