離子源是質(zhì)譜計(jì)的“心臟”，其很大程度上直接決定了質(zhì)譜計(jì)的靈敏度、分辨率等主要性能指標(biāo)，因此需要對(duì)其結(jié)構(gòu)和供配電關(guān)系等精心設(shè)計(jì)。針對(duì)空間環(huán)境探測(cè)應(yīng)用目標(biāo)，開(kāi)展了小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)離子源的設(shè)計(jì)、仿真分析和試驗(yàn)測(cè)試。闡述了離子源的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、供配電關(guān)系以及仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證情況。通過(guò)分析得到了電壓參數(shù)對(duì)離子束引出能力和束發(fā)散角的影響結(jié)果，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了離子源的主要性能指標(biāo)和抗力學(xué)環(huán)境能力滿足設(shè)計(jì)要求。

　　小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)因穩(wěn)定性好、定量性好、豐度靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于原子能、石油、化工、食品、醫(yī)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(cè)、公共安全等行業(yè)，實(shí)現(xiàn)原位實(shí)時(shí)氣體成分分析。原位分析一般要求質(zhì)譜計(jì)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(jì)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(jì)的“心臟”，很大程度上直接決定了質(zhì)譜計(jì)的靈敏度、分辨率等主要性能指標(biāo)。因而應(yīng)用于小型質(zhì)譜計(jì)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(qiáng)、靈敏度高、穩(wěn)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(shè)計(jì)必須結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)的離子源結(jié)構(gòu)和供配電關(guān)系設(shè)計(jì)。同時(shí)還對(duì)離子源內(nèi)電場(chǎng)分布、離子運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了仿真分析，并通過(guò)質(zhì)譜計(jì)整機(jī)測(cè)試和試驗(yàn)間接驗(yàn)證了離子源設(shè)計(jì)。

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及供配電關(guān)系

　　本文設(shè)計(jì)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(cè)分別為螺旋狀錸鎢燈絲和電子收集極。燈絲后側(cè)設(shè)計(jì)了電子加速極，該極相對(duì)電離室電壓為-72 V。因?yàn)樵陔婋x能72 eV 下，大多數(shù)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(nèi)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(yùn)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(duì)準(zhǔn)直磁鐵分別安置在電子加速極和電子收集極兩側(cè)。因離子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為該磁場(chǎng)對(duì)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(nèi)部設(shè)計(jì)了推斥極。

　　圖1 給出了離子源原理示意圖。為了實(shí)現(xiàn)小型化，靜電透鏡采用了狹縫膜孔透鏡結(jié)構(gòu)，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(qiáng)的離子束流。α 縫限制離子束散角，提高質(zhì)譜計(jì)分辨率。通過(guò)電極絕緣支撐結(jié)構(gòu)件的抗力學(xué)設(shè)計(jì)和防高壓放電設(shè)計(jì)提高了離子源抗力學(xué)能力和電極間高壓絕緣強(qiáng)度。整個(gè)離子源重約90 g，整機(jī)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(nèi)步進(jìn)掃描，如圖2所示。燈絲加熱電流設(shè)計(jì)0~3 A 可調(diào)。為延長(zhǎng)燈絲壽命，燈絲加電時(shí)從零逐步調(diào)節(jié)到工作電流，達(dá)到燈絲除氣和應(yīng)力釋放目的。電子收集極電位相對(duì)于加速電壓為48 V，推斥極電位相對(duì)于加速電壓為6 V，聚焦極電位根據(jù)仿真分析或?qū)嶒?yàn)調(diào)試確定，α 縫和主狹縫接地，即與真空設(shè)備或衛(wèi)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(duì)離子源電場(chǎng)分布和離子運(yùn)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(yùn)動(dòng)方向，y 軸沿電極狹縫方向，z 軸垂直于電極狹縫。電勢(shì)計(jì)算時(shí)，以電極為已知電壓邊界條件，絕緣件按自由空間對(duì)待。采用超松弛迭代有限差分法計(jì)算拉普拉斯方程求得空間電勢(shì)分布，再求解電勢(shì)梯度得到空間電場(chǎng)分布。離子運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算采用四階龍格- 庫(kù)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?qū)ΨQ(chēng)面上的電勢(shì)線和勢(shì)能面。

圖3 離子源有限元模型

圖4 離子源中心剖面電勢(shì)線和勢(shì)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(dāng)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(shù)最多。當(dāng)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(yùn)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(shù)最多，離子源靈敏度獲得最大值。

　　圖7 給出了當(dāng)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(shù)離子半散角小于100 mrad，只有極少數(shù)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(duì)離子束引出效率的影響曲線

圖6 聚焦電壓為加速電壓0.93 倍時(shí)，離子運(yùn)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(yàn)測(cè)試

　　離子源裝配于小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)后，將整個(gè)質(zhì)譜計(jì)放入真空測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試和性能測(cè)試。圖8 給出了小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)測(cè)量質(zhì)譜圖，圖8(a)為真空殘氣譜，圖8(b)為通入氮?dú)夂蟮馁|(zhì)譜圖，該質(zhì)譜圖清晰顯示了氮?dú)獾腘+2 和N+ 峰。該小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)靈敏度為9.4×10-6 A/Pa。N+2峰半高寬絕對(duì)分辨率為0.8 amu。

　　為驗(yàn)證離子源的環(huán)境適應(yīng)能力，對(duì)小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)整機(jī)開(kāi)展了振動(dòng)、沖擊力學(xué)試驗(yàn)和熱真空試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程未發(fā)現(xiàn)異常，試驗(yàn)前后性能指標(biāo)沒(méi)有發(fā)生變化，證明離子源具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力。

圖8 真空殘氣和通入氮?dú)夂蟮馁|(zhì)譜圖

4、結(jié)論

　　設(shè)計(jì)的小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)離子源具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、穩(wěn)定性好、靈敏度高、力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)的離子源整個(gè)包絡(luò)尺寸為40×40×50 mm³，重量約90 g；當(dāng)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(jì)整機(jī)測(cè)試和試驗(yàn)結(jié)果間接驗(yàn)證了離子源的性能指標(biāo)滿足空間環(huán)境氣體探測(cè)應(yīng)用需求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力。