Транспортировка ионов в источниках с ионизацией при атмосферном давлении. II. Инверсная геометрия

При традиционной геометрии получения ионов, в которой эмитирующей поверхностью является острие иглы (вершина мениска жидкости), а про-тивоэлектродом является диафрагма, расположенная напротив острия, образуется расходящийся поток ионов [1, 2]. В дальнейшем на этот пучок ионов воздействуют отклоняющим электрическим полем в случае источников ионов с электрораспылением и последующим вырезанием приосевой части пучка диафрагмой — соплом на входе в интерфейс прибора [3]. В работе [4] используется кольцевой электрод между эмитирующей поверхностью и диафрагмой-соплом, что позволяет юстировать центр расходящегося пучка на центр диафрагмы. Новый вариант источника ионов с электрораспылением представлен в [5], где использовалось необычное расположение мениска распыляемой жидкости и противоэлектрода. Представленную геометрию можно назвать инверсной, когда по оси отверстия противоэлектро-да, выполненного в виде диафрагмы, располагается электрод в виде, например, иглы с коронным разрядом или капилляра с мениском распыляемой жидкости, которые выступают за плоскость противоэлектрода. Электрическое поле в описанной геометрии позволяет получать движение заряженных микрокапель по траекториям, сущест- венно отличающимся от приведенных в [1]. На рис. 1 [5] представлена фотография струи микро-

Рис. 1. Фотография струи микрокапель электрораспы-ляемой жидкости из капилляра при атмосферном давлении в системе капилляр—противоэлектрод в инверсной геометрии источника ионов [5]

капель электрораспыляемой жидкости в инверсной геометрии источника ионов. Струя микрокапель имеет узкий угол расходимости на расстоянии порядка 4 см от вершины мениска, при этом на капилляр подается напряжение порядка 4.5 кВ, т. е. то же, что при обычной геометрии источника ионов. Далее струя микрокапель рассыпается на отдельные капли в соответствии со структурой электрического поля. Из фотографии видно, что движение заряженных частиц осуществляется строго по силовым линиям постоянного электрического поля, а влияние объемного заряда на струю — поток заряженных частиц — пренебрежимо мало при данных условиях эксперимента.

Целью работы являются экспериментальные исследования характеристик и численное моделирование инверсной геометрии источника ионов при транспортировке ионов к входной диафрагме (соплу) в интерфейс анализатора.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Для изучения характеристик источника ионов с инверсной геометрией с ионизацией при атмосферном давлении использовалась экспериментальная установка подробно описанная в [6].

На первом этапе эксперимента исследовалось перераспределение ионного тока между противо-электродом, расположенным на расстоянии 8 мм от коронирующего острия в традиционной геометрии, и коллектором, расположенным за проти-воэлектродом на расстоянии 1 мм, для трех диаметров отверстий в противоэлектроде — 2.5, 4.5 и 6 мм — в зависимости от напряжения, подаваемого на коллектор. Практически определялись диаметр отверстия в электроде, величина напряжения на коллекторе для оптимального извлечения ионов из области перед противоэлектродом. При этом, как и в вышеописанных экспериментах [6], ток коронного разряда поддерживался постоянным ~ 1 мкА., на противоэлектрод подавалось положительное напряжение U _п = 250 В относительно "земли", а на коронирующее острие подавалось напряжение, необходимое для получения тока разряда. На рис. 2 представлены зависимости распределения тока коронного разряда на проти-воэлектрод и коллектор от величины напряжения на коллекторе для диаметра отверстия в противо-электроде 6 мм. Суммарный баланс токов проти-воэлектрода и коллектора составлял ~1.1 мкА и не изменялся во всем диапазоне изменения напряжения коллектора U к (0, –750) В. Напряжение между острием и противоэлектродом U о-п составило 3650 В.

Рис. 2. Зависимости распределения тока коронного разряда на противоэлектрод и коллектор от величины напряжения на коллекторе для диаметра отверстия в противоэлектроде 6 мм при постоянном токе коронного разряда

Рис. 3. Зависимости распределения тока коронного разряда на противоэлектрод и коллектор от величины напряжения на коллекторе для диаметра отверстия в противоэлектроде 2.5 мм при постоянном токе коронного разряда

Необходимо отметить, что при напряжении на коллекторе – 750 В электрическое поле, "провисающее" через отверстие в противоэлектроде диаметром 6 мм, практически полностью "отбирает" ионы на коллектор. На рис. 3 представлены зависимости распределения тока коронного разряда на противоэлектрод и коллектор от величины напряжения на коллекторе для диаметра отверстия в противоэлектроде 2.5 мм. Баланс токов проти-воэлектрода и коллектора составлял ~1 мкА и не изменялся во всем диапазоне изменения напряжения коллектора U к (0, –1000) В. Напряжение между острием и противоэлектродом U о-п составило 4600 В. При этих условиях измерений зависимости распределения тока на электроды — противо-электрод и коллектор — имеют обратную тенденцию по сравнению с представленными на рис. 2, что, видимо, связано с другой степенью "провисания" и формой электрического поля от коллектора перед отверстием в противоэлектроде. Наиболее интересный результат из этой серии измерений представлен на рис. 4, где зависимости распределения тока коронного разряда на противоэлектрод и коллектор от величины напряжения на коллекторе для диаметра отверстия в противоэлектроде 4.5 мм и диапазоне изменения напряжения коллектора U к (0, –1000) В представляют собой совокупность зависимостей, представленных на рис. 2 и 3. При напряжении между острием и противо-электродом U о-п ~ 4100 В и напряжении на коллекторе ~ (–475)÷(–500) В происходит переход зависимостей распределения токов между элек-

I , мкА

– U к , В

Рис. 4. Зависимости распределения тока коронного разряда на противоэлектрод и коллектор от величины напряжения на коллекторе для диаметра отверстия в противоэлектроде 4.5 мм при постоянном токе разряда тродами из одного вида (рис. 3) в другой (рис. 2). Таким образом, можно сказать, что при отверстии в противоэлектроде диаметром 4.5 мм и при изменении напряжения на коллекторе в диапазоне от 0 до (–475)÷(–500) В структура "провисшего" электрического поля, а соответственно и зависимости распределения токов ведут себя, как для отверстия диаметром 2.5 мм и напряжения до –1000 В на коллекторе (рис. 3). В диапазоне напряжений на коллекторе от (–475)÷(–500) В до –1000 В структура "провисшего" электрического поля, а соответственно и зависимости распределения токов ведут себя, как для отверстия диаметром 6 мм. (рис. 2). Такое поведение зависимостей (рис. 4) может как усложнить настройку системы транспортировки, особенно у переходной области, так и расширить возможности электрической настройки системы, не меняя ее геометрических параметров.

На следующем этапе исследований проводились эксперименты с инверсной геометрией источника ионов. Схема расположения электродов в этой геометрии в основном соответствует приведенной в [6], однако при этом по оси отверстия через противоэлектрод, выполненный в виде диафрагмы, располагается игла с коронным разрядом,

Рис. 5. Структура электрического поля, численно смоделированная в виде распределения эквипотен-циалей для источника ионов в инверсной геометрии. 1 — острие с коронным разрядом, 2 — противоэлектрод, 3 — управляющий электрод, 4 — коллектор. Электрические напряжения соответственно составляют U1 = 4500 В, U2 = U3 = 0 В, U4 = = –500 В выступающая за плоскость противоэлектрода со стороны управляющего электрода на 1 мм, а расстояние между противоэлектродом и управляющим электродом составляет 2 мм. Коллектор расположен за управляющим противоэлектродом на расстоянии 2 мм. Основное требование в такой геометрии: расстояние от вершины острия до плоскости противоэлектрода должно быть меньше радиуса отверстия в противоэлектроде, при условии, что диаметр коронирующего электрода-иглы должен быть не более 0.5–1 мм. Увеличение высоты выступающего острия над плоскостью противоэлектрода приводит к увеличению диаметра отверстия в противоэлектроде и соответственно к необходимости увеличивать напряжение на электродах для поддержания напряженности поля, необходимой для поддержания коронного разряда заданной величины. На рис. 5 представлена структура электрического поля в такой геометрии, численно смоделированная в виде распределения эквипотенциальных линий в меридиональной плоскости системы, состоящей из иглы (1), противоэлектрода (2), управляющего электрода (3) и коллектора (4). Величины электрических напряжений, подаваемых на электроды, соответственно составляют U1 = 4500 В, U2 = U3 = 0 В, U4 = –500 В. Изображение эквипотенциальных линий получено с помощью программного пакета

"SIMION 8.0" [8].

На рис. 6 и 7 представлены распределения тока заряженных частиц, приходящих на электроды системы транспортировки при атмосферном давлении в зависимости от напряжений, подаваемых на противоэлектрод, управляющий и коллекторный электроды соответственно для инверсной геометрии. Для отверстия в управляющем электроде диаметром 4.5 мм перераспределение тока заряженных частиц на противоэлектроде, управляющем электроде и коллекторе в зависимости от величины напряжения, подаваемого на коллектор представлено на рис. 6. При этом ток коронного разряда I к , измеренный в цепи коронирующе-го острия, составлял порядка 1 мкА; все напряжения, поступающие на электроды экспериментальной установки в соответствии со схемой эксперимента, подавались относительно "земли"; напряжение, подаваемое на острие U о , составило 4650 В, напряжение на противоэлектроде U п = 0 В, таким образом, напряжение между острием и противо-электродом U о-п составило 4650 В. На управляющий электрод подавалось U упр = 0 В. Баланс токов, приходящих на электроды, составлял 1 мкА во всем диапазоне изменений U к от 0 до 100 В. При U к ~ 25 В ток разряда, перераспределенный на коллектор, достигал своего насыщения и не менялся в остальном диапазоне изменений U _к.

I , мкА

( ток противоэлектрода) правляющего электрода) (ток коллектора)

-■- ×10^–1 ( ток противоэлектрода)

-•- (ток управляющего электрода)

-▲- ×10–1 (ток коллектора)

Рис. 7. Зависимости распределения тока коронного разряда на противоэлектрод, управляющий электрод и коллектор от величины напряжения на коллекторе для отверстия диаметром 2.5 мм в управляющем электроде при постоянном токе разряда при инверсной геометрии источника

Рис. 6. Зависимости распределения тока коронного разряда на противоэлектрод, управляющий электрод и коллектор от величины напряжения на коллекторе для отверстия диаметром 4.5 мм в управляющем электроде при постоянном токе разряда при инверсной геометрии источника

Практически ток разряда, прошедший через отверстие в управляющем электроде и достигший коллектора, равнялся 0.275 мкА, что составило 27.5 % от тока коронного разряда на острие. Плотность тока составила ρ = 1.73·10^–8 А/мм². Для отверстия в управляющем электроде диаметром 2.5 мм перераспределение тока заряженных частиц на противоэлектроде, управляющем электроде и коллекторе в зависимости от величины напряжения, подаваемого на коллектор представлено на рис. 7. При этом ток коронного разряда I к , измеренный в цепи коронирующего острия, составлял порядка 1 мкА; напряжение U о , подаваемое на острие, составило 4528 В; напряжение на про-тивоэлектроде U п = 0 В; таким образом, напряжение между острием и противоэлектродом U _о-п составило 4528 В. На управляющий электрод подавалось U упр = 0 В. Баланс токов, приходящих на электроды, составлял ~1 мкА во всем диапазоне изменений U к от 0 до 400 В. . При U к ~ 350 В ток разряда, перераспределенный на коллектор, достигал своего насыщения и не менялся в остальном диапазоне изменений U _к. Практически ток разряда, прошедший через отверстие в управляющем электроде и достигший коллектора, равнялся 0.275 мкА, что составило 27.5 % от тока коронного разряда на острие. Плотность тока составила ρ = 5.6 ·10^–8 А/мм². Соотношение плотностей токов 3.24 обратно пропорционально соотношению площадей отверстий в управляющем электроде, из чего следует, что по оси пучка в инверсной геометрии переносится больше заряженных частиц по сравнению с субстантивной геометрией. При субстантивной геометрии источника ионов плотности тока, проходящего через такие же отверстия, практически одинаковы и равны плотности тока для отверстия диаметром 4.5 мм при инверсной геометрии. Таким образом, наиболее перспективным вариантом системы транспортировки ионов при атмосферном давлении с точки зрения максимальной плотности тока на данный момент является инверсная геометрия с диаметром отверстия в управляющем электроде 2.5 мм.

Из зависимостей перераспределения токов на электродах транспортирующей системы для инверсной геометрии, представленных на рис. 6, 7, видно, что изменение величины напряжения, подаваемого на коллектор U к , либо не влияет на зависимости токов, поступающих на противоэлек-трод, либо слабо влияет на зависимость токов, поступающих на управляющий электрод. Исходя из этого следует, что и в инверсной геометрии удалось отделить процесс непрерывного коронного разряда от влияния внешних управляющих напряжений U к .

Предположим, как и в [6], что на расстоянии 2 мм между управляющим электродом и центром коллектора пучок имеет цилиндрическую форму и сделаем оценку ионного тока, поступающего на коллектор на площадку диаметром 0.55 мм, что соответствует диаметру отверстия в сопле — входной диафрагме анализатора [7]. Оценка проводилась для покоящегося газа, движение заряженных частиц происходит строго по силовым линиям на сплошную плоскость коллектора, диаметр отверстия в управляющем электроде 2.5 мм; при Uкол = 400 В и соответственно плотности тока ρ = 5.6 ·10–8 А/мм2 получим I0.55 = 13.44· 10–9 А, что в 3 раза больше, чем при использовании субстантивной геометрии, где I0.55 = 4.4 ·10–9 А. Оптимизация геометрических и электрических параметров, влияющих на ионный ток, проходящий за сопло, позволит получить эффективную систему транспортировки ионов при атмосферном давлении и увеличить чувствительность анализаторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведены первые эксперименты по изучению свойств инверсного источника ионов с ионизацией при атмосферном давлении и транспортировкой ионов, не влияющей на непрерывный процесс ио-нообразования на эмитирующей поверхности. Показано, что при инверсной геометрии источника ионов возможно увеличение плотности ионного тока на коллектор в три раза по сравнению с субстантивной геометрией при диаметре отверстия в управляющем электроде 2.5 мм. Независимо от геометрии источника ионов и при использованных геометрических размерах элементов системы транспортировки максимальный ток на коллекторе составляет 0.275 мкА, но при различных напряжениях на электродах. В режиме ввода ионов в сопло из бесполевого пространства между управляющим электродом и соплом, что достигается импульсным выравниванием напряжений на электродах без влияния на процесс ионообразования, ожидаемое увеличение ионного тока через сопло может составить до 120 раз по сравнению с традиционными источниками ионов с ионизацией при атмосферном давлении [6].