辉光放电飞行时间质谱仪离子光学系统的改进及其性能的初步测试

　　1前言

　　辉光放电质谱法(GDMS)作为一种直接固体分析强有力的手段，近年来得到了迅速的发展，在逐层分析以及高纯材料、合金、半导体、绝缘体的分析等方面正得到日益广泛的应用。不同形式的离子源(如GD、ICP等)，所产生的离子都存在着不同程度的能量与空间分散，只有采用性能良好的离子光学系统，最大限度地减少离子的能量与空间分散，才能得到理想的灵敏度与分辨本领。有关等离子质谱仪离子光学系统方面的文献并不多，1988年日本名古屋大学的Kawaguchi教授发表了专门讨论离子光学系统的文章，论述了离子光学系统的多种形式;Gillson等人介绍了一种专门用于研究元素间非光谱干扰的离子光学系统;Vaughan等人研究了SeiexElan250型ICPMS中Einzel透镜及Bessel箱的各电极电位变化对离子轨迹的影响闭;Finnigan一MAT公司最新推出的SolaICP/GD一MS优于其它的等离子质谱仪的主要原因就在于它的离子光学系统，即所谓So—la的心脏—独特的Turner离子光学系统图。我们也曾对常用的常压(低真空)等离子体质谱的离子光学系统进行过分析，认为设置过多的离子过滤器是没有必要的，而且会成为提高仪器灵敏度的障碍之一。有关本实验室自行研制的瞬短脉冲辉光放电飞行时间质谱仪(MSP一GD一TOFMS)已有报导，本工作参考计算机模拟的结果，对原来的离子光学系统进行了改造，设计了一套适用于脉冲辉光放电飞行时间质谱仪的离子光学系统。

　　2实验部分

　　由于加工等因素，原来的离子光学系统田在进一步优化参数方面受到较大限制，没有发挥其应有的功能，经过改造后的仪器结构如图1所示，由于本仪器采用离子垂直引出技术，能有效地抑制光子及中性粒子的干扰，因此该离子光学系统没有必要采用Bessel箱，而主要由采样板(Sampler)、分离锥(Skimmer)、吸引锥(ExtraetionCone，51)、Einzel透镜(L₁、L2、L₃)、直流四极杆(De一Quadrupole)、狭缝(Slit)及法拉第筒(FaradayCup)组成。采样板同时也作为辉光放电的阳极(接地)，采样孔直径Zmm，锥角120”;分离锥长Zomm，孔径lmm，外锥度60^o，内锥度57^o。分离锥与采样板距离对离子的采集过程有着巨大影响，一般在2一10mm之间，太近会影响后级真空，太远则粒子间的碰撞与反应又会加剧，从而破坏离子采集的原始状态。Campargue曾对样品的分离过程进行了详细的分析，给出了采集中性粒子时采样孔与分离锥孔之间的最佳间距:

　　式中D_o为采样孔直径，常数C₁一0.125，Kn_o=λ/Do，λ是平均自由程，P_o为等离子源的压强，P₁为采样孔后超音速膨胀区域的背景压强。本离子光学系统采样板与分离锥间距为6mm。分离锥后12mm处有一吸引锥，长20mm，内径10mm，外锥度60o，内锥度57.3o.分离锥起着双重作用，一方面通过小孔的截流作用减少飞行管内真空受前级真空变化影响，使工作时飞行管内真空度由改造前的1.2X10^-3Pa降低为8X10^-4Pa;另一方面可施加一定的负电压以吸引更多的离子.图2是吸引锥处于不同电位时对质量数为63的离子(能量20eV，分散角士2^o)飞行轨迹的影响(采用simion4.0软件模拟)。经过吸引锥的离子束仍存在着较大的空间分散，使用三透镜(L₁、L₂、L₃，长37mm，内径18mm)可以有效地对离子进行吸引与聚焦，其中Ll与吸引锥间距2mm，透镜间距离为3mm，但离子束以圆形截面状进入推斥区而被推斥，影响了仪器的分辨率。在透镜后面的直流四极杆由4块相同的不锈钢圆切片组成，与L3相距2mm，长30mm，内切圆直径18mm。它在x轴方向与y轴方向有不同的焦距，具有独特的离子聚焦功能，因而可以把离子束压缩成扁状通过狭缝，从而解决了提高离子，传输效率(检测灵敏度)与仪器分辨率之间的矛盾〔目，MyersDP等人比较了传统的三透镜离子光学系统与使用直流四极杆透镜的离子光学系统性能，用磷光检测器记录进入推斥区的离子流形状，比较了微通道板上测得的谱线强度与分辨率，证明后者比前者具有更好的性能。直流四极杆后有一长20mm，宽2mm，高6mm的狭缝，它不仅限制了离子束进人推斥区时的形状，挡住杂散的离子，从而降低检测时的噪音，而且同样有吸引离子，提高离子传输效率的作用。狭缝略靠向推斥板，这样可以减少由于加速电场渗透而引起的噪音。法拉第筒通过一个10Mn的高阻接地，入口处加有屏蔽铜网以减少二次电子的影响.测量高阻两端压降一方面可以测量总离子流强度，另一方面可根据测得的离子流峰分析离子的分散情况及动能大小。