高能量离子束诊断质谱仪的研制及性能表征

真空弧放电离子源是一种用于产生金属离子束或者金属气体混合离子束的离子源, 因其具有结构紧凑、高离子电荷态以及强离子束流等优势，现已被广泛用于材料表面改性[1-3]和加速器离子注入等领域[4]。真空弧放电的显著特点是在阴极表面阴极斑处，快速发生阴极材料由固态向气态及等离子体态的相位转变。等离子体作为相位转变过程的最终状态，对其进行特性研究具有重要的实际意义。

飞行时间质谱(TOF)具有检测速度快(μs级)、质量检测范围宽等特点，适合瞬态过程分析，可以准确实现等离子体相对成分、电荷分布等信息的检测[5-9]。目前，许多国外团队正在开展该方面的研究，如美国劳伦斯伯克利国家实验室开发了金属蒸汽型真空弧放电离子源(mevva-type ion sources)[10]，俄罗斯高能电子研究所开发了钛同位素型真空弧放电离子源 (TITAN-type ion sources)[11-12]。他们均采用直线式飞行时间质谱技术，通过离子门结构截取离子，实现对放电过程离子束的诊断。但目前用于真空弧放电等离子体研究的直线式TOF的分辨率较低(M/Δm≤10)[10-12]，对于某些金属的多价态检测、同位素检测等存在一定局限性。国内真空弧放电离子源性能研究主要依靠光谱方法[13-14]，通过光谱分析采集离子源在不同放电电流条件下，一定波长范围内的发射光谱，通过谱线相对强度判断离子的含量，获取放电过程中某种离子谱线的平均相对强度。该方法无时间分辨，无法给出不同时间阶段离子的分布状态、价态及含量信息。近年来，本团队采用垂直引入反射式飞行时间质谱对引出离子能量在几十eV以下的真空弧放电离子源性能进行了分析研究[15-17]，但关于高能离子检测却鲜有报道。

本工作拟研制用于高能等离子体检测的直线式飞行时间质谱仪，希望能够同时给出离子源放电产生离子的种类、价态以及离子相对含量等信息，实现整个放电过程的精确诊断，为国内真空弧放电等离子体特性研究提供新型的检测方法。

1 实验部分

1.1 仪器结构

仪器整机由真空弧放电离子源、飞行时间质量分析器、真空系统等组成。真空腔体采用直径20 cm的不锈钢材料焊接成型，真空法兰采用铜环“硬”密封方式，保证真空性能和机械精度。仪器结构示意图示于图1，仪器整体长约1.7 m，TOF有效飞行管长度1.5 m。仪器真空系统机械泵为普兰德MV10NT隔膜泵，极限真空10 Pa，抽速3.8 m3/h，配备2个涡轮分子泵，均为普发hipace300，抽速为260 L/s，真空度优于10-5 Pa。

通过闸板阀可实现离子源部分样品快速更换，其基本原理为：仪器正常工作，开启闸板阀与真空阀2，关闭真空阀1，实现整个系统真空环境；样品更换时，关闭真空阀2及闸板阀，开启真空阀1，隔断离子源与分析器真空环境，通过放气阀升压使离子源部分到达常压状态，实现离子源样品更换。

1.2 飞行时间质量分析器

飞行时间质量分析器主要由双孔准直系统、离子门、无场飞行区、离子聚焦透镜及微通道板(MCP)检测器组成。真空弧放电产生的等离子体经30 kV直流高压加速后被离子门选择性截取后，通过透镜聚焦到达MCP检测器形成质谱图，离子的飞行时间与其质荷比呈对应关系。

本研究采用尼尔森离子门[18-21]精确截取离子，整个过程有两种作用效果：当栅网之间存在压差时，离子发生偏转，检测器接收不到信号；通过离子门施加短脉冲，在栅网之间等势的情况下，离子沿原路径通过，检测器可接收到信号。离子门工作原理示于图2。离子门被广泛应用于飞行时间质谱仪，其结构直接影响仪器的综合性能，特别是分辨率和灵敏度[22-24]。本研究设置离子门开门时间50 ns，保证实现直线式高分辨。

离子聚焦透镜由三圆环结构组成，两端为低电位，中间圆环施加一定电压形成透镜电场，通过调节电压大小，实现离子束的聚焦。为考察聚焦透镜的聚焦效果并优化聚焦透镜电压，采用与MCP直径相同的荧光片代替检测器，接收到达检测面上的离子，通过高速照相机(ICCD)拍摄调节透镜电压后荧光片的发光亮度及光斑位置来判断透镜的聚焦效果。调节不同的透镜电压，利用高速照相机拍摄离子束斑在荧光靶上的分布状态以确定透镜的最佳工作电压。

图1 仪器结构示意图

Fig.1 Assembly diagram of the instrument

图2 离子门工作原理图

Fig.2 Working principle diagram of ion gate

检测器示意图示于图3。两片微通道板(MCP)结构设计的间距为0.5 mm，微通道板与接收阳极的距离为1 mm，检测器施加负直流高压，每片MCP工作电压通过电阻(R1、R2、R3)分压获得，通过电阻(R4、R5)与阳极板相连形成50 Ω的电阻匹配，同时加入电容C对工作电路进行匹配，起到滤波稳压的作用。

图3 检测器结构示意图

Fig.3 Schematic diagram of ion detector

1.3 仪器工作时序

整机工作时序示意图示于图4，利用信号发生器(DG535)产生两路TTL信号，分别为trigger1和trigger2，trigger1和trigger2延时可调。trigger1触发离子源工作产生等离子体离子流，经过延时时间，产生trigger2触发离子门电源而产生离子截取短脉冲，被截取的Δt时间内的离子经过无场飞行区分离，最终由MCP检测，实现离子种类和价态的测量分析。调节trigger2相对trigger1的延时，可实现不同放电阶段离子信息的分析。

图4 仪器工作时序示意图

Fig.4 Operation principle diagram of time sequence

2 结果与讨论

2.1 单离子信号

单离子信号是在MCP正常工作状态下接收到真空背景中游离的离子而产生的，单离子峰可用来考察检测器是否正常工作，以及信号传递电路对高频信号的响应情况。对于MCP 检测器，影响单离子性能的因素主要有MCP 的尺寸、两片MCP 的间距、MCP 与阳极板的间距、阳极板的厚度、传递信号的信号线上的阻抗匹配等。单离子信号的峰宽对实际信号峰宽有一定影响。根据飞行时间质谱仪的分辨率计算公式R=m/Δm=t/2Δt可知，相同条件下，检测器接收到的离子信号的半峰宽越窄，即Δt 越小，仪器的分辨率越高。

本研究中，单离子信号由示波器(安捷伦 DSO-X 3052A，500 Hz，4GSa/s)采集，设定MCP的工作电压为-1 200 V，得到的单离子信号示于图5，半峰宽为1.25 ns，幅值为5 mV。根据示波器余晖显示，MCP检测器单离子信号稳定，性能较优。

图5 MCP检测器单离子信号(2 ns/div,2 mV/div)

Fig.5 Single impulse of MCP detector (2 ns/div, 2 mV/div)

2.2 透镜聚焦效果考察

真空弧放电离子源产生的离子束会成一定的发散角度，大部分截取的离子在传输过程中会在真空腔壁损失而不能到达检测器。为了使分散的离子在检测器位置聚焦，提高灵敏度，在飞行腔离子通道上设计了单透镜结构。透镜电压在-22、-23、-24、-25 kV条件下，离子束聚焦光斑在荧光靶上的分布状态示于图6。当透镜电压为-24 kV时，光斑最小且亮度最高，在相同条件下，测试离子流信号的强度最强，继续加大电压，离子明显分散，呈现“过聚焦”状态，表明透镜电压在-24 kV时，离子束聚焦效果最好。

图6 透镜电压对离子束斑的影响

Fig.6 Influence of lens voltage to ion beam spot

2.3 等离子体组分诊断

对于真空弧放电，阴极材料中某些元素很容易吸附非金属物质，在放电过程初期，阴极表面附着的氧化层和水膜最先被电离，在脉冲离子束实验中，通常靠前的几μs内会有大量气体离子生成，导致轻质量的物质最先被检测到。

图7 相对延时为2 μs的气体离子质谱图

Fig.7 Mass spectrum of gas ions at the time delay of 2 μs

相对延时为2 μs时得到的质谱图示于图7，所测成分与文献[25]报道基本一致，O+半峰宽约为8 ns，飞行时间为1.5 μs，分辨率约90 FWHM，较文献[25]的仪器分辨率提高近10倍，极大地提高了仪器应用潜力。

通过调节trigger2与trigger1之间的延时时间，在6 μs时得到的等离子成分信号谱图示于图8。由于仪器相对分辨较高，检测到大量杂质物质离子，杂质物质的产生主要由离子源的结构、组成以及放电条件决定[28]，除了包括大量气体成分以外，还有金属元素(如Fe+，Cu+)及其同位素等离子成分。通过该仪器可获得放电过程中准确的离子信息。

图8 金属离子质谱图

Fig.8 Mass spectrum of heavy ion

3 结论

本工作研制了专用的直线式飞行时间质谱仪，并将其用于真空弧放电离子源产生的高能离子束的检测，TOF分析器主要由离子门、透镜系统及MCP检测器组成，离子有效飞行距离1.5 m，通过ICCD高速相机优化透镜的聚焦电压，使分辨率达到90 FWHM。结果表明，真空弧放电过程中，放电初期(2 μs)等离子体组分主要以轻组分气态离子C+、O+、C2+、O2+等为主；放电后期(6 μs)，除轻组分离子外，还可检测到金属离子(如Fe+，Cu+)及其同位素离子。该仪器可实现对真空弧放电产生离子的快速、准确检测，具有分辨率高，能够同时给出离子源放电产生离子的种类、价态以及相对含量等信息，可用于真空弧放电产生的高能量等离子体的精确诊断。