宽离子能量检测范围垂直引入反射式飞行时间质谱仪的研制.pdf

第41卷
分析化学( FENXI HUAXUE)仪器装置与实验技术
第10期
013年10月
Chinese Journal of Analytical Chemistry
1614~1619
DOI:10.3724/SP.J.1096.2013.30542
仪器装置与实验技术
宽离子能量检测范围垂直引入反射式飞行时间质谱仪的研制
谭国斌黄正旭2高伟2周振
*2,3
(上海大学环境污染与健康研究所,上海200444
(暨南大学大气环境安全与污染控制工程研究所,广州510632)3(广州禾信分析仪器有限公司,广州510530)
摘要本实验室研制了国内首台宽离子能量检测范围飞行时间质谱仪。仪器采用紧湊式电子轰击源设计,
配合离子透镜系统有效的调制离子流,飞行时间质量分析器采用了离子垂直引入式,双场加速和双场反射以
及大尺寸MCP检测装置设计。仪器单离子信号半峰宽约2ns,仪器分辨率优于1600FWHM,检测实际样品质
量范围为1~127amu(仪器理论质量检测上限优于800amu),可检测离子能量范围优于2个数量级(3
140eV)。若该TOF质量分析器与短瞬高压脉冲放电离子源耦合联用,可广泛应用于高能离子束的快速檢测,
如真空阴极放电对制备薄膜、离子注人材料的表征,导电材料的离子电荷态分布以及离子扩散速度的测定等。
关键词宽离子能量检测范围;电子轰击离子源;飞行时问质谱仪
1引
随着离子物理状态、碰撞反应规律研究的不断深入,涉及目标离子能量分散大时,需要在不影响离
子原始能量状态下,对离子进行定性、定量分析2,从而能够实现对物理过程的表征、离子电荷分布状
态测定和碰撞反应动力学规律的揭示。质谱技术是能够对物质定性的有效手段,其中飞行时间质量
分析器具有检测速度快?,分辦率高等优点”,国内已有许多研究团队开展了飞行时间质谱技术
及应用6,?的研究工作,并取得了一定的成果。垂直引入式TOF是一种可以保证引入离子初始能量不
受影响,实现对离子有效分析的检测技术。微孔通道板(MCP)作为TOF最常用的检测器之一,其常规
结构采用双片MCP错层叠放,所使用MCP的尺寸较小,所能检测的离子的能量分布较窄,放大的电子
信号利用阳极板收集后,通过采集卡采集并记录。
本研究为实现宽离子能量检测范围,所研制仪器采用大尺寸的MCP及双阳极的检测区设计,实现
初始横向能量分散离子的检測。对仪器的单离子信号进行了测试,并在EI源条件下以空气组分中氮气
为检测对象,测试仪器分辨率等,通过匹配传输区电压,实现不同横向能量离子的检测。仪器分辨率优
于1600FWHM,检测离子能量范围达到2个数量级(3~140eV)。新研制的垂直引入式飞行时间质量
分析器可配合其他高能瞬短脉冲放电离子源使用时,能够广泛应用于高能离子東的快速检测,如真
空阴极放电对制备薄膜、离子注人材料的表征等。
2实验部分
2.1仪器结构
仪器整体包括真空系统、电子轰击离子源、飞行时间质量分析器和数据采集系统等几部分组成。采
用紧凑型设计,仪器腔体水平放置,腔体采用铝材料整体加工成型,保证真空性能和机械精度,装配图见
图1,仪器主机部分尺寸约为413mmx250mmx414mm。仪器真空系统机械泵为普兰德隔膜泵,极限真
空约100Pa,抽速为3.8m2/h;分子泵为普发 Hipace?00,、抽速为260L/s,真空度优于1x10Pa。
20130605收稿;2013-0706接受
本文系国家863项目(No.S2012AA063201)资助
*E-mail.zhouzhen(@shu.edu.com
第10期
谭国斌等:宽离子能量检测范围垂直引入反射式飞行时间质谱仪的研制
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2.2离子源
电子轰击离子源,其结构由进样石英熔融毛细管(内径50wm)、灯丝、电离室、引出电极、聚焦电
极、圆型透镜组组成, Simion模拟离子飞行轨迹图见图2。灯丝采用wRe20合金材料,直径为0.2mm,
有效长度10mm,最大电子发射电流可达2mA,在实验中只需要几十到几百微安的发射电流即可得到足
够的离子流。电子所获得的能量是由灯丝与电子接收阱间的相对电压值决定,能量在10~70eV之间
可调,灯丝的加热电压由发射电流反馈电路控制
电子轰击离子源
飞行时间
∠质量分析器
引山电极(d2
匮镜组
TOF mass
Extraction electra
Slattery of lens
lon source
aly
质言
分子泵
Molecular pump
电离室(G1)
onization chamber
图1宽离子能量检测范围飞行时间质谱仪装配图
图2电子轰击离子源模拟离子轨迹图
Fig. 1 Assembly diagram of time-of-flight mass spectro-fig 2 Simulate ion trajectory of electron impact
meter for detection of ions with wide energies energies source
电离室离子引出小孔孔径为6.0m,引出电极和聚焦电极是厚度1.0mm的不锈钢圆片,中间开
直径分别为4.0和2.0mm的圆孔,电极圆孔的大小和间距直接影响到离子源的灵敏度,通过 Simion软
件模拟确定电极间距为1.0mm。为了减小离子在离子源中的停留时间,避免多余的分子-离子反应,采
用连续引出的方式。圆型透镜组由3片圆周均布的直流圆环组成,对离子起到空问导向作用,提高灵敏
度,离子束经过调制后垂直进入质量分析器。被引入TOF加速区的离子的横向动能是由电离室电压决
定,因此,在测试实验中,通过改变电离室的施加电压来获得不同初始横向能量的离子,同时匹配引出极
电压、聚焦电压以及透镜组电压,对离子进行调制。
2.3飞行时间质量分析器
飞行时间质量分析器由加速区、无场飞行区、反射区以及检测区等部分组成,图3A为不同初始能
量离子模拟飞行轨迹图,表1为其主要参数列表。采用垂直引入反射式二阶空问聚焦设计,考虑离子引
入时空间及能量分散,理论及模拟设计分辫率大于1000(FWHM)。离子经离子源透镜组调制成圆柱型
离子束,在进入TOF加速区时,采用孔径为2mm的屏蔽罩减小进入加速区的离子束的空间分散。离子
经过无场飞行区后进入反射区,反射区相对加速区増加2.5°倾角,増加离子横向位移,使初始能量较小
的离子能够在MCP检测区被接收,同时相应调整检测区倾角约3°,保证分辨率不下降。
检测区示意图见图3B所表1仪器主要参数
示,采用大尺寸设计,大尺寸 Table1 Main parameters of instrument
方形MCP在制作和加工上难
区域
尺寸
极片
幅值
Re
gon
Dimension
Electrode
Voltage
度很大,本仪器研制中将直径
推斥极 Repeller800V(5KHz
为100mm的圆形MCP进行
加速区
Acceleration region
33 mm
栅E
网1 Grdt
切割得到的,两片MCP错层
栅网2Gi
-700V(5kHx)<