ICP-MS离轴传输透镜的仿真与优化设计

引用本文

李凯, 王雷, 王海舟, 王立平, 方哲, 王超刚, 潘高阳. ICP-MS离轴传输透镜的仿真与优化设计[J]. 光谱学与光谱分析, 2025,45(3): 808-815.
LI Kai, WANG Lei, WANG Hai-zhou, WANG Li-ping, FANG Zhe, WANG Chao-gang, PAN Gao-yang. Simulation and Optimization Design of ICP-MS Off-Axis Transmission Lens[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2025,45(3): 808-815.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2025)03-0808-08 复制到剪切板

Permissions

《光谱学与光谱分析》期刊社所有

ICP-MS离轴传输透镜的仿真与优化设计

李凯^1,², 王雷^1,², 王海舟^1,^2,^*, 王立平², 方哲^1,², 王超刚², 潘高阳²

1. 钢铁研究总院有限公司, 北京 100081

2. 钢研纳克检测技术股份有限公司, 北京 100081

*通讯作者 e-mail: wanghaizhou@ncschina.com

作者简介: 李凯,女, 1985年生,钢铁研究总院有限公司及钢研纳克检测技术股份有限公司高级工程师 e-mail: likai@ncschina.com

收稿日期: 2024-03-13 修回日期: 2024-07-30

基金: 国家重点研发计划项目(2021YFF0700103)资助

摘要

电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)以其灵敏度高、检出限低等优点, 是痕量元素强有力的分析手段之一。在ICP-MS仪器设计中, 如何将待分析物的离子束有效引入后级质量分析器系统是一大难点。为了实现离子束的高效传输, 离子束进入偏转透镜后应有较小的角度发散和能量发散, 并尽可能平行射出, 即在垂直方向的速度尽量为0; 同时为了最大程度去除中性粒子和光子, 降低背景噪声, 应使垂直方向的偏转位移较大。借鉴电子光学中的静电场理论, 从离子在静电场中的运动过程出发, 对离子在一种偏振悬挂式离轴偏转透镜中的运动过程进行理论推导并建立模型; 通过SIMION仿真软件, 分别对代表低、中、高质量数的Li、 In、 U离子束在此偏转透镜系统中的运动进行模拟仿真, 考察了电场参数加速电压 U_a、偏转电压 U₁、偏转电压 U₂和机械参数L2对离子束传输的影响, 该影响包括离子偏转位移 s_y、垂直方向速度 V'_y和离子通过率; 结合仿真结果和设计要求给出该离轴偏转透镜的关键电场参数值和机械参数优化设计方案; 根据优化设计方案, 将三种设计尺寸的偏转透镜系统应用于ICP-MS仪器中, 进行了背景噪声和灵敏度的对比测试以验证模拟仿真可靠性。实验结果表明, 借助仿真优化后的透镜结构, 背景噪声和灵敏度有明显提升, 尤其是低质量数提升更为明显, 背景噪声降低了约2倍, 灵敏度提升了约4倍。虽然模拟仿真与实际结果有一定的误差, 而整体的趋势正确, 能够为实际偏转透镜系统的结构设计和电气参数优化提供指导。

关键词: 电感耦合等离子体质谱仪; 偏转透镜; SIMION软件; 模拟仿真

中图分类号:TH843 文献标志码:A

Simulation and Optimization Design of ICP-MS Off-Axis Transmission Lens

LI Kai^1,², WANG Lei^1,², WANG Hai-zhou^1,^2,^*, WANG Li-ping², FANG Zhe^1,², WANG Chao-gang², PAN Gao-yang²

1. Central Iron and Steel Research Institute Co., Ltd., Beijing 100081, China

2. NCS Testing Technology Co., Ltd., Beijing 100081, China

*Corresponding author

Abstract

Inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MS) is one of the most powerful analytical methods for trace elements due to its high sensitivity and low detection limit. In the design of ICP-MS instruments, effectively introducing the ion beam of the analyte into the post-mass analyzer system is a major challenge. To achieve efficient transmission of ion beams, the ion beam should have a small angle divergence and energy divergence after entering the deflection lens, and be emitted as parallel as possible. That is, the velocity in the vertical direction should be as low as possible. At the same time, to remove neutral particles and photons to the maximum extent and reduce background noise, the vertical deflection displacement should be made larger. This paper draws on the theory of electrostatic fields in electron optics, starting from the motion process of ions in an electrostatic field, and theoretically derives and establishes a model for the motion process of ions in a polarized suspended off-axis deflection lens. Then, using SIMION software, the motion of Li, In, and U ion beams representing low, medium, and high mass numbers in this deflection lens system is simulated and analyzed. The key electric field parameters acceleration voltage U_a, deflection voltage U₁, deflection voltage U₂, and mechanical parameter L2 in theoretical analysis are examined for their effects on ion beam transmission, including ion deflection displacement s_y, vertical velocity v'_y at the exit hole, and ion pass rate. Combined with simulation results and design, the effects are investigated. Based on the simulation results and design requirements, this article presents the key parameter values and size optimization design scheme for the off-axis deflection lens. According to the optimized design scheme provided by software simulation, three sizes of deflection lens systems were applied to ICP-MS instruments for comparative testing of background noise and sensitivity to verify the reliability of the simulation. The experimental results showed that the background noise and sensitivity were significantly improved with the optimized structure, especially for low-mass numbers. The background noise was reduced by about 2 times and the sensitivity was increased by about 4 times. Although there may be some errors between simulation and actual results, the overall trend is correct. It can guide the structural design and electrical parameter optimization of deflection lens systems in practice.

Keyword: Inductively coupled plasma mass spectrometer; Deflection lens; SIMION software; Simulation

文章图片

0 引言

电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS), 由于其灵敏度高, 检出限低等优点, 在环境、地质、冶金等领域都有广泛的应用。 ICP-MS仪器主要由进样系统、 ICP离子源、接口、离子传输系统、质量分析器、离子检测系统、真空系统等组成。

在ICP-MS的各组成部分中, 离子传输系统是将待分析物的离子束有效引入后级质谱系统的关键结构, 也是设计难点。 ICP离子源产生的等离子体气流经提取接口转化为离子束, 束流中混杂有大量的中性粒子及光子。离子传输系统的作用是将接口提取的离子束聚焦, 并筛除其中的中性粒子和光子, 使束流以较小的角度分散和位置分散进入后级系统。

早期的ICP-MS在离子光路上放置一个金属板, 其目的是挡住离子束中的中性粒子和光子, 以降低背景噪声, 而由于挡板的存在, 离子光学系统变长, 离子损失的概率也变大了^[1]。有设计将一种四极静电透镜用做传输透镜, 将离子束弯曲90° ^[2], 而这种设计对轻离子的弯曲比重离子的弯曲更大, 导致质量歧视效应。 2002年瓦里安公司研制了一款离子镜90° 偏转技术, 建立了一个反射静电场, 使离子束沿着电场路径反射, 并将其聚焦在质量分析器的入口处^[3], 此结构将灵敏度限制在一定离子能量范围, 在这些能量范围之外, 灵敏度较差。 2015年布鲁克公司对此技术做了改良, 使离子在入口和出口的聚焦状态一样^[4], 而该设计一般在此90° 偏转处仅反射目标离子, 以使目标离子通过率最大, 对于其他离子的通过率较低。而离轴离子透镜可以传输几乎所有质量数, 最大限度地减少质量歧视, 并为整个质量范围内的元素提供高灵敏度和低检出限, 同时可以有效去除中性粒子和光子等背景干扰。

借鉴电子光学中的静电场理论, 由离子在静电场中的运动过程出发, 对离子在一种偏振悬挂式离轴偏转透镜中的运动过程进行理论推导并建立模型; 通过SIMION仿真软件, 对离子束在此偏转透镜系统中的运动进行模拟仿真, 做出优化设计方案, 并将其应用于ICP-MS仪器中, 进行背景噪声和灵敏度的对比实验, 验证其设计效果。

1 静电场基本理论

物理学中常用静电场实现带电粒子的偏转, 形成静电场的静电透镜一般由两个或更多的旋转对称圆筒形电极或平行板电极构成。以平行板电极为例, 如图1所示, 当带正电粒子沿着平行于平行板电极的方向以速度v₀射入横向电场中, 粒子的轨迹曲率 $\frac{1}{R}$ 满足等式 $\frac{1}{R} = \frac{e}{m v^{2}} E_{⊥} = {\frac{U_{d}}{2 U_{a} d}}^{}$ ^[5], 偏转位移 $s_{y}$ 满足等式 $s_{y} = a \frac{t^{2}}{2} = \frac{e E_{⊥}}{m} \times \frac{1}{2} {(\frac{l}{v})}^{2} = \frac{1}{4} \frac{U_{d}}{U_{a}} {\frac{l^{2}}{d}}^{}$ ^[5], 轨迹斜率 $r^{'}$ 满足等式 $r^{'} = \frac{v_{r}}{v_{z}} = {\sqrt[]{\frac{ε_{r}}{ε_{z} + V (z)}}}^{}$ ^[5]。由以上公式可知, 粒子的轨迹曲率 $\frac{1}{R}$ 和偏转位移 $s_{y}$ 都仅与偏转电势差 $U_{d}$ 、加速电势差 $U_{a}$ 和平行板距离d有关; 轨迹斜率 $r^{'}$ 在初速度分量 $v_{⊥} 、 v_{‖}$ 的加速电压 $ε_{r} 、 ε_{z}$ 一定的条件下, 并不是直接依赖于z, 而是由粒子行径的电势差 $V (z)$ 所决定, 在不同的均匀加速电场中, 虽然其电场强度和场的作用区长度各不相同, 但电势差相同处有相同的轨迹斜率。

	Figure Option View Download New Window
	图1 带电粒子在横向电场中的运动Fig.1 The motion of charged particles in a transverse electric field

据上述理论, 横向电场中带电粒子的轨迹曲率和偏转位移只与加速电势差、偏转电势差和平行板距离有关, 与带电粒子的质量数和带电荷量无关。因此在这三个参数一定的条件下, 设计的偏转电场对几乎所有质量数离子的偏转位移影响一致, 有较低的质量歧视效应。

为了获得较好的离子传输效率, 应尽量使离子束水平进出偏转透镜^{[6, 7, 8]}。意味着离子经过透镜偏转后要再次经过同等减速偏转使其速度变为水平, 两次偏转的轨迹斜率尽量平行。根据上述理论分析, 轨迹半径和轨迹斜率只与加速电势差、偏转电势差和平行板距离有关, 因此理论上设计合适的加速电势差、偏转电势差和平行板参数等可以达到上述要求。

2 仿真与优化设计

2.1 偏转透镜系统设计

设计并采用双平行板电极形成一种偏振悬挂式离轴透镜结构, 结构如图2所示。

	Figure Option View Download New Window
	图2 偏转透镜结构示意图Fig.2 Schematic diagram of deflection lens structure

系统由两对平行板电极C1和C2、 C3和C4组成, C1、 C2电极长度为L1, 板间距为D1, C3、 C4电极长度为L2, 板间距为D2, 两对平行板电极的水平间距为L3, 垂直间距为D3。

为了使离子束进出该偏转透镜的轨迹斜率一致, C1、 C4施加相同负电压U₂, C2、 C3施加相同负电压U₁, U₁< U₂, 形成偏转电势差; 设计D1=D2, 使得在相同电势差处有相同的轨迹斜率。当质量数为m的带一个正电荷的离子M⁺以速度v₀从C1、 C2平行板电极中心位置射入透镜时, 运动过程如下:

(1)离子进入L1区域

M⁺以v₀速度垂直进入L1区域, C1和C2由于施加不同的电压, 在二者中间形成电场E1, 方向由C1指向C2, M⁺受到电场力F1的作用, 如图3所示。

	Figure Option View Download New Window
	图3 正离子M⁺在第一对平行板电极中的受力分析Fig.3 Force analysis of positive ion M⁺ in the first pair of parallel plate electrodes

在此区域内离子做匀加速运动, 假设经过L1的时间为t₁, 则经过时间t₁后, 垂直-y方向速度v_y=a₁t₁= $\frac{qL 1 (U_{2} - U_{1})}{mD 1 v_{0}}$ , 垂直-y方向偏转位移s_y₁= $\frac{1}{2}$ a₁ $t_{1}^{2}$ = $\frac{qL 1^{2} (U_{2} - U_{1})}{2 mD 1 {v_{0}}^{2}}$ = $\frac{L 1^{2} (U_{2} - U_{1})}{4 D 1 U_{a}}$ 。

(2)离子进入L3区域

在L3区域, M⁺离子受到电场E1和E2的综合影响, 假设经过L3区域后, 在垂直方向速度变量为Δ v, 位移变量为Δ s。

(3)离子进入L2区域

离子进入L2区域后, 受力分析如图4所示。

	Figure Option View Download New Window
	图4 正离子M⁺在第二对平行板电极中的受力分析Fig.4 Force analysis of positive ion M⁺ in the second pair of parallel plate electrodes

在垂直方向受力为F2, 做匀减速运动, 假设经过L2的时间为t₄, 从L2区域出射时, 垂直方向速度 $v'_{y} = v_{y} + Δ v - a_{4} t_{4} = \frac{qL 1 (U_{2} - U_{1})}{mD 1 V_{0}} + Δ v - \frac{qL 2 (U_{2} - U_{1})}{mD 2 V_{0}}$ , 垂直方向偏转位移 $s_{y 2} = \frac{1}{2} a_{4} t_{4}^{2} = \frac{qL 2^{2} (U_{2} - U_{1})}{2 mD 2 v_{0}^{2}} = \frac{L 2^{2} (U_{2} - U_{1})}{4 D 2 U_{a}} 。$

(4)分析

为了保证离子在仪器内的高效传输, 离子束进入偏转透镜后应有较小的角度发散和能量发散, 并尽可能平行射出, 即在垂直方向的速度尽量为0。根据v'_y公式, v'_y是否为0取决于 $\frac{L 1}{D 1} 、 \frac{L 2}{D 2}$ 和 $Δ v$ , 当 $Δ v = 0$ 时, 则需要满足 $\frac{L 2}{D 2} = \frac{L 1}{D 1}$ ; 当 $Δ v > 0$ 时, 则需要满足 $\frac{L 2}{D 2} > \frac{L 1}{D 1}$ ; 当 $Δ v < 0$ 时, 则需要满足 $\frac{L 2}{D 2} < \frac{L 1}{D 1}$ 。当 $Δ v$ 为常量时, 固定 $L 1 、 D 1 、 D 2$ , 仅通过优化参数 $L 2$ 可以满足 $v'_{y} = 0 。$

对偏转位移, 通过s_y₁和s_y₂表达式可以看出, 仅与偏转透镜尺寸L1、 D1、 L2、 D2和加速电压U_a、偏转电压U₁和U₂有关。当固定L1、 D1、 D2时, 通过优化参数L2、 U_a、 U₁和U₂可以满足偏转位移的设计要求。

为了达到设计要求, 需要找到合适的L1、 D1、 L2、 D2、 U_a、 U₁和U₂参数, 而通过理论公式计算很难实现。本设计借助simion软件对整个偏转透镜系统进行仿真, 确定了上述设计参数, 实现了设计要求。

2.2 离轴偏转透镜模型建立

通过Simion 8.1软件对离子在所设计偏转透镜系统中的运动特性进行了模拟仿真, 其中透镜模型初始参数设定为:

(1)为了更好的去除离子束中的光子和中性粒子等背景粒子, 并结合仪器实际空间尺寸, 将离子束偏转位移的设计要求定为10 mm, 即s_y=10 mm。同时根据偏转透镜所处的接口处和后级真空差的要求, 设计偏转孔径为2 mm。

(2)采用Simion 8.1软件对平行板电极电场进行模拟, 当U_a≈ U₂≈ 0.1U₁时, 离子束约有5 mm偏转。

(3)偏转位移 $s_{y} \approx s_{y 1} + s_{y 2} = \frac{L 1^{2} (U_{2} - U_{1})}{4 D 1 U_{a}} + \frac{L 2^{2} (U_{2} - U_{1})}{4 D 2 U_{a}} = \frac{2 L 2^{2} (U_{2} - U_{1})}{4 D 2 U_{a}}$ , 而设计要求 $s_{y} = 10$ , 即 $\frac{2 L 2^{2} (U_{2} - U_{1})}{4 D 2 U_{a}} \approx 10$ , 结合(2)中电压关系, $L 2^{2} \approx 2.22 D 2,$ 基于此初步设定了L1=L2=6 mm, D1=D2=15 mm。

(4)由于此ICP-MS仪器在接口处除了偏转透镜外, 还有真空挡板阀组件, 根据此设计和尺寸要求, 设定了L3=D1=D2=15 mm, D3设定成偏转位移的一半5 mm。模拟模型示意图如图5所示, 在特定电场下, 离子顺利实现了偏转。

	Figure Option View Download New Window
	图5 偏转透镜模拟模型Fig.5 Deflection lens simulation model

2.3 偏转透镜系统中离子运动特性的模拟

2.3.1 离子初始条件设置

等离子体经过接口时, 离子的速度与载气氩原子近似, 一般通过接口的离子速度在2.5× 10⁵ cm· s^-1, 动能公式为

$KE = \frac{1}{2} m v^{2}$

式中, m为离子质量, v为离子速度。

根据动能公式可估算出离子从接口锥进入透镜系统的大致动能是10 eV, 离子束在锥口位置呈高斯分布^{[9, 10]}, 发散角度为0° ~25° 内锥状随机分布, 模拟离子数量为40, 网格精度设置为0.2 gu· mm^-1。具体参数设置如表1所示。

表1 模拟采用的基本参数 Table 1 The basic parameters forsimulate

2.3.2 模拟仿真过程

由2.1节理论分析及公式可知, 离子束能否最大程度地通过偏转透镜与所设计偏转透镜的机械和电气参数L1、 D1、 L2、 D2、 U_a、 U₁和U₂有关, 在建立仿真模型时, 机械参数先设定为固定数值, 电气参数需要通过仿真确定, 具体仿真过程:

(1)对加速电压U_a、偏转电压U₁和U₂进行逐级仿真, 以离子能够实现偏转为条件, 此时垂直方向速度v'_y和偏转位移s_y不满足设计要求, 得到三者的粗略参数: U_a=-200 V, U₁=-700 V, U₂=-120 V。

(2)对上述粗略参数进行进一步优化, 以偏转位移s_y、垂直方向速度v'_y和离子通过率表征本偏转透镜系统的设计效果, 其中s_y表征了离子束的偏转程度, v'_y表征了离子束是否能水平出射, 离子通过率表征实际的传输效果, 通过率越高, 传输效果越好。

(3)将(2)中的仿真结果与设计要求进行比对, 进一步优化机械参数以逐步接近或达到设计要求。

3 实验部分

上述采用Simion 8.1软件对所设计的偏转透镜进行了电气和机械多种参数的模拟仿真, 给出优化设计尺寸, 而由于仪器自身参数的限制, 以及仪器条件和实验条件的限制, 不能一一验证。本节针对其中的部分模拟结果进行实验验证, 通过实验结果比较模拟仿真的可靠性。

3.1 仪器与试剂

仪器采用钢研纳克检测技术股份有限公司的PlasmaMS 400型ICP-MS, 依据仿真结果设计了三款偏转透镜, 其中偏转透镜2是依据本文仿真优化结果设计的透镜, 三款透镜分别为:

(1)偏转透镜1: L1=6 mm, L3=6.5 mm, L3=15 mm, D1=15 mm, D2=15 mm, D3=5 mm, 偏转位移s_y=10 mm, 偏转孔径=2 mm。

(2)偏转透镜2: L1=6 mm, L2=7.1 mm, L3=15 mm, D1=15 mm, D2=15 mm, D3=5 mm, 偏转位移s_y=10 mm, 偏转孔径=2 mm。

(3)偏转透镜3: L1=6 mm, L2=6.5 mm, L3=15 mm, D1=15 mm, D2=15 mm, D3=5 mm, 偏转位移s_y=8 mm, 偏转孔径=2 mm。

使用质谱调谐液对不同偏转透镜下的仪器工作参数进行优化, 得到的工作参数如表2、表3和表4所示。

表2 偏转透镜1-ICP-MS主要工作参数 Table 2 Operation parameters of ICP-MS with deflection lens 1

表3 偏转透镜2-ICP-MS主要工作参数 Table 3 Operation parameters of ICP-MS with deflection lens 2

表4 偏转透镜3-ICP-MS主要工作参数 Table 4 Operation parameters of ICP-MS with deflection lens 3

模拟仿真采用元素Li、 In和U, 因此采用质量浓度均为1 μ g· L^-1的Li、 Be、 Co、 Y、 In、 Ce、 Bi、 Tl、 U的质谱调谐液, 介质为2%HNO₃, 由Li、 Be、 Co、 Y、 In、 Ce、 Bi、 Tl、 U多元素标准储备溶液(钢研纳克检测技术股份有限公司, 100 μ g· mL^-1, 介质为10%HNO₃)逐级稀释而成。实验所用硝酸、盐酸、氢氟酸均为MOS级(国药集团化学试剂有限公司), 实验用水为去离子水(电阻率为18.25 MΩ · cm)。

3.2 实验过程

使用质谱调谐液分别对三种偏转透镜配置的ICP-MS仪器进行优化调谐, 依据《GB/T 34826— 2017 四极杆电感耦合等离子体质谱仪性能的测定方法》进行测试, 得到三种配置下的背景噪声和灵敏度的测试结果, 进行对比分析。

4 结果与讨论

4.1 仿真结果与讨论

(1)加速电压U_a的优化

从0~-700 V, 以-100 V的步进值逐步改变U_a, 得到U_a与s_y、 v'_y和离子通过率的关系曲线, 如图6所示。由图可以看出:

	Figure Option View Download New Window
	图6 U_a与s_y、 v′_y和离子通过率关系图Fig.6 Relationship diagram between U_a and s_y, v′_y, ion pass rate

① U_a对全质量数s_y影响一致, 没有质量歧视效应, 与理论分析一致, 但是偏转位移s_y小于10 mm。

② 三个质量数离子束的v'_y变化趋势一致, 在-100 V处达到v'_y的最小值, 而U_a对各质量数影响大小不一致, 中质量数的v'_y比低和高质量数的要更接近于0。而在-100 V时, 对映的偏转位移s_y约为8 mm, 因此对仿真模型的出射孔位置进行修改, 将其设置在偏转位移8 mm处, 以使离子能尽量多的通过, 以考察U_a对离子通过率的影响。

③ 逐渐负方向增加U_a, 直到增加到约-40 V时, 离子逐渐开始通过出射孔, 继续负方向增加电压, 通过率逐渐增加, -100~-150 V之间, 通过率变化不大, 继续增加电压, 离子通过率下降, 至-250 V时降为0。

选定U_a为-100 V。

(2)偏转电压U₂的优化

设置U_a=-100 V, 偏转电压U₁=-700 V, 优化U₂。

由-95~-140 V, 逐渐负方向增加U₂, 得到U₂与s_y、 v'_y和离子通过率的关系曲线, 如图7所示。可以看出:

	Figure Option y, ion pass rate'>View Download New Window
	图7 U₂与s_y、 v'_y和离子通过率关系图Fig.7 Relationship diagram between U₂ and s_y, v'_y, ion pass rate

① U₂对全质量数s_y影响一致, 当U₂=-100 V时, s_y约为8 mm。

② 三个质量数离子束的v'_y变化趋势一致, 在-100 V处达到v'_y的最小值, 而U₂对各质量数影响大小不一致, 高质量数的v'_y比中和低质量数的要更接近于0。

③ 由-90~-160 V, 逐渐负方向增加U₂, 增加到约-94 V时, 离子逐渐开始通过出射孔, 继续负方向增加电压, 通过率逐渐增加, -100~-130 V之间, 离子通过率变化不大, 增加到约-135 V时, 离子通过率开始下降, 直到-150 V降为0。

综合分析, 选定U₂为-100 V。

(3)偏转电压U₁的优化

设置U_a=-100 V, U₂=-100 V, 优化U₁。

由-750~-1 000 V, 逐渐负方向增加U₁, 得到U₁和s_y、 v'_y与离子通过率的关系曲线, 如图8所示。发现:

	Figure Option y和离子通过率关系图 Fig.8 Relationship diagram between U₁ and s_y, v'_y, ion pass rate'>View Download New Window
	图8 U₁与s_y、 v'_y和离子通过率关系图Fig.8 Relationship diagram between U₁ and s_y, v'_y, ion pass rate

① U₁对全质量数段s_y影响一致, 当U₁=-950 V时, s_y约为8 mm。

② 三个质量数离子束的v'_y变化趋势一致, 在-950 V处达到v'_y的最小值, 而U₁对各质量数影响大小不一致, 高质量数的v'_y比中和低质量数的要更接近于0。

③ 由-650~-1 050 V, 逐渐负方向增加U₁, 约-700 V时, 离子开始通过出射孔, 继续负方向增加电压, 通过率逐渐增加, -750~-950 V之间, 离子通过率100%, 之后离子通过率开始下降, 约-150 V时降为0。全质量范围段离子通过率影响基本一致, 最佳离子通过率电压段为-750~-950 V。

综合分析, 选定U₁为-950 V。

(4)平行板电极尺寸的优化

在上述设定的尺寸和优化的电压参数下, v'_y为0即离子水平出射时, s_y约为8 mm, 若想满足偏转位移为10 mm的设计要求, 只通过修改电压参数无法满足。根据章节1中理论分析, 离子是否水平出射, 与L1/D1和L2/D2有关, 理论上通过调节L1、 D1、 L2、 D2, 可以使s_y为10 mm。为了方便调节, 固定L1、 D1、 D2, 优化L2。

由6~8 mm, 逐渐改变L2, 得到L2和偏转位移s_y、 v'_y的关系曲线, 如图9所示。由图发现:

	Figure Option y'>View Download New Window
y'>	图9 L2与s_y、 v'_y关系图Fig.9 Relationship diagram between L2 and s_y, v'_y

① L2对全质量数段的s_y影响一致, 当L2=7.1 mm左右时, 偏转位移s_y正好约为10 mm。

② 三个质量数离子束的v'_y变化趋势一致, 而对低质量数的影响明显大于中和高质量数。在L2约为7.1 mm时, 三个质量数的v'_y更接近于0。

根据上述分析, L2设定7.1 mm时, v'_y接近于0, 偏转位移约为10 mm, 满足设计要求。

(5)分析

① 此偏转透镜系统对全质量数段的偏转位移影响一致, 没有质量歧视效应, 模拟仿真结果基本与理论分析一致, 进一步佐证了本理论分析的正确性, 可以指导理论分析。

② 对于v'_y, 通过L2与v'_y的关系曲线可以看出, 只有当L2在特定参数时, 低中高质量数的v'_y才都接近0, 达到相当的传输效果, 而在L2全范围内, 对低质量数的影响明显高于中和高质量数。电气参数U_a、 U₁和U₂整体对低质量数的影响也较大。因此若本设计参数设置不合适, 对低质量数的传输效果影响较大。

③ 通过设置合理的模拟仿真过程, 可以获得理论分析难以计算出的各项参数, 进而指导系统设计。

通过将理论分析和模拟仿真相结合, 对所设计的偏转透镜系统的各项参数在离子传输系统中所起的作用有了更具象的认识。同时将离子在该系统的运动过程分成三个过程, 对于难以精确计算的L3区域的运动过程以Δ 变量表征, 通过对Δ 变量的分条件分析(大于0、等于0、小于0)找到影响设计指标v'_y的关键参数L1、 D1、 L2、 D2, 而不用真正知道变量Δ 具体数值是多少。在仿真过程中, 当电气参数无法满足设计要求时, 又将关键参数L1、 D1、 L2、 D2作为一个整体 $\frac{L 1}{D 1}$ 和 $\frac{L 2}{D 2}$ 考虑, 进而得出合适的参数, 满足设计要求。

4.2 实验对比结果与讨论

ICP-MS中离子偏转系统的作用是将接口提取的离子束聚焦, 并筛除其中的中性粒子和光子, 使束流以较小的角度分散和位置分散进入后级系统。能表征其中性粒子和光子去除效果的性能参数是仪器的背景噪声, 背景噪声越低, 说明去除效果越好; 能表征离子以较小的角度分散和位置分散进入后级系统效果的性能参数是仪器的灵敏度, 灵敏度越高说明离子传输效果越好^[11]。因此以仪器性能测试指标背景噪声和灵敏度来验证仿真优化的参数是否合适。

(1)不同偏转透镜配置的背景噪声结果对比

三种配置下的背景噪声测试结果对比如表5所示。

表5 背景噪声测试结果对比 Table 5 Comparison of background noise test results

可以看出, 偏转透镜1和偏转透镜2的偏转位移均为10 mm, 其220u处背景噪声也接近, 约为1 cps, 而偏转透镜3的偏转位移为8 mm, 其背景噪声约为3 cps, 稍高于偏转透镜1和2。同时Li、 In、 U三元素的背景噪声也是偏转透镜3高于偏转透镜1和2, 说明依据本仿真结果设计的偏转透镜2的背景噪声在全质量数段优于偏转透镜3, 与偏转透镜1相当。

(2)不同偏转透镜配置的灵敏度结果对比

三种配置下的Li、 In、 U元素的灵敏度测试结果对比如表6所示。

表6 灵敏度测试结果对比 Table 6 Comparison of sensitivity test results

由表6可以看出, 偏转透镜1和2, 虽然L2相差仅有0.6 mm, 但灵敏度相差较大, 尤其是低质量数元素。依据本仿真结果设计的偏转透镜2在灵敏度方面优化偏转透镜1, 与偏转透镜3相当。

(3)分析

综合上述结果分析如下:

① 背景噪声主要受偏转位移影响, 偏转位移越大意味着越多的中性粒子、光子等被去除, 背景噪声越低。

② 灵敏度主要与离子束是否水平进入后级系统有关, 偏转透镜1虽然偏转位移为10 mm, 但出射孔处的垂直速度v'_y并不为0, 意味着离子束倾斜入射进后级真空系统, 因此导致灵敏度较低。

③ 通过测试结果看出, 本偏转透镜系统有助于低质量数灵敏度的大幅度提升, 可达约4倍, 对中高质量数提升较小。与仿真结果中v'_y对低质量数的影响明显大于中高质量数的结论相互对应, 验证了仿真结果的准确性。

④偏转透镜2和偏转透镜3, L2尺寸不同, 导致偏转位移也不同, 但二者的灵敏度相差并不大, 说明均在各自偏转位移(10和8 mm)的出射孔处水平入射进后级真空系统, 因此离子通过率相差不大。当背景噪声要求不高时, 这两个系统均可采用。

⑤综合背景噪声和灵敏度对比, 依据本仿真结果设计的偏转透镜2效果较好, 进一步验证了仿真结果的准确性, 说明模拟仿真对系统设计有指导意义。

5 结论

(1)借鉴电子光学中的静电场理论, 由离子在静电场中的运动过程出发, 对离子在一种偏振悬挂式离轴偏转透镜中的运动过程进行理论推导并建立模型; 通过SIMION仿真软件, 对离子束在此偏转透镜系统中的运动进行模拟仿真, 给出优化设计方案;

(2)根据软件仿真给出的优化设计方案, 将三种设计尺寸的偏转透镜系统应用于ICP-MS仪器中, 进行了背景噪声和灵敏度的对比测试以验证模拟仿真的可靠性, 实验结果表明, 优化后的设计在背景噪声和灵敏度指标上有提升, 尤其是低质量数提升明显。虽然模拟仿真与实际结果有一定的误差, 但是整体的趋势是正确的, 能够为实际中偏转透镜系统的结构设计和电气参数优化提供指导。

参考文献

文献列表

[1]	Smoluch M, Grasso G, Suder P. Massspectrometry: An Applied Approach. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. , 2019. [本文引用:1]
[2]	Tetsumasa I, Yoshitomo N. Plasma Ion Source Mass Analyzing Apparatus: United States, 5559337. 1996. [本文引用:1]
[3]	Iouri K. Ion Optical System for a Mass Spectrometer: United States, 6614021. 2003. [本文引用:1]
[4]	Iouri K. Mass Spectrometry: United States, 9048078. 2015. [本文引用:1]
[5]	DU Bing-chu, WANG Jian-ru(杜秉初, 汪健如). Electron Optics(电子光学). Beijing: Tsinghua Unversity Press(北京: 清华大学出版社), 2002. [本文引用:3]
[6]	Scott D, Vladimir I. Atomic Spectroscopy, 1999, 20(2): 45. [本文引用:1]
[7]	Li Xingyu, Guan Lulu, Gao Jiuru, et al. Journal of Manufacturing Processes, 2023, 102: 839. [本文引用:1]
[8]	Vallant B, Kadnar R, Goessler W. J. Anal. At. Spectrom. , 2007, 22: 322. [本文引用:1]
[9]	Vadakedath S, Kand i V, Godishala V, et al. Biomedicine and Biotechnology, 2022, 7(1): 6. [本文引用:1]
[10]	HE Fei-yao, DAI Jian-xiong, FU Yu, et al(贺飞耀, 代渐雄, 付玉, 等). Journal of Chinese Mass Spectrometry Society(质谱学报), 2022, 43(1): 25. [本文引用:1]
[11]	Graczyk D, Mclain D, Tsai Y, et al. Atomic Spectroscopy, 2019, 153: 10. [本文引用:1]

2019

0.0

... 早期的ICP-MS在离子光路上放置一个金属板, 其目的是挡住离子束中的中性粒子和光子, 以降低背景噪声, 而由于挡板的存在, 离子光学系统变长, 离子损失的概率也变大了^[1] ...

0.0

... ^[2], 而这种设计对轻离子的弯曲比重离子的弯曲更大, 导致质量歧视效应 ...

0.0

... 偏转技术, 建立了一个反射静电场, 使离子束沿着电场路径反射, 并将其聚焦在质量分析器的入口处^[3], 此结构将灵敏度限制在一定离子能量范围, 在这些能量范围之外, 灵敏度较差 ...

0.0

... 2015年布鲁克公司对此技术做了改良, 使离子在入口和出口的聚焦状态一样^[4], 而该设计一般在此90#cod#x000b0 ...

0.0

... 以平行板电极为例, 如图1所示, 当带正电粒子沿着平行于平行板电极的方向以速度v₀射入横向电场中, 粒子的轨迹曲率 1R满足等式 1R=emv2E⊥=Ud2Uad^[5],偏转位移 sy满足等式 sy=at22=eE⊥m×12lv2=14UdUal2d^[5],轨迹斜率 r'满足等式 r'=vrvz=εrεz+Vz^[5] ...

1999

0.0

... 为了获得较好的离子传输效率, 应尽量使离子束水平进出偏转透镜^[6,7,8] ...

2023

0.0

... 为了获得较好的离子传输效率, 应尽量使离子束水平进出偏转透镜^[6,7,8] ...

2007

0.0

... 为了获得较好的离子传输效率, 应尽量使离子束水平进出偏转透镜^[6,7,8] ...

2022

0.0

... 根据动能公式可估算出离子从接口锥进入透镜系统的大致动能是10 eV, 离子束在锥口位置呈高斯分布^[9,10], 发散角度为0#cod#x000b0 ...

2022

0.0

... 根据动能公式可估算出离子从接口锥进入透镜系统的大致动能是10 eV, 离子束在锥口位置呈高斯分布^[9,10], 发散角度为0#cod#x000b0 ...

2019

0.0

... 能表征离子以较小的角度分散和位置分散进入后级系统效果的性能参数是仪器的灵敏度, 灵敏度越高说明离子传输效果越好^[11] ...