小型双聚焦磁偏转质谱计研究

杨 喆，李得天，郭美如，任正宜，李 刚，成永军，孙雯君

（1.兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000 2.东北大学 机械工程与自动化学院，沈阳 110819）

0 引言

质谱计作为一种高端科学仪器，广泛应用于航天科技、生命科学、半导体工业、环境监测、医疗卫生、国防军事等各个领域。质谱计主要由离子源、质量分析器和检测器组成，能将物质离子化，然后按照离子的质荷比（m/q）测量各种离子谱峰的强度，从而实现对物质的定性、定量分析[1]。其中，离子源是一种使中性原子或分子电离并从中引出离子束流的装置[2-3]。质量分析器可以将不同质荷比的离子分离。按照工作原理，质谱计的类型可分为：基于离子空间分离的磁偏转质谱计、基于射频四极电场离子稳定性分离的四极质谱计、离子阱质谱计和基于离子群时间分离的飞行时间质谱计[4-5]；检测器的作用是检测并放大离子强度信号[6-7]。

传统的质谱仪器受到质量、尺寸、功率和真空度等要求的限制，仅应用于实验室环境。便携式质谱计的出现拓宽了质谱计的应用场景，为现场原位和在线分析奠定了基础[8-9]。在深空探测领域，目前应用的质谱计主要有磁偏转质谱计、飞行时间质谱计、四极质谱计和离子阱质谱计，其中，离子阱和四极质谱计的物理尺寸较小[10]，便于小型化；随着能量聚焦引入技术和高速电子测量技术的发展，离子在较短管内的飞行距离延长[11]，使得飞行时间质谱计的小型化成为可能。小型双聚焦质谱计作为磁偏转质谱计的一种，利用磁场和电场分析器实现方向聚焦和速度聚焦，具有分辨率高、性能可靠等特点[12-13]，应用于ROSINA号等空间探测任务。但由于其质量分辨率的提高依赖于磁分析器尺寸的增大，进一步小型化的难度很大[14]。目前，随着高性能钕铁硼等材料及空间编码孔径技术[15-16]的出现，小型双聚焦质谱计得到了迅猛的发展。

目前我国对空间用小型双聚焦质谱计的研究较少，因此它的研制对推动我国空间科学探测等众多技术领域的发展具有重要意义。本文将基于离子光学原理对小型双聚焦质谱计进行设计，利用SIMION8.1仿真，研究离子初始状态等参数变化对成像结果的影响，从而优化相关结构；最终通过测试实验来评价所研制仪器的性能，如灵敏度、分辨率。

1 原理与结构

1.1 原理

小型双聚焦质谱计采用反向马赫型（Mattauch-Herzog）结构，如图1所示。采用的电子轰击型离子源（EI）主要由灯丝F、电离室B、推斥极R、聚焦极H、主狭缝S0和α缝组成。电离室出口狭缝为1 mm×3 mm，聚焦极间距为1.5 mm，主狭缝宽0.2 mm，α缝宽0.5 mm，且依次相差的距离为2、3、8 mm，如图2所示。质量分析器由静电分析器（ESA）和磁分析器组成，ESA采用圆柱形结构，工作时上下两极加大小相等的正负电压；磁分析器采用场强分布均匀的钕铁硼材料；检测器为焦平面型，包括微通道板（MCP）、荧光屏和CCD相机。

图1 Mattauch-Herzog型质谱计结构示意图Fig.1 The structure of Mattauch-Herzog mass spectrometer

图2 EI离子源结构示意图Fig.2 The schematic of EI ion source

离子通过离子源加速进入质量分析器后，静电分析器与磁分析器产生的能量色散相互抵消，使不同质荷比的离子在磁场中的偏转半径不同，从而实现质量分离。其工作原理可以用式（1）表示[17]：

式中：m/q为质荷比；B为磁分析器的场强；e为元电荷量；VB为离子源加速电压。当磁场强度和加速电压一定时，不同质荷比的离子强度信号将汇聚在焦平面的不同位置，由MCP放大，最后由CCD相机记录离子撞击荧光屏的位置并成像。

1.2 双聚焦条件

静电分析器的能量色散系数Ke″由式（2）推导出：

式中：f为ESA的焦距，mm；g为焦点到透镜边缘的 距离，mm。

与静电场类似，可由式（3）推导得到一般情况 下磁分析器的能量色散系数Km'：

式中：εm'为离子在磁场中的入射角度。对于Mattauch-Herzog型离子光学系统，实现双聚焦的基本条件是磁分析器与静电分析器产生的能量色散相互抵消[18]，即：

2 计算与仿真

2.1 质量分析器结构参数设计

小型Mattauch-Herzog双聚焦质谱计的参数设定为：εm'=0°，Φm=90°，即离子束垂直入射磁分析器且在磁场中的偏转角度为90°，同时在磁场出口边界上实现双聚焦，即lm″=0，由双聚焦条件式（4）计算得到Φe=31.8°。分别用式（5）和式（6）计算le'和εm″：

式中：εm″为离子在磁场中的出射角度。

质量分析器的结构参数设计如表1所列。

表1 质量分析器的结构参数Tab.1 Parameters of mass analyzer

2.2 仿真结果分析

利用离子光学仿真软件SIMION8.1建立物理模型，研究离子的传输及聚焦情况。首先设置聚焦电压VH/加速电压VB=0.7，推斥极电压VR=30 V，离子束初始束宽0.2 mm，发散角0.2°，能量分散0 eV，随机选取500个离子，加速电压VB为2 000 V，离子质量为 44 amu，le'为 35.36 mm，le″+lm'为 11 mm，从图3（a）可以看出，随着离子束初始宽度的增加，传输效率逐渐降低，而焦平面位置处的像宽基本不变。

图3 离子束初始状态对成像结果的影响Fig.3 The effect of initial state of ion beam on imaging results

从图3（b）可以发现，尽管离子束初始角度发散程度在变化，但是传输效率和焦平面位置处的像宽变化不大；由于离子束在磁分析器焦平面位置处聚焦，检测器与焦平面之间距离越远，离子束发散程度越高，检测到的像宽越大，如图3（c）所示。此外，当VH/VB逐渐增大，即聚焦电压增大时，离子束像宽逐渐减小，传输效率逐渐增大；当串联在加速电压VB上的推斥极电压VR增大时，离子束像宽和传输效率均呈现为减小趋势，如图4所示。

图4 聚焦极与推斥极电压变化对成像结果的影响Fig.4 The effect of voltage changes of focusing and repeller on imaging results

根据上述分析，固定离子束初始束宽为0.6 mm，发散角为0.2°，能量分散为0.2%，le'=35.36 mm，le″+lm'=11 mm，VH/VB=0.8，VR=20 V，加速电压为2 000 V，质荷比为12、18、32、44时离子束的运动轨迹如图5所示。可以看出，在焦平面处，各离子束像宽均最小，当远离焦平面时，离子束像宽呈现为增大趋势，因此，该设计方案能够满足双聚焦条件。

图5 离子光学系统仿真模拟Fig.5 Simulation of ion optical system

此外，上述模拟没有考虑边缘场的影响，而实际上在磁分析器入口前有一定的磁场强度，会使离子提前偏转。图6显示了理论和实际条件下磁场入口处的边缘场分布，理想情况下，外部磁场强度为0，而在入口处会发生阶跃突变，如红色虚线所示；在实际应用中，磁场强度在磁场入口附近有一个渐变过程，与阶跃分布完全不同。也就是说，离子束在进入磁分析器之前就受到了磁场的影响，失去了平行入射的可能性。鉴于此，对磁分析器入口处进行优化，即在要屏蔽的区域，采用高磁导率的材料设置屏蔽板形成磁回路，有效减小了目标区域的边缘场。

图6 理论和实际条件下磁场入口处的边缘场分布Fig.6 Theoretical and practical fringe field distributions

3 实验结果

实验在兰州空间技术物理研究所研制的质谱计调测研究装置中进行，该装置主要由稳压室、质谱分析室、抽气系统等组成，如图7所示，（a）为实验装置；（b）为原理图。将待测试小型双聚焦质谱计放置于分析室中，当测试分析室中残余气体成分时，开启抽气系统，将质谱分析室的压力抽至10-4Pa以下，测试质谱计的性能；当测量高纯气体（纯度为99.99%的He、H2）时，还须通过针阀将待测气体先后引入到小腔体进气室及质谱分析室中，测试双聚焦质谱计的相关性能。

图7 实验装置及其原理图Fig.7 Schematic diagram of the testing equipment

图8为空间用小型双聚焦质谱计实物图。为了验证静电场电压Ve和加速电压VB之间的比例关系是否恒定，在仅安装了离子源—静电分析器的情况下，测试了不同加速电压VB下（200 V、300 V、500 V、800 V、1 000 V、1 500 V）的离子流强度。按照离子从加速极获得的动能计算出离子以圆周运动穿过静电场中心处飞出时，静电场电压Ve和离子源加速电压VB之比为1∶10，如图9所示，离子流强度峰值大致位于Ve/VB=0.1处，但是随着加速电压的增大，Ve/VB呈现为逐渐减小的趋势，这可能是受到边缘场的影响。因此，在实际调试过程中，须对其进行修正。

图8 空间用小型双聚焦质谱计实物图Fig.8 The physical map of miniature space double-focusing mass spectrometer

图9 不同Ve/VB下通过的离子流强度Fig.9 The intensity of ion current under different Ve/VB

空气中存在多种气体成分[19]，用磁质谱基本方程式（1）计算可得：在磁场强度0.85 T、离子源灯丝加热电流2.8 A、加速电压为2 000 V的情况下，H2O等大多数气体均能在荧光屏上成像，图10（a）所示为实际成像位置，图10（b）是通过控制软件将光信号转化为电信号得到的关于离子相对强度的质谱图。真空系统中的主要残余气体有H2O（m/q，18）、N2（m/q，28）、O2（m/q，32）等及其各自的碎片峰，其中质谱计对H2O的半峰宽（FWHM）为0.361 amu，分辨能力为 49.861；对 N2和 O2的半峰宽（FWHM）分别为0.734 amu和 0.857 amu，分辨能力为 38.147和37.340。由于磁分析器本身的特性及荧光屏实际安装时与磁分析器焦平面出口有一定的距离，因此会造成谱峰与实际质荷比有一定的误差，后续须进行校准。

图10 残余空气测试结果Fig.10 The testing results of residual air

由于离子源的最大加速电压为3 000 V，无法采用0.85 T磁铁测试小质量数离子，因此用0.25 T的磁铁测试He和H2的成像及质谱图如11、12所示。当加速电压VB为1 500 V、磁场强度为0.25 T时，He的半峰宽（FWHM）和分辨本领分别为0.124 amu和32.26；当加速电压为2 500 V、磁场强度为0.25 T时，H2的半峰宽（FWHM）和分辨本领分别为0.087 5 amu和22.86。

图11 He测试结果Fig.11 The testing results of He

图12 H2测试结果Fig.12 The testing results of H2

4 结论

本文通过理论计算对小型Mattauch-Herzog双聚焦质谱计的离子光学系统物理参数及结构进行了整体设计。利用离子光学透镜模拟软件SIMION8.1进行仿真，研究了离子初始状态变化对最终焦平面成像结果的影响。结果表明，随着离子束初始宽度增大，传输效率降低，而在焦平面位置处的像宽基本不变；若检测器离焦平面的距离越远，检测到的像宽越大。测试发现，当磁场强度与加速电压为0.85 T和2 000 V时，H2O的半峰宽（FWHM）为0.361 amu，分辨能力为49.861；N2和O2的半峰宽（FWHM）分别为0.734 amu和0.857 amu，分辨能力为38.147和37.340。当加速电压为1 500 V、磁场强度为0.25 T时，He的半峰宽（FWHM）和分辨本领为0.124 amu和32.26；当加速电压为2 500 V、磁场强度为0.25 T时，H2的半峰宽（FWHM）和分辨本领为0.087 5 amu和22.86。该质谱计有望应用于真空检漏、真空质谱定性和定量分析等领域。