小型磁偏转质谱计离子源性能参数的模拟研究(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:张文台

  离子源是磁偏转质谱计的核心,离子源的聚焦和离子引出效率对其工作性能有着重要影响。采用SIMION-3D 8.0 软件建立了应用于小型磁偏转质谱计的电子轰击型离子源模型,计算了离子的运动轨迹,采用相空间分析方法,得到静电透镜聚焦处离子的位置聚焦半径和速度聚焦半径,分析了离子源各参数对聚焦和离子引出效率的影响。研究结果表明当S 和α 狭缝分别加负偏压时,离子束在运动过程中能够两次聚焦,从而得到很好的聚焦性能和引出效率,为离子源优化设计提供重要的理论依据和实验指导。

1、引言

  磁偏转质谱计稳定性和定量性好、丰度灵敏度高,被广泛应用在星球探测、航天器环境分析、食品安全、药物检测、工业过程控制等诸多领域。电子轰击型离子源( Electron Impact Ion Source,简称EI 源) 由于其设计结构简单、可靠性高,被广泛应用于空间小型磁偏转质谱计,目前商业用质谱- 色谱联用仪的离子源多数为EI 源。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为聚焦和离子引出效率是离子源重要的性能指标,其中离子源的聚焦性能直接影响质谱计的分辨率,引出效率直接影响质谱计的分析灵敏度。对于传统的EI 源由于其离子产额较小,离子束流强度弱,使得灵敏度偏低。然而理想的离子源要求离子束流强度大、散角小、能量分散小且束流稳定等。因此提高EI 源的聚焦性能和离子引出效率具有十分重要的意义。从EI 源内离子的初始分布和EI 源电参数出发,利用离子光学仿真软件SIMION-3D 8.0,建立了质谱计EI 源的物理模型,采用相空间的分析方法,通过数值计算的方法研究了EI 源内离子初始分布和电参数对其聚焦性能和离子引出效率的影响。

2、离子源结构

  离子源结构如图1 所示。由电离室B、电离室出口狭缝、聚焦磁铁、灯丝、推斥极R、聚焦极H、主狭缝S和α 狭缝组成。电离室加扫描电压,范围为200 ~2100 V,其它各电极电压都以扫描电压为参考电压。由推斥电极R、电离室B 和聚焦电极H1、H2构成的静电透镜,使离子聚焦在主狭缝S 附近,能够获得最强离子流。α 缝限制离子束在水平方向的散角。

离子源结构

图1 离子源结构

1.收集极T;  2.电离室B;  3.推斥极R;  4.灯丝F; 5.电子聚焦磁铁;  6.聚焦极H;  7.主狭缝S;  8.α 狭缝

3、离子轨迹计算及相空间分析方法

3.1、离子轨迹计算

  SIMION-3D 8.0 软件包主要用来计算带电粒子在特定电极( 不同电势、材料、带电状态、几何形状等) 产生的电场中的运动轨迹,程序提供了强大的计算功能,并且可使结果可视化,用户通过建立几何模型、编写用户程序来完成复杂的计算。在SIMION-3D 8.0 中首先编写几何文件1.gem,定义一个离子源的三维静电势点阵列,每个电极都是独立的电势点阵列,如图2(a) 是三维示意图,图2(b) 是剖视图,图中字母代表各个电极。这些电势阵列是由三维的点阵列组成的长方体阵列构成。

SIMION 8.0 中的离子源模型

图2 SIMION 8.0 中的离子源模型

(a) 三维示意图(b) 剖视图

  当电势阵列中的点限制在特定的电极和非电极范围内时,SIMION- 3D 8.0 就可以通过求解Laplace 方程(1) ,利用有限元方法计算三维阵列空间中任意点的电势:

  再利用四阶- 龙哥库塔法计算离子在电场中的运动轨迹

离子在离子源内的运动轨迹

图3 离子在离子源内的运动轨迹

(a) 一次聚焦. (b) 两次聚焦

  从图3(a) 中可以看出,离子在引出的过程中,一部分被电离室引出狭缝阻拦,引出后的离子束聚焦后通过主狭缝S 和α 狭缝传输到质量分析器。为了提高离子源分辨率,主狭缝设计的非常小,从而主狭缝S 也会阻挡一部分离子,离子传输到α 狭缝处时也会被阻挡一部分,因而引出离子的有效利用率是非常小的,本文对如何提高离子的有效利用率进行了研究,从离子的聚焦和引出效率出发来探讨离子源的性能。对于引出效率的研究通过编写用户程序(User Program) 记录引出的离子数来计算引入到分析器的离子占离子源内离子数的比例。对于聚焦性能的研究采用相空间分析方法。

3.2、相空间分析方法

  在一个由许多粒子构成的体系中,某一粒子于某一瞬时的运动状态可用它的位置p 和速度v 来描述,它在直角坐标系中的分量分别是x ,y ,z; vx,vy,vz,该六个物理量定义的六维空间,称为相空间。若离子的p 点和v 点值已确定,那么它在相空间的位置也随之确定,且随着粒子的运动状态变化而变化。扫描电压VB加在电离室上,推斥极电压VR,聚焦电压VH。离子源的中心线坐标为( x,7.0,10.0) ,所有狭缝的中心都在离子源中心线上,离子出口狭缝的宽度设定在z 方向,因此离子束的聚焦发生在z 方向上,初始离子按高斯分布随机产生500 个离子。图4 为离子在z 方向上聚焦的相空间图形,设定离子初始能量为0,那么它在相空间图形中是一条平行于z 轴数值为0 的直线,从图4 分析可知离子引出电离室聚焦后,位置聚焦半径为0.06 mm( 狭缝宽为0.2 mm) ,速度聚焦半径为4 mm,说明离子源有很好的位置聚焦性能,但是速度聚焦性能较差,位置聚焦和速度聚焦无法同时实现。

离子在z 方向上聚焦处的相空间图形

图4 离子在z 方向上聚焦处的相空间图形

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