微尺度質譜儀離子源結構設計及離子光學系統仿真

張 浩，竇仁超，劉 坤*，孟冬輝*，巴德純，杜廣煜，巴要帥，孫立臣，閆榮鑫

（1.東北大學 機械工程與自動化學院，沈陽 110819； 2.北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

質譜儀是通過對樣品離子質荷比的分析實現對樣品定性和定量分析的儀器。大型質譜儀目前已經廣泛應用于生命科學、藥物、化工、軍事和國防等各種微量或痕量物質檢測領域。近年來，在空間環境探測、突發事件應急和食品安全檢測等領域的迫切需求要求分析儀器具有體積小、功耗低、價格低廉、使用方便等特點，因此微尺度質譜儀成為當前質譜儀研究領域的重點和熱點[1-2]。開發并設計新型微尺度質譜儀將促進其在航空航天、軍事探索和軍民融合領域的進一步應用，對于現有質譜技術的革新具有重要的理論意義和應用價值。

在過去10年中，分析系統小型化發展較為迅速，突破了傳統的龐雜結構，能夠應用新設備和新技術在現場進行環境勘探[3]、深空探索[4]或國土安全應用[5]。而且隨著微電子機械系統（MEMS）制造方法的不斷發展完善，質譜儀的尺寸正向著更小的量級發展。國外研究團隊在相關研究中已發展出離子阱[6-7]、四極桿[8]、飛行時間（TOF）[9-11]、維恩濾波器[12]等質譜儀整機或核心部件。國內在小型質譜儀方面的研究雖起步較晚，然也有小型磁偏轉[13]、四級桿[14]、離子阱質譜儀[15]的相關研究報道，但是在MEMS尺度下的質譜儀技術較為薄弱，亟待實現突破。

本文基于MEMS工藝特點，結合微型質譜儀的發展現狀，對微尺度質譜儀的核心部件——離子源進行結構設計，并運用離子光學模擬軟件SIMION[16]進行了仿真模擬，考察電極電壓、透鏡結構、電極結構等參數和結構對離子傳輸效果的影響規律，通過優化獲取最佳的設計方案，為質譜儀核心部件的結構設計和機理研究提供參考。

1 微尺度質譜儀離子源芯片結構方案

本文設計的微尺度質譜儀離子源芯片主要包括進樣系統和離子源，芯片結構主要包含底層硅、中間層玻璃、頂層玻璃及位于兩層玻璃之間的導電硅。其功能實現過程為：待測樣品經過進樣系統傳輸，由離子源進行離化，并通過離子源中離子光學系統的提取、聚焦和加速后，方可進入后續的質量選擇器進行選擇區分。

1.1 進樣系統

國外學者報道的微尺度質譜儀[9-12]采用泵送輸送樣品的方式，其進樣系統較為煩瑣。本次設計采用直接進樣方式，可大大簡化進樣系統的構成，如圖1所示，主要包括進樣毛細管、流量計、微閥等部件：通過芯片所處真空系統造成質譜儀內外壓差，利用微閥調解、流量計控制氣體流量，將待測樣品送入電離室中。

圖1 質譜儀進樣系統示意Fig.1 Injection system of the mass spectrometer

1.2 離子源

有相關文獻報道過微尺度質譜儀的離子源[9-10]，但將電子源與離子傳輸系統進行集成的方法未見報道。本次離子源設計采用碳納米管（CNT）作為電子源材料，將電子源與離子傳輸系統集成于一體。CNT具有優異的電學、力學等性能，在高真空環境下具有優良的場致發射特性，是理想的電子源材料。圖2為本次設計所用三級場致發射碳納米管離子源的結構示意：在陰陽極之間引入柵極，對柵極施加合適的電壓產生高場強，使得電子逸出；電子通過柵網后，利用陽極和柵極間的低電場對電子進行匯聚和二次加速，電子束能量可由柵極、陽極電壓進行控制；離子源中的離子傳輸系統由引出極和透鏡電極組組成，利用引出電極和電離室所形成的電場把離子由電離室內引出，引出的離子通過透鏡電極組進行聚焦、加速后，進入質量分析區中進行選擇區分。

圖2 離子源結構Fig.2 Structure of the ion source

2 離子光學系統計算與模擬優化

質譜儀中的離子光學系統能夠將離子引出電離區，并進一步加速、聚焦成離子束。良好的離子光學系統能將大部分離子以較小的束寬和散角送入質量分析器中，這在很大程度上決定了質譜儀的靈敏度和分辨率。因此，離子光學系統的計算與模擬是質譜儀設計的關鍵環節。

2.1 離子光學系統計算

圖3為常見的雙透鏡離子源設計方案：由電離室A和引出極B組成，設電離室電壓為V1，引出電極電壓為V2，電離室與引出電極間距為L1，引出電極與加速電極間距為L2。

圖3 雙透鏡離子源結構Fig.3 Schematic diagram of double lens ion source

對于電離室出口處產生的聚焦效果，其焦距[17]為

對于引出極產生的聚焦效果，其焦距[17]為

總焦距F的計算公式[17]為

為了更好地提高聚焦性能，得到更小的離子束寬，我們采用多組電極組成的離子光學系統，但利用上述經典公式無法計算實際焦距，而施加在電極上的電壓、電極間距離、開口寬度均會影響末端電極處的離子束寬，因此擬采用SIMION軟件模擬離子傳輸情況，分析其相互影響規律并進行方案優選。

2.2 離子光學系統模擬

2.2.1 引出極與聚焦極電壓對離子束寬的影響

如圖4所示，傳統離子源包含電離室、引出極、聚焦極、加速極和出口狹縫。利用SIMION模擬軟件進行模型建立（參圖5）及參數設置，具體設置包括：離子源出口寬度為500 μm，電極間距離為600 μm，電離室與電極寬度均為 400 μm，電極高度均為 500 μm。設置離子初始狀態，以 50 amu帶正電離子為例，數量為200，在電離室內沿直線分布，起始坐標為 (15, 2.5, 16)、終止坐標為 (15, 2.5, 25)，初始離子動能為0.1 eV。電離室電壓設為100 V，一般情況下，加速極、出口狹縫接地為0 V。

圖4 傳統離子源結構Fig.4 Traditional ion source structure

圖5 離子源 SIMION 模型Fig.5 SIMION model of the ion source

在傳統離子源中，引出極、聚焦極對離子束寬的影響較大。在本文研究中，設定引出極電壓V1的范圍為-50～50 V，聚焦極電壓V2的范圍為20～70 V。在此范圍內，對離子在末端電極處的離子束寬及散角進行對比，將引出極、聚焦極電壓對離子傳輸的影響進行數據統計和處理，結果如圖6、圖7所示。

圖6 引出極、聚焦極電壓對離子束寬影響Fig.6 Effect of voltage of extraction electrode and focusing electrode on ion beam width

圖7 不同引出極、聚焦極電壓下末端電極處離子束散角情況Fig.7 Ion beam divergence angle at the end electrode

由圖6可以看出，引出極、聚焦極電壓變化均會影響離子束寬：當固定聚焦極電壓V2，改變引出極電壓V1時，離子束寬隨V1的升高先增大后減小；當固定引出極電壓V1，改變聚焦極電壓V2時，離子束寬隨V2的升高逐漸減小。由2.1節的離子光學系統計算可知，當改變引出極、聚焦極電壓時，會改變相鄰電極壓差，進而影響焦距，適當地調整電壓可使離子在末端電極處產生較好的聚焦效果，離子束散角較小。

由圖7可看出當V1=40 V、V2=70 V 時，離子束寬最小，但此時模擬結果顯示離子束散角較大，會影響質譜儀的分辨率。經綜合考量，在V1=30 V、V2=60 V 時，離子束寬為 0.141 2 mm，且散角較小，離子傳輸效果最佳。

2.2.2 聚焦透鏡類型對離子束寬的影響

聚焦透鏡由多個帶不同電壓的電極組成，其目的是將離子束進行匯聚、加速。對于聚焦透鏡而言，結構不同會影響離子聚焦效果。除了在2.1節中介紹的聚焦極、加速極結構組成外，聚焦透鏡的常用類型還包括單透鏡、五級單透鏡等結構，如圖8所示。

圖8 帶有聚焦透鏡的離子源Fig.8 Ion source with different focusing lens

我們基于2.2.1節的電壓設置（電離室電壓100 V、引出極電壓 30 V、聚焦極電壓 60 V），討論不同聚焦透鏡對離子束寬的影響，相應的模擬結果見圖9及表1。可以看出，在相同電壓下，采用五級單透鏡較單透鏡、傳統透鏡傳輸具有更小的離子束寬且散角較小，這與之前相關文獻報道的結果吻合[11,18]。

圖9 不同聚焦透鏡下末端電極處離子束散角情況Fig.9 Ion beam divergence angle at the end electrode for different focusing lens

表1 不同聚焦電極對離子束寬的影響Table 1 Effect of different focusing electrodes on ion beam width

2.2.3 電極間距對離子束寬的影響

由2.2.2節的模擬結果統計可以看出，當聚焦透鏡類型為五級單透鏡時，其聚焦效果較其他2種類型的離子源表現更佳。在本部分研究中，我們基于五級單透鏡模型，利用SIMION模擬軟件對2種電極間距進行模擬討論，設定引出極與電離室間距及透鏡間距為l1，五級單透鏡電極間距為l2，設置l1、l2變化范圍為 0.3～0.7 mm，將其對離子束寬的影響結果進行統計分析，如圖10、圖11所示。

圖10 電極間距對離子束寬的影響Fig.10 Effect of electrode distance on ion beam width

由圖10可以看出，電極間距的變化會影響離子束寬，當l1一定時，隨著l2增大，離子束寬逐漸增大；當l2一定時，整體來看離子束寬隨l1增大而減小。這是由于l1、l2分別影響著引出極、聚焦透鏡的聚焦效果，當電壓確定時，總焦距是關于l1、l2的等式，適當調整l1、l2會使得離子束恰好聚焦于末端電極處，且有良好的散角。

圖11 不同電極間距下末端電極處離子束散角情況Fig.11 Ion beam divergence angle at the end electrode for different electrod distances

由圖11 可知，雖然在l1=0.7 mm、l2=0.4 mm 時有最小離子束寬，但是離子束散角較大，會影響質譜儀的分辨率。考慮到產品尺寸越小越好，我們最終取引出極與電離室間距及透鏡間距l1=0.3 mm、五級單透鏡電極間距l2=0.3 mm，此時離子束寬為0.092 4 mm，且散角小。

2.2.4 電離室出口寬度與電極開口寬度對離子束寬的影響

基于上述離子傳輸模型討論電離室出口寬度與電極開口寬度對離子束寬的影響，電極電壓及間距設定為上述最優結果。取電離室出口寬d1在 0.3～0.7 mm 范圍變化，電極開口寬d2在 0.3～1.1 mm范圍變化，通過SIMION軟件模擬不同d1、d2對離子束寬的影響結果，統計數據整理如圖12、圖13所示。

從圖12 可知：d1=0.5 mm 情況下，d2＜d1時，離子束寬隨電極開口寬度d2的增加逐漸減小；d2＞d1時，離子束寬隨電極開口寬度d2的增加迅速增大；當d1=d2=0.5 mm 時有最小離子束寬 0.090 8 mm，且散角較小。綜合比對，當d1=d2=0.5 mm時離子傳輸效果最佳。

圖13 不同電離室出口寬度下的離子束散角情況Fig.13 Ion beam divergence angle at the end electrode for ionization chamber opening width

由圖13模擬結果來看：在電離室出口寬度d1=0.3 mm和0.7 mm時，無論電極開口寬度d2在0.3～1.1 mm之間取何值，都會有離子與電離室、電極相碰撞的情況；而在d1=0.5 mm時，離子都可以順利通過，只是存在聚焦效果優良之分。這表明電離室開口不能過大或過小。

3 結束語

本文對于微尺度質譜儀核心部件——離子源進行了原理介紹和結構設計，利用離子光學模擬軟件SIMION進行仿真，探究電極電壓、透鏡結構、電極結構對離子傳輸的影響并進行優化取值：

1）研究不同引出極、聚焦極電壓對離子束寬和散角的影響，結合散角綜合考量認為，當引出極電壓V1=30 V、聚焦極電壓V2=60 V時離子束寬和散角均較小；

2）對比不同聚焦透鏡類型對離子束寬和散角的影響，得出采用五級單透鏡較單透鏡、傳統透鏡傳輸具有更小的離子束寬且散角較小；

3）分析不同電極間距對離子束寬和散角的影響，表明當引出極與電離室間距及透鏡間距l1=0.3 mm、五級單透鏡電極間距l2=0.3 mm 時，離子束寬和散角均較小；

4）改變電離室出口寬度d1、電極開口寬度d2，得到當d1=d2=0.5 mm 時有最小離子束寬 0.090 8 mm，且散角較小。

本文的研究內容對質譜儀微型化的結構設計有一定指導意義：通過模擬結果探究電極電壓、透鏡結構、電極結構對微尺度離子源中離子傳輸性能的影響規律，優化相關參數取值，可為后續微尺度質譜儀研制提供參考。