離子源是磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計的核心，離子源的聚焦和離子引出效率對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)譜計的電子轟擊型離子源模型，計算了離子的運動軌跡，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，離子束在運動過程中能夠兩次聚焦，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)計提供重要的理論依據(jù)和實驗指導(dǎo)。

1、引言

　　磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計穩(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、航天器環(huán)境分析、食品安全、藥物檢測、工業(yè)過程控制等諸多領(lǐng)域。電子轟擊型離子源( Electron Impact Ion Source，簡稱EI 源) 由于其設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，被廣泛應(yīng)用于空間小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計，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://www.mp99x.cn/)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)譜計的分辨率，引出效率直接影響質(zhì)譜計的分析靈敏度。對于傳統(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EI 源的物理模型，采用相空間的分析方法，通過數(shù)值計算的方法研究了EI 源內(nèi)離子初始分布和電參數(shù)對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、離子軌跡計算及相空間分析方法

3.1、離子軌跡計算

　　SIMION-3D 8.0 軟件包主要用來計算帶電粒子在特定電極( 不同電勢、材料、帶電狀態(tài)、幾何形狀等) 產(chǎn)生的電場中的運動軌跡，程序提供了強(qiáng)大的計算功能，并且可使結(jié)果可視化，用戶通過建立幾何模型、編寫用戶程序來完成復(fù)雜的計算。在SIMION-3D 8.0 中首先編寫幾何文件1.gem，定義一個離子源的三維靜電勢點陣列，每個電極都是獨立的電勢點陣列，如圖2(a) 是三維示意圖，圖2(b) 是剖視圖，圖中字母代表各個電極。這些電勢陣列是由三維的點陣列組成的長方體陣列構(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)電勢陣列中的點限制在特定的電極和非電極范圍內(nèi)時，SIMION- 3D 8.0 就可以通過求解Laplace 方程(1) ，利用有限元方法計算三維陣列空間中任意點的電勢:

　　再利用四階- 龍哥庫塔法計算離子在電場中的運動軌跡

圖3 離子在離子源內(nèi)的運動軌跡

(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)計的非常小，從而主狹縫S 也會阻擋一部分離子，離子傳輸?shù)?alpha; 狹縫處時也會被阻擋一部分，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)來探討離子源的性能。對于引出效率的研究通過編寫用戶程序(User Program) 記錄引出的離子數(shù)來計算引入到分析器的離子占離子源內(nèi)離子數(shù)的比例。對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

　　在一個由許多粒子構(gòu)成的體系中，某一粒子于某一瞬時的運動狀態(tài)可用它的位置p 和速度v 來描述，它在直角坐標(biāo)系中的分量分別是x ，y ，z; vx，vy，vz，該六個物理量定義的六維空間，稱為相空間。若離子的p 點和v 點值已確定，那么它在相空間的位置也隨之確定，且隨著粒子的運動狀態(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法同時實現(xiàn)。

圖4 離子在z 方向上聚焦處的相空間圖形