基于飛行時間質譜計的微型氣體分析儀技術研究

韓 琰，閆榮鑫，潘 穎，王靜濤，李 征

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

人類的航天活動一般分為地球應用衛星、載人航天和深空探測三大領域[1]，未來我國深空探測任務將快速發展。火星作為地球近鄰，有很多和地球相似的特征，例如具有幾乎相同的晝夜長短、相似的季節變化、同為巖石地面、同有衛星和同樣具有大氣層等。研究火星的氣候、大氣環境和資源等對于了解地球演變有著重要的意義[2]。在世界航天史上，質譜計曾多次應用于空間探測任務中，探測了土星、木星、火星、金星等星體的大氣成分，并搭載在多個探測器上對火星土壤成分進行了分析[3-4]。

火星探測的主要任務是了解火星上的“生命、氣候和資源”[5]，特別是通過對水和與生命相關的有機物探測，了解與水有關的演化過程，幫助人們探尋宇宙中其他可能存在生命的地方，同時為未來人類親臨火星時的用水提供重要信息。對火星大氣和土壤成分分析的研究也具有重大價值，例如氣體組成成分和濃度的分析數據可以為火星起源和形成過程的深入研究提供參考；同位素的分析數據可以為太陽系形成過程的研究提供有價值信息；檢測土壤中的有機組分可以為外星生命的研究提供證據等[6]。美國噴氣推進實驗室（JPL）研制的火星樣本分析儀作為“好奇號”火星探測器的有效載荷，負責探測火星大氣、塵埃、土壤和巖石的成分，并搜尋與地球生命相關的元素，以期探索生命跡象。

目前能夠適應深空環境又能對樣品成分在線分析的是質譜、色譜和光譜分析技術。作者以深空探測最核心的氣體樣品分析作為研究的出發點，進行氣體在線分析技術研究。

1 設計思路及研制方案

1.1 總體方案

面向航天應用的氣體分析儀應滿足尺寸小、低功耗、高分辨率等技術要求，能夠應用于深空探測未知物質、衛星表面物質成分分析以及載人航天器環境成分監測等。為此，須綜合考慮分析儀的質量、尺寸、功耗、測試精度、進樣方式等因素。

本研究將以飛行時間質譜計作為微型氣體分析儀的核心測試儀器，該類質譜計尺寸小、結構簡單、功耗低、質量分辨率高、檢測靈敏度高、質量測試范圍大、檢測速度快，滿足航天應用需求。

考慮到氣體分析儀可能會應用到火星等地外星體，而星體表面存在著稀薄氣體，具有一定的大氣壓力，氣體分析儀還應具有相應的抽氣能力和進樣系統。本文的氣體分析儀主要由真空系統、質譜系統、進樣系統和控制系統組成，能夠實時快速地分析未知氣體的質譜信息，同時具備在真空環境和低氣壓大氣環境下的工作能力，其基本原理如圖1所示。

圖1 氣體分析儀原理圖Fig.1 The schematic diagram of the gas analyzer

微型氣體分析儀具有兩種工作模式：直接進樣和分流進樣[7]。

（1）當外界環境壓力較小時，采用直接進樣方式，V2閥打開，V1、V3和V4閥關閉，采樣氣體全部直接進入真空室進行質譜分析，有利于在小進樣的方式下提高測試靈敏度，適用于真空環境下的氣體成分分析[8]。

（2）當外界環境壓力較大時，采用分流進樣方式，V1和V2閥打開，V3和V4閥關閉，小部分采樣氣體進入真空室，大部分氣體由機械泵排出，該進樣方式有利于在維持測試靈敏度的同時保護真空泵組，提高測試和采樣速度，適用于低氣壓環境下的氣體成分分析。

1.2 質譜計設計

飛行時間質譜計（TOF）具有質量數范圍寬、質量分辨本領高、動態性能好、結構簡單的優點。該質譜計由離子源、無場漂移區、電子倍增器以及相應的測量和控制電路組成。為了滿足航天低功耗需求，選用了基于MEMS技術的新型低功耗脈沖場離子源。脈沖場發射組件能夠產生能量為keV量級的脈沖式自由電子束，電子束將其運動軌跡上的氣體分子電離，產生片狀離子云。離子云在離子垂直引入與抑制電場作用下，被壓縮到閘門柵網電極上當施加適當負脈沖時，離子被加速。加速后的離子通過離子透鏡聚焦，再通過無場漂移區，進入離子反射鏡，反射回無場漂移區。在適當位置放置離子探測器，就可以探測離子的信號與時間的關系，得到原始譜圖數據，進而利用計算機進行數據處理、存儲與顯示。其原理如圖2所示[9-10]。

圖2 飛行時間質譜計的工作原理示意圖Fig.2 The schematic diagram of the time-of-flight mass spectrometer

離子的飛行時間t與質荷比N的平方根值成正比，關系為：。其中：t為飛行時間；A為常數；N為質荷比，N=m/e；t0為延遲時間。

微型質譜計的設計須充分考慮功耗及尺寸的要求，而最關鍵的組件為場發射離子源和離子反射鏡。

電子源采用場發射組件，呈“鋸齒形刀刃”結構，如圖3所示，在鋸齒尖端生長碳納米管、石墨烯等納米材料。陽極采用狹縫結構，狹縫的寬度在0.1～0.5 mm之間，在陰極上施加脈沖負高壓，與陽極電位適當配合情況下即可產生電子發射。該電子源為冷電子源，功耗極低，沒有光發射和強熱產生，有效地降低了整體設備的功耗。

圖3 鋸齒形刀刃結構電子源示意圖Fig.3 Schematic diagram of saw blade structure electron source

另一個可有效減小設備尺寸的部件為離子反射鏡。在不增加離子飛行距離的基礎上，減小了漂移區尺寸。離子反射鏡由數塊按照一定間距分隔排列的平板電極構成，平板中心設有離子通道，如圖4所示。平板電極的形狀尺寸和電場分布對儀器性能有極大影響，需首先通過模擬仿真軟件進行理論分析和模擬計算，再結合實驗工作來優化離子反射鏡的設計參數。

圖4 離子反射鏡示意圖Fig.4 The diagram of the ion mirror

1.3 進樣系統設計

真空系統則考慮了工作環境和設備質量的限制要求，單獨采用分子泵為主泵，直接在低氣壓環境下啟動，維持質譜計的測試環境。同時又要兼顧尺寸小和功耗低等特點，綜合考慮后選擇了成熟的市場產品HiPace10分子泵。可在2 500 Pa的前級壓力下直接啟動，適合在低氣壓環境下使用。

氣體分析儀須具備直接取樣測試的能力，進樣系統應能夠從低氣壓取樣。采用微孔、細管及分流結合的方式，由低氣壓壓力降至高真空壓力，達到飛行時間質譜計的工作壓力。微孔的尺寸選擇就顯得尤為重要，氣體分析儀選用了抽速為10 L/s的分子泵作為主泵，對氦氣的最大抽速約為6 L/s，考慮到真空室內工作壓力設置為5×10-3Pa，因此允許進樣小孔處的氦氣漏率為Q=pSHe=3×10-5Pa·m3/s。

假設分流后進樣小孔前端壓力p1為1 000 Pa，則通過公式Q=U（p1-p2），得到進樣小孔的流導

進樣小孔的長度L為2 mm（鈦合金板），進樣小孔的直徑d理論上是μm量級，因此L＞20d，進樣小孔屬于圓截面長管的模式，此狀態下的進樣小孔流導為式（1）：

式中：U為長管道的流導，m3/s；d為管道直徑，m；L為管道長度，m；η為氣體黏滯系數，N·s/m2；為管道中平均壓力，。

在20℃下，He的黏滯系數η為1.96×10-5Pa·s。

把上述數值代入式（1）中，可計算得到進樣小孔直徑d為9.89×10-5m。因此綜合考慮分子泵的抽速和管路流導，通過計算和軟件模擬，最終確定微孔直徑為100μm，采用0.8 mm的進樣管能夠滿足壓力變化的需求。

2 樣機性能測試

研制的氣體分析儀樣機整體尺寸為420 mm×302 mm×170 mm，前面板為氣體進樣口，后面板為電源、信號、控制接口，整機重約8.5 kg，穩定功耗不超過20 W，其中飛行時間質譜計僅重2 kg，功耗低于5 W。樣機內部構成如圖5所示。

圖5 氣體分析儀樣機內部結構Fig.5 The internal structure of the gas analyzer

氣體分析儀的性能測試指標主要有質量數范圍、質量分辨本領、檢測靈敏度以及同位素測量等。

（1）質量數范圍測試分別在小質量數、中質量數和大質量數三種測試條件下進行。其中小質量數測試采用直接空氣進樣，得到空氣譜圖，最高檢測范圍至100 amu；中質量數測試采用標準質譜測試物質全氟三丁胺（PFTBA）放樣測試方式進行，最高檢測范圍至700 amu；大質量數測試則采用將克拉霉素加熱氣化進樣，測試該藥片成分譜圖，最高檢測到的質量數為1 136 amu。

將液態的全氟三丁胺放置于進樣口處，通過自然揮發直接進樣，得到測試譜圖，如圖6所示。測試結果與標準譜圖相同。其中全氟三丁胺化學式為N（C4F9）3，分子量為671.1，其質譜譜峰的質荷比有31、50、69、100、131、169、201、219、246、264、281、314、414、466、502、576、614等。

圖6 全氟三丁胺（PFTBA）測試圖譜Fig.6 The mass spectrogram of PFTBA

（2）采用氮氣（N2）的amu28譜峰作為質量分辨本領的驗證譜峰，在空氣進樣情況下，amu28的峰位時間為4 532 ns，半峰寬時間為5 ns，通過飛行時間質譜計質量分辨本領計算公式R=t/2Δt，計算得到質量分辨本領R為453。測試結果如圖7所示。

圖7 空氣進樣下氮氣（amu28）測試圖譜Fig.7 The spectrum peak photo of the nitrogen testing with the air inlet（amu 28）

（3）采用直接檢測空氣中甲烷含量的方法測試靈敏度。已知空氣中甲烷的濃度為2 mL/L，分析空氣直接進樣的圖譜發現，質荷比為amu15的峰高約219 mV（扣除本底信號數值，下同），質荷比為amu16的峰高約500 mV，都明顯高于本底噪聲，考慮到質荷比amu16的譜峰部分為O2原子峰，因此通過分析空氣進樣圖譜可以計算得到整機的最小可檢濃度達到1 mL/L，如圖8所示。

圖8 空氣進樣下甲烷的圖譜Fig.8 The mass spectrogram of the methane testing with the air inlet

（4）通過測試高純氪氣（Kr）獲得它的各同位素的成分信息，如圖9所示。天然氪氣（Kr）由五種同位素組成，豐度分別為80Kr（2.27%）、82Kr（11.56%）、83Kr（11.55%）、84Kr（56.90%）和86Kr（17.37%）。測試圖譜表明，采用氣體分析儀測試得到的Kr的豐度圖譜非常準確。

圖9 氪氣的測試譜圖Fig.9 The mass spectrogram of the krypton gas testing

3 總結

空間微型氣體分析儀在深空探索未知物質方面具有重要的科學意義和研究價值，本文針對原位氣體成分分析和空間載荷研制要求等技術問題，開展了飛行時間質譜計的微型化設計，通過對冷離子源場發射場組件、離子反射鏡、進樣分流方式等關鍵技術的研究，研制了基于飛行時間質譜計的微型氣體分析儀樣機。實驗測試結果表明，該儀器實現了測試質量數范圍1～1000 amu，質量分辨本領大于400，高檢測濃度靈敏度，整機質量控制在8.5 kg以內，總功耗低于20 W等指標要求。基本具備了深空探索原位分析物質成分的能力，滿足空間載荷的研制要求。

國際上僅有歐空局將飛行時間質譜計應用于“羅塞塔”號彗星探測器進行彗星表面物質成分分析，國內還未有飛行時間質譜計應用于航天的先例。該氣體分析儀以其尺寸小、質量輕、功耗低、檢測速度快、測試質量數范圍寬、檢測濃度靈敏度高、質量分辨本領強等優點，將在后續的航天應用上取得先機。