小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)離子源性能參數(shù)的模擬研究
離子源是磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)的核心，離子源的聚焦和離子引出效率對(duì)其工作性能有著重要影響。采用SIMION-3D 8.0 軟件建立了應(yīng)用于小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)的電子轟擊型離子源模型，計(jì)算了離子的運(yùn)動(dòng)軌跡，采用相空間分析方法，得到靜電透鏡聚焦處離子的位置聚焦半徑和速度聚焦半徑，分析了離子源各參數(shù)對(duì)聚焦和離子引出效率的影響。研究結(jié)果表明當(dāng)S 和α 狹縫分別加負(fù)偏壓時(shí)，離子束在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠兩次聚焦，從而得到很好的聚焦性能和引出效率，為離子源優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。
1、引言
磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)穩(wěn)定性和定量性好、豐度靈敏度高，被廣泛應(yīng)用在星球探測(cè)、航天器環(huán)境分析、食品安全、藥物檢測(cè)、工業(yè)過(guò)程控制等諸多領(lǐng)域。電子轟擊型離子源( Electron Impact Ion Source，簡(jiǎn)稱EI 源) 由于其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，被廣泛應(yīng)用于空間小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)，目前商業(yè)用質(zhì)譜- 色譜聯(lián)用儀的離子源多數(shù)為EI 源。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為聚焦和離子引出效率是離子源重要的性能指標(biāo)，其中離子源的聚焦性能直接影響質(zhì)譜計(jì)的分辨率，引出效率直接影響質(zhì)譜計(jì)的分析靈敏度。對(duì)于傳統(tǒng)的EI 源由于其離子產(chǎn)額較小，離子束流強(qiáng)度弱，使得靈敏度偏低。然而理想的離子源要求離子束流強(qiáng)度大、散角小、能量分散小且束流穩(wěn)定等。因此提高EI 源的聚焦性能和離子引出效率具有十分重要的意義。從EI 源內(nèi)離子的初始分布和EI 源電參數(shù)出發(fā)，利用離子光學(xué)仿真軟件SIMION-3D 8.0，建立了質(zhì)譜計(jì)EI 源的物理模型，采用相空間的分析方法，通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法研究了EI 源內(nèi)離子初始分布和電參數(shù)對(duì)其聚焦性能和離子引出效率的影響。
2、離子源結(jié)構(gòu)
離子源結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由電離室B、電離室出口狹縫、聚焦磁鐵、燈絲、推斥極R、聚焦極H、主狹縫S和α 狹縫組成。電離室加掃描電壓，范圍為200 ～2100 V，其它各電極電壓都以掃描電壓為參考電壓。由推斥電極R、電離室B 和聚焦電極H1、H2構(gòu)成的靜電透鏡，使離子聚焦在主狹縫S 附近，能夠獲得最強(qiáng)離子流。α 縫限制離子束在水平方向的散角。
圖1 離子源結(jié)構(gòu)
1.收集極T; 2.電離室B; 3.推斥極R; 4.燈絲F; 5.電子聚焦磁鐵; 6.聚焦極H; 7.主狹縫S; 8.α 狹縫
3、離子軌跡計(jì)算及相空間分析方法
3.1、離子軌跡計(jì)算
SIMION-3D 8.0 軟件包主要用來(lái)計(jì)算帶電粒子在特定電極( 不同電勢(shì)、材料、帶電狀態(tài)、幾何形狀等) 產(chǎn)生的電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡，程序提供了強(qiáng)大的計(jì)算功能，并且可使結(jié)果可視化，用戶通過(guò)建立幾何模型、編寫用戶程序來(lái)完成復(fù)雜的計(jì)算。在SIMION-3D 8.0 中首先編寫幾何文件1.gem，定義一個(gè)離子源的三維靜電勢(shì)點(diǎn)陣列，每個(gè)電極都是獨(dú)立的電勢(shì)點(diǎn)陣列，如圖2(a) 是三維示意圖，圖2(b) 是剖視圖，圖中字母代表各個(gè)電極。這些電勢(shì)陣列是由三維的點(diǎn)陣列組成的長(zhǎng)方體陣列構(gòu)成。
圖2 SIMION 8.0 中的離子源模型
(a) 三維示意圖(b) 剖視圖
當(dāng)電勢(shì)陣列中的點(diǎn)限制在特定的電極和非電極范圍內(nèi)時(shí)，SIMION- 3D 8.0 就可以通過(guò)求解Laplace 方程(1) ，利用有限元方法計(jì)算三維陣列空間中任意點(diǎn)的電勢(shì):
再利用四階- 龍哥庫(kù)塔法計(jì)算離子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡
圖3 離子在離子源內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡
(a) 一次聚焦. (b) 兩次聚焦
從圖3(a) 中可以看出，離子在引出的過(guò)程中，一部分被電離室引出狹縫阻攔，引出后的離子束聚焦后通過(guò)主狹縫S 和α 狹縫傳輸?shù)劫|(zhì)量分析器。為了提高離子源分辨率，主狹縫設(shè)計(jì)的非常小，從而主狹縫S 也會(huì)阻擋一部分離子，離子傳輸?shù)?alpha; 狹縫處時(shí)也會(huì)被阻擋一部分，因而引出離子的有效利用率是非常小的，本文對(duì)如何提高離子的有效利用率進(jìn)行了研究，從離子的聚焦和引出效率出發(fā)來(lái)探討離子源的性能。對(duì)于引出效率的研究通過(guò)編寫用戶程序(User Program) 記錄引出的離子數(shù)來(lái)計(jì)算引入到分析器的離子占離子源內(nèi)離子數(shù)的比例。對(duì)于聚焦性能的研究采用相空間分析方法。
3.2、相空間分析方法
在一個(gè)由許多粒子構(gòu)成的體系中，某一粒子于某一瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用它的位置p 和速度v 來(lái)描述，它在直角坐標(biāo)系中的分量分別是x ，y ，z; vx，vy，vz，該六個(gè)物理量定義的六維空間，稱為相空間。若離子的p 點(diǎn)和v 點(diǎn)值已確定，那么它在相空間的位置也隨之確定，且隨著粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化而變化。掃描電壓VB加在電離室上，推斥極電壓VR，聚焦電壓VH。離子源的中心線坐標(biāo)為( x，7.0，10.0) ，所有狹縫的中心都在離子源中心線上，離子出口狹縫的寬度設(shè)定在z 方向，因此離子束的聚焦發(fā)生在z 方向上，初始離子按高斯分布隨機(jī)產(chǎn)生500 個(gè)離子。圖4 為離子在z 方向上聚焦的相空間圖形，設(shè)定離子初始能量為0，那么它在相空間圖形中是一條平行于z 軸數(shù)值為0 的直線，從圖4 分析可知離子引出電離室聚焦后，位置聚焦半徑為0.06 mm( 狹縫寬為0.2 mm) ，速度聚焦半徑為4 mm，說(shuō)明離子源有很好的位置聚焦性能，但是速度聚焦性能較差，位置聚焦和速度聚焦無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)。
圖4 離子在z 方向上聚焦處的相空間圖形
