小型磁偏转质谱计离子源性能参数的模拟研究(2)

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

4、结果分析与讨论

4.1、离子初始分布对聚焦和引出效率的影响

  在SIMION-3D 8.0 内设定离子在x,y,z方向的初始位置分别为6.2、7.0、10,初始动能为0 eV,随机产生500 个离子,扫描电压VB = 250 V,VR - VB = 6 V,VH = 50% VB。图5( a,b,c) 分别为初始离子沿x,y 方向无分散,沿z 方向分别分散在0.05,0.1,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0 的范围内时,由相空间分析得到的位置聚焦半径、速度聚焦半径以及离子的引出效率与z 方向初始分布的关系,图6( a,b,c ) 分别为初始离子沿y 方向无分散,沿z 方向分散为0.3,沿x 方向分别随机分散在0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3 的范围内时,由相空间分析得到的位置聚焦半径、速度聚焦半径以及离子的引出效率与x 方向初始分布的关系。

z 方向离子分散范围与聚焦半径和离子引出效率的关系

图5 z 方向离子分散范围与聚焦半径和离子引出效率的关系

z 方向离子分散范围与聚焦半径和离子引出效率的关系

图6 x 方向离子分散范围与聚焦半径和离子引出效率的关系

  从图5 分析可得,随着狭缝方向(z 方向) 初始分散的增大,位置聚焦半径和速度聚焦半径都增大,离子引出效率减小,说明随着z 方向离子初始分散的增大,离子源聚焦性能和引出效率都变差。从图6 分析可得,当初始离子x 方向有分散时,位置聚焦半径( 图6a) 比在x 方向无分散时( 图5a) 增大了一个数量级,速度聚焦半径不变,引出效率明显下降,这是由于当气体分子的电离发生在整个电离室内时,由于远离出口缝的离子在电离室内运动,经电场加速的距离不同,使得它们在出口处的动能不同,从而影响离子的聚焦和引出效率,同时也容易引起较大的像差。

  从上面的分析可知,使电离室内气体分子的电离尽可能多的发生在电离室出口狭缝附近,这样才能保证更好的离子聚焦性能和高的离子引出效率。而且远离狭缝的离子即使被引出,这部分离子由于引出距离和时间长而引起像差,影响质谱计的分辨率。

4.2、离子源电参数对离子聚焦和引出效率的影响

4.2.1、聚焦极电压对离子聚焦和引出效率的影响

  离子在x,y,z方向的初始位置分别为6.2、7.0、10,在x,y 方向上无分散,在z 方向上的分散为0.3,初始动能为0eV,随机产生500 个离子,扫描电压VB = 250 V,VR - VB = 6V,分别按聚焦极电压VH所占扫描电压VB的百分比给聚焦极VH分配电压,研究聚焦电极对离子聚焦和引出的影响,如图7( a,b,c) 所示。

聚焦电压比与聚焦半径和离子引出效率的关系

图7 聚焦电压比与聚焦半径和离子引出效率的关系

  从图7 可以看出,随着聚焦极电压比的增大,位置聚焦半径增大,速度聚焦半径减小,离子引出效率增大。

4.2.2、推斥极电压与扫描电压差对离子聚焦和引出效率的影响

  离子在x,y,z方向的初始位置分别为6.2、7.0、10,在x,y 方向上无分散,在z 方向上的分散为0.3,初始动能为0 eV,随机产生500 个离子,VH = 50%VB,图8( a,b) 分别为扫描电压VB = 250 V 时推斥极电压与扫描电压差VR - VB跟位置聚焦半径、速度聚焦半径的关系,由图8 分析得VR - VB对位置聚焦和速度聚焦的影响不大,因此我们只研究VR - VB与离子引出效率的关系。其它初始条件不变,定扫描电压VB分别取250V,500 V, 1200 V,2100 V,研究推斥极电压与扫描电压差VR - VB对离子聚焦和引出的影响,如图9 所示。

推斥极电压和扫描电压差与聚集半径的关系

图8 推斥极电压和扫描电压差与聚集半径的关系

  从图9 中分析可得,扫描电压小于250 V 时,VR - VB的差值取1V 就能得到很好的引出效率,随着扫描电压的增大,若增大电压差VR - VB,离子的引出效率也随之增大。但当电压差的值过小时,由于扫描电压本身的波动误差,在工程中是很难实现的,所以综合各种因素,取电压差VR - VB的值为3V 时,结果最理想。

推斥极电压和扫描电压差与离子引出效率的关系

图9 推斥极电压和扫描电压差与离子引出效率的关系

4.2.3、主狭缝S 和α 狭缝加电时对聚焦和离子引出效率的影响

  在前面的分析中,主狭缝S 和α 狭缝都不加电,在仿真研究中发现,当S 极和α 狭缝分别加负偏压时,离子在传输过程中能够实现两次聚焦( 如图3 (b) ) ,当第一次聚焦在出口狭缝与聚焦极之间,第二次聚焦在主狭缝极S 附近时,具有很好的聚焦性能和引出效率。离子在x,y,z 方向的初始位置分别为6.2、7.0、10,在x,y方向上无分散,在z 方向上的分散为0. 3,初始动能为0 eV,随机产生500 个离子,扫描电压VB = 250 V,VR - VB = 1V,VH = 50% VB。图10( a,b) 分别为主狭缝电压分别为S = - 100 V 和S = - 400 V时α 狭缝电压与位置聚焦半径、速度聚焦半径的关系。

主狭缝S 加电时,α 狭缝电压与聚焦半径的关系

图10 主狭缝S 加电时,α 狭缝电压与聚焦半径的关系

  从图10 中可以看出看出,当改变S 极和α 极电压时,离子聚焦性能基本保持不变,且聚焦性能都很好。

  下列讨论S,α 极电压与引出效率的关系。

α 狭缝和主狭缝S 电压与离子引出效率的关系

图11 α 狭缝和主狭缝S 电压与离子引出效率的关系

  从图11(a,b) 分析可得,S = - 400 V 时,任意改变α 电压,离子引出效率都大于90%,但从空间质谱计能耗的角度考虑,α 偏压过高不易实施,分析图11(b) 可以得到,在扫描电压较低时,取S = - 400 V,α = -500 V 时,离子源具有很好的引出效率。

  从以上的分析可知,随着扫描电压的增大,相应增大推斥电压与扫描电压差,会得到很好的离子引出效率,但当推斥电压与扫描电压差很小时,实验中难以实现,发现当S 和α 狭缝加上负偏压时能够在推斥电压与扫描电压差较小的情况下提高离子束的引出效率,并且实现在离子束传输过程中两次聚焦。

5、结论

  利用离子光学软件SIMION - 3D 8. 0 计算了质谱计EI 源的离子运动轨迹,利用相空间分析方法分析了离子聚焦。结果表明,当EI 源内气体分子的电离尽可能多的发生在离子室出口狭缝附近时,能更好的保证高的聚焦性能和好的引出效率。通过对EI 源电参数的研究表明,当聚焦电压比增大时,离子的引出效率和位置聚焦半径相应增大; 随着扫描电压的增大,相应增大推斥电压与扫描电压差,会得到很好的引出效率,当S、α 狭缝加负偏压时能够使离子束在传输过程中两次聚焦,从而得到很好的聚焦性能和引出效率。本模拟结果能够对离子源的设计和优化提供重要的理论依据和实验指导。

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