小型磁偏转质谱计离子源设计与验证

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

  离子源是质谱计的“心脏”,其很大程度上直接决定了质谱计的灵敏度、分辨率等主要性能指标,因此需要对其结构和供配电关系等精心设计。针对空间环境探测应用目标,开展了小型磁偏转质谱计离子源的设计、仿真分析和试验测试。阐述了离子源的设计结构、供配电关系以及仿真分析和试验验证情况。通过分析得到了电压参数对离子束引出能力和束发散角的影响结果,通过试验验证了离子源的主要性能指标和抗力学环境能力满足设计要求。

  小型磁偏转质谱计因稳定性好、定量性好、丰度灵敏度高、结构简单、体积小、功耗低等特点,被广泛应用于原子能、石油、化工、食品、医药等工业生产部门,以及航天、地质学、生物化学、药物学、环境检测、公共安全等行业,实现原位实时气体成分分析。原位分析一般要求质谱计具备体积小、重量轻、功耗低等特性,一些特殊行业如航天,还要求具备抗力学环境能力。

  在质谱计中,离子源的功能是将试样原子或分子电离并使之会聚成具有一定形状和能量的离子束。离子源是质谱计的“心脏”,很大程度上直接决定了质谱计的灵敏度、分辨率等主要性能指标。因而应用于小型质谱计的离子源,必须具备体积小、重量轻、功耗低、抗力学环境能力强、灵敏度高、稳定性好、定量性好等特点。为使离子源具备这些特性,离子源设计必须结构简单、电离效率高、引出和聚焦性能好。

  本文介绍了用于小型磁偏转质谱计的离子源结构和供配电关系设计。同时还对离子源内电场分布、离子运动轨迹进行了仿真分析,并通过质谱计整机测试和试验间接验证了离子源设计。

1、结构设计及供配电关系

  本文设计的小型离子源属尼尔型离子源。该小型离子源放电室体积约为1cm3,其两侧分别为螺旋状铼钨灯丝和电子收集极。灯丝后侧设计了电子加速极,该极相对电离室电压为-72 V。因为在电离能72 eV 下,大多数气体分子电离几率接近最大值。灯丝发射的电子经电子加速场加速后进入电离室,在电离室内与气体分子发生碰撞使其电离,电离产生的离子经静电透镜聚焦引出,电子被电子收集极收集。为了增加电子运动路径提高电离效率,并使电子束的宽度不致发散,以保证最小的离子能量分散,一对准直磁铁分别安置在电子加速极和电子收集极两侧。因离子质量远大于电子质量,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为该磁场对离子的影响可以忽略。为改善放电室电场减小离子能量色散,放电室内部设计了推斥极。

  图1 给出了离子源原理示意图。为了实现小型化,静电透镜采用了狭缝膜孔透镜结构,由引出缝、聚焦极、主狭缝和α 缝组成。引出缝、聚焦极和主狭缝加速引出离子并聚焦在主狭缝附近,获得最强的离子束流。α 缝限制离子束散角,提高质谱计分辨率。通过电极绝缘支撑结构件的抗力学设计和防高压放电设计提高了离子源抗力学能力和电极间高压绝缘强度。整个离子源重约90 g,整机包络尺寸为40×40×50 mm3,电离室和静电透镜组件尺寸为17×38×24 mm3

小型磁偏转质谱计离子源设计与验证

图1 离子源原理示意图

  离子源供配电关系如图1 所示。离子加速电压Va 在(250~2500)V 范围内步进扫描,如图2所示。灯丝加热电流设计0~3 A 可调。为延长灯丝寿命,灯丝加电时从零逐步调节到工作电流,达到灯丝除气和应力释放目的。电子收集极电位相对于加速电压为48 V,推斥极电位相对于加速电压为6 V,聚焦极电位根据仿真分析或实验调试确定,α 缝和主狭缝接地,即与真空设备或卫星同电位。

小型磁偏转质谱计离子源设计与验证

图2 加速电压扫描模式

2、仿真分析

  为了确定离子源聚焦极最佳工作电压,采用SIMION 软件对离子源电场分布和离子运动轨迹进行了模拟分析。离子源三维仿真模型如图3 所示,x 轴指向离子运动方向,y 轴沿电极狭缝方向,z 轴垂直于电极狭缝。电势计算时,以电极为已知电压边界条件,绝缘件按自由空间对待。采用超松弛迭代有限差分法计算拉普拉斯方程求得空间电势分布,再求解电势梯度得到空间电场分布。离子运动轨迹的计算采用四阶龙格- 库塔法。图4 给出了通过仿真分析得到的离子源垂直狭缝方向对称面上的电势线和势能面。

小型磁偏转质谱计离子源设计与验证

图3 离子源有限元模型

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图4 离子源中心剖面电势线和势能面

  图5 给出了不同聚焦电压比下离子源的离子引出能力。从图中可以看出,当聚焦电压为加速电压的0.93 倍时,离子源离子光学透镜引出效率最高,通过主狭缝的离子数最多。当聚焦电压小于或大于0.93 倍时引出效率均变差,大部分离子撞击到主狭缝上。图6 给出了聚焦分压为0.93倍时的离子运动轨迹,离子束聚焦两次,第二次聚焦点位于主狭缝处,通过离子源主狭缝的离子数最多,离子源灵敏度获得最大值。

  图7 给出了当聚焦电压为加速电压的0.93倍时,离子束在主狭缝和α 缝处z-z′相图,从图7 可以看出通过主狭缝的绝大多数离子半散角小于100 mrad,只有极少数离子半散角大于100 mrad。通过α 缝进入磁分析器的离子半散角小于30 mrad。

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图5 聚焦电压与加速电压比对离子束引出效率的影响曲线

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图6 聚焦电压为加速电压0.93 倍时,离子运动轨迹

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图7 聚焦电压为加速电压0.93 倍时,在(a)主狭缝和(b)α 缝处z-z′相图

3、试验测试

  离子源装配于小型磁偏转质谱计后,将整个质谱计放入真空测试系统进行了调试和性能测试。图8 给出了小型磁偏转质谱计测量质谱图,图8(a)为真空残气谱,图8(b)为通入氮气后的质谱图,该质谱图清晰显示了氮气的N+2 和N+ 峰。该小型磁偏转质谱计灵敏度为9.4×10-6 A/Pa。N+2峰半高宽绝对分辨率为0.8 amu。

  为验证离子源的环境适应能力,对小型磁偏转质谱计整机开展了振动、冲击力学试验和热真空试验,试验过程未发现异常,试验前后性能指标没有发生变化,证明离子源具有良好的环境适应能力。

小型磁偏转质谱计离子源设计与验证

图8 真空残气和通入氮气后的质谱图

4、结论

  设计的小型磁偏转质谱计离子源具有结构简单、体积小、重量轻、稳定性好、灵敏度高、力学环境适应性好等特点。设计的离子源整个包络尺寸为40×40×50 mm3,重量约90 g;当聚焦电压为加速电压的0.93 倍时,离子源聚焦效果最好,大部分离子通过主狭缝,离子源灵敏度获得最大值;通过α 缝进入磁分析器的离子束半散角小于30 mrad。质谱计整机测试和试验结果间接验证了离子源的性能指标满足空间环境气体探测应用需求,其结构设计具有良好的环境适应能力。

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