磁偏转式小质谱仪.docx

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磁偏转式小质谱仪

磁偏转式小质谱仪

——前级信号观察及实验改进思考

摘要：

磁偏转式小质谱仪实验操作过程繁杂、单次实验耗时较长，历来是实验者在短时间难以顺利完成的内容。

本文通过对小质谱仪前端信号的检测及规律总结，概括通过功率判断实现预测最佳扫描信号的易行方法；同时对影响扫描信号质量因素展开探讨并提出可行解决方案，从而提高小质朴实验的成功率及改善信号质量。

关键词：

质谱仪前级信号功率出入射缝磁场均匀性聚焦改进

一、引言：

质谱仪是当今应用最为广泛的质量分析和测量的方法，使用范围已扩展到核科学、有机化学、生物医学、地质学等多领域。

是利用带电粒子在电磁场中的运动规律，实现按质荷比进行分离从而探测物质组分的实验仪器。

本实验利用表面电离型离子源，当钼带温度足够高时分解并扩散至腔中撞击电子发生电离，经加速电压作用后引入分析区，于扇形磁场区发生偏转，通过对扫描电压的调节收集不同性质的离子信号得到理想U-I图像曲线。

但由于实验过程注意事项较多，能力要求相对较高，稍有不慎便导致实验终止甚至失败。

特别对初次实验者虽然通过充分预习，注意到诸如保证绝缘性、制备充足离子源、保证密封性以及钼带循序加热等事项，由于经验有限难以准确判断何时开始扫描信号以及有了信号以后困惑于图像扭曲，信号质量差等状况而不知如何调节。

实验者通过多次实践发现被电离KCl及NaCl原子由离子引出板负电压加速，在聚焦电压聚焦后途经入射缝、偏转磁场、出射缝等，最终为检测器接受的电流信号非常微弱（实验曾尝试性探究发现前端电流信号强度可以达到接收端信号强度的1000倍），导致实验者难以判断离子信号产生的时间，未能及时扫描电压收集信号。

本文则经过实验总结提出利用前端的电流信号来准确判断信号发生时间，从而避免错过强流信号的情况。

同时初实验者经常困惑于扫描到分辨率低，扭曲、甚至畸形的信号，严重偏离理论上预测的图像。

而本文经过科学验证途径总结出影响图像质量的关键性因素（出入射缝设置适当，侧重于磁场均匀性及聚焦电压调节两方面），并且提出可行性改进意见，希冀在成功采集信号的同时提高扫描图像质量。

二、实验原理与方法：

2.1实验基础原理：

【1】黏附于钼带上的离子源在钼带高温时分解，进入空间中撞击到灼热金属表面发生电离，其中金属样品的电离效率可以近似表达为：

其中

是已电离和未电离的粒子束数的比值，

是灯丝的表面功函数，Ｅ是被分析样品材料的电离能，ｋ为玻尔兹曼常数，Ｔ为绝对温度，ｒ为比例系数。

【2】本实验采用动态分析法：

利用可变的电磁场使不同质荷比的粒子按空间或时间分离来实现。

假设通过出射缝的离子以速度V进入与其相垂直的磁场B，则以半径R作圆周运动，即有：

根据此式当扇形磁场半径Ｒ与磁场Ｂ处处均匀时，通过扫描加速电压即在固定的接受缝上观察到不同质荷比的粒子。

2.2实验方法：

2.2.1考虑质谱仪前端信号从产生至最终为末端检测器接受过程中经过入射缝、偏转腔、出射缝等装置，以及中间过程不可避免的碰撞损失导致最终可接收信号强度很低，经过尝试性探究发现可以通过从前端观测信号变化规律，获得电流强度的信息。

【1】测量不同灯丝功率下发射电子电流：

实验在器材量程范围内通过改变灯丝端电流（或电压）—即改变灯丝两端功率，采集聚焦电极中的质谱仪前端电子信号。

【由于钼带加热电源显示电压值并不精确，全程选择万用表测量钼带两端电压】

考虑电子为负性粒子运动向高电势，为引导电子流向聚焦电极需要在钼带段加上负高压，提高聚焦极电势。

实验电路图如右所示：

【2】测量不同灯丝功率下离子流的变化：

在钼带端添加KCl与NaCl配比1:

1的混合物离子源，同理按照上面实验线路测量不同灯丝功率下离子流变化情况。

2.2.2实验过程经常遇到出入射缝设置较为合理但是扫描信号分辨率不高，采集信号扭曲、畸形等较差信号质量。

这部分实验内容从磁场均匀及聚焦电压对称性展开研究，探讨在质谱仪出入射缝适当设置下，改变磁场性质及调节聚焦电压对图像质量的影响，从而提出可行性改进方法得到分辨率高，信号质量好的扫描图像。

2.3实验注意事项：

【1】适当钼宽：

过宽电流超过电流计量程；过窄瞬间电流大样品持续不长，极易熔断；

【2】定时加流：

等待固定时长（5min-10min）钼带均匀受热，示数稳定后采集数据；

【3】单向调流：

单向增加或减小电流测量数据，因上、下调节功率钼带响应时间不同。

三、实验结果与讨论：

3.1测量不同灯丝功率下发射电子电流：

I/A

U/V

Po/W*mm-1

P/W

Ie/A*E-9

6.0

0.523

0.191575092

3.138

20

6.5

0.599

0.237698413

3.8935

200

7.0

0.695

0.297008547

4.865

380

7.5

0.729

0.333791209

5.4675

900

8.0

0.753

0.367765568

6.024

3600

初步测量时发现偏转极间电流信号极不稳定，稍微的人员干扰都会产生电流示数的剧变。

所以本部分实验数据读取特别小心，遵循单向变化、规律调流、定时采集三个主要原则得到如下数据：

通过上图看到单位长度功率从0-0.03W变化发射电子电流并无较大提升，考虑该现象的影响因素在电子发射需要克服灯丝表面的逸出功【】当灯丝功率过低成功出射电子能量不足，难以克服逸出功所以接收到发射电子电流近零。

而当灯丝功率不断提升发现接收电流信号不断增强，两者斜率随功率的提升而增加。

解释这样一种现象考虑电子在金属中的能量分布满足玻色—费米统计，即能量绝大部分处于平均值，而处于极高、极低能量的电子只占很小部分。

随着灯丝功率的提升，可以克服逸出功成功出射的电子数目愈加增多伴随着宏观现象即在发射电子电流信号的增强，且观察P0-Ie曲线斜率不断增加，说明电子信号强度随单位长度功率的增加而提升，最后因电流超出微电流计量程没有进一步采集。

从上图粗略判断逸出功为0.05eV,但实际查找钼带逸出功为4.52eV，之所以产生如此巨大差异主要因为为引导电子流实验于钼带端外加偏置电压，提供额外的能量。

3.2测量不同灯丝功率下离子流的变化：

实验步骤如上，于初始空白钼带上黏附NaCl和KCl混合质量比为1:

1的离子源，此时于钼带端添加正偏压引导离子向低电势运动，收集聚焦电极两端离子流信号。

得到如下实验数据及通过图像：

通过上图看到当灯丝单位长度功率由0—0.37W变化时对应离子流几乎没有变化，而若继续增加灯丝功率至0.42W左右发现离子流信号突然变大，如上图中红线标注具有I—P具有极大斜率。

解释该现象发生原因在于离子发射具有一个“临界功率”【临界功率指离子流有无到有巨变的最小功率】。

在此功率下钼带温度足够高使样品分解与金属表面灼热电子碰撞可能发生电离产生强烈离子信号。

注意到图中利用功率为单位长度功率（钼带宽度W=1.115mm），若通过P0/W则获得单位面积功率；如此通过乘上其他钼带面积即可获取该钼带对应“临界功率”。

在实验过程利用计算灯丝端功率是否接近其截止功率决定是否开始准备采集信号扫描图像，有效避免错过离子最佳检测时间的弊端。

3.3出入射缝宽度适当时磁场均匀性及聚焦电压影响信号图像质量（分辨率）的探讨：

3.3.1【磁场均匀性对于信号图像质量（分辨率）的影响及实验求证】：

本实验利用的基本原理即

理想情况固定B、R，对于同种离子其对应扫描图像应呈现单峰；而实验总难以实现如此理想条件，即磁场不均时对应同种离子扫描图像呈现双峰，如此严重影响图像质量，增加杂扰峰作用，降低质谱仪分辨性能。

实验用磁场为扇形铁磁提供，实验者进行【1】数据证实及【2】实验证实：

【备注：

实验室标注磁场大小为200mT】

上左图为放置磁场至不同位置B值大小，计算得到偏差较大；右图为实验过程调节磁场位置图像由“双峰”变为“单峰”。

【改进思考】

【1】考虑实际操作中对磁场不均情况可在扫描到图像时尝试性微调磁场位置，同时观察图像峰情况；

【2】改造质谱仪结构即平行平面磁场代替扇形磁场，同时添加与之方向垂直的扫描电场使不同质荷比离子被检测器接收。

一方面T型筒变成直筒节省成本；另一方面固定U调节E即可选择相应离子，很简便易行；最重要的是有效避免磁场不均的缺点。

3.3.2【聚焦电压对称性对信号图像质量（分辨率）的影响及实验证实】：

实验中聚焦电压作用为汇聚及调整入离子流使之正入射，理想情况当两聚焦电极严格对称扫面图像应均一对称。

但是实际情况由于法兰盘面电极制造、聚焦极极面平整度、实验者安装等因素作用导致聚焦电极并不对称，导致离子源无法成功聚焦、导致临近信号干扰堆叠、图像扭曲失真，整体体现在信号质量（分辨率）较差。

【改进思考】

通过理论计算锁定信号离子对应电压峰值范围，调整聚焦电压展开定区域扫描，直至X-Y记录以上出现理想图像。

3.4实验改进再思考：

【再思考1】

出入射缝调节毋庸置疑是影像分辨率不容忽视的因素，探究不同缝宽信号质量优劣利用目前装置只能拆卸—调宽-组装-抽真空，无形中影响实验成效，同时耗费大量时间。

汲取光谱仪出入射缝调节的灵感，将出入射缝固定而利用外置微调螺母调节宽度改善实验时效。

[但是相对实验成本大大提高，系统的密封性要求也更为苛严]

【再思考2】

实验室循环水系统添加运转信号提示（曾经发生无冷却水降温，但加热电炉工作导致炉金属镀锡外壳严重熔融的情况），思考可利用循环水系统水能供应小信号灯源发亮，提醒实验者注意。

最后由于循环水系统安装不久，其工作原理等在实验室尽量附有详细使用说明或实验前讲解指导，以帮助实验者更好开展实验。

四、实验总结：

本文实验者经过多次实践探索，采集前端钼带发射电子信号，获知钼带电子发射规律及金属逸出功信息；对前端离子流的测量，总结由质谱仪前端信号采集做出I-P普适关系，读取其离子信号“临界功率”，可通过系数转化获知对应钼带何时开始出射离子信号，判断准备扫描的时间，进而有效地解决初实验者由于经验不足难辨何时展开实验检测的困难。

文章也对质谱仪出入射缝宽度调节理想情况下，磁场不均匀性及聚焦电压非严格对称性导致的图像质量（分辨率）过低的原因展开探讨，并提出可行性的解决措施。

最后经再思考对实验室出入射缝调节机制以及循环水系统提出改进意见。

综合全文主要内容在于提供判断扫描离子信号时间的依据，得到分辨率高、质量好的图像的攻略和若干实验改进措施，最终实现小质谱实验成功率及图像质量的提高。

五、致谢：

向复旦大学物理实验教学中心的俞熹、乐永康、汪人甫、姚红英等老师表示深深感谢，在实验过程给予莫大帮助启发，特别是对于思路的开拓方面，启示如何进行科学严谨的实验，增添论文中的数据以及相关实验结果的说服力；同时感谢实验合作者陶李同学，在实验过程中鼓励与支持。

最后由于个人能力有限文中难免不足，仍需要不断努力学习提高水平。

参考文献

【1】戴道宣，戴乐山．近代物理实验．北京：

高等教育出版社，2006．

【2】沈元华,陆申龙.基础物理实验.北京:

高等教育出版社,2003.

【3】罗胤，汪人甫，姚红英.小质谱钼带温度的测量.上海：

复旦大学，2010

【4】李攘寰，元素性质数据手册，河北出版社，1985.