电感耦合等离子体-飞行时间质谱仪（ICP-TOF-MS）的物理设计与仿真研究

摘要: 电感耦合等离子体质谱（Inductively coupled plasma mass spectrometer, ICP-MS）是元素及同位素比分析的重要技术手段。其中飞行时间质谱（Time-of-flight Mass Spectrometer, TOF-MS)以其原理简单、灵敏度高、检测质量范围宽，并能一次获取全范围质量信息等特点在有机分子和生物医药检测领域获得广泛应用。本文针对钍基熔盐堆服役过程中铀及超铀元素的质量分析需求，实现了ICP离子源与TOF-MS相结合的物理设计并进行了仿真模拟。对离子通路的差分锥、偏转透镜、碰撞池、直流四极杆、单透镜、单反射飞行时间质量分析器等的电源参数进行优化，结合离子运动轨迹模拟验证了物理设计整体结构系统可行性。模拟结果显示：最优引导锥电压为-30 V；所设计偏转透镜系统最优偏转电压组合为-56 V与-530 V；碰撞池最优碰撞压强为1.6 Pa；直流四极杆与单透镜系统联用能将离子以4 eV左右的初动能接近水平状态引入TOF加速场；脉冲场电压为±200 V、加速电压为-1600 V、一级反射电压为48 V、二级反射电压为680 V时TOF-MS的质量分辨率M/ΔM大于4000。研究结果为后续的加工制造和搭建调试提供了重要的理论参考依据。