新式小型便携飞行时间质谱计系统

　　一、引　　言

　　当代科学技术的突飞猛进,极大地促进了分析仪器的发展,结构小巧、性能优越、价格便宜、操作简便的小型便携在线分析仪器发展尤为迅速。目前,国际上商品化小型便携式四极质谱计、小型氦质谱检漏仪、小型飞行时间质谱计及便携式GC-MS检测仪器正在不断推出^[1]。

　　考虑到国内外对小型便携分析仪器日益增长的需求,在已完成新式小型飞行时间质谱计实验样机研制^[2]的基础上,进一步开发了一个小型便携式质谱分析系统,以便应用于真空镀膜工艺监测、残余气体分析、大气污染监控等领域。实物照片如图1所示。

　　二、设　　计

　　系统结构如图2所示,主要包括①新式小型飞行时间质谱计Mini-TOFMS,②配套一体化电源,③真空泵机组、进样系统、真空规及配套电源,④计算机软硬件数据处理系统等下面概括说明各个部分的设计。

　　1.新式小型飞时间质谱计Mini-TOFMS

　　Mini-TOFMS飞行管内部主要由三部分组成(如图2所示):a脉冲双场离子源,b质量反射器,c电子倍增器接收极。离子在离子源内产生,经离化区和加速区加速,进入无场漂移空间,接着进入质量反射器,然后重新进入无场漂移空间,最后到达电子倍增器接收极,被检测器接收^[3]。

　　Mini-TOFMS综合采用了几项有特色的技术,这包括:

　　(1)双场脉冲离子源,离子源由电离区和加速区组成,调整电离区和加速区的宽度比及电场比,可实现离子的一阶空间聚焦,使不同地点出发的离子同时到达离子源出口。

　　(2)时间滞后引出技术,使电子轰击(EI)型离子源所具有的离子初始速度方向不同,包括反向速度引起的时间分散,先转化为空间分散,然后由离子源双场参数实现空间聚焦加以抵消;

　　(3)能量反射聚焦技术,调整反射器的参数,可在一定程度上使具有不同能量同一荷质比的离子同时到达接收器,实现二阶能量聚焦;

　　(4)单离子计数检测技术,使得检测部分结构简单,不需要复杂的放大电路,只需对不同质荷比离子对应的时间通道计数,即可得到质谱。

　　由于综合采用以上技术,并调节其最佳配合,使得Mini-TOFMS在飞行管长度低于30cm的情况下,整体性能满足设计指标并具有改进的潜力。相关技术的详细讨论已另文发表^[2]。

　　2.小型一体化配套电源

　　考虑到在线便携仪器的使用要求,工作的重点是使样机中复杂的电源实用化和小型化。把不必要调节的电压固定下来或用微调电位器在一定范围内调节,低功耗电极直接用电阻分压供电而不用单独的稳压电路,从而大幅度地减小电源体积,并使之更实用可靠。