離子源是質(zhì)譜計的“心臟”，其很大程度上直接決定了質(zhì)譜計的靈敏度、分辨率等主要性能指標(biāo)，因此需要對其結(jié)構(gòu)和供配電關(guān)系等精心設(shè)計。針對空間環(huán)境探測應(yīng)用目標(biāo)，開展了小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計離子源的設(shè)計、仿真分析和試驗測試。闡述了離子源的設(shè)計結(jié)構(gòu)、供配電關(guān)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(shù)對離子束引出能力和束發(fā)散角的影響結(jié)果，通過試驗驗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)計要求。

　　小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計因穩(wěn)定性好、定量性好、豐度靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低等特點，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，以及航天、地質(zhì)學(xué)、生物化學(xué)、藥物學(xué)、環(huán)境檢測、公共安全等行業(yè)，實現(xiàn)原位實時氣體成分分析。原位分析一般要求質(zhì)譜計具備體積小、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(zhì)譜計的“心臟”，很大程度上直接決定了質(zhì)譜計的靈敏度、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、靈敏度高、穩(wěn)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(shè)計必須結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)質(zhì)譜計的離子源結(jié)構(gòu)和供配電關(guān)系設(shè)計。同時還對離子源內(nèi)電場分布、離子運動軌跡進(jìn)行了仿真分析，并通過質(zhì)譜計整機測試和試驗間接驗證了離子源設(shè)計。

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計及供配電關(guān)系

　　本文設(shè)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(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(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。為了增加電子運動路徑提高電離效率，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://bjjyhsfdc.com/)認(rèn)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(nèi)部設(shè)計了推斥極。

　　圖1 給出了離子源原理示意圖。為了實現(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，獲得最強的離子束流。α 縫限制離子束散角，提高質(zhì)譜計分辨率。通過電極絕緣支撐結(jié)構(gòu)件的抗力學(xué)設(shè)計和防高壓放電設(shè)計提高了離子源抗力學(xué)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(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0~3 A 可調(diào)。為延長燈絲壽命，燈絲加電時從零逐步調(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(jù)仿真分析或?qū)嶒炚{(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 軟件對離子源電場分布和離子運動軌跡進(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?qū)ΨQ面上的電勢線和勢能面。

圖3 離子源有限元模型

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(dāng)聚焦電壓為加速電壓的0.93 倍時，離子源離子光學(xué)透鏡引出效率最高，通過主狹縫的離子數(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(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，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(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，離子運動軌跡

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(zhuǎn)質(zhì)譜計后，將整個質(zhì)譜計放入真空測試系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試和性能測試。圖8 給出了小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計測量質(zhì)譜圖，圖8(a)為真空殘氣譜，圖8(b)為通入氮氣后的質(zhì)譜圖，該質(zhì)譜圖清晰顯示了氮氣的N+2 和N+ 峰。該小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)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(huán)境適應(yīng)能力，對小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計整機開展了振動、沖擊力學(xué)試驗和熱真空試驗，試驗過程未發(fā)現(xiàn)異常，試驗前后性能指標(biāo)沒有發(fā)生變化，證明離子源具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力。

圖8 真空殘氣和通入氮氣后的質(zhì)譜圖

4、結(jié)論

　　設(shè)計的小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計離子源具有結(jié)構(gòu)簡單、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。設(shè)計的離子源整個包絡(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，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(jìn)入磁分析器的離子束半散角小于30 mrad。質(zhì)譜計整機測試和試驗結(jié)果間接驗證了離子源的性能指標(biāo)滿足空間環(huán)境氣體探測應(yīng)用需求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力。