基于相空间方法的电子轰击离子源参数对其性能影响的研究

　　本文首先利用离子光学模拟软件SIMION7.0, 对自制的电子轰击离子源(EI) 进行模拟试验, 获得离子在EI 内的运动参数, 包括位置、速度。随后, 利用相空间方法, 分析EI 各参数对其性能的影响, 包括各电极电压对聚焦效果以及出射速度分散程度的影响, 并最终获得EI 各参数对离子源发射度的影响。本文的研究能够指导EI 的理论设计, 使其参数得到最优化,从而改善EI 的性能, 以实现EI与质量分析器最佳连接。

　　电子轰击源(EI) 是质谱分析气态样品时常用的离子源之一, 能够用于四极杆、飞行时间和磁式质量分析器, 在物理、化工、环境、能源、检验检疫、公共安全等领域有着广泛的应用 。在质谱仪器中, 离子源的作用有两方面: 将被分析的物质电离成正离子或负离子; 把离子引出、加速和聚焦。由此可知,离子源性能是影响质谱仪器分析性能的关键因素之一。因此, 在进行离子源设计时, 必须首先分析离子源参数对其性能影响, 使得离子源参数最优化,实现离子源的最佳性能。

　　本文首先采用离子光学模拟软件SIMION 7.0得到离子在自制EI 内的运动状态。随后, 利用相空间方法进行离子在自制EI 内的初始位置和自制EI的电参数对粒子束聚焦效果以及离子出射速度分散影响的研究, 并以此对自制EI 进行了改进。

1、自制EI 结构

　　自制GC-MS 离子源结构如图1 所示。电离室R与极板C 构成了离子源的电离区域, 用于气态样品的电离。电离室R 上下有两个开口N, 为电子入口。电极A 和电极B 组成了一组静电透镜, 用于将被离子化的样品离子引出, 加速并聚焦。

图1 自制电子轰击离子源的结构图

　　自制EI 的电离室R 的长度为6mm, 开口直径为9mm。电极C 的开口直径为5mm, 电极B 的开口直径为5 mm, 电极A 的开口直径为3.2 mm。电极A、B 和C 之间的间距为1mm。电子入口处的开口直径为3 mm。电极A、B 和C 的厚度为0.5mm。

5、结论

　　基于SIMION7.0 的模拟试验, 本文利用相空间方法分析了离子在离子源内初始位置和离子源电参数对离子出射时状态的影响, 包括聚焦程度和速度分散。通过本文的分析可知, 离子在x , y , z 方向上的初始位置分散, 将使得离子从离子源出射时的相空间图形发生变形, 这使得离子源的出射度不能与四极式质谱仪的接受度很好的匹配。有关如何实现离子源出射度如何与四极式质谱仪接受度的最佳匹配将在后续的报道中对其进行论述。

　　通过利用相空间方法进行离子源电参数对离子出射时状态的研究, 可知在自制EI 原有的结构上,无论怎么调整离子源的电压, 都无法实现离子在出射处的位置分散最小和速度分散最小。因此, 本文最后改了自制EI 的结构参数, 并利用相空间方法对其进行了性能分析。通过调整离子源B 电极电压, 最终实现了离子在出射处位置和速度分散的最小化。

　　本文的研究为EI 的理论设计提供了方法。该方法能够用于指导EI 参数的优化, 以实现EI与质量分析器的最佳连接。