镶嵌式小型十六极阵列质谱计分析器的研制

　　质谱计是一种比较常见的分析仪器，广泛应用于航空、航天、农林、化工、法医、生命科学等领域。例如，目前在国际空间站上使用的气体检测仪器有六种，其中包括磁质谱仪和四极质谱仪，磁质谱仪用作舱内主要成分分析，四极质谱仪用于医学监测。

　　在众多类型的质谱计中，四极质谱计最为常见。四极质谱计制造技术成熟于20世纪70年代，重量数十公斤，体积104cm3量级，功耗50一100W，工作真空度10-4—10-6Pa，维护费用昂贵。随着科学技术的发展，传统四极质谱计已不能满足小型化的需要，尤其已不能满足载人航天、宇宙探索和国防现代化的要求。为此，四极质谱计在20世纪80年代中期开始向小型化发展，主要有小型四极质谱仪、单极质谱仪和阵列质谱仪三大分支。其中，阵列质谱仪发展最快、最具生命力，在20世纪90年代初首先由美国人RobertJ.Ferran等提出并研制成功，获得美国专利，目前已经商品化。随后阵列质谱计在美国国家航空和宇宙航行局(NASA)的喷气推进实验所(JPL)得到迅猛发展，并出现不同的结构形式，多次获得美国专利。阵列质谱计的结构类型主要有悬臂式十六极阵列质谱计、端支式十六极阵列质谱计、二维阵列质谱计以及本工作提出的镶嵌式十六极阵列质谱计。

　　十六极阵列质谱计的工作原理与四极质谱计同出一宗，均利用了1958年保罗(Paul)及其同事提出的质量选择原理，不同的是以电极阵列形成多个四极滤质器。十六极阵列质谱计具有体积小、重量轻、功耗小、质量范围广、工作真空度低等特点。

　　1电极排列几何精度与质量范围、分辨率的关系

　　通常，四极质谱计的分析器电极常用与场半径ro成一定比例的半径为r的四个圆杆电极近似代替理想的双曲面电极。同样，十六极阵列质谱计的分析器电极也采用圆杆电极。影响分析器技术性能的关键因素是电极平行度，即电极排列精度。而电极排列精度由分析器关键部件的几何尺寸精度决定，通常根据所希望的质量范围和质量分辨率来计算分析器关键部件的几何精度(用相对尺寸误差”表示)。相对尺寸误差(以百分数表示)可由式(l)表示，式中用ro+和ro分别表示内切圆半径的上限和下限。

　　由于△m/m<<1，式(1)的右侧可近似为100(△m/2m)，这样便可绘制m、△m和相对尺寸误差关系图，示于图1。选取所需分辨率△m(半峰宽，FWHM)和质量范围m，便可由图1查得与之对应的相对尺寸误差。

　　取m=50amu、分辨率△m一1amu，由图l可知，要求相对尺寸误差约为1%，也就是十六根分析器电极和电极安装支座等分析器关键部件的几何精度要求达到1%。而且由图1得出的几何精度还可能是保守的，这是因为所有电极分配同样偏差，仅一个或两个电极不平行也不会使分辨率有明显下降。