用于双聚焦磁质谱仪的离子源电参数仿真研究_刘畅.pdf

第 卷 第 期 年 月电 子 器 件 .收稿日期：修改日期：，（，）：，：；：用于双聚焦磁质谱仪的离子源电参数仿真研究刘 畅，肖 梅，张晓兵（东南大学电子科学与工程学院，江苏 南京）摘 要：离子源是双聚焦磁质谱仪的重要组成部分，离子源性能对质谱仪的分辨率、灵敏度有关键影响。通过 仿真，建立了用于双聚焦磁质谱仪的电子轰击型离子源的模型，并探究了离子源中电参数对性能的影响。仿真结果表明，在设计的离子源结构中，电离电压可在 之间找到一特定值，使电离几率最高，引出极电压和加速极电压均会影响离子的二次聚焦位置，从而影响引出离子束的束宽、角度分散、能量分散和引出率。仿真结果对离子源的实际电参数的设计有参考意义。关键词：离子源；仿真；双聚焦磁质谱仪；聚焦性能中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）离子源是双聚焦磁质谱仪中的一个关键组成部分，它的作用是将被分析物质离子化，以及引出和聚焦离子束。离子源的性能对质谱仪的分辨率和灵敏度有重要影响。具体来说，质谱仪的分辨率与像宽成反比，像宽与物宽和像差成正比。物宽即为从离子源出射的离子束的位置分散，物宽越大，质谱仪器分辨率越小。像差主要由离子源出射的离子束的角度分散和能量分散引起，角度分散、能量分散越大，像差越大，质谱仪器分辨率越小。因此，离子源的聚焦性能对质谱仪的分辨率有决定性作用。另外，离子源的离子引出率越高，最终检测到的离子流越大，质谱仪器的灵敏度越高。电子轰击型离子源是最常用于磁质谱仪中的一种离子源，常用于气体样品离子化，且结构简单、可靠性好。其离子产生原理为用能量不大的慢电子撞击气体中的原子或分子，使之失去电子成为正离子。利用 仿真软件，可模拟电子轰击型离子源中的场分布和离子轨迹，并且研究不同参数对离子源的聚焦性能和离子引出率的影响，从而为离子源选择合适的参数。离子源结构电子轰击型离子源的结构，可分为电子光学系统和离子光学系统两部分，如图 所示，电子光学系统中，电子从阴极发射，通过电离室与阴极间电位差而加速进入电离室，撞击通入电离室气体中的原子或分子，使其失去电子成为离子。离子光学系统包括电离室与出口缝之间的电极结构，用于引出和聚焦电离室中产生的离子。除了以上实现电子和离子引出的基本结构外，电子光学系统中的磁铁，可使得电子在电离室中螺旋运动，增加电子运动路程，提高电离率。离子光学系统中的推斥极，能够改善电离室内电位分布，增大离子流强度，减小离子能量分散。电 子 器 件第 卷图 电子轰击型离子源结构示意图图 为仿真中所使用的离子源结构二维模型示意图，阴极发射面在 方向宽度为 ，电离室为 的矩形，左右两侧各开电子入口和电子出口，电子入口和出口狭缝 方向宽度都为，电离室下侧开口为离子出口。电离室下侧极板依次为引出极、加速极和出口极，极板均 为 矩形，极板间距如图 中所示。电离室的离子出口狭缝、引出极狭缝和加速极狭缝在 方向上宽度均为 ，出口极上出口缝 方向宽度为。引出极与电离室相距 ，加速极与引出极相距 ，出口极与出口极右侧为零场飞行管道，管道在 方向宽度为 。图 仿真中离子源结构示意图电子轰击型离子源中，电子光学系统用于产生离子，离子光学系统用于引出离子，为探究离子源中电参数对产生离子的电离几率和引出离子的聚焦特性的影响，以下将对电子光学系统中的电子轨迹和离子光学系统中的离子轨迹分别进行仿真。仿真过程 电子光学系统利用 中静电模块模拟电场分布。电参数设定时，电离室的电压需根据质谱仪分析离子的质量范围来确定，考虑到后续使用的双聚焦磁质谱仪类型为马赫型质谱仪，电离室电压为 。阴极电压与电离室电压之差即为电离电压，参考尼尔型离子源参数，设置初始阴极电压为 。阳极电压稍大于电离室电压，设置为 。离子源中真空环境用自由分子流模块进行仿真。设置电离室内壁为排气壁以模拟向电离室内通入氩气，同时设置真空泵对系统进行抽气，最终得到的气体数密度分布如图 所示。电离室中气体数密度约为 ，可根据气压公式 推算出电离室中气压约为 。图 离子源中气体数密度分布使用带电粒子追踪模块仿真电子从阴极进入电离室的轨迹，如图 所示。在阴极发射面位置处设置均匀分布的 个电子，受到电场力作用向电离室内运动，如图 中折线所示。在电子运动过程中有概率与气体分子发生碰撞电离，图 中心区域的白点表示碰撞电离产生的离子。图 仿真得到的电场分布及电子轨迹 离子光学系统与电子光学系统中类似，使用静电模块和带电粒子追踪模块分别模拟电场分布和离子轨迹。固定电离室电压为 ，推斥极电压也设置为 。引出极和加速极相对于电离室电压逐步降低，初始设置为 和。出口极和飞行管道电压均接地。定义发射 个离子，以电离室中心为发射中心，设置离子初始位置按矩形分布，方向宽度为，方向宽度为 。离子轨迹如图 中绿线所示。图 中绘制了 的等势线，可看出，离子束在离开电离室前聚焦，加速极前等势线向左第 期刘 畅，肖 梅等：用于双聚焦磁质谱仪的离子源电参数仿真研究 侧凸出，因此离子束受电场作用而会聚。而加速极狭缝后等势线向右侧凸出，离子束受电场作用发散。图 仿真得到的电场分布及离子轨迹 仿真结果 电离电压对离子源性能的影响电离电压为阴极电压与电离室电压之差，影响电子在电场中的运动轨迹，从而影响产生离子的数量，即电离几率。保持其他参数不变，改变阴极电压，使得电离电压变化，记录不同电离电压下的电离几率，作出变化曲线如图 所示。图 电离几率随电离电压变化情况由图 可看出，电离电压小于 时，电离几率随电离电压增大而增大，电离电压大于 时，电离几率随电离电压增大而减小。因此，在 之间，可以找到一合适的电离电压，使电离几率最大。引出极电压对离子源性能的影响引出极电压影响离子束的运动轨迹，而离子束的性能可用聚焦特性和引出率来表示。离子束的聚焦特性包含从离子源引出的离子束的位置分散、角度分散、能量分散，引出率可用通过出口极离子数与初始离子数之比表示。保持其他参数不变，引出极电压在 间变化，不同引出极电压下离子轨迹如图 所示。可看出，引出极电压 时，离子束在电离室内聚焦，到达出口极离子束发散程度较大。而引出极电压大于 后，离子束在电离室内一次聚焦后，在极板间又出现第二次聚焦，且随着引出极电压增大，该聚焦位置向左侧移动，离子束到达出口极时发散程度随之增大，如图（）、图（）所示。图 不同引出极电压下离子轨迹在出口极后记录离子束的位置分散、角度分散、能量分散和引出率，各项性能参数随引出极电压变化曲线如图 所示。可看出，随引出极电压在 间变化，出口处离子束位置分散始终为 左右；角度分散无明显变化趋势，但引出极电压为 时角度分散最大，为；能量分散随引出极电压增大而减小；随引出极电压增大，引出率先增大后减小，引出极电压为 时引出率最大。结合图 中离子轨迹变化情况，可推出离子束聚焦特性和引出率与离子束二次聚焦的位置有关。引出极电压小于 时，离子束在电离室内第一次聚焦，而在出口极左侧无第二个聚焦位置，到达出口处的离子束发散程度较大，被出口缝限制位置分散和角电 子 器 件第 卷图 离子束聚焦特性及引出率随引出极电压变化情况度分散，所以位置分散基本等于出口缝宽度，角度分散相对较小。引出极电压大于 时，在出口极左侧出现二次聚焦，到达出口处离子束发散程度随二次聚焦位置左移而增大，因此引出率随之减小，位置分散和角度分散同样因出口缝限制而较小。而引出极电压为 时，离子束二次聚焦位置在出口附近，此时离子束通过出口缝时的发散程度最小，引出率最高，但因未被出口缝限制，所以出射时角度分散最大。加速极电压对离子源性能的影响与 节类似，保持其他参数不变，加速极电压在 间变化，作出不同加速极电压下离子轨迹如图 所示。可看出，加速极电压为 时，离子束第二次聚焦在加速极与出口极之间，而随着加速极电压增大，第二次聚焦位置逐渐向右移动。加速极电压增大到 以上时，离子束在出口极左侧不再有明显的第二次聚焦，如图（）所示。图 为离子束聚焦特性和引出率随加速极电压变化曲线。加速极电压在 间变化时，离子束在出口处位置分散由于出口缝宽度限制，所以基本都为 ；角度分散先增大后减小，加速极电压为 时角度分散最大，为；能量分散有一先减小后增大趋势，但整体变化较小，都在 之间；引出率先增大后减小，加速极电压为 时引出率最大。离子束聚焦特性和引出率与离子束聚焦位置的变化有关。比较图（）、图（），可看出，加速极电压由 增大到 过程中，离子束二次聚焦位置右移，聚焦位置右侧离子束发散程度减小，到图 不同加速极电压下离子轨迹第 期刘 畅，肖 梅等：用于双聚焦磁质谱仪的离子源电参数仿真研究 达出口处离子束束宽减小，引出率随之增大。加速极由 增大到 ，出口极左侧离子束不再有明显二次聚焦，且到达出口之前的离子束发散程度随加速极电压增大而增大，到达出口处离子束束宽增大，引出率随之减小。通过出口前离子束的发散程度决定了离子束角度分散受出口缝的限制作用，发散程度越大，出口缝对角度分散的限制越大，因此随着加速极电压电压在 间变化，通过出口前离子束发散程度先减小后增大，通过出口后角度分散随之先增大后减小。图 离子束聚焦特性及引出率随加速极电压变化情况 综合 与 节仿真结果，引出极电压和加速极电压均会影响离子束的聚焦情况。离子束二次聚焦位置在出口附近时，离子引出率最高，但角度分散也会因不受出口缝限制而较大。为同时保证聚焦性能和引出率，选择引出极电压为 ，加速极电压为 ，可使得引出率达，且角度分散和能量分散相对较小，分别为 和 。若以上述出口处离子条件作为入射双聚焦磁质谱仪的离子初始条件，可通过理论公式估算马赫型双聚焦磁质谱仪的分辨率。假设电场半径，离子束初始物宽 为离子束被出口缝限制的宽度 ，则分辨率为，此时分辨率较低。若要提高分辨率，需在离子源出口后加上狭缝，减小离子束束宽，但离子束引出率会相应降低。因此，为获得高分辨率、高灵敏度的双聚焦磁质谱计，需要离子源电参数和几何参数的配合。后续需对离子源的几何参数进行调整，使离子束在离子源出口处的位置分散、角度分散、能量分散进一步减小。总结作为双聚焦磁质谱仪的重要组成部分，离子源对质谱仪的性能影响很大，需要有合理的参数设计。本文通过 仿真，实现了离子源中场分布的仿真，模拟了电子和离子在其中的运动轨迹。同时，探究了离子源中的电参数对性能的影响，得出结论如下：电离电压可找到一特定值，使电离几率最高，仿真中得到该值为 ；离子束的二次聚焦位置随引出极电压增大而提前，随加速极电压增大而延后。调整两电压参数，引出极电压为 ，加速极电压为 时，此时从离子源出射的离子束引出率为，位置分散为 ，角度分散为，能量分散为 。根据仿真结果得到这样一组能使离子源性能相对较好的电参数，用于离子源设计时参考。在此基础上，后续可配合离子源结构参数的优化，进一步改善离子束聚焦特性和引出率，并在完成结构调整后，将离子源的电子光学系统与离子光学系统组合，进行与实际情况更为接近的整体仿真，从而评估离子源的实际性能，最终得到一种能实现双聚焦磁质谱仪高分辨率和高灵敏度的离子源。参考文献：季欧 质谱仪器及其应用（二）分析仪器，电 子 器 件第 卷（）：，（）：张礼朋，董猛，成永军，等 小型化磁质谱仪离子源的模拟及优化设计 真空，（）：，：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：刘畅（），女，年考入东南大学电子科学与技术学院的电子科学与技术专业，于 年 月获得工学学士学位；年 月进入东南大学电子科学与技术学院的物理电子学专业攻读硕士学位，从事双聚焦磁质谱计的结构设计与仿真计算，于 年 月获得工学硕士学位；肖 梅（），女，博士，东南大学电子科学与技术学院副教授，主要从事电真空器件可靠性、阴极可靠性、真空系统设计、残余气体分析、四极质谱研制、场发射器件的理论和实验研究，。