磁电双聚焦质量分析系统的研制

邹盛强， 翟利华， 林跃武

(1. 四川红华实业有限公司, 乐山 614300; 2. 西北核技术研究所, 西安 710024)

质谱仪是通过适当电场或磁场将物质粒子(原子、分子)电离成离子，并检测其强度，从而进行定性、定量分析的仪器，因其具有极高的准确度和灵敏度，在现代科学领域得到了公认。在部分核工业、地质、核取证等领域，要求质谱仪具有极高的元素选择性和分析灵敏度，以解决传统无机和同位素质谱中同质异位素干扰的难题，满足复杂背景下超痕量、长寿命放射性核素的分析和国家安全领域及敏感技术领域中特定元素的测定。

在单聚焦质谱仪器中，离子能量分散往往会导致谱线变宽，即使尽可能采用理想边界磁场也无法改善能量聚焦性能，得到理想宽度的聚焦谱线。为了提高仪器的聚焦性能，需要妥善处理能量分散问题。采用静电分析器和磁分析器组成双聚焦系统是目前处理离子束能量分散问题的有效方法。双聚焦质量分析器可选择先磁场后电场的布局，也可选择先电场后磁场以便连接多接收离子探测系统。对于先电场后磁场的布局，离子源射出的离子束先通过电场对离子束进行能量分散，再经过磁场进行动量分散，两者共同实现离子束的能量和方向双聚焦。磁电双聚焦质量分析器是高性能质谱仪系统的关键部件，对实现上述特殊要求的分析工作具有重要意义。

1 主要技术指标及总体技术方案

1.1 设计的主要技术指标

1)分辨能力：R≥500；

2)实现方向和能量双聚焦。

1.2 总体技术方案

为实现双聚焦，设计的离子光学系统采用正向Nier-Johnson双聚焦结构，图1所示为电场双聚焦离子光学系统(柱面)结构示意图。在水平方向，静电分析器(electrostatic analyzer,ESA)实现离子能量色散，然后由磁场实现质量分离；在垂直方向，ESA前端的聚焦透镜和磁场透镜(倾斜出射)共同聚焦。设计并试制磁分析器和静电分析器，结合其他静电透镜、限制孔板和双聚焦条件，计算各场的物距、像距。通过实验，研究磁分析器的边界、优化物距和像距关系等，从而进一步提高分辨率和传输率。

图1 双聚焦离子光学系统(柱面)结构示意图Fig.1 Double-focusing ion optical system with cylindrical ESA

为方便调试，在ESA聚焦位置安装限制孔，并将电极接入前置放大器，用于监测离子流在ESA出口处的状态。系统主要按2部分进行设计： 1)静电场：采用柱面结构。2)磁场：采用非对称垂直入射结构。

2 设计和制造

2.1 双聚焦条件的参数计算

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在图2所示的均匀磁场中，设由离子源S1处以小散角发出的质量分别为M1，M0，M2(能量均为E0)的离子束，由于磁场的质量色散作用，三者将分别在a，S0，b处实现方向聚焦。又设由S1处以小散角发出的能量分别为E1，E0，E2(能量平均为E0)的离子束，由于磁场的速度色散作用，三者将分别在c，S0，d处实现速度聚焦。曲线ab称为方向聚焦线，cd称为速度聚焦线，两者并不重合。因此，仅仅采用磁分析器不可能实现离子束的方向、能量双聚焦。而静电分析器只有能量色散而无质量色散，也不可能独立实现双聚焦。

图2 扇形磁场的聚焦线示意图[2]Fig.2 Focal lines of magnetic sector[2]

如果适当组合静电分析器和磁分析器，使磁分析器发挥质量色散作用，同时，使磁分析器产生的能量色散被静电分析器的能量色散所抵消，使图2中的ab和cd两曲线局部重合或全部重合，因而实现双聚焦。

对于由一个静电分析器和一个磁分析器组成的离子光学系统，实现双聚焦的基本条件是相互抵消，也就是方向相反，大小相等，对于磁场放大率为-1的系统，即

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2.2 电场电极的设计与制造

考虑离子束从出口狭缝射出后，在水平方向有一定角度的散角α，对于在水平方向的半散角大于0.5°的离子，可通过设置α控制缝宽来限制其进入电场；半散角小于0.5°的离子束，其在电场入口处离子束宽度约11 mm。离子束在电场中偏转时，为了保证离子束不会碰撞电场电极，两个电极间宽度必须大于11 mm。但如果电极间宽度太大又会增加电场区域的空间，增加系统的真空负担，同时增加电场的弥散场影响。综合考虑，电极间宽度取离子束宽度两倍较为合理，即两个电极间宽度为22 mm。由于电场离子轨道半径为360 mm，则内侧电极半径为349 mm，外侧电极半径为371 mm。

为了消减电场的弥散场效应，需要在电场两侧安装电场屏蔽板。屏蔽板距电极的距离按照图3的曲线选取，开孔的尺寸采用与电极间隙等宽,图中s为屏蔽片与电极间的距离，b为屏蔽片孔半宽度，d为电极间距。

图3 静电场屏蔽尺寸关系图[2]Fig.3 Shielding structure for ESA[2]

根据电极间距22 mm，开孔选22 mm、板与电极间的距离为10 mm，可有效消减电场的弥散效应影响，近似使电极边界与理想边界一致。同时，屏蔽片作为电场电极的安装支撑，也作为电场前聚焦电极及α、β离子限制缝的支撑。

2.3 真空腔体的设计与制造

根据电场电极形状,电场真空腔体采用弧形设计，偏转角为65，腔体主体采用加工中心铣成U型，与盖板焊接成截面为正方形结构，腔体外部高和宽均为120 mm，侧面和顶部厚度均为5 mm，底部厚度为8 mm。考虑法兰焊接以及电极安装，腔体两段沿切线方向延长30 mm。

分析管采用扁盒设计，磁场工作间隙部分高度为11 mm，有效高度为8 mm，偏转半径为250 mm，外圆弧半径为285 mm，内圆弧半径为215 mm，扁盒内有效宽度30 mm，偏转角为90°，两段的接管长度为150 mm。电场出口后的过渡法兰长度为100 mm。安装完成后保证电场出口边界到磁场入口边界距离为340.5 mm。分析管在磁场工作间隙的扁平盒内，其平行度好于0.05。为保证达到设计要求，设计制造了装配和焊接工装。

磁场出口与接收器入口缝(即像点到磁极边界的距离为500 mm)采用柔性连接管。

2.4 电磁铁设计与制造

磁铁的设计参数：

1) 离子束中央轨道半径Rm为250 mm；偏转角φm为90°；入射角为0°(垂直入射)，出射角为26.5°；源点S1(离子源出口狭缝位置或电场的像点位置)与磁极边界的距离为250 mm，像点S2(离子接收器入口狭缝位置)与磁极边界的距离为500 mm。

2) 磁场工作气隙为12 mm。

3) 参考离子仿真结果，磁场入、出射边界采用弧面设计加工。入射边界弧半径Rgm1为320 mm，出射边界弧半径Rgm2为-145 mm，负值表示凹园弧。

根据上述参数设计了电磁铁，导磁体和工作磁极设计成C型结构，导磁体截面积与磁极工作面积相等。电磁铁导磁体和工作磁极采用DT2工程纯铁制造，装配后工作间隙上下磁极面平行度为0.05。

3 调试

独立的磁电双聚焦系统是无法进行调试的，必须借用一个质谱计平台，将磁电双聚焦系统安装到质谱计中，利用平台中的离子源、接收器和电子学系统进行调试。由于离子束在接收器中的成像与离子源电参数、电场、磁场以及接收器的位置参数多个因素相关，一开始就进行磁电双聚焦质量分析系统联合调试困难太大，有必要先对磁场系统进行独立调试，以确定离子源电参数、磁场物理位置、磁场的实际像距及离子出射角度等参数。这些参数确定后再进行电场、磁场的联合调试，确定电场的物距及离子在电场中的入射角度，最终实现双聚焦。

3.1 磁场系统调试

离子束在接收器中的成像好坏与离子源、磁场的聚焦状况以及接收器位置等因素相关，在进行磁场调试前，必须保证离子源聚焦状况良好，有必要利用有关平台来确认离子源和磁场的聚焦效果。

离子接收狭缝处于磁场像点位置。离子接收器采用双狭缝、双法拉第杯结构设计，每个法拉第杯均独立安装屏蔽盒。在设计过程中为了减小离子束打在接收器上产生的二次电子的溅出率，获得更好的接收性能，接收杯采用深法拉第杯式结构。处于中心轨道位置的法拉第杯设置狭缝宽为0.6 mm，外侧的法拉第杯设置狭缝宽为0.8 mm，两个法拉第杯并联，接到同一个信号放大器中，用于检测同一个离子束在不同接收狭缝中的成像情况以及判断离子束在两个接收器中是否全被接收。

按照垂直入射磁场要求安装离子源、磁场和接收器，其中物距为250 mm，像距为500 mm。

调节离子源电参数，将离子信号调节至最大。分别调节磁场的前后左右位置及离子接收器入射角度，同时，细微调节离子入射角度，以便观察离子谱峰形状。每调节一个参数计算机上扫描一次谱峰，观察谱峰的变化，如果聚焦状况变好，则继续该参数该方向的调节，如果变差则反方向调节，直到所有参数全部调节一遍。同时，通过拉长或压缩波纹管长度，调节接收狭缝到磁场边界的距离，在预测的焦点位置处，利用扫描峰形寻找磁场实际焦点。重复上述调节过程，直到获得较好的离子聚焦图谱。

3.2 电场调试

静电分析器安装完成后，将离子源和静电分析器组合，利用安装在静电分析器焦点处的限制孔板作为离子检测部件，并接前置放大器放大检测的信号。通过扫描静电分析器电压可得到静电场焦点处的信号图。当离子束穿过限制孔时，信号变小，两侧信号升高。粗略判断，可用信号的上升和下降斜率判断离子束的状态。电场电压由小增大过程中，放大器信号由基线上升到最大值，然后又很快下降到基线值，继续增加电场电压到一定值后，放大器信号又由基线上升到最大值。最后，放大器信号又减小到基线值。此过程说明，离子束随着电场电压的增加，从没有通过电场到通过电场达到限制孔板、全部通过限制孔板的孔、再次进入限制孔板、最后碰撞到电极上。信号变化曲线的斜率越大说明离子束越窄，方向聚焦越好。

3.3 电场磁场联合调试

通过改变电场物距Le1的长度、离子入射角度、电场的浮动电压、磁场物距Lm1、离子出射角度等参数，在优化峰形的条件下，可实现双聚焦条件。

4 技术指标测试

4.1 分辨能力测试

测试说明：采用Eu两个离子峰(153，151)，在扫描的图谱上测量M=153的5%峰高宽度及两个离子峰的中心距，计算质量分辨。分辨能力测试如图4所示。

4.2 峰形系数测试

测试说明：在接收器上安装有两个法拉第杯，接收狭缝宽度S分别为0.55 mm和0.8 mm，测量两个法拉第杯的10%,50%,90%峰高的宽度，计算峰形系数。峰形系数测试如图5所示。

图4 分辨能力测试图Fig.4 Test of mass resolution

图5 峰形系数测试图Fig.5 Test of peak shape factor

4.3 双聚焦条件测试

测试说明：加速电压为7 950 V时扫描质谱图谱(ESA电压随扫描电压变化)，将图谱拷贝到绘图板上；将加速电压增加10 V到7 960 V，其他参数均不变(磁场不变)，扫描质谱图谱，观察两次谱峰是否完全重合。图6为双聚焦条件测试图，图上部为无双聚焦的纯磁场条件下加速电压相差10 V时，谱峰在磁场中相差情况，图下部为双聚焦条件满足时，加速电压相差10 V，两个谱峰完全重叠。

图6 双聚焦测试图Fig.6 Test of double focusing

5 试验结果与讨论

5.1 技术指标测试

仪器离子谱峰的峰形系数K=0.58，说明离子束进入接收器狭缝的成像情况良好；分辨能力达到555，说明质谱计离子源出口狭缝、离子接收器入口狭缝、电场电极和电磁铁加工与安装均达到设计要求，双聚焦条件基本实现。

5.2 问题讨论

加工的磁场极靴边界没有后退一定尺寸，磁场出射角度小于26.50°，离子束水平方向聚焦增强，导致磁场像距Lm2变短，仿真结果已验证。

6 结论

1)测试双聚焦系统质量分辨能力为555(5%峰高)，达到设计的指标要求(大于500)。

2)双聚焦测试表明，系统基本实现了双聚焦。

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