一种真空弧离子源飞行时间质谱仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于质谱仪技术领域，具体涉及一种真空弧离子源飞行时间质谱仪， 尤其是一种离子源引出电压大于40kV的、可检测含気金属电极单次脉冲放电后离子成份 的飞行时间质谱仪。
【背景技术】
[0002] 脉冲中子管在无损检测、脉冲中子测井等研究领域中有着广泛的应用，在核技术 领域中有重要的应用。脉冲中子管的含気金属电极真空弧离子源在放电过程中既产生気离 子，也产生気分子离子和金属离子。对产生中子有用的是気离子，而其他离子束流不仅对氣 革己有损伤，而且会降低気氣中子管的耐压性能。因此気离子束流成份越高，意味着中子管中 离子源的性能越好。为了改善脉冲中子管真空弧离子源性能，必须测量离子源引出的気离 子成份。实验已经证实离子源引出离子具有不均匀性，随着引出电压的不同，到达脉冲中子 管祀端的离子束分布不同，导致気离子成份随引出电压的变化而不同，因此离子源引出的 気离子成份测量中，尽可能接近脉冲中子管引出电压，W保证测量的准确性。飞行时间质谱 仪是测量离子源输出気离子束流的成份的优选设备。从离子引出方式可分反射式飞行时 间质谱仪和直线式飞行时间质谱仪。分反射式飞行时间质谱仪从离子出口垂直方向引出离 子，并经过反射器后使离子达到检测器。直线式飞行时间质谱仪从离子出口水平方向引出 离子，离子W直线方式飞行到达检测器。
[0003] 由于脉冲中子管中真空弧离子源单次脉冲半宽度通常小于20US，加之放电过程 的电磁干扰很大，用飞行时间质谱仪测量脉冲离子成份必须具有快的时间响应、较强的抗 干扰能力、较高的质量分辨力和较高的测量精度。现有飞行时间质谱仪在测量脉冲离子 源中的离子成分时都有着各自的缺点，无法有效地用于窄脉冲宽度的单次脉冲真空弧离子 源。
[0004] 2006 年，俄罗斯的V.I.Gushenets等人在"REVIEWOFSCIENTIFIC INSTRUMENTS"杂志的第 77 卷，第 6 期发表 了题为"Simpleandinexpensive time-of-flightch曰rge-to-m曰ssanalyzerforionbeamsourcecharacterization'， 文章，文中介绍了一种飞行时间质谱仪，采用金属蒸发真空弧离子源，离子源引出电压达到 了 30kV，产生频率可调的连续脉冲束，离子源脉冲半宽度达250US左右。本专利申请人 在该飞行时间质谱仪进行实验的结果证明，由于抗电磁干扰能力和脉冲离子取样方式的限 巧||，该直线式飞行时间质谱仪无法测量脉冲半宽度低于IOOuS的窄脉冲离子束，更不适用 于脉冲宽度较窄的单次脉冲真空弧离子源。
[0005] 2010年5月，陈磊等人在2010年真空放电和电绝缘国际学术会议论文集上发表了 题为"Plasmacharacteristicsofvacuumarcionsourcebyusingtime-of-flight massspectrometry"的文章，介绍了一种反射式飞行时间谱仪，采用了窄脉冲含氨电极 真空弧离子源，采用了正负双脉冲推斥和垂直离子引出方式，此类引出方式离子源引出电 压-1. 2kV。用该谱仪测量了真空弧离子源等离子体中的离子的百分比等参数，实现了脉冲 半宽度IOyS离子成份测量，但是由于在离子检测系统中采用微通道板，微通道板对不同 质量的离子响应差别很大，所W测量精度不能保证。
[0006] 2006年，贾韦稻等人在质谱学报第27卷第H期发表了题为"高效液相色谱检测 器-高分辨飞行时间质谱仪的研制"，该谱仪也采用正负双脉冲推斥和垂直离子引出方式， 离子源引出电压小于IkV。文章介绍了把微通道板设置工作在饱和状态，形成单离子峰信 号计数，W减小不同质量的离子响应差别、提高精度。送种方法的前提是离子计数必须足够 多，因此只适合脉冲半宽度较宽、且是连续脉冲的电喷雾分子离子源，不适合半宽度20US W下较窄的单次脉冲真空弧离子源，因为此类离子源离子计数非常少，无法定量。
【发明内容】
[0007] 本实用新型提供了一种真空弧离子源飞行时间质谱仪，它采用脉冲真空弧离子 源，离子源引出电压大于40kV，脉冲半宽度大于6yS，能够测量含気金属电极在离子源脉 冲放电中产生的离子种类和离子成份。离子检测采用法拉第杯，测得的离子谱峰完全响应 不同质量离子，克服了其它飞行时间谱仪的局限性。
[0008] 本实用新型的真空弧离子源飞行时间质谱仪，其特点是，所述的该真空弧离子源 飞行时间质谱仪包括引出电源，隔离变压器，离子源电源，真空弧离子源，前法兰，不镑钢真 空腔室，高真空规管，第一限束孔，第二限束孔，第一栅网，离子口，第二栅网，H圆筒聚焦透 镜，法拉第杯抑制电极，法拉第杯内电极，法拉第杯外电极，后法兰，抑制电源，第一分子泉， 聚焦透镜电源，第二分子泉，第一真空阀，离子口电源，干泉，低真空规管，间板阀，第二真 空阀。
[0009] 其连接关系为，引出电源高压输出与真空弧离子源阳极连接；离子源电源输出与 离子真空弧离子源阴极连接；隔离变压器输出端与离子源电源连接；前法兰与不镑钢真空 腔室连接；高真空规管与不镑钢真空腔室连接；不镑钢真空腔室外壳与地连接；第一限束 孔、第二限束孔设置在不镑钢真空腔室内，通过螺钉与不镑钢真空腔室连接并导通；第一栅 网、第二栅网设置在不镑钢真空腔室内，通过螺钉与不镑钢真空腔室连接并导通；第一栅网 和第二栅网设置不镑钢真空腔室内，两者都与地连接，离子口设置在不镑钢真空腔室内，离 子口由两组互相绝缘的不镑钢丝组成，一组不镑钢丝与地连接，另一组不镑钢丝与离子口 电源连接；H圆筒聚焦透镜由第一圆筒、中间圆筒和第H圆筒组成，设置并固定在不镑钢真 空腔室内，第一圆筒、第H圆筒与地连接，中间圆筒与聚焦透镜电源连接；法拉第杯离子检 测器由法拉第杯抑制电极、法拉第杯内电极、法拉第杯外电极、和抑制电源组成；法拉第杯 抑制电极制成网状，固定在不镑钢真空腔室内，与抑制电源连接；法拉第杯外电极通过螺钉 固定在不镑钢真空腔室内，与地连接；法拉第杯内电极由绝缘材料固定在法拉第杯外电极 内壁，法拉第杯内电极接收离子束，并通过测量电极与示波器等测量设备连接。第一分子 泉和第二分子泉分别通过一个真空角阀与不镑钢真空腔室连接；后法兰不镑钢真空腔室连 接；第一分子泉通过不镑钢管道与第二分子泉连接；干泉通过不镑钢管道、第一真空阀与 第二分子泉连接，干泉通过不镑钢管道与低真空规管连接，干泉通过第二真空阀、不镑钢管 道与不镑钢真空腔室连接；间板阀通过连接法兰与不镑钢真空腔室连接。
[0010] 本实用新型的真空弧离子源飞行时间质谱仪，尤其是一种可采用脉冲真空弧离子 源、离子源引出电压大于40kV的飞行时间质谱仪。其技术方案是；在一个高真空腔室内，设 置了真空弧离子源、离子口、H圆筒聚焦透镜、法拉第杯等设备。在离子源阳极与阴极之间 加一个高压脉冲，真空弧放电，在阴极斑附近的原子等被电离，产生等离子体。在引出高压 的作用下，脉冲离子束被引出。离子口开启，不同质荷比V如勺离子通过离子口并进入距离 为Z无场漂移区飞行一段时间，通过H圆筒聚焦透镜聚焦后，离子到达法拉第杯检测器。不 同离子的飞行时间与其质荷比之间的关系由公式（1)表示：
(1)
[001引式中，为飞行时间，伪离子的引出电压。
[0013] 根据公式（1)，不同质荷比V如勺离子到达法拉第杯检测器的飞行时间不同， 因此，在示波器上显示出不同离子的飞行时间谱峰，横坐标上时间代表离子质荷比谱 峰的峰值则代表离子数。因此可W得到含気金属电极中离子成分。
[0014] 本实用新型的优点是：
[0015] 本实用新型引出电源电压大于40kV，能用于检测含気金属电极在真空弧离子源放 电后输出的离子成分；既可检测含気金属电极单次放电后的离子成份，又可检测含気金属 电极连续脉冲放电后的离子成份。
[0016] 本实用新型采用离子口方式，离子口开启速度快，可W检测真空弧离子源输出脉 冲半宽度6USW上的离子种类和离子成份；
[0017] 本实用新型采用由法拉第杯抑制电极、法拉第杯内电极和法拉第杯外电极组成的 法拉第杯离子检测器，全部收集通过离子口的各种离子，与微通道板离子检测器相比，大大 提高了离子检测精度；
[0018] 本实用新型采用双分子泉抽真空，减少気离子束在传输过程中的损失，使真空度