電子轟擊離子源離子傳輸效率的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

郭 文，成永軍，陳 聯(lián)，馮天佑，王星輝，邱云濤

（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）

0 引言

小型四極質(zhì)譜計是目前應(yīng)用最成熟的質(zhì)譜計，作為危險氣體檢測、殘余氣體分析、真空系統(tǒng)檢漏方法[1-3]的常用儀器廣泛應(yīng)用于表面科學(xué)、真空物理、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。離子源是四極質(zhì)譜計的核心部件，關(guān)系到質(zhì)譜計的分辨本領(lǐng)和靈敏度。電子轟擊離子源（Electron Impact Ion Source，EI源）電離效率高、離子流穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、可靠、是用于氣體分析的四極質(zhì)譜計的首選離子源[4-7]。

EI源的主要功能為：一是將待檢測的氣體分子電離成離子；二是將電離形成的離子經(jīng)過加速和聚焦傳輸?shù)剿臉O桿質(zhì)量分析器中。因此，EI源有兩個重要的性能參數(shù)：離子傳輸效率和離子聚焦性能[8-9]，其中，離子傳輸效率直接影響四極質(zhì)譜計的分析靈敏度，離子聚焦性能直接影響四極質(zhì)譜計的質(zhì)量分辨率。由此可見，研究EI源的離子聚焦性能和離子傳輸效率對提高四極質(zhì)譜計的靈敏度和質(zhì)量分辨本領(lǐng)具有重要的意義。

本文基于蘭州空間技術(shù)物理研究所自研的四極質(zhì)譜計EI源，構(gòu)建EI源三維模型，采用離子光學(xué)模擬軟件，仿真模擬EI源離子的運(yùn)動軌跡，研究各電極電壓對EI源離子傳輸效率的影響，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 模型和方法

1.1 儀器結(jié)構(gòu)和工作原理

四極質(zhì)譜計電子轟擊離子源包括由兩極板和柵網(wǎng)A組成的電離室B，環(huán)繞在柵網(wǎng)外側(cè)的燈絲C和屏蔽極D，聚焦極E，引出極F，其中B、E、F電極組成一組離子光學(xué)透鏡，實(shí)現(xiàn)離子的引出、加速和聚焦，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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

當(dāng)EI源工作時，首先給材料為敷氧化釔銥的熱陰極燈絲通電，燈絲發(fā)熱后，其表面會隨機(jī)發(fā)射電子[10]，這些電子受到電場的作用，在柵網(wǎng)間隙中振蕩，并與進(jìn)入該空間的氣體分子或原子碰撞，形成帶正電荷的離子，隨后這些正離子受離子光學(xué)透鏡的作用聚焦成離子束，并被引至四極桿入口端，最終進(jìn)入四極濾質(zhì)器。

1.2 模擬軟件和分析方法

采用軟件Simion8.1進(jìn)行模擬仿真[11]。該軟件主要用于計算帶電粒子在特定電極產(chǎn)生的電場中的運(yùn)動軌跡，利用程序提供的強(qiáng)大計算功能，實(shí)現(xiàn)帶電粒子運(yùn)動軌跡的可視化[12-13]。

根據(jù)四極質(zhì)譜計離子源工程研制經(jīng)驗(yàn)，采用控制變量法，研究電離室電壓、電離室與引出極電壓差和聚焦極電壓等參數(shù)變化對EI源離子傳輸效率的影響。

2 模擬仿真結(jié)果及討論

2.1 模擬步驟與參數(shù)設(shè)置

離子傳輸效率的模擬仿真步驟如下：

（1）用Simion8.1建立EI源的物理模型，如圖2所示；

圖2 用Simion8.1建立的EI源物理模型Fig.2 Physical model of EI source established by Simion8.1

（2）設(shè)置離子初始狀態(tài)：假定離子均勻分布在電離室柵網(wǎng)內(nèi)部，數(shù)量為10 000個，質(zhì)量數(shù)設(shè)置為40 amu，離子帶1個單位的正電荷，選擇該離子質(zhì)量是因?yàn)楹罄m(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時可選擇Ar作為被測氣體。Ar原子進(jìn)入離子源后，大部分被電離成Ar＋離子，離子的初始能量接近0 eV，在仿真模擬中設(shè)置為0 eV；

（3）設(shè)定離子光學(xué)透鏡三電極電壓：電離室電壓 Udf、聚焦極電壓 Ujf、引出極電壓 Uyf；

（4）運(yùn)行軟件，模擬離子運(yùn)動軌跡，記錄從引出極出來的離子流的離子數(shù)量，該數(shù)量占總離子數(shù)量的百分比即為離子傳輸效率。離子軌跡如圖3所示。

圖3 離子流軌跡Fig.3 Ion beam trajectory

2.2 聚焦極電壓和引出極電壓對離子傳輸效率的影響

固定電離室電壓Udf不變，為確保Ar原子能達(dá)到最佳電離效果[14]，設(shè)置Udf=100 V。為使離開離子源進(jìn)入四極場的離子能量在6～10 eV[15]之間，設(shè)置引出極電壓為86～96 V，調(diào)節(jié)步長為2 V，聚焦極電壓為-200～100 V，調(diào)節(jié)步長為10 V。記錄不同引出極電壓Uyf和聚焦極電壓Ujf對應(yīng)的離子傳輸效率，結(jié)果如圖4所示。

圖4 離子傳輸效率隨聚焦極和引出極電壓變化的模擬結(jié)果Fig.4 The ion transfer rate varies with the focusing and ejecting voltage in simulation

結(jié)果表明，固定電離室電壓為100 V，當(dāng)引出極電壓不變時，離子傳輸效率會隨聚焦極電壓的增大而先增后減，將離子傳輸效率達(dá)到最大時對應(yīng)的聚焦極電壓記作最優(yōu)聚焦極電壓Ujmf，即當(dāng)電離室電壓與引出極電壓確定后，將存在一個離子最大傳輸效率和其對應(yīng)的最優(yōu)聚焦極電壓Ujmf。隨著引出極電壓的增大，也即隨著引出極與電離室間電壓差的減小，離子最大傳輸效率變小，對應(yīng)的聚焦極電壓Ujmf增大。

2.3 電離室電壓對離子傳輸效率的影響

接著對電離室電壓和引出極電壓發(fā)生改變時的離子傳輸效率變化情況進(jìn)行模擬。設(shè)置電離室電壓為60～140 V，調(diào)節(jié)步長為20 V；設(shè)置引出極電壓與電離室電壓差為10 V、8 V、6 V，記錄不同電離室電壓和引出極電壓時的最大離子傳輸效率和對應(yīng)的最優(yōu)聚焦極電壓，模擬結(jié)果如表1所列。

表1 不同電離室電壓和引出極電壓下最大離子傳輸效率和最優(yōu)聚焦電壓的模擬結(jié)果Tab.1 The maximum ion transfer rate and optimal focusing voltage at different ionization chamber voltage and ejecting voltage in simulation

結(jié)果表明，當(dāng)電離室電壓恒定不變時，引出極電壓越大，即電離室與引出極間電壓差越小，最大離子傳輸效率越小，對應(yīng)的最優(yōu)聚焦極電壓Ujmf越大，這與前文得到的結(jié)果一致；保持電離室電壓Udf和引出極電壓Uyf的差值為固定值，即同步調(diào)節(jié)電離室電壓Udf和引出極電壓Uyf，則隨著電離室電壓Udf和引出極電壓Uyf的增大，最大離子傳輸效率減小，對應(yīng)的最優(yōu)聚焦極電壓Ujmf增大。

綜合上述模擬結(jié)果可以看到，在EI源中，任一電極電壓的變化都會引起離子傳輸效率的變化。這是由于電極電壓改變時，空間電場分布發(fā)生改變，離子光學(xué)透鏡的聚焦性能受到影響，部分離子在電場力作用下撞到不同的電極上，這些離子就是EI源在離子傳輸時損失掉的部分。損失得越少，離子光學(xué)聚焦透鏡的聚焦性能越好，離子傳輸效率越高。此外，電離室與引出極電壓差也影響離子的能量，不同能量的離子具有不同的速度，同樣影響傳輸效率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

EI源離子傳輸效率性能實(shí)驗(yàn)在蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的四極質(zhì)譜計調(diào)測平臺上完成。實(shí)驗(yàn)時將EI源和用于接收離子流信號的法拉第筒安裝在EI源調(diào)試專用裝置上，再將該裝置接到真空系統(tǒng)上。

向真空系統(tǒng)通入Ar，并保持系統(tǒng)壓力不變、EI源發(fā)射電流不變，此時可視離子源內(nèi)產(chǎn)生的離子總數(shù)為恒定，法拉第筒收到的離子流強(qiáng)度信號即可作為衡量離子傳輸效率的參數(shù)。強(qiáng)度信號越大，離子傳輸效率越高，強(qiáng)度信號越小，離子傳輸效率越低。

3.1 聚焦極電壓和引出極電壓對信號的影響

實(shí)驗(yàn)步驟與仿真模擬步驟一致，首先設(shè)置電離室電壓Uds=100 V，記錄離子流強(qiáng)度信號隨聚焦極和引出極電壓的變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 離子流強(qiáng)度隨聚焦極和引出極電壓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 The ion flow signal varies with the focusing and ejecting voltage in experiment

結(jié)果表明，當(dāng)固定電離室電壓為100 V，引出極電壓不變時，離子流強(qiáng)度隨聚焦極電壓增大呈先增后減趨勢，這表明，離子傳輸效率隨聚焦極電壓增大先增后減；調(diào)節(jié)引出極電壓，隨著引出極電壓增大，最大離子流強(qiáng)度減小，對應(yīng)的最優(yōu)聚焦極電壓Ujms增大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬仿真結(jié)果一致。

3.2 電離室電壓對離子流強(qiáng)度的影響

實(shí)驗(yàn)步驟與仿真模擬步驟一致：設(shè)置電離室電壓為60～140 V，調(diào)節(jié)步長為20 V，設(shè)置引出極電壓與電離室電壓差分別為10 V、8 V、6 V，記錄不同電離室電壓和引出極電壓時的最大離子流強(qiáng)度和最優(yōu)聚焦極電壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所列。

表2 不同電離室電壓和引出極電壓下的最大離子流強(qiáng)度和最優(yōu)聚焦電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The maximum ion signal and optimal focusing voltage at different ionization chamber voltage and ejecting voltage in experiment

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)電離室電壓不變時，引出極電壓越大，即電離室與引出極間電壓差越小，最大離子傳輸效率越小，對應(yīng)的最優(yōu)聚焦極電壓Ujms越大，這與模擬仿真結(jié)果一致。

當(dāng)保持電離室電壓和引出極電壓的差值為固定值，同步調(diào)節(jié)電離室電壓和引出極電壓，隨著電離室電壓和引出極電壓的增大，最大離子流信號對應(yīng)的最優(yōu)聚焦極電壓Ujms逐漸增大，最大離子流強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)電離室電壓Uds=100 V時，離子流信號有最大值：當(dāng)Uds-Uys=10 V時，最大離子流強(qiáng)度Iims為183.2 pA。而在仿真模擬中，隨著電離室電壓Udf和引出極電壓Uyf的增大，最大離子傳輸效率是單調(diào)減小的，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有差別。分析發(fā)現(xiàn)，造成差別的原因主要是，在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)電離室電壓改變時，參與碰撞電離的電子能量發(fā)生改變，而電子能量與Ar原子電離概率的關(guān)系如圖6所示[15]，可以看出，Ar原子的碰撞概率隨電子能量的增大而先增大后減小，即電離室中的離子總數(shù)先增大后減小。因此，當(dāng)改變電離室電壓后，即便模擬結(jié)果顯示離子傳輸效率變大了，實(shí)驗(yàn)中可能因?yàn)殡x子總數(shù)減小的更多，接收到的離子流強(qiáng)度變小。

圖6 Ar原子電離概率與電子能量的關(guān)系Fig.6 Relationship between Ar atomic ionization probabilities and electron energy

此外，當(dāng)電離室電壓發(fā)生變化時，電離室內(nèi)部的空間電場分布也會發(fā)生變化，影響電子在電離室中的運(yùn)動軌跡，軌跡的變化又影響電離室中產(chǎn)生的離子總數(shù)[10，16]，但由于電子實(shí)際上是做震蕩運(yùn)動，軌跡變化帶來的影響較小，可以不考慮。

4 結(jié)論

本文利用仿真軟件對自研的四極質(zhì)譜計所用EI源進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了改變EI源離子光學(xué)靜電透鏡三電極參數(shù)對離子傳輸效率的影響，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對比分析模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，要提高EI源離子的傳輸效率，須采取以下措施：（1）降低電離室電壓；（2）增大電離室與引出極間電壓差；（3）在確定電離室電壓和引出極電壓后，調(diào)節(jié)聚焦極電壓至最優(yōu)值。

實(shí)際上，將EI源應(yīng)用于四極質(zhì)譜計時，電離室電壓受限于參與電離的電子能量，無法降低很多；電離室與引出極間電壓差受限于進(jìn)入四極場的離子能量，同樣無法增大很多，故對于四極質(zhì)譜計而言，提高EI源離子傳輸效率的有效方法是調(diào)節(jié)聚焦極電壓。