小型磁偏轉質(zhì)譜計離子源設計與驗證

　　離子源是質(zhì)譜計的“心臟”，其很大程度上直接決定了質(zhì)譜計的靈敏度、分辨率等主要性能指標，因此需要對其結構和供配電關(guān)系等精心設計。針對空間環(huán)境探測應用目標，開(kāi)展了小型磁偏轉質(zhì)譜計離子源的設計、仿真分析和試驗測試。闡述了離子源的設計結構、供配電關(guān)系以及仿真分析和試驗驗證情況。通過(guò)分析得到了電壓參數對離子束引出能力和束發(fā)散角的影響結果，通過(guò)試驗驗證了離子源的主要性能指標和抗力學(xué)環(huán)境能力滿(mǎn)足設計要求。

　　小型磁偏轉質(zhì)譜計因穩定性好、定量性好、豐度靈敏度高、結構簡(jiǎn)單、體積小、功耗低等特點(diǎn)，被廣泛應用于原子能、石油、化工、食品、醫藥等工業(yè)生產(chǎn)部門(mén)，以及航天、地質(zhì)學(xué)、生物化學(xué)、藥物學(xué)、環(huán)境檢測、公共安全等行業(yè)，實(shí)現原位實(shí)時(shí)氣體成分分析。原位分析一般要求質(zhì)譜計具備體積小、重量輕、功耗低等特性，一些特殊行業(yè)如航天，還要求具備抗力學(xué)環(huán)境能力。

　　在質(zhì)譜計中，離子源的功能是將試樣原子或分子電離并使之會(huì )聚成具有一定形狀和能量的離子束。離子源是質(zhì)譜計的“心臟”，很大程度上直接決定了質(zhì)譜計的靈敏度、分辨率等主要性能指標。因而應用于小型質(zhì)譜計的離子源，必須具備體積小、重量輕、功耗低、抗力學(xué)環(huán)境能力強、靈敏度高、穩定性好、定量性好等特點(diǎn)。為使離子源具備這些特性，離子源設計必須結構簡(jiǎn)單、電離效率高、引出和聚焦性能好。

　　本文介紹了用于小型磁偏轉質(zhì)譜計的離子源結構和供配電關(guān)系設計。同時(shí)還對離子源內電場(chǎng)分布、離子運動(dòng)軌跡進(jìn)行了仿真分析，并通過(guò)質(zhì)譜計整機測試和試驗間接驗證了離子源設計。

1、結構設計及供配電關(guān)系

　　本文設計的小型離子源屬尼爾型離子源。該小型離子源放電室體積約為1cm³，其兩側分別為螺旋狀錸鎢燈絲和電子收集極。燈絲后側設計了電子加速極，該極相對電離室電壓為-72 V。因為在電離能72 eV 下，大多數氣體分子電離幾率接近最大值。燈絲發(fā)射的電子經(jīng)電子加速場(chǎng)加速后進(jìn)入電離室，在電離室內與氣體分子發(fā)生碰撞使其電離，電離產(chǎn)生的離子經(jīng)靜電透鏡聚焦引出，電子被電子收集極收集。為了增加電子運動(dòng)路徑提高電離效率，并使電子束的寬度不致發(fā)散，以保證最小的離子能量分散，一對準直磁鐵分別安置在電子加速極和電子收集極兩側。因離子質(zhì)量遠大于電子質(zhì)量，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為該磁場(chǎng)對離子的影響可以忽略。為改善放電室電場(chǎng)減小離子能量色散，放電室內部設計了推斥極。

　　圖1 給出了離子源原理示意圖。為了實(shí)現小型化，靜電透鏡采用了狹縫膜孔透鏡結構，由引出縫、聚焦極、主狹縫和α 縫組成。引出縫、聚焦極和主狹縫加速引出離子并聚焦在主狹縫附近，獲得最強的離子束流。α 縫限制離子束散角，提高質(zhì)譜計分辨率。通過(guò)電極絕緣支撐結構件的抗力學(xué)設計和防高壓放電設計提高了離子源抗力學(xué)能力和電極間高壓絕緣強度。整個(gè)離子源重約90 g，整機包絡(luò )尺寸為40×40×50 mm³，電離室和靜電透鏡組件尺寸為17×38×24 mm³。

圖1 離子源原理示意圖

　　離子源供配電關(guān)系如圖1 所示。離子加速電壓Va 在(250～2500)V 范圍內步進(jìn)掃描，如圖2所示。燈絲加熱電流設計0~3 A 可調。為延長(cháng)燈絲壽命，燈絲加電時(shí)從零逐步調節到工作電流，達到燈絲除氣和應力釋放目的。電子收集極電位相對于加速電壓為48 V，推斥極電位相對于加速電壓為6 V，聚焦極電位根據仿真分析或實(shí)驗調試確定，α 縫和主狹縫接地，即與真空設備或衛星同電位。

圖2 加速電壓掃描模式

2、仿真分析

　　為了確定離子源聚焦極最佳工作電壓，采用SIMION 軟件對離子源電場(chǎng)分布和離子運動(dòng)軌跡進(jìn)行了模擬分析。離子源三維仿真模型如圖3 所示，x 軸指向離子運動(dòng)方向，y 軸沿電極狹縫方向，z 軸垂直于電極狹縫。電勢計算時(shí)，以電極為已知電壓邊界條件，絕緣件按自由空間對待。采用超松弛迭代有限差分法計算拉普拉斯方程求得空間電勢分布，再求解電勢梯度得到空間電場(chǎng)分布。離子運動(dòng)軌跡的計算采用四階龍格- 庫塔法。圖4 給出了通過(guò)仿真分析得到的離子源垂直狹縫方向對稱(chēng)面上的電勢線(xiàn)和勢能面。

圖3 離子源有限元模型

圖4 離子源中心剖面電勢線(xiàn)和勢能面

　　圖5 給出了不同聚焦電壓比下離子源的離子引出能力。從圖中可以看出，當聚焦電壓為加速電壓的0.93 倍時(shí)，離子源離子光學(xué)透鏡引出效率最高，通過(guò)主狹縫的離子數最多。當聚焦電壓小于或大于0.93 倍時(shí)引出效率均變差，大部分離子撞擊到主狹縫上。圖6 給出了聚焦分壓為0.93倍時(shí)的離子運動(dòng)軌跡，離子束聚焦兩次，第二次聚焦點(diǎn)位于主狹縫處，通過(guò)離子源主狹縫的離子數最多，離子源靈敏度獲得最大值。

　　圖7 給出了當聚焦電壓為加速電壓的0.93倍時(shí)，離子束在主狹縫和α 縫處z-z′相圖，從圖7 可以看出通過(guò)主狹縫的絕大多數離子半散角小于100 mrad，只有極少數離子半散角大于100 mrad。通過(guò)α 縫進(jìn)入磁分析器的離子半散角小于30 mrad。

圖5 聚焦電壓與加速電壓比對離子束引出效率的影響曲線(xiàn)

圖6 聚焦電壓為加速電壓0.93 倍時(shí)，離子運動(dòng)軌跡

圖7 聚焦電壓為加速電壓0.93 倍時(shí)，在(a)主狹縫和(b)α 縫處z-z′相圖

3、試驗測試

　　離子源裝配于小型磁偏轉質(zhì)譜計后，將整個(gè)質(zhì)譜計放入真空測試系統進(jìn)行了調試和性能測試。圖8 給出了小型磁偏轉質(zhì)譜計測量質(zhì)譜圖，圖8(a)為真空殘氣譜，圖8(b)為通入氮氣后的質(zhì)譜圖，該質(zhì)譜圖清晰顯示了氮氣的N+2 和N+ 峰。該小型磁偏轉質(zhì)譜計靈敏度為9.4×10-6 A/Pa。N+2峰半高寬絕對分辨率為0.8 amu。

　　為驗證離子源的環(huán)境適應能力，對小型磁偏轉質(zhì)譜計整機開(kāi)展了振動(dòng)、沖擊力學(xué)試驗和熱真空試驗，試驗過(guò)程未發(fā)現異常，試驗前后性能指標沒(méi)有發(fā)生變化，證明離子源具有良好的環(huán)境適應能力。

圖8 真空殘氣和通入氮氣后的質(zhì)譜圖

4、結論

　　設計的小型磁偏轉質(zhì)譜計離子源具有結構簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、穩定性好、靈敏度高、力學(xué)環(huán)境適應性好等特點(diǎn)。設計的離子源整個(gè)包絡(luò )尺寸為40×40×50 mm³，重量約90 g；當聚焦電壓為加速電壓的0.93 倍時(shí)，離子源聚焦效果最好，大部分離子通過(guò)主狹縫，離子源靈敏度獲得最大值；通過(guò)α 縫進(jìn)入磁分析器的離子束半散角小于30 mrad。質(zhì)譜計整機測試和試驗結果間接驗證了離子源的性能指標滿(mǎn)足空間環(huán)境氣體探測應用需求，其結構設計具有良好的環(huán)境適應能力。