电子轰击源内空间电荷对其性能的影响

　　电子轰击(EI)是重要的气相离子源之一,能够用于四极杆、飞行时间和磁式等诸多质量分析器[1-2],并拥有标准谱库,是气相色谱-质谱联用仪最常用的电离源之一,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[3-6]。

　　电离效率是EI源最为重要的性能参数,这是因为EI源的电离效率直接影响着质谱仪的分析灵敏度。提高EI源电离效率的方法有很多种,例如提高电离区域的局部样品浓度[7]等,最为直接的方法是增加EI源灯丝电流,使之产生密度更大的电子束。然而,随着EI源灯丝电流的增大,EI源内电子束的密度也随之增大,当增大至一定程度时,其产生的空间电荷效应就会改变离子在EI源内的运动状态,从而影响质谱仪的分析灵敏度。

　　为了研究空间电荷效应对EI源性能影响的机理,本研究首先基于泊松方程,利用数值计算方法获得不同EI灯丝发射电流下离子源内的电场分布和在该电场分布下的离子运动状态,进而分析空间电荷效应是如何影响EI源的性能。然后,通过实验研究不同EI源灯丝电流与检测到离子强度的变化情况,验证理论计算和分析的正确性。

　　1　EI源结构

　　EI源结构由灯丝、电子势阱、引出电极、聚焦电极、传输电极和永磁铁组成,示于图1。

　　灯丝采用WRe20合金材料(北京钨钼材料厂产品),比纯钨具有更好的韧性和延展性,直径为0.2 mm,盘绕2圈增大电子发射面积,有效长度为8 mm。离子源中灯丝发射电流为几十到几百微安。当通电受热的灯丝温度达到1 500K时,在电场的作用下,电子会从钨铼合金材料的表面逃逸出来,并被加速,在永磁铁形成的500 Gs磁场作用下,电子盘旋前进增加电离效率,最后被电子势阱收集。电子所获得的动能是由灯丝与电子接收阱间的相对电压值决定的,能量在10~70 eV之间可调。引出电极是厚度0.6 mm的不锈钢圆片,聚焦电极是长13 mm的不锈钢圆筒,与离子源壳体共同组成离子透镜。

　　2　EI源内的空间电荷效应

　　2.1　电离室内的泊松电场分布

　　灯丝电流很小,且不加入磁铁时,空间电荷密度很小,其对离子运动状态的影响可以忽略不计,此时,离子源内电场分布满足拉普拉斯方程。当增大灯丝发射电流或加入磁铁来增加电子路径时,随着发射电流的增加和磁体作用效应的体现,EI源内电子空间电荷效应也会加强,拉普拉斯方程已不再适用,这时EI源内的电场分布需要利用泊松方程进行求解。

　　其中,ρ为空间内的电荷密度,ε0为真空中的介电常数。这里,设电荷在灯丝孔下方区域均匀分布,具体的函数形式为:

　　其中,f(r)表示电荷密度函数,Iemission表示灯丝发射电流。