对偏转型小型质谱仪实验的计算机化改造

• 指导教师：俞熹；合作者：王盾
• 2012年5月 - 2012年6月

磁偏转小型质谱仪是近代物理实验中成功率较低的实验之一，其操作较复杂，并且仪器内实验现象难以被直接观察到，使得实验者难以及时掌握粒子的运动状态。采用计算机模拟的方法，可以还原离子在质谱仪中的运动,并讨论离子的聚焦、偏转过程及影响因素,使实验者能对质谱仪实验有直观的认识。

质谱仪是一种利用磁场把物质按质荷比分离的磁偏转型动态分析仪器，由离子源、质量分析器、离子检测器和数据处理四个模块组成。

• 离子源：小型质谱仪使用的离子源由钼带和离子出射缝组成。KCl晶体用清洁水调成过饱和溶液后均匀涂敷在钼带表面；当钼带温度足够高时，样品分解，并以原子形式发射到空间，在金属表面形成一定浓度离子氛。在出射缝上加电压，则正离子能通过引出孔而进入分析区。为使得粒子束聚焦，在金属带两侧置有两块偏转电极，相应加上电压，使得离子会聚通过引出孔。
• 磁偏转分析室：通过出射缝的离子以速度进入与其相垂直的磁场，则以半径作圆周运动，有。若磁场和加速电压$V$固定，则 ∝ ，不同质荷比的粒子在空间具有不同的轨道而被分离开来；若，固定，则 ∝ ，改变加速电压以在固定的接收缝上观察到不同质荷比的粒子。
• 离子流检测器：从偏转室出来的离子，会聚后经接收缝到达接收器，形成离子流（A量级），经过放大后输入信号采集设备。

SIMION是一款静电透镜分析模拟软件，由爱达荷国家工程与环境实验室（INEEL）开发。SIMION能在给定透镜电压及粒子初始条件的情况下，计算电场和磁场的分布及场中带电离子的运动轨迹。 SIMION的工作流程包括

• 建立模型：使用SIMIOM内置的建模模块绘制，或者通过第三方CAD软件建模导入，生成电极、磁极模型；
• 设定电压及磁场：对电极加上电压，对磁极加上磁场，生成空间中的电磁场；
• 模拟粒子运动：设定粒子源参数，包括源坐标、粒子分布、初始动能及方向等，运用飞行模式观察粒子在电磁场中的运动；
• 使用用户程序控制：使用用户程序实现较复杂的运动过程，如随时间变化的电磁场；
• 数据导出：使用数据记录功能记录粒子的飞行，生成文本文件，可方便导入至Origin等分析软件进行数据处理。

本实验的质谱仪模型包括离子源、聚焦电极、磁偏转室三个部分组成，主要观察截面为离子偏转圆弧所在平面。建立的电极和磁极模型如图1所示：

• 离子源：由钼带及表面正离子组成。离子源设定为21个正离子，在钼带表面线性排列，质荷比为41，发射方向为指向出射缝（即Z正方向），角度弥散为90°；
• 聚焦电极：由两个与发射方向成45°的平面电极和留有出射缝的平面电极组成；
• 磁偏转室：由两个磁极组成，形成空间中的均匀磁场。

图2中聚焦电极(A)和离子源(B)处于高电势，出射缝(C)处于低电势，则处于离子源附近的正离子在电场的作用下向出射缝运动，并且相互靠近。由对称性，应该设定左右聚焦电极电势相同，以得到对称的电场，使得离子束中心不会偏离出射缝。图2展示了电场中的等势线和离子束的聚焦效果，右图中等势的点具有相同的高度，等势线等价于等高线，正离子将受到一个沿梯度方向的作用而加速；由于电场中间形成了谷，所以发散的离子束有向谷中集中的趋势。

从出射缝射出的离子束应具有较高的平行度，在经过一段真空区域后进入匀强磁场。在磁场中，离子受洛伦兹力而偏转，并且离子束聚焦在接收极附近。

离子束的聚离子束的聚焦效果与聚焦电极电势、钼带电势以及接收极电压有关。由于整个磁偏转室（包括出射缝和接收极）都是接地的，因而设定。钼带对出射缝的电压相当于离子加速电压，而的大小影响聚焦的效果。定义为聚焦系数，改变和的相对大小，模拟电子的发射，结果如下

图3展示了不同聚焦系数下离子束的聚焦效果：随着聚焦系数的增大，离子束产生了从发散，到近似平行，到聚焦（焦距逐渐变短）的变化；当到达某一临界值时，粒子将不再出射，模拟得到的临界值为。

可将聚焦电极类比成透镜，离子束聚焦点为焦点，则发散对应于负焦距，平行对应于无穷大焦距，聚焦对应于正的焦距，而不出射对应于零焦距。焦距和聚焦系数的定性关系如图4所示。

离子束的在经过磁场偏转后会聚焦，其中，在电场中已经聚焦过的离子束会二次聚焦；但在的某一值时，电场中发散的离子束在磁场的聚焦效果下近似平行，模拟得到的临界值为=1.10。

当磁场和加速电压固定时，改变离子的质荷比，则不同质荷比的粒子因在空间具有不同的轨道而被分离开来。取质荷比分别为20，30，40，50，60的正离子，模拟电场中的聚焦和磁场中的偏转，结果如图

，固定时，改变加速电压，则相同质荷比的离子束运动轨迹半径产生变化，模拟如下。设定质荷比为40，分别设定加速电压64V，72V，80V，88V，96V，模拟电子在电场中的聚焦和磁场中的偏转，结果如图6。

实验中，随着电压的不断增大，偏转的离子束轨道半径不断减小，其在接收极附近的聚焦点将不断变化，并扫过接收电极，表现为质谱图上的一个峰；当轨道半径与预设半径相等时，正离子束在接收极聚焦，呈现为峰尖。

实验中应保持左右聚焦电压相等，保证电场为对称分布；如应电极安装问题导致不严格对称，应仔细调节左右电压，使电场趋于对称。实验前应测量磁场强度与预设偏转半径，计算出每种正离子聚焦在接收极上对应的加速电压，并将其设定在电压扫描区间内，以免错过信号。