双聚焦高分辨质谱仪电分析器优化设计.pdf

双聚焦高分辨质谱仪电分析器优化设计李皓云,袁晓纪,苗 凯,杨少华,李昊勇,余长益,唐雅婷,黄 波(四川红华实业有限公司,四川 乐山6 1 4 0 0 0)摘 要:针对双聚焦系统中的电分析器,利用C S T S t u d i o S u i t e进行了结构设计与电磁场仿真。主要工作包括理论计算、柱面结构电分析器设计、弥散电场优化与屏蔽、电 磁分析系统电磁场及粒子运动轨迹模拟。研究结果表明:接地极与绝缘垫片的安装能有效降低弥散场对粒子运动状态影响;束流聚焦点与理论计算相对偏差小于1%;在紧凑、易安装结构下,在电、磁分析系统束流引出口分别实现能量聚焦及速度聚焦,且放大系数小于1。关键词:双聚焦质谱仪;电分析器;磁分析器;电磁场;弥散场中图分类号:T L 8 1 7;T N 0 1 5文献标志码:A D O I:1 0.1 2 0 6 1/j.i s s n.2 0 9 5 6 2 2 3.2 0 2 3.0 2 0 2 0 2收稿日期:2 0 2 2 0 2 1 4;修回日期:2 0 2 2 1 1 1 0基金项目:四川省科技计划基金资助项目(2 0 2 2 Y F G 0 3 7 0)作者简介:李皓云(1 9 9 3-),男,四川成都人,助理工程师,硕士,主要从事质谱仪研发工作。E-m a i l:h a o y u n l e e 1 6 3.c o mD e s i g n O p t i m i z a t i o n o f E l e c t r i c S e c t o r f o r D o u b l e F o c u s i n g H i g h R e s o l u t i o n M a s s S p e c t r o m e t e rL I H a o y u n YUAN X i a o j i M I AO K a i YANG S h a o h u a L I H a o y o n g YU C h a n g y i T ANG Y a t i n g HUANG B o S i c h u a n H o n g h u a I n d u s t r i a l C o L t d L e s h a n S i c h u a n P r o v i n c e 6 1 4 0 0 0 C h i n a A b s t r a c t D o u b l e f o c u s i n g h i g h r e s o l u t i o n m a s s s p e c t r o m e t e r c a n b e a p p l i e d t o m u l t i d i s c i p l i n a r y i s o t o p e a n a l y s i s T h i s p a p e r u s e s t h e C S T S t u d i o S u i t e e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d s i m u l a t i o n s o f t w a r e t o o p t i m i z e t h e d e s i g n a n d e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d s i m u l a t i o n o f t h e e n d s t r u c t u r e o f t h e e l e c t r i c s e c t o r i n a d o u b l e f o c u s i n g s y s t e m T h e m a i n w o r k i n c l u d e s t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s d e s i g n o f c y l i n d r i c a l s t r u c t u r e e l e c t r i c a l a n a l y z e r s o p t i m i z a t i o n a n d s h i e l d i n g o f d i s p e r s e d e l e c t r i c f i e l d s e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d a n a l y s i s s y s t e m s a n d s i m u l a t i o n o f p a r t i c l e m o t i o n t r a j e c t o r i e s T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e i n s t a l l a t i o n o f g r o u n d i n g e l e c t r o d e o f e a r t h p o l e a n d i n s u l a t i o n s p a c e r c a n e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e i n f l u e n c e o f d i s p e r s i o n f i e l d o n p a r t i c l e t r a j e c t o r y a n d t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n b e a m f o c u s a n d t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n p o s i t i o n i s l e s s t h a n 1%W i t h a n a m p l i f i c a t i o n f a c t o r o f l e s s t h a n 1 t h e e n e r g y f o c u s i n g a n d v e l o c i t y f o c u s i n g a r e a c h i e v e d a t t h e b e a m e x i t o f t h e e l e c t r i c a n d m a g n e t i c a n a l y s i s s y s t e m s r e s p e c t i v e l y K e y w o r d s d o u b l e f o c u s i n g m a s s s p e c t r o m e t e r e l e c t r i c s e c t o r m a g n e t i c s e c t o r e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d d i s p e r s i o n f i e l d1-202020第1 4卷 第2期2 0 2 3年6月现 代 应 用 物 理MO D E R N A P P L I E D P HY S I C SV o l.1 4,N o.2J u n.2 0 2 3 1 9 3 4年,M a t t a u c h等1首次提出双聚焦质谱仪理论,但直至1 9 7 4年,才完善了双聚焦质谱仪二级相差计算方法24。根据粒子运动轨迹可逆性,荷质比相同的带电粒子在电分析器的能量色散与在磁分析器的能量色散相互抵消,促使运动轨迹及能量存在差异的离子聚焦于同一点,提高仪器的分辨率。双聚焦质谱仪高灵敏度及高分辨率的优势,广泛应用于多学科领域,如地球科学、古气象科学、地外陨石及生物化石分析、核电站安全性分析等56。英国NU I n s t r u m e n t s公司的e V o l u t i o n高分辨气体同位素质谱仪分辨率最高可达5 0 0 0;澳大利亚A S I公司S HR I MP系列质谱仪采用大半径电分析器和磁分析器,分辨率最高可达3 0 0 0 0;法国C a m e c a公司I M S系列质谱仪分辨率最高可达4 0 0 0 078。目前,国内质谱学技术仍处于追赶阶段,高分辨率轻核同位素分析仪器的研究尚处于空白。结合重大科学仪器战略发展方针,四川红华实业有限公司计划基于N i e r J o h n s o n模型,结合一款成熟商用电磁分析器,建设双聚焦高分辨质谱仪平台。通过理论计算,结合C S T S t u d i o S u i t e(德国D a s s a u l t S y s t m e s产品,简称C S T)电磁场仿真软件对电分析器端部结构进行优化设计,有效地减少了电分析器端部弥散场对离子轨迹的影响。1电分析器及其参数计算待测样品通过进样系统注入电离室,经过能量为7 0 e V电子轰击后裂解成大量带电离子91 0。离子受定向电场作用引入离子光学系统进行加速聚焦,漂移一段路程过后进入电分析器及磁分析器分别进行能量和质量聚焦。双聚焦质谱仪实现双聚焦的前提可表示为1 01 3Ke=Km(1)其中:Ke为电分析器速度色散系数;Km为磁分析器能量色散系数,分别表示为Ke=Re1-c o s(2e)+2Les i n(2e)Km=Rm(1-c o s m)+Lms i n m+(1-c o s m)t a n 1 (2)其中:Re为电分析器偏转半径;e为电分析器偏转角度;Le为电分析器相距。Rm为磁分析器偏转半径;m为磁分析器偏转角度;1为粒子入射角度;Lm为磁分析物距1 0,1 4。拟采用一款磁分析器进行质量聚焦,参数如表1所列表1磁分析器参数T a b.1 M a g n e t i c s e c t o r p a r a m e t e r sP a r a m e t e rV a l u eRm/mm2 5 0m/()9 01/()02/()2 6.5Lm/mm2 5 0Lm/mm5 0 0将表1中的参数带入式(2),得到Km=5 0 0。根据式(1)可实现双聚焦的前提,Ke=5 0 0。电分析器的参数设计主要权衡因素包括:(1)结构紧凑,满足分析要求前提下适当减少分析器体积,关联电分析器相距Le及物距Le;(2)放大倍数小于1,得到良好的束流品质,关联放大系数G1 2。(3)束流注入端及引出端结构优化,减少弥散场对粒子轨迹干扰;电分析器满足的条件可表示为Le=Re2c o t(2e)+R2e2 s i n22e Le-Re2c o t2e (3)G=Re2 s i n2e Le-Re2c o t2e (4)由式(2)式(4)可知,可通过调节e与Re来选择合适的Le,Le,G。结合进样系统操作便捷性及整体协调性,e选定范围通常为6 0 9 0,综合以上考虑,选择e=6 5,通过改变Re大小探索Le,Le,G随Re的变化关系,如图1所示。图1物距Le、像距Le及放大系数G随偏转半径Re的变化关系F i g.1Le,Le,a n d G v s.Re2-202020 李皓云 等:双聚焦高分辨质谱仪电分析器优化设计第2期 由图1可见,当Re为2 0 04 7 5 mm时,Le为21 025.71 03 mm,且增 加趋势 逐 渐 变 陡;Le为2 8 91 3 4 mm,线性减少;G为1.4 90.0 3,减少趋势逐渐变缓。综合多因素权衡考虑,当放大系数小 于1时,Re应 取 值 为3 5 04 0 0 mm。取Re=4 0 0 mm,改变e大小探索Le,Le,G随e的变化关系,如图2所示。图2物距Le、像距Le、放大系数G随偏转角e的变化关系F i g.2Le,Le,a n d G v s.e由图2可见,当e为2 0 8 9 时,Le为2 8 8 08 0 0 mm,且 减 小 趋 势 逐 渐 变 缓;Le为6 9 3-9 5 mm;G为0.2 5不变。质谱仪运行中,真空度通常维持在1 0-51 0-6 P a。通常采用机械泵串联分子泵模式抽取设备前级真空,当系统整体真空度达到1 0-4 P a及以上时,再开启离子源、漂移管及接收系统等多个离子泵。为保持良好的真空度,Le不宜选择太大,同时兼顾电分析器与磁分析器耦合的安装便捷性及整体紧凑性,选择Re=4 0 0 mm,e=6 0 进行电分析器静电场仿真,计算得到电分析器理论参数如表2所列。表2电分析器理论参数T a b.2 T h e o r e t i c a l p a r a m e t e r s o f t h e e l e c t r i c s e c t o rP a r a m e t e rV a l u eRe/mm4 0 0e/()6 0Le/mm1 1 6 1.4 3Le/mm9 6.4 72电磁场仿真在C S T电磁场仿真软件E l e c t r o m a g n e t i c f i e l d s o l v e r s计算模型中建立正负电极板模型,其中内极板外径为3 8 9 mm,外极板内径为4 1 1 mm,即两电极板距离为2 2 mm;电极板厚度均为1 5 mm。为减少弥散场在电分析器入射端和出束端对粒子轨迹影响,在两端部设计接地极。分别对只含有电极板模型及添加接地极模型进行静电仿真得到电极板端部电场分布,如图3所示。图3中,部件(1)和部件(2)分别为正、负电极板、电极板与接电极之间存在一块陶瓷绝缘垫片,部件(3)为接地极。由图3(a)见,弥散场大量聚集至极板端部,并持续存在于粒子运动轨迹区域;由图3(b)可见,接地极有效减少了弥散场分布。(a)W i t h o u t g r o u n d i n g e l e c t r o d e(b)A d d i n g g r o u n d i n g e l e c t r o d e图3电极板端部电场分布F i g.3 E l e c t r i c f i e l d d i s t r i b u t i o n a t t h e e n d-r e g i o n o f t h e e l e c t r o d e p l a t e电分析器外部由屏蔽罩包裹,接地极通过螺钉固定于屏蔽罩;内径为3 3 mm的高真空漂移管为粒子提供漂移环境;漂移管通过法兰与屏蔽罩连接。图4为电分析器结构示意图。对电分析器进行静电场的模拟可知,高压集中在陶瓷垫片附近,靠近电极板一侧的电场强度低于电极板之间平均值,且靠近接地极的一侧区域仍存在弥散场。完全消除弥散场是非常困难的,因此,优化目标是通过调节陶瓷垫片使弥散场对粒子提前聚焦作用与电极板端部不完整的聚焦相互抵消,实现Le仿真值与理论计算值相吻合。3-202020第1 4卷现 代 应 用 物 理图4电分析器结构示意图F i g.4 S t r u c t u r e d i a g r a m o f e l e c t r i c s e c t o r3结构优化设置背景为真空,在C S T P a r t i c l e t r a c k i n g S o l v e r运算模式中选择合适的边界条件进行粒子轨迹仿真。建立尺寸为1 0 mm0.0 3 mm离子源出口狭缝模型;离子源距离电分析器入射端为1 1 6 1.4 3 mm;离子源类型为质子,参数如表3所列。表3离子源参数F i g.3 I o n s o u r c e p a r a m e t e r sP a r a m e t e rV a l u eK i n e t i c e n e r g y/e V8 0 0 0K i n e t i c s p r e a d/1 0-20.5A n g l e s p r e a d/()0.5接地极通过M 6型螺丝将电极板固定于屏蔽罩,为维持安装稳定度,接地极厚度不能太薄,故确定接地极厚度为1 5 mm。调节电分析器两端陶瓷垫片的厚度,并优化电极板之间电压使粒子从电极板中 心 引 出。陶 瓷 垫 片 厚 度d优 化 区 间 为11 0 mm。像距Le与极板电压U随绝缘垫片厚度d的变化关系如图5所示。图5像距Le、极板电压U随绝缘垫片厚度d的变化关系F i g.5Le a n d U v s.d 由图5可见,Le变化范围为7 5.5 4 1 6 2.2 1 mm,d为1 3 mm时,Le增长幅度较小;d为37 mm时,Le增长幅度逐渐变陡;d为7 1 0 mm时,Le增长幅度逐渐放缓;正极板电压值为4 3 7.9 4 3 2.9 V。结合表1中Le=9 6.4 7 mm,权衡高压击穿、加工精度、安装难易度及垫片强度,陶瓷垫片厚度d取值为4.1 mm。在实际应用中,质谱仪部件的加工精度及安装偏差等均有可能导致Le与理论值产生偏差。因此,离子源到电分析器之间有一段漂移管为波纹管,较小的偏差可在调试过程中通过平移波纹管,即改变参数Le,使粒子束满足理论聚焦点。根据表1电分析器参数,在电分析器引出束流聚焦点2 5 0 mm处建立磁分析器模型。磁分析器主要由极靴、磁轭及带电线圈3部分组成。当带电线圈接入稳压恒流源后,极靴之间均匀分布的磁场将不同荷质比离子分离。保持电分析器参数不变,选择合适的线圈匝数及电流大小使磁分析器引出的束流从中部射出,电磁分析器中粒子运动轨迹如图6所示。图6电、磁分析器中粒子运动轨迹F i g.6 P a r t i c l e t r a j e c t o r y i n e l e c t r o a n d m a g n e t i c a n a l y z e r结果表明,Le=4 9 8.2 3 mm,与磁分析器理论设计值偏差1.7 7 mm。分析原因为磁分析器的束流射入端与引出端的弥散场对粒子提前及滞后聚焦,使总体聚焦效果高于理论值。但1.7 7 mm的偏差可通过微调接收器的波纹管使聚焦的束流完全射入接收杯。4结论双聚焦质谱仪的电分析系统对束流进行能量聚焦,入射端与出射端弥散场对粒子运动轨迹产生影响,造成聚焦点与理论计算产生偏差。基于一套成熟磁分析系统(Ke=5 0 0),对电分析系统端部结构进行优化。利用C S T P a r t i c l e T r a c k i n g S o l v e r运算模式中改变入射端与出射端绝缘垫片厚度d观察4-202020 李皓云 等:双聚焦高分辨质谱仪电分析器优化设计第2期Ke变化趋势。当d=4.1 mm时,Ke与理论值相等。电 分 析 器 结 合 磁 分 析 器 仿 真 得 到Ke=4 9 8.2 3 mm,与理论值相差1.7 7 mm。仿真结果表明,绝缘垫片厚度的优化可有效减少电分析器端部弥散场对粒子轨迹影响,并为双分析系统质谱仪(双聚焦质谱仪、加速器质谱仪及电感耦合等离子体质谱仪等)研发工作提供数据支撑。本文所有仿真工作均在理想条件下完成,而质谱仪实际运行中,真空度、温度、安装偏差及部件加工偏差均可能对同位素的分析结果造成干扰,因此,质谱仪安装调试工作通常需数月的时间。参考文献 1 MA T T AU C H J H E R Z O G R Ub e r e i n e n n e u e n M a s s e n s p e k-t r o g r a p h e n J Z e i t s c h r i f t f ur P h y s i k 1 9 3 4 8 9 1 7 8 6 7 9 5 2 S HU L T I S J K MC G R E GO R D S F AW R E F u n d a m e n t a l s o f N u c l e a r S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g M 3 t h e d N e w Y o r k M a r c e l D e k k e r 2 0 0 2 1 2 9 3 V I C K E RMAN J C S e c o n d a r y i o n m a s s s p e c t r o m e t r y b a s i c c o n c e p t s i n s t r u m e n t a l a s p e c t s a p p l i c a t i o n s a n d t r e n d s J S u r f I n t e r f a c e A n a l 1 9 8 7 1 0 8 4 3 5 4 N I E R A O T h e d e v e l o p m e n t o f a h i g h r e s o l u t i o n m a s s s p e c t r o m e t e r J J o u r n a l o f t h e Am e r i c a n S o c i e t y f o r M a s s S p e c t r o m e t r y 1 9 9 1 2 6 4 4 7 4 5 2 5 WAN G M X C A R V E R J J P HE L AN V V e t a l S h a r i n g a n d c o mm u n i t y c u r a t i o n o f m a s s s p e c t r o m e t r y d a t a w i t h G l o b a l N a t u r a l P r o d u c t s S o c i a l M o l e c u l a r N e t w o r k i n g J N a t B i o t e c h n o l 2 0 1 6 3 4 8 8 2 8 8 3 7 6 NOME RO T S K I A B R OUA R D M C AMP B E L L E e t a l P i x e l i m a g i n g m a s s s p e c t r o m e t r y w i t h f a s t a n d i n t e l l i g e n t p i x e l d e t e c t o r s J J I n s t r u m 2 0 1 0 5 7 1 5 7 赵墨田 无机质谱分析 M 3版 北京 化学工业出版社 2 0 1 6 1 9 2 Z HAO M o-t i a n I n o r g a n i c M a s s S p e c t r o m e t r y M 3 t h e d B e i j i n g C h e m i c a l I n d u s t r y P r e s s 2 0 1 6 1 9 2 8 S C HYMAN S K I E L J E ON J GU L D E R e t a l I d e n t i f y i n g s m a l l m o l e c u l e s v i a h i g h r e s o l u t i o n m a s s s p e c t r o m e t r y C o mm u n i c a t i n g c o n f i d e n c e J E n v i r o n S c i T e c h n o l 2 0 1 4 4 8 4 2 0 9 7 2 0 9 8 9 P R I C E P S t a n d a r d d e f i n i t i o n s o f t e r m s r e l a t i n g t o m a s s s p e c t r o m e t r y A r e p o r t f r o m t h e c o mm i t t e e o n m e a s u r e m e n t s a n d s t a n d a r d s o f t h e Am e r i c a n s o c i e t y f o r m a s s s p e c t r o m e t r y J J Am S o c M a s s S p e c t r o m 1 9 9 1 2 4 2 2 6 3 4 8 1 0 季欧 质谱分析法 M 北京 原子能出版社 1 9 7 7 1 3 7 J I O u M a s s S p e c t r o m e t r y M B e i j i n g A t o m i c E n e r g y P r e s s 1 9 7 7 1 3 7 1 1 B RU I N S A P M a s s s p e c t r o m e t r y w i t h i o n s o u r c e s o p e r a t i n g a t a t m o s p h e r i c p r e s s u r e J M a s s S p e c t r o m R e v 1 9 9 1 1 0 1 5 3 7 7 1 2 C O T T R E L L J S G R E A THE A D R J E x t e n d i n g t h e m a s s r a n g e o f a s e c t o r m a s s s p e c t r o m e t e r J M a s s S p e c t r o m R e v 1 9 8 6 5 3 2 1 5 2 4 7 1 3 GU I L HAU S M S p e c i a l f e a t u r e T u t o r i a l P r i n c i p l e s a n d i n s t r u m e n t a t i o n i n t i m e-o f-f l i g h t m a s s s p e c t r o m e t r y P h y s i c a l a n d i n s t r u m e n t a l c o n c e p t s J J M a s s S p e c t r o m 1 9 9 8 3 0 1 1 1 5 1 9 1 5 3 2 1 4 P E T R I E S B OHME D K I o n s i n s p a c e J M a s s S p e c t r o m R e v 2 0 0 7 2 6 2 2 5 8 2 8 0 上接第0 2 0 1 0 1-1 1页 1 2 徐元利 陈学前 高海鹰 等 神光主机装置真空靶室组件研制 J 强激光与粒子束 2 0 1 2 2 4 1 1 2 6 2 3 2 6 2 6 X U Y u a n-l i C H E N X u e-q i a n G A O H a i-y i n g e t a l D e v e l o p m e n t o f v a c u u m t a r g e t c h a m b e r c o m p o n e n t i n S h e n g u a n g-L a s e r F a c i l i t y J H i g h P o w e r L a s e r a n d P a r t i c l e B e a m s 2 0 1 2 2 4 1 1 2 6 2 3 2 6 2 6 1 3 刘晶儒 赵学庆 高功率准分子激光技术及其应用 J 现代应用物理 2 0 1 9 1 0 4 1 0 1 0 4 0 1 L I U J i n g-r u Z HAO X u e-q i n g H i g h p o w e r e x c i m e r l a s e r t e c h n o l o g y a n d i t s a p p l i c a t i o n s J M o d e r n A p p l i e d P h y s i c s 2 0 1 9 1 0 4 1 0 1 0 4 0 1 1 4 L OU P I A S B KO E N I G M F A L I Z E E e t a l S u p e r s o n i c-j e t e x p e r i m e n t s u s i n g a h i g h-e n e r g y l a s e r J P h y s R e v L e t t 2 0 0 7 9 9 2 6 2 6 5 0 0 1 1 5 S M I TH R F E G G E R T J H J E AN L O Z R e t a l R a m p c o m p r e s s i o n o f d i a m o n d t o f i v e t e r a p a s c a l s J N a t u r e 2 0 1 4 5 1 1 3 3 0 3 3 3 1 6 S HU H Z HAN G Y J WAN G B H e t a l L a s e r-s h o c k e d c a l c i u m d i f l u o r i d e C a F 2 a s a w a r m d e n s e m a t t e r J P h y s P l a s m a s 2 0 2 0 2 7 3 0 3 0 7 0 1 1 7 F A L K K GAMB OA E J KA GAN G e t a l E q u a t i o n o f s t a t e m e a s u r e m e n t s o f w a r m d e n s e c a r b o n u s i n g l a s e r-d r i v e n s h o c k a n d r e l e a s e t e c h n i q u e J P h y s R e v L e t t 2 0 1 4 1 1 2 1 5 1 5 5 0 0 3 1 8 MA B B R E N J R W A N G S Y e t a l L a b o r a t o r y o b s e r v a t i o n o f C a n d O e m i s s i o n l i n e s o f t h e w h i t e d w a r f H 1 5 0 4+6 5-l i k e a t m o s p h e r e m o d e l J T h e A s t r o p h y s i c a l J o u r n a l 2 0 2 1 9 2 0 2 1 0 6 1 9 L O R E N Z K T E DWA R D S M J J ANKOWS K I A F e t a l H i g h p r e s s u r e q u a s i-i s e n t r o p i c c o m p r e s s i o n e x p e r i m e n t s o n t h e Om e g a l a s e r J H i g h E n e r g y D e n s i t y P h y s i c s 2 0 0 6 2 3 4 1 1 3 1 2 5 2 0 G RUN J C R AN C H G A L UN S F O R D R e t a l S c a l e d e x p e r i m e n t s o f e x p l o s i o n s i n c a v i t i e s J J A p p l P h y s 2 0 1 6 1 1 9 1 8 1 8 4 9 0 3 5-202020第1 4卷现 代 应 用 物 理