國產四極質譜儀的研發

楊云,徐寧,董華軍，臧侃，郭方準

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

沒有絕對的真空，任何真空系統中都有殘留氣體.殘留氣體是表面科學領域發展的最大障礙之一，會和物質表面的原子發生物理作用或化學反應，影響對物質本質的探索.殘留氣體也是大型粒子加速器中難以克服的問題，會影響帶電粒子的能量和壽命.現代科技中，一方面要求永無止境的減少真空系統中的殘留氣體，同時也要求詳細掌握殘留氣體的成分和分壓[1].質譜儀是定性和定量分析殘留氣體的代表性裝置，是超高真空系統的標準配置[2].我國在分析儀器方面過度依賴進口，在四極質譜儀上也不例外，這種受制于國外的狀況急需改變.經過多年的發展，四極質譜儀的原理已經相對成熟.下決心自主設計生產四極質譜儀，努力實現該裝置的國產化.

1 四極質譜儀的原理和設計

1.1 基本原理

在對殘留氣體進行分析時，首先要將氣體離子化.本文介紹的四極質譜儀通過電子電離(EI)源實現該功能，反應過程為：

M+e-→M++2e-

(1)

其中，M是中性氣體分子，e-是電子，M+是離子.EI源的結構示意圖如圖1所示.對燈絲通電，經加熱至一定溫度后釋放熱電子，在燈絲外部設置處于正電壓的陽極柵網.假設陽極柵網與燈絲之間的電位差為U，則在該電位差的作用下，電子可獲得動能eU.電子經加速通過柵網的過程中，會引起中性氣體分子周圍電場的劇烈變化，促使其發生式(1)的氣體電離.該電離方式的離子化效率取決于氣體的種類及電子的能量和密度[3].電離效率會隨著電子能量的增加而線性增加直至達到某一最大值后減少.大多數分子的電離電勢在50～100 eV之間.本文介紹的四極質譜儀中，陽極柵網和燈絲之間的電壓設定為70 V.

圖1 EI源示意圖

在陽極柵網與燈絲電壓差的作用下，擁有初始動能的離子束縛在陽極柵網內，在與陽極柵網同軸方向上設置有處于負電位的離子引導孔作為離子加速電極[4].離子被加速后飛向引導孔并噴射出去，由此進入后續的四極濾質器中.

四極濾質器利用交變的射頻電壓產生的交變四極場來束縛離子.將四根極桿對應兩兩連接在一起，其中一組桿連接正直流電壓并疊加正弦射頻電壓，另一組桿連接負直流電壓并疊加正弦射頻電壓，兩組極桿的電壓相位差為180°，電位

Vx/y=±(U+V0cosωt)

(2)

其中，U是直流電壓大小，V0是射頻電壓幅值，ω是射頻電壓的角速度.由此形成一個二維(x-y)的四極場.四極濾質器的示意圖如圖2所示.

圖2 四極濾質器構造示意圖

在直流分量始終為正的x方向，倘若某時段內，交流分量為負且成分大于直流分量時，則極桿成負電壓狀態，使得該段時間離子軌跡呈發射狀.由于質量較小的離子受交流分量的影響較大，因此小質量離子做振幅逐漸增大的發散式振動.而質量大離子在交直流分量的共同作用下總體效應為會聚式振動.因而在x方向上，較大質量離子有穩定的軌跡能通過四極場.在y方向上，直流分量始終為負值，對于大質量離子，交流分量對其影響較小，所以作用于大質量離子的交直流分量整體上使其處于發散振動，而受交流分量影響較大的小質量離子，在交直流共同作用下存在當負直流電壓使離子處于發散時，交流分量的作用使其會聚，以此可以“矯正”離子的軌跡.因此，在y方向，小質量離子有穩定的軌跡能通過四極場.x和y方向運動情況組合起來，在特定的電場下，只有所需質荷比的離子能夠成功穿過四極場.

離子在四極場內的運動軌跡，在數學中已有完備的方程來解釋.設t=2ξ/ω，離子在四極場內的運動方程可由下式表示：

(3)

定義

(4)

(5)

由此可得：

(6)

其中，u為x或y，此方程即為Mathieu方程[5-9].求解此方程即可得到離子在四極場內的運動軌跡.離子在向z方向前進時，只有x和y方向均有穩定解，合運動才是穩定的.Mathieu方程的解是否穩定取決于a和q值，根據方程(6)的解得到的在x方向穩定區和y方向穩定區交叉的區域，形成了不同的和穩定區，坐標原點附近的較大和穩定區為第一穩定區，取第一穩定區在第一象限的部分，是一個以q軸為底，以近似于拋物線和一段近似直線的曲線為兩腰的三角形，稱其為穩定三角形[6,10]，如圖3所示.

圖3 第一穩定區穩定三角形圖

若在某一時刻，離子的a、q值均在穩定區域內，則其在x和y方向同時穩定.圖中從原點出發的直線為“掃描線”，其斜率為U與V的比值，即若在此U和V情況下某離子的a、q值落在穩定區的尖端內，則該離子有穩定的軌跡能通過四極濾質器部分.因此控制好交流分量的頻率與振幅，通過同時調整直流和射頻電壓的比值，即可完成質量的選擇，進行完整的質譜掃描.離子質荷比和交流電壓的關系為：

(7)

式中，K為常數，V是射頻電壓的幅值，f是射頻電壓的頻率，r0是四根電極內接圓的半徑.

在四極濾質器后方軸向位置設置離子引導孔作為離子加速電極，安裝法拉第筒作為離子檢測裝置.穿過四極場的離子經加速電極后被法拉第筒收集，即可顯示離子電流.

1.2 基本設計

1.2.1 模擬設計

為了設計出滿足要求的四極質譜儀，首先根據設計要求，結合理論部分的數學計算，設計出四極質譜儀的初始模型，然后運用仿真軟件對四極質譜儀進行仿真模擬，如果模擬結果不理想，再修正模型，隨后再進行仿真，數次反復，直至得到滿意的模擬結果.

離子能否成功飛出四極場到達離子檢測機構，是設計四極質譜儀的核心問題.完美的四極場是由雙曲面形電極得到的，然而在實際加工中雙曲面電極很難加工，因此以圓柱形電極代替雙曲面電極[11].本四極質譜儀四極濾質器部分的結構設計是將四根極桿平行放置，四根極桿的極桿尺寸、桿間距離等相關參數對四極場的影響尤其重要.圖4為四極質譜儀的模擬效果圖，為了簡化模擬過程，模型設計采用半圓柱形電極來減少計算時間，在四極濾質器的前后端均設置了離子加速電極.本模擬設計中，由于僅是對四極質譜儀做理論研究，所以在模擬過程中并未對其材料選擇做特別要求，默認情況下為PEC(理想導體)材料.激勵源部分的設置為頻率2.7648 MHz，交流峰值856 V，直流DC±72 V，電子發射電壓為70 V，發射電流0.1 mA，離子加速電極電壓-120 V.

以上述初始模型及激勵源設置的條件下，模擬后四極質譜儀四極濾質器部分的電場分布如圖4(a)所示.圖中中間部分為對四極濾質器內四根極桿施加直流電壓并疊加射頻電壓后產生的四極場區域，其中曲線疏密程度代表電場的大小不同.從圖中可以看出，由該模型模擬后的四極場場型與理論四極場相符.四根極桿之間電場強度均勻，相鄰極桿距離最近位置場強最大，越靠近四根極桿內切圓中心場強越小，且在中心存在無場區，四根極桿附近電場均由極桿到極桿包絡空間的中心區域逐漸減弱，由此可以證明該場形有利于離子朝向四極場的中心匯聚.以此模型為基礎，設置在相同激勵源參數，固定離子的情況下，微調四極桿桿徑、桿間距離及桿長三個參數，模擬一定個數的離子穿過四極場，通過粒子的傳輸率來得到最終優化的極桿尺寸.本模擬設置共射入100個質量數為18的粒子.離子在四極場中的飛行軌跡模擬如圖4(b)所示.圖中中間為四極濾質器后方設置的加速電極電場線分布，密集的曲線為穿過四極場離子在四極場內運動的軌跡，小圖為主視圖，中間區域即為離子飛行區域.由模擬的效果圖可知，離子的運動軌跡類似于馬鞍形，屬于螺旋式前進，時刻在向各桿運動，且只有在頂點處處于不平衡狀態后反向飛向另一極桿.以周期變化的方式在x和y方向運動直至穿過四極場.

圖4 四極質譜儀模擬圖

通過觀察不同四極桿尺寸參數時，100個粒子中最終可以飛出四極場的粒子數目，得到相應的離子傳輸率，最終確定四極桿部分的各參數為桿長115 mm，桿徑6.4 mm，場半徑2.8 mm，以此參數得到的模擬效果中，粒子的傳輸率達到最高.

1.2.2 機械結構設計

四極質譜儀的主體構造如圖5所示.電極組件可直接插入控制電源中.四極質譜儀主體掛載到國際標準的ICF70(2.75英寸)可耐150℃的高溫烘烤的法蘭上，且使用無氧銅墊圈對腔室端口進行密封.其中的絕緣部分采用三氧化二鋁材料，其它接觸真空的部分多數采用SUS304不銹鋼，整套裝置完全符合高真空環境的使用要求.

圖5 四極質譜儀的主體構造圖

離子源部分包括：陽極柵網、屏蔽罩、陰極燈絲和離子加速電極.陰極為直徑0.15 mm的圓環對稱型鉭絲(功函數為4.25 eV).將其圍繞在陽極柵網周圍來保證電離裝置的圓柱對稱性.燈絲設計為兩根，共同使用公用電極，如果一根燈絲燒斷，自動發射調節裝置能夠調整剩余燈絲的溫度來修復電子發射電流，以便于不破壞真空即可立刻使用另一根備用燈絲.離子源采用開放的圓柱對稱型設計結構，即線網結構，并與后續四極濾質器及離子檢測器同軸安裝.在電離過程中，大多數電子不會立即碰撞到陽極柵網，而是會通過陽極柵網的網孔，此過程電子將腔體內氣體分子電離產生離子.一部分未發生電離過程且沒有碰到陽極柵網的電子，在陽極柵網與外部屏蔽罩之間電壓的作用下最終會向陽極柵網的中心運動而發生電離過程或被陽極柵網捕捉.在陽極柵網內的中心位置，由于負電位的增加，可以使電離后的離子初步聚焦在一起.離子加速電極和陽極柵網同軸，其電壓值在0～-150 V之間可調，起到加速和約束離子束流指向的作用.

穿過離子加速電極的離子進入四極濾質器中.四極濾質器包括四根圓柱形電極桿和三氧化二鋁絕緣體，電極桿采用304型不銹鋼材料，四周用螺釘將四根電極桿固定于三氧化二鋁絕緣體內部，同時可調節桿間距離.通過三氧化二鋁絕緣體的對應尺寸，使得貫穿于整個裝置并負責各部件通電的燈絲供電桿、返回桿、陽極供電桿、射頻連接桿等實現精確定位.

在四極桿后方軸向上設有法拉第筒屏蔽罩，屏蔽罩內軸向設置法拉第筒，法拉第筒尾部連接對應電極，直接檢測來自四極濾質器的離子電流.屏蔽罩上方留有圓孔，作為離子加速電極，穿過四極場的離子經此圓孔進入法拉第筒中.該四極質譜儀各位置供電電極在法蘭上周向均布，分別對應不同的連接桿以實現供電功能.

四極質譜儀的電路示意圖以及與電源之間的對應關系圖如圖6所示. 其中燈絲和陽極柵網之間施加70 V的熱電子加速電壓(其值在25～105V之間可調)，發射電流為0～3.5 mA可調，離子加速電極電壓值在0～-150 V可調.

圖6 四極質譜儀電路示意圖

2 四極質譜儀的測試

利用實驗室已有的超高真空系統來測試四極質譜儀的基本性能.真空獲得通過分子泵和機械泵的組合來完成[12]，真空檢測通過全量程真空計完成.真空腔室上連接進氣裝置，外部連接氬氣(Ar)氣瓶.將自主設計制作的四極質譜儀連接在真空腔室上，電源和軟件暫時用美國斯坦福大學RGA100型號代替.該電源可與四極質譜儀諧振于2.7648 MHz，交流峰值達到856 Vpp，直流DC±72 V.四極質譜儀電源啟動之前，確認燈絲導通、電極絕緣正常.當系統真空度達到10-6Torr時，啟動四極質譜儀的控制電源，在電腦中打開與該四極質譜儀及其電源配套的掃描軟件(RGA)，在軟件中設置好連接串口，打開“燈絲”按鈕加熱燈絲，同時在真空腔室的觀察窗觀察燈絲是否點亮.在軟件中設置好電子能量為70eV、發射電流為1 mA、離子加速電極電壓-120 V，設置掃描譜圖形式為柱狀模式，即可開始掃描.

測試結果如圖7所示，橫坐標代表質量數，縱坐標代表信號強度(分壓).圖7(a)為該真空腔室內的殘留氣體質譜圖，圖中可以清晰的看到質量數2、18、28和32等位置有較為明顯的峰值，這些質量數分別對應氫氣(H2)，水蒸氣(H2O)，氮或一氧化碳(N2/CO)，氧氣(O2).以此初步證明該四極質譜儀可以獲得殘留氣體成分或分壓.

利用氣體導入裝置，向真空腔室內通入惰性氣體氬氣(Ar)，重新掃描質量數后得到的測試結果如圖7(b)所示.可以看到與圖7(a)相比，質量數為40的位置出現了明顯的信號，該信號正是通入的氬氣.至此進一步驗證了該四極質譜儀測試的質量數是準確可信的，且具有較高的靈敏性.

(a)

(b)

本四極質譜儀目前能測量的質量數范圍為1～65 amu，這是由于自主設計制作的四極質譜儀和商用電源的匹配沒有達到最佳狀態，再增加質量數的測量范圍會導致電源部分報錯.下一步工作將不斷優化四極質譜儀和電源的匹配，以實現更大范圍質量數的測試，同時也將進一步提高測試的靈敏性.

3 結論

自主設計制作了四極質譜儀，并進行了性能測試.測試結果證明，可以獲得良好的殘留氣體質譜，質量數的檢測范圍可以達到65amu，可以靈敏的檢測出導入真空腔室中的氬氣.本項工作為四極質譜儀的完全國產化打下了堅實的基礎.