電子轟擊離子源離子傳輸效率的數值模擬與實驗研究

郭 文，成永軍，陳 聯，馮天佑，王星輝，邱云濤

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

小型四極質譜計是目前應用最成熟的質譜計，作為危險氣體檢測、殘余氣體分析、真空系統檢漏方法[1-3]的常用儀器廣泛應用于表面科學、真空物理、醫療、環境監測等領域。離子源是四極質譜計的核心部件，關系到質譜計的分辨本領和靈敏度。電子轟擊離子源（Electron Impact Ion Source，EI源）電離效率高、離子流穩定、結構簡單、可靠、是用于氣體分析的四極質譜計的首選離子源[4-7]。

EI源的主要功能為：一是將待檢測的氣體分子電離成離子；二是將電離形成的離子經過加速和聚焦傳輸到四極桿質量分析器中。因此，EI源有兩個重要的性能參數：離子傳輸效率和離子聚焦性能[8-9]，其中，離子傳輸效率直接影響四極質譜計的分析靈敏度，離子聚焦性能直接影響四極質譜計的質量分辨率。由此可見，研究EI源的離子聚焦性能和離子傳輸效率對提高四極質譜計的靈敏度和質量分辨本領具有重要的意義。

本文基于蘭州空間技術物理研究所自研的四極質譜計EI源，構建EI源三維模型，采用離子光學模擬軟件，仿真模擬EI源離子的運動軌跡，研究各電極電壓對EI源離子傳輸效率的影響，并進行實驗驗證。

1 模型和方法

1.1 儀器結構和工作原理

四極質譜計電子轟擊離子源包括由兩極板和柵網A組成的電離室B，環繞在柵網外側的燈絲C和屏蔽極D，聚焦極E，引出極F，其中B、E、F電極組成一組離子光學透鏡，實現離子的引出、加速和聚焦，其結構如圖1所示。

圖1 EI源結構示意圖Fig.1 Schematic of EI source

當EI源工作時，首先給材料為敷氧化釔銥的熱陰極燈絲通電，燈絲發熱后，其表面會隨機發射電子[10]，這些電子受到電場的作用，在柵網間隙中振蕩，并與進入該空間的氣體分子或原子碰撞，形成帶正電荷的離子，隨后這些正離子受離子光學透鏡的作用聚焦成離子束，并被引至四極桿入口端，最終進入四極濾質器。

1.2 模擬軟件和分析方法

采用軟件Simion8.1進行模擬仿真[11]。該軟件主要用于計算帶電粒子在特定電極產生的電場中的運動軌跡，利用程序提供的強大計算功能，實現帶電粒子運動軌跡的可視化[12-13]。

根據四極質譜計離子源工程研制經驗，采用控制變量法，研究電離室電壓、電離室與引出極電壓差和聚焦極電壓等參數變化對EI源離子傳輸效率的影響。

2 模擬仿真結果及討論

2.1 模擬步驟與參數設置

離子傳輸效率的模擬仿真步驟如下：

（1）用Simion8.1建立EI源的物理模型，如圖2所示；

圖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）設置離子初始狀態：假定離子均勻分布在電離室柵網內部，數量為10 000個，質量數設置為40 amu，離子帶1個單位的正電荷，選擇該離子質量是因為后續實驗驗證時可選擇Ar作為被測氣體。Ar原子進入離子源后，大部分被電離成Ar＋離子，離子的初始能量接近0 eV，在仿真模擬中設置為0 eV；

（3）設定離子光學透鏡三電極電壓：電離室電壓 Udf、聚焦極電壓 Ujf、引出極電壓 Uyf；

（4）運行軟件，模擬離子運動軌跡，記錄從引出極出來的離子流的離子數量，該數量占總離子數量的百分比即為離子傳輸效率。離子軌跡如圖3所示。

圖3 離子流軌跡Fig.3 Ion beam trajectory

2.2 聚焦極電壓和引出極電壓對離子傳輸效率的影響

固定電離室電壓Udf不變，為確保Ar原子能達到最佳電離效果[14]，設置Udf=100 V。為使離開離子源進入四極場的離子能量在6～10 eV[15]之間，設置引出極電壓為86～96 V，調節步長為2 V，聚焦極電壓為-200～100 V，調節步長為10 V。記錄不同引出極電壓Uyf和聚焦極電壓Ujf對應的離子傳輸效率，結果如圖4所示。

圖4 離子傳輸效率隨聚焦極和引出極電壓變化的模擬結果Fig.4 The ion transfer rate varies with the focusing and ejecting voltage in simulation

結果表明，固定電離室電壓為100 V，當引出極電壓不變時，離子傳輸效率會隨聚焦極電壓的增大而先增后減，將離子傳輸效率達到最大時對應的聚焦極電壓記作最優聚焦極電壓Ujmf，即當電離室電壓與引出極電壓確定后，將存在一個離子最大傳輸效率和其對應的最優聚焦極電壓Ujmf。隨著引出極電壓的增大，也即隨著引出極與電離室間電壓差的減小，離子最大傳輸效率變小，對應的聚焦極電壓Ujmf增大。

2.3 電離室電壓對離子傳輸效率的影響

接著對電離室電壓和引出極電壓發生改變時的離子傳輸效率變化情況進行模擬。設置電離室電壓為60～140 V，調節步長為20 V；設置引出極電壓與電離室電壓差為10 V、8 V、6 V，記錄不同電離室電壓和引出極電壓時的最大離子傳輸效率和對應的最優聚焦極電壓，模擬結果如表1所列。

表1 不同電離室電壓和引出極電壓下最大離子傳輸效率和最優聚焦電壓的模擬結果Tab.1 The maximum ion transfer rate and optimal focusing voltage at different ionization chamber voltage and ejecting voltage in simulation

結果表明，當電離室電壓恒定不變時，引出極電壓越大，即電離室與引出極間電壓差越小，最大離子傳輸效率越小，對應的最優聚焦極電壓Ujmf越大，這與前文得到的結果一致；保持電離室電壓Udf和引出極電壓Uyf的差值為固定值，即同步調節電離室電壓Udf和引出極電壓Uyf，則隨著電離室電壓Udf和引出極電壓Uyf的增大，最大離子傳輸效率減小，對應的最優聚焦極電壓Ujmf增大。

綜合上述模擬結果可以看到，在EI源中，任一電極電壓的變化都會引起離子傳輸效率的變化。這是由于電極電壓改變時，空間電場分布發生改變，離子光學透鏡的聚焦性能受到影響，部分離子在電場力作用下撞到不同的電極上，這些離子就是EI源在離子傳輸時損失掉的部分。損失得越少，離子光學聚焦透鏡的聚焦性能越好，離子傳輸效率越高。此外，電離室與引出極電壓差也影響離子的能量，不同能量的離子具有不同的速度，同樣影響傳輸效率。

3 實驗結果及討論

EI源離子傳輸效率性能實驗在蘭州空間技術物理研究所研制的四極質譜計調測平臺上完成。實驗時將EI源和用于接收離子流信號的法拉第筒安裝在EI源調試專用裝置上，再將該裝置接到真空系統上。

向真空系統通入Ar，并保持系統壓力不變、EI源發射電流不變，此時可視離子源內產生的離子總數為恒定，法拉第筒收到的離子流強度信號即可作為衡量離子傳輸效率的參數。強度信號越大，離子傳輸效率越高，強度信號越小，離子傳輸效率越低。

3.1 聚焦極電壓和引出極電壓對信號的影響

實驗步驟與仿真模擬步驟一致，首先設置電離室電壓Uds=100 V，記錄離子流強度信號隨聚焦極和引出極電壓的變化情況，實驗結果如圖5所示。

圖5 離子流強度隨聚焦極和引出極電壓的實驗結果Fig.5 The ion flow signal varies with the focusing and ejecting voltage in experiment

結果表明，當固定電離室電壓為100 V，引出極電壓不變時，離子流強度隨聚焦極電壓增大呈先增后減趨勢，這表明，離子傳輸效率隨聚焦極電壓增大先增后減；調節引出極電壓，隨著引出極電壓增大，最大離子流強度減小，對應的最優聚焦極電壓Ujms增大。實驗結果與模擬仿真結果一致。

3.2 電離室電壓對離子流強度的影響

實驗步驟與仿真模擬步驟一致：設置電離室電壓為60～140 V，調節步長為20 V，設置引出極電壓與電離室電壓差分別為10 V、8 V、6 V，記錄不同電離室電壓和引出極電壓時的最大離子流強度和最優聚焦極電壓，實驗結果如表2所列。

表2 不同電離室電壓和引出極電壓下的最大離子流強度和最優聚焦電壓實驗結果Tab.2 The maximum ion signal and optimal focusing voltage at different ionization chamber voltage and ejecting voltage in experiment

實驗結果表明，當電離室電壓不變時，引出極電壓越大，即電離室與引出極間電壓差越小，最大離子傳輸效率越小，對應的最優聚焦極電壓Ujms越大，這與模擬仿真結果一致。

當保持電離室電壓和引出極電壓的差值為固定值，同步調節電離室電壓和引出極電壓，隨著電離室電壓和引出極電壓的增大，最大離子流信號對應的最優聚焦極電壓Ujms逐漸增大，最大離子流強度先增大后減小，當電離室電壓Uds=100 V時，離子流信號有最大值：當Uds-Uys=10 V時，最大離子流強度Iims為183.2 pA。而在仿真模擬中，隨著電離室電壓Udf和引出極電壓Uyf的增大，最大離子傳輸效率是單調減小的，這與實驗結果有差別。分析發現，造成差別的原因主要是，在實驗中，當電離室電壓改變時，參與碰撞電離的電子能量發生改變，而電子能量與Ar原子電離概率的關系如圖6所示[15]，可以看出，Ar原子的碰撞概率隨電子能量的增大而先增大后減小，即電離室中的離子總數先增大后減小。因此，當改變電離室電壓后，即便模擬結果顯示離子傳輸效率變大了，實驗中可能因為離子總數減小的更多，接收到的離子流強度變小。

圖6 Ar原子電離概率與電子能量的關系Fig.6 Relationship between Ar atomic ionization probabilities and electron energy

此外，當電離室電壓發生變化時，電離室內部的空間電場分布也會發生變化，影響電子在電離室中的運動軌跡，軌跡的變化又影響電離室中產生的離子總數[10，16]，但由于電子實際上是做震蕩運動，軌跡變化帶來的影響較小，可以不考慮。

4 結論

本文利用仿真軟件對自研的四極質譜計所用EI源進行數值模擬，研究了改變EI源離子光學靜電透鏡三電極參數對離子傳輸效率的影響，并進行了實驗驗證。對比分析模擬和實驗結果可知，要提高EI源離子的傳輸效率，須采取以下措施：（1）降低電離室電壓；（2）增大電離室與引出極間電壓差；（3）在確定電離室電壓和引出極電壓后，調節聚焦極電壓至最優值。

實際上，將EI源應用于四極質譜計時，電離室電壓受限于參與電離的電子能量，無法降低很多；電離室與引出極間電壓差受限于進入四極場的離子能量，同樣無法增大很多，故對于四極質譜計而言，提高EI源離子傳輸效率的有效方法是調節聚焦極電壓。