小型磁偏轉質譜計離子源設計與驗證

質譜測量 趙以德 蘭州空間技術物理研究所

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

  小型磁偏轉質譜計因穩定性好、定量性好、豐度靈敏度高、結構簡單、體積小、功耗低等特點,被廣泛應用于原子能、石油、化工、食品、醫藥等工業生產部門,以及航天、地質學、生物化學、藥物學、環境檢測、公共安全等行業,實現原位實時氣體成分分析。原位分析一般要求質譜計具備體積小、重量輕、功耗低等特性,一些特殊行業如航天,還要求具備抗力學環境能力。

  在質譜計中,離子源的功能是將試樣原子或分子電離并使之會聚成具有一定形狀和能量的離子束。離子源是質譜計的“心臟”,很大程度上直接決定了質譜計的靈敏度、分辨率等主要性能指標。因而應用于小型質譜計的離子源,必須具備體積小、重量輕、功耗低、抗力學環境能力強、靈敏度高、穩定性好、定量性好等特點。為使離子源具備這些特性,離子源設計必須結構簡單、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譜計的離子源結構和供配電關系設計。同時還對離子源內電場分布、離子運動軌跡進行了仿真分析,并通過質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。燈絲發射的電子經電子加速場加速后進入電離室,在電離室內與氣體分子發生碰撞使其電離,電離產生的離子經靜電透鏡聚焦引出,電子被電子收集極收集。為了增加電子運動路徑提高電離效率,并使電子束的寬度不致發散,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。因離子質量遠大于電子質量,真空技術網(http://www.qbjic.club/)認為該磁場對離子的影響可以忽略。為改善放電室電場減小離子能量色散,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,提高質譜計分辨率。通過電極絕緣支撐結構件的抗力學設計和防高壓放電設計提高了離子源抗力學能力和電極間高壓絕緣強度。整個離子源重約90 g,整機包絡尺寸為40×40×50 mm3,電離室和靜電透鏡組件尺寸為17×38×24 mm3

小型磁偏轉質譜計離子源設計與驗證

圖1 離子源原理示意圖

  離子源供配電關系如圖1 所示。離子加速電壓Va 在(250~2500)V 范圍內步進掃描,如圖2所示。燈絲加熱電流設計0~3 A 可調。為延長燈絲壽命,燈絲加電時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。

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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 軟件對離子源電場分布和離子運動軌跡進行了模擬分析。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,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分布。離子運動軌跡的計算采用四階龍格- 庫塔法。圖4 給出了通過仿真分析得到的離子源垂直狹縫方向對稱面上的電勢線和勢能面。

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圖3 離子源有限元模型

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圖4 離子源中心剖面電勢線和勢能面

  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,離子源離子光學透鏡引出效率最高,通過主狹縫的離子數最多。當聚焦電壓小于或大于0.93 倍時引出效率均變差,大部分離子撞擊到主狹縫上。圖6 給出了聚焦分壓為0.93倍時的離子運動軌跡,離子束聚焦兩次,第二次聚焦點位于主狹縫處,通過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,離子束在主狹縫和α 縫處z-z′相圖,從圖7 可以看出通過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α 縫進入磁分析器的離子半散角小于30 mrad。

小型磁偏轉質譜計離子源設計與驗證

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

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圖6 聚焦電壓為加速電壓0.93 倍時,離子運動軌跡

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圖7 聚焦電壓為加速電壓0.93 倍時,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譜計后,將整個質譜計放入真空測試系統進行了調試和性能測試。圖8 給出了小型磁偏轉質譜計測量質譜圖,圖8(a)為真空殘氣譜,圖8(b)為通入氮氣后的質譜圖,該質譜圖清晰顯示了氮氣的N+2 和N+ 峰。該小型磁偏轉質譜計靈敏度為9.4×10-6 A/Pa。N+2峰半高寬絕對分辨率為0.8 amu。

  為驗證離子源的環境適應能力,對小型磁偏轉質譜計整機開展了振動、沖擊力學試驗和熱真空試驗,試驗過程未發現異常,試驗前后性能指標沒有發生變化,證明離子源具有良好的環境適應能力。

小型磁偏轉質譜計離子源設計與驗證

圖8 真空殘氣和通入氮氣后的質譜圖

4、結論

  設計的小型磁偏轉質譜計離子源具有結構簡單、體積小、重量輕、穩定性好、靈敏度高、力學環境適應性好等特點。設計的離子源整個包絡尺寸為40×40×50 mm3,重量約90 g;當聚焦電壓為加速電壓的0.93 倍時,離子源聚焦效果最好,大部分離子通過主狹縫,離子源靈敏度獲得最大值;通過α 縫進入磁分析器的離子束半散角小于30 mrad。質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足空間環境氣體探測應用需求,其結構設計具有良好的環境適應能力。