離子源是磁偏轉質譜計的核心，離子源的聚焦和離子引出效率對其工作性能有著重要影響。采用SIMION-3D 8.0 軟件建立了應用于小型磁偏轉質譜計的電子轟擊型離子源模型，計算了離子的運動軌跡，采用相空間分析方法，得到靜電透鏡聚焦處離子的位置聚焦半徑和速度聚焦半徑，分析了離子源各參數對聚焦和離子引出效率的影響。研究結果表明當S 和α 狹縫分別加負偏壓時，離子束在運動過程中能夠兩次聚焦，從而得到很好的聚焦性能和引出效率，為離子源優(yōu)化設計提供重要的理論依據和實驗指導。

1、引言

　　磁偏轉質譜計穩(wěn)定性和定量性好、豐度靈敏度高，被廣泛應用在星球探測、航天器環(huán)境分析、食品安全、藥物檢測、工業(yè)過程控制等諸多領域。電子轟擊型離子源( Electron Impact Ion Source，簡稱EI 源) 由于其設計結構簡單、可靠性高，被廣泛應用于空間小型磁偏轉質譜計，目前商業(yè)用質譜- 色譜聯用儀的離子源多數為EI 源。真空技術網(http://shengya888.com/)認為聚焦和離子引出效率是離子源重要的性能指標，其中離子源的聚焦性能直接影響質譜計的分辨率，引出效率直接影響質譜計的分析靈敏度。對于傳統(tǒng)的EI 源由于其離子產額較小，離子束流強度弱，使得靈敏度偏低。然而理想的離子源要求離子束流強度大、散角小、能量分散小且束流穩(wěn)定等。因此提高EI 源的聚焦性能和離子引出效率具有十分重要的意義。從EI 源內離子的初始分布和EI 源電參數出發(fā)，利用離子光學仿真軟件SIMION-3D 8.0，建立了質譜計EI 源的物理模型，采用相空間的分析方法，通過數值計算的方法研究了EI 源內離子初始分布和電參數對其聚焦性能和離子引出效率的影響。

2、離子源結構

　　離子源結構如圖1 所示。由電離室B、電離室出口狹縫、聚焦磁鐵、燈絲、推斥極R、聚焦極H、主狹縫S和α 狹縫組成。電離室加掃描電壓，范圍為200 ～2100 V，其它各電極電壓都以掃描電壓為參考電壓。由推斥電極R、電離室B 和聚焦電極H1、H2構成的靜電透鏡，使離子聚焦在主狹縫S 附近，能夠獲得最強離子流。α 縫限制離子束在水平方向的散角。

圖1 離子源結構

1.收集極T; 　2.電離室B; 　3.推斥極R; 　4.燈絲F;　5.電子聚焦磁鐵;　 6.聚焦極H; 　7.主狹縫S;　 8.α 狹縫

3、離子軌跡計算及相空間分析方法

3.1、離子軌跡計算

　　SIMION-3D 8.0 軟件包主要用來計算帶電粒子在特定電極( 不同電勢、材料、帶電狀態(tài)、幾何形狀等) 產生的電場中的運動軌跡，程序提供了強大的計算功能，并且可使結果可視化，用戶通過建立幾何模型、編寫用戶程序來完成復雜的計算。在SIMION-3D 8.0 中首先編寫幾何文件1.gem，定義一個離子源的三維靜電勢點陣列，每個電極都是獨立的電勢點陣列，如圖2(a) 是三維示意圖，圖2(b) 是剖視圖，圖中字母代表各個電極。這些電勢陣列是由三維的點陣列組成的長方體陣列構成。

圖2 SIMION 8.0 中的離子源模型

(a) 三維示意圖(b) 剖視圖

　　當電勢陣列中的點限制在特定的電極和非電極范圍內時，SIMION- 3D 8.0 就可以通過求解Laplace 方程(1) ，利用有限元方法計算三維陣列空間中任意點的電勢:

　　再利用四階- 龍哥庫塔法計算離子在電場中的運動軌跡

圖3 離子在離子源內的運動軌跡

(a) 一次聚焦. (b) 兩次聚焦

　　從圖3(a) 中可以看出，離子在引出的過程中，一部分被電離室引出狹縫阻攔，引出后的離子束聚焦后通過主狹縫S 和α 狹縫傳輸到質量分析器。為了提高離子源分辨率，主狹縫設計的非常小，從而主狹縫S 也會阻擋一部分離子，離子傳輸到α 狹縫處時也會被阻擋一部分，因而引出離子的有效利用率是非常小的，本文對如何提高離子的有效利用率進行了研究，從離子的聚焦和引出效率出發(fā)來探討離子源的性能。對于引出效率的研究通過編寫用戶程序(User Program) 記錄引出的離子數來計算引入到分析器的離子占離子源內離子數的比例。對于聚焦性能的研究采用相空間分析方法。

3.2、相空間分析方法

　　在一個由許多粒子構成的體系中，某一粒子于某一瞬時的運動狀態(tài)可用它的位置p 和速度v 來描述，它在直角坐標系中的分量分別是x ，y ，z; vx，vy，vz，該六個物理量定義的六維空間，稱為相空間。若離子的p 點和v 點值已確定，那么它在相空間的位置也隨之確定，且隨著粒子的運動狀態(tài)變化而變化。掃描電壓VB加在電離室上，推斥極電壓VR，聚焦電壓VH。離子源的中心線坐標為( x，7.0，10.0) ，所有狹縫的中心都在離子源中心線上，離子出口狹縫的寬度設定在z 方向，因此離子束的聚焦發(fā)生在z 方向上，初始離子按高斯分布隨機產生500 個離子。圖4 為離子在z 方向上聚焦的相空間圖形，設定離子初始能量為0，那么它在相空間圖形中是一條平行于z 軸數值為0 的直線，從圖4 分析可知離子引出電離室聚焦后，位置聚焦半徑為0.06 mm( 狹縫寬為0.2 mm) ，速度聚焦半徑為4 mm，說明離子源有很好的位置聚焦性能，但是速度聚焦性能較差，位置聚焦和速度聚焦無法同時實現。

圖4 離子在z 方向上聚焦處的相空間圖形