基于飞行时间质谱计的微型气体分析仪技术研究

韩 琰，闫荣鑫，潘 颖，王静涛，李 征

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

人类的航天活动一般分为地球应用卫星、载人航天和深空探测三大领域[1]，未来我国深空探测任务将快速发展。火星作为地球近邻，有很多和地球相似的特征，例如具有几乎相同的昼夜长短、相似的季节变化、同为岩石地面、同有卫星和同样具有大气层等。研究火星的气候、大气环境和资源等对于了解地球演变有着重要的意义[2]。在世界航天史上，质谱计曾多次应用于空间探测任务中，探测了土星、木星、火星、金星等星体的大气成分，并搭载在多个探测器上对火星土壤成分进行了分析[3-4]。

火星探测的主要任务是了解火星上的“生命、气候和资源”[5]，特别是通过对水和与生命相关的有机物探测，了解与水有关的演化过程，帮助人们探寻宇宙中其他可能存在生命的地方，同时为未来人类亲临火星时的用水提供重要信息。对火星大气和土壤成分分析的研究也具有重大价值，例如气体组成成分和浓度的分析数据可以为火星起源和形成过程的深入研究提供参考；同位素的分析数据可以为太阳系形成过程的研究提供有价值信息；检测土壤中的有机组分可以为外星生命的研究提供证据等[6]。美国喷气推进实验室（JPL）研制的火星样本分析仪作为“好奇号”火星探测器的有效载荷，负责探测火星大气、尘埃、土壤和岩石的成分，并搜寻与地球生命相关的元素，以期探索生命迹象。

目前能够适应深空环境又能对样品成分在线分析的是质谱、色谱和光谱分析技术。作者以深空探测最核心的气体样品分析作为研究的出发点，进行气体在线分析技术研究。

1 设计思路及研制方案

1.1 总体方案

面向航天应用的气体分析仪应满足尺寸小、低功耗、高分辨率等技术要求，能够应用于深空探测未知物质、卫星表面物质成分分析以及载人航天器环境成分监测等。为此，须综合考虑分析仪的质量、尺寸、功耗、测试精度、进样方式等因素。

本研究将以飞行时间质谱计作为微型气体分析仪的核心测试仪器，该类质谱计尺寸小、结构简单、功耗低、质量分辨率高、检测灵敏度高、质量测试范围大、检测速度快，满足航天应用需求。

考虑到气体分析仪可能会应用到火星等地外星体，而星体表面存在着稀薄气体，具有一定的大气压力，气体分析仪还应具有相应的抽气能力和进样系统。本文的气体分析仪主要由真空系统、质谱系统、进样系统和控制系统组成，能够实时快速地分析未知气体的质谱信息，同时具备在真空环境和低气压大气环境下的工作能力，其基本原理如图1所示。

图1 气体分析仪原理图Fig.1 The schematic diagram of the gas analyzer

微型气体分析仪具有两种工作模式：直接进样和分流进样[7]。

（1）当外界环境压力较小时，采用直接进样方式，V2阀打开，V1、V3和V4阀关闭，采样气体全部直接进入真空室进行质谱分析，有利于在小进样的方式下提高测试灵敏度，适用于真空环境下的气体成分分析[8]。

（2）当外界环境压力较大时，采用分流进样方式，V1和V2阀打开，V3和V4阀关闭，小部分采样气体进入真空室，大部分气体由机械泵排出，该进样方式有利于在维持测试灵敏度的同时保护真空泵组，提高测试和采样速度，适用于低气压环境下的气体成分分析。

1.2 质谱计设计

飞行时间质谱计（TOF）具有质量数范围宽、质量分辨本领高、动态性能好、结构简单的优点。该质谱计由离子源、无场漂移区、电子倍增器以及相应的测量和控制电路组成。为了满足航天低功耗需求，选用了基于MEMS技术的新型低功耗脉冲场离子源。脉冲场发射组件能够产生能量为keV量级的脉冲式自由电子束，电子束将其运动轨迹上的气体分子电离，产生片状离子云。离子云在离子垂直引入与抑制电场作用下，被压缩到闸门栅网电极上当施加适当负脉冲时，离子被加速。加速后的离子通过离子透镜聚焦，再通过无场漂移区，进入离子反射镜，反射回无场漂移区。在适当位置放置离子探测器，就可以探测离子的信号与时间的关系，得到原始谱图数据，进而利用计算机进行数据处理、存储与显示。其原理如图2所示[9-10]。

图2 飞行时间质谱计的工作原理示意图Fig.2 The schematic diagram of the time-of-flight mass spectrometer

离子的飞行时间t与质荷比N的平方根值成正比，关系为：。其中：t为飞行时间；A为常数；N为质荷比，N=m/e；t0为延迟时间。

微型质谱计的设计须充分考虑功耗及尺寸的要求，而最关键的组件为场发射离子源和离子反射镜。

电子源采用场发射组件，呈“锯齿形刀刃”结构，如图3所示，在锯齿尖端生长碳纳米管、石墨烯等纳米材料。阳极采用狭缝结构，狭缝的宽度在0.1～0.5 mm之间，在阴极上施加脉冲负高压，与阳极电位适当配合情况下即可产生电子发射。该电子源为冷电子源，功耗极低，没有光发射和强热产生，有效地降低了整体设备的功耗。

图3 锯齿形刀刃结构电子源示意图Fig.3 Schematic diagram of saw blade structure electron source

另一个可有效减小设备尺寸的部件为离子反射镜。在不增加离子飞行距离的基础上，减小了漂移区尺寸。离子反射镜由数块按照一定间距分隔排列的平板电极构成，平板中心设有离子通道，如图4所示。平板电极的形状尺寸和电场分布对仪器性能有极大影响，需首先通过模拟仿真软件进行理论分析和模拟计算，再结合实验工作来优化离子反射镜的设计参数。

图4 离子反射镜示意图Fig.4 The diagram of the ion mirror

1.3 进样系统设计

真空系统则考虑了工作环境和设备质量的限制要求，单独采用分子泵为主泵，直接在低气压环境下启动，维持质谱计的测试环境。同时又要兼顾尺寸小和功耗低等特点，综合考虑后选择了成熟的市场产品HiPace10分子泵。可在2 500 Pa的前级压力下直接启动，适合在低气压环境下使用。

气体分析仪须具备直接取样测试的能力，进样系统应能够从低气压取样。采用微孔、细管及分流结合的方式，由低气压压力降至高真空压力，达到飞行时间质谱计的工作压力。微孔的尺寸选择就显得尤为重要，气体分析仪选用了抽速为10 L/s的分子泵作为主泵，对氦气的最大抽速约为6 L/s，考虑到真空室内工作压力设置为5×10-3Pa，因此允许进样小孔处的氦气漏率为Q=pSHe=3×10-5Pa·m3/s。

假设分流后进样小孔前端压力p1为1 000 Pa，则通过公式Q=U（p1-p2），得到进样小孔的流导

进样小孔的长度L为2 mm（钛合金板），进样小孔的直径d理论上是μm量级，因此L＞20d，进样小孔属于圆截面长管的模式，此状态下的进样小孔流导为式（1）：

式中：U为长管道的流导，m3/s；d为管道直径，m；L为管道长度，m；η为气体黏滞系数，N·s/m2；为管道中平均压力，。

在20℃下，He的黏滞系数η为1.96×10-5Pa·s。

把上述数值代入式（1）中，可计算得到进样小孔直径d为9.89×10-5m。因此综合考虑分子泵的抽速和管路流导，通过计算和软件模拟，最终确定微孔直径为100μm，采用0.8 mm的进样管能够满足压力变化的需求。

2 样机性能测试

研制的气体分析仪样机整体尺寸为420 mm×302 mm×170 mm，前面板为气体进样口，后面板为电源、信号、控制接口，整机重约8.5 kg，稳定功耗不超过20 W，其中飞行时间质谱计仅重2 kg，功耗低于5 W。样机内部构成如图5所示。

图5 气体分析仪样机内部结构Fig.5 The internal structure of the gas analyzer

气体分析仪的性能测试指标主要有质量数范围、质量分辨本领、检测灵敏度以及同位素测量等。

（1）质量数范围测试分别在小质量数、中质量数和大质量数三种测试条件下进行。其中小质量数测试采用直接空气进样，得到空气谱图，最高检测范围至100 amu；中质量数测试采用标准质谱测试物质全氟三丁胺（PFTBA）放样测试方式进行，最高检测范围至700 amu；大质量数测试则采用将克拉霉素加热气化进样，测试该药片成分谱图，最高检测到的质量数为1 136 amu。

将液态的全氟三丁胺放置于进样口处，通过自然挥发直接进样，得到测试谱图，如图6所示。测试结果与标准谱图相同。其中全氟三丁胺化学式为N（C4F9）3，分子量为671.1，其质谱谱峰的质荷比有31、50、69、100、131、169、201、219、246、264、281、314、414、466、502、576、614等。

图6 全氟三丁胺（PFTBA）测试图谱Fig.6 The mass spectrogram of PFTBA

（2）采用氮气（N2）的amu28谱峰作为质量分辨本领的验证谱峰，在空气进样情况下，amu28的峰位时间为4 532 ns，半峰宽时间为5 ns，通过飞行时间质谱计质量分辨本领计算公式R=t/2Δt，计算得到质量分辨本领R为453。测试结果如图7所示。

图7 空气进样下氮气（amu28）测试图谱Fig.7 The spectrum peak photo of the nitrogen testing with the air inlet（amu 28）

（3）采用直接检测空气中甲烷含量的方法测试灵敏度。已知空气中甲烷的浓度为2 mL/L，分析空气直接进样的图谱发现，质荷比为amu15的峰高约219 mV（扣除本底信号数值，下同），质荷比为amu16的峰高约500 mV，都明显高于本底噪声，考虑到质荷比amu16的谱峰部分为O2原子峰，因此通过分析空气进样图谱可以计算得到整机的最小可检浓度达到1 mL/L，如图8所示。

图8 空气进样下甲烷的图谱Fig.8 The mass spectrogram of the methane testing with the air inlet

（4）通过测试高纯氪气（Kr）获得它的各同位素的成分信息，如图9所示。天然氪气（Kr）由五种同位素组成，丰度分别为80Kr（2.27%）、82Kr（11.56%）、83Kr（11.55%）、84Kr（56.90%）和86Kr（17.37%）。测试图谱表明，采用气体分析仪测试得到的Kr的丰度图谱非常准确。

图9 氪气的测试谱图Fig.9 The mass spectrogram of the krypton gas testing

3 总结

空间微型气体分析仪在深空探索未知物质方面具有重要的科学意义和研究价值，本文针对原位气体成分分析和空间载荷研制要求等技术问题，开展了飞行时间质谱计的微型化设计，通过对冷离子源场发射场组件、离子反射镜、进样分流方式等关键技术的研究，研制了基于飞行时间质谱计的微型气体分析仪样机。实验测试结果表明，该仪器实现了测试质量数范围1～1000 amu，质量分辨本领大于400，高检测浓度灵敏度，整机质量控制在8.5 kg以内，总功耗低于20 W等指标要求。基本具备了深空探索原位分析物质成分的能力，满足空间载荷的研制要求。

国际上仅有欧空局将飞行时间质谱计应用于“罗塞塔”号彗星探测器进行彗星表面物质成分分析，国内还未有飞行时间质谱计应用于航天的先例。该气体分析仪以其尺寸小、质量轻、功耗低、检测速度快、测试质量数范围宽、检测浓度灵敏度高、质量分辨本领强等优点，将在后续的航天应用上取得先机。