电子轰击离子源离子传输效率的数值模拟与实验研究

郭 文，成永军，陈 联，冯天佑，王星辉，邱云涛

（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）

0 引言

小型四极质谱计是目前应用最成熟的质谱计，作为危险气体检测、残余气体分析、真空系统检漏方法[1-3]的常用仪器广泛应用于表面科学、真空物理、医疗、环境监测等领域。离子源是四极质谱计的核心部件，关系到质谱计的分辨本领和灵敏度。电子轰击离子源（Electron Impact Ion Source，EI源）电离效率高、离子流稳定、结构简单、可靠、是用于气体分析的四极质谱计的首选离子源[4-7]。

EI源的主要功能为：一是将待检测的气体分子电离成离子；二是将电离形成的离子经过加速和聚焦传输到四极杆质量分析器中。因此，EI源有两个重要的性能参数：离子传输效率和离子聚焦性能[8-9]，其中，离子传输效率直接影响四极质谱计的分析灵敏度，离子聚焦性能直接影响四极质谱计的质量分辨率。由此可见，研究EI源的离子聚焦性能和离子传输效率对提高四极质谱计的灵敏度和质量分辨本领具有重要的意义。

本文基于兰州空间技术物理研究所自研的四极质谱计EI源，构建EI源三维模型，采用离子光学模拟软件，仿真模拟EI源离子的运动轨迹，研究各电极电压对EI源离子传输效率的影响，并进行实验验证。

1 模型和方法

1.1 仪器结构和工作原理

四极质谱计电子轰击离子源包括由两极板和栅网A组成的电离室B，环绕在栅网外侧的灯丝C和屏蔽极D，聚焦极E，引出极F，其中B、E、F电极组成一组离子光学透镜，实现离子的引出、加速和聚焦，其结构如图1所示。

图1 EI源结构示意图Fig.1 Schematic of EI source

当EI源工作时，首先给材料为敷氧化钇铱的热阴极灯丝通电，灯丝发热后，其表面会随机发射电子[10]，这些电子受到电场的作用，在栅网间隙中振荡，并与进入该空间的气体分子或原子碰撞，形成带正电荷的离子，随后这些正离子受离子光学透镜的作用聚焦成离子束，并被引至四极杆入口端，最终进入四极滤质器。

1.2 模拟软件和分析方法

采用软件Simion8.1进行模拟仿真[11]。该软件主要用于计算带电粒子在特定电极产生的电场中的运动轨迹，利用程序提供的强大计算功能，实现带电粒子运动轨迹的可视化[12-13]。

根据四极质谱计离子源工程研制经验，采用控制变量法，研究电离室电压、电离室与引出极电压差和聚焦极电压等参数变化对EI源离子传输效率的影响。

2 模拟仿真结果及讨论

2.1 模拟步骤与参数设置

离子传输效率的模拟仿真步骤如下：

（1）用Simion8.1建立EI源的物理模型，如图2所示；

图2 用Simion8.1建立的EI源物理模型Fig.2 Physical model of EI source established by Simion8.1

（2）设置离子初始状态：假定离子均匀分布在电离室栅网内部，数量为10 000个，质量数设置为40 amu，离子带1个单位的正电荷，选择该离子质量是因为后续实验验证时可选择Ar作为被测气体。Ar原子进入离子源后，大部分被电离成Ar＋离子，离子的初始能量接近0 eV，在仿真模拟中设置为0 eV；

（3）设定离子光学透镜三电极电压：电离室电压 Udf、聚焦极电压 Ujf、引出极电压 Uyf；

（4）运行软件，模拟离子运动轨迹，记录从引出极出来的离子流的离子数量，该数量占总离子数量的百分比即为离子传输效率。离子轨迹如图3所示。

图3 离子流轨迹Fig.3 Ion beam trajectory

2.2 聚焦极电压和引出极电压对离子传输效率的影响

固定电离室电压Udf不变，为确保Ar原子能达到最佳电离效果[14]，设置Udf=100 V。为使离开离子源进入四极场的离子能量在6～10 eV[15]之间，设置引出极电压为86～96 V，调节步长为2 V，聚焦极电压为-200～100 V，调节步长为10 V。记录不同引出极电压Uyf和聚焦极电压Ujf对应的离子传输效率，结果如图4所示。

图4 离子传输效率随聚焦极和引出极电压变化的模拟结果Fig.4 The ion transfer rate varies with the focusing and ejecting voltage in simulation

结果表明，固定电离室电压为100 V，当引出极电压不变时，离子传输效率会随聚焦极电压的增大而先增后减，将离子传输效率达到最大时对应的聚焦极电压记作最优聚焦极电压Ujmf，即当电离室电压与引出极电压确定后，将存在一个离子最大传输效率和其对应的最优聚焦极电压Ujmf。随着引出极电压的增大，也即随着引出极与电离室间电压差的减小，离子最大传输效率变小，对应的聚焦极电压Ujmf增大。

2.3 电离室电压对离子传输效率的影响

接着对电离室电压和引出极电压发生改变时的离子传输效率变化情况进行模拟。设置电离室电压为60～140 V，调节步长为20 V；设置引出极电压与电离室电压差为10 V、8 V、6 V，记录不同电离室电压和引出极电压时的最大离子传输效率和对应的最优聚焦极电压，模拟结果如表1所列。

表1 不同电离室电压和引出极电压下最大离子传输效率和最优聚焦电压的模拟结果Tab.1 The maximum ion transfer rate and optimal focusing voltage at different ionization chamber voltage and ejecting voltage in simulation

结果表明，当电离室电压恒定不变时，引出极电压越大，即电离室与引出极间电压差越小，最大离子传输效率越小，对应的最优聚焦极电压Ujmf越大，这与前文得到的结果一致；保持电离室电压Udf和引出极电压Uyf的差值为固定值，即同步调节电离室电压Udf和引出极电压Uyf，则随着电离室电压Udf和引出极电压Uyf的增大，最大离子传输效率减小，对应的最优聚焦极电压Ujmf增大。

综合上述模拟结果可以看到，在EI源中，任一电极电压的变化都会引起离子传输效率的变化。这是由于电极电压改变时，空间电场分布发生改变，离子光学透镜的聚焦性能受到影响，部分离子在电场力作用下撞到不同的电极上，这些离子就是EI源在离子传输时损失掉的部分。损失得越少，离子光学聚焦透镜的聚焦性能越好，离子传输效率越高。此外，电离室与引出极电压差也影响离子的能量，不同能量的离子具有不同的速度，同样影响传输效率。

3 实验结果及讨论

EI源离子传输效率性能实验在兰州空间技术物理研究所研制的四极质谱计调测平台上完成。实验时将EI源和用于接收离子流信号的法拉第筒安装在EI源调试专用装置上，再将该装置接到真空系统上。

向真空系统通入Ar，并保持系统压力不变、EI源发射电流不变，此时可视离子源内产生的离子总数为恒定，法拉第筒收到的离子流强度信号即可作为衡量离子传输效率的参数。强度信号越大，离子传输效率越高，强度信号越小，离子传输效率越低。

3.1 聚焦极电压和引出极电压对信号的影响

实验步骤与仿真模拟步骤一致，首先设置电离室电压Uds=100 V，记录离子流强度信号随聚焦极和引出极电压的变化情况，实验结果如图5所示。

图5 离子流强度随聚焦极和引出极电压的实验结果Fig.5 The ion flow signal varies with the focusing and ejecting voltage in experiment

结果表明，当固定电离室电压为100 V，引出极电压不变时，离子流强度随聚焦极电压增大呈先增后减趋势，这表明，离子传输效率随聚焦极电压增大先增后减；调节引出极电压，随着引出极电压增大，最大离子流强度减小，对应的最优聚焦极电压Ujms增大。实验结果与模拟仿真结果一致。

3.2 电离室电压对离子流强度的影响

实验步骤与仿真模拟步骤一致：设置电离室电压为60～140 V，调节步长为20 V，设置引出极电压与电离室电压差分别为10 V、8 V、6 V，记录不同电离室电压和引出极电压时的最大离子流强度和最优聚焦极电压，实验结果如表2所列。

表2 不同电离室电压和引出极电压下的最大离子流强度和最优聚焦电压实验结果Tab.2 The maximum ion signal and optimal focusing voltage at different ionization chamber voltage and ejecting voltage in experiment

实验结果表明，当电离室电压不变时，引出极电压越大，即电离室与引出极间电压差越小，最大离子传输效率越小，对应的最优聚焦极电压Ujms越大，这与模拟仿真结果一致。

当保持电离室电压和引出极电压的差值为固定值，同步调节电离室电压和引出极电压，随着电离室电压和引出极电压的增大，最大离子流信号对应的最优聚焦极电压Ujms逐渐增大，最大离子流强度先增大后减小，当电离室电压Uds=100 V时，离子流信号有最大值：当Uds-Uys=10 V时，最大离子流强度Iims为183.2 pA。而在仿真模拟中，随着电离室电压Udf和引出极电压Uyf的增大，最大离子传输效率是单调减小的，这与实验结果有差别。分析发现，造成差别的原因主要是，在实验中，当电离室电压改变时，参与碰撞电离的电子能量发生改变，而电子能量与Ar原子电离概率的关系如图6所示[15]，可以看出，Ar原子的碰撞概率随电子能量的增大而先增大后减小，即电离室中的离子总数先增大后减小。因此，当改变电离室电压后，即便模拟结果显示离子传输效率变大了，实验中可能因为离子总数减小的更多，接收到的离子流强度变小。

图6 Ar原子电离概率与电子能量的关系Fig.6 Relationship between Ar atomic ionization probabilities and electron energy

此外，当电离室电压发生变化时，电离室内部的空间电场分布也会发生变化，影响电子在电离室中的运动轨迹，轨迹的变化又影响电离室中产生的离子总数[10，16]，但由于电子实际上是做震荡运动，轨迹变化带来的影响较小，可以不考虑。

4 结论

本文利用仿真软件对自研的四极质谱计所用EI源进行数值模拟，研究了改变EI源离子光学静电透镜三电极参数对离子传输效率的影响，并进行了实验验证。对比分析模拟和实验结果可知，要提高EI源离子的传输效率，须采取以下措施：（1）降低电离室电压；（2）增大电离室与引出极间电压差；（3）在确定电离室电压和引出极电压后，调节聚焦极电压至最优值。

实际上，将EI源应用于四极质谱计时，电离室电压受限于参与电离的电子能量，无法降低很多；电离室与引出极间电压差受限于进入四极场的离子能量，同样无法增大很多，故对于四极质谱计而言，提高EI源离子传输效率的有效方法是调节聚焦极电压。