蒋家东 袁道成 岳晓斌 王宝瑞

(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川 绵阳 621900)

四极杆质谱计是目前最成熟、应用最广泛的小型质谱计之一，四极质量分析器是其核心部件。在高质量数处达到高分辨率是四极质量分析器制造技术水平的重要标志，我国早在上世纪60年代就已开始研制四极质谱计，70年代推出商品化仪器，但直到现在，国产仪器一直停留在低分辨率应用上，最高质量数及分辨率在300 左右。国内成功商品化的分析仪器厂家销售的四极质谱仪，核心部件四极质量分析器均系从国外公司进口，四极质量分析器的国产化是一个迫切需要解决的问题。

四极质量分析器的加工、装配精度很大程度上决定了质谱仪的质量分辨率能力，尽管许多几何参数与质量分辨率关系的认识还有待于进一步的深入，但通过对四极质量分析器的主要部件及装配组件的相关几何量的精密测量来评估四极质量分析器的方式可以有效地降低直接进行质谱测试的低效率和高成本，是保证产品质量的有效途径。

四极杆的四根极杆均为理想的双曲柱，并在极杆上施加幅值相等但符号相反的电压(图1)，如四极杆工作时，取Φ0=U+Vcos(ωt)，U 为直流电压，V 为射频电压。根据牛顿第二定律，质量为m，电量为e 的离子在x 方向和y 方向上的运动方程为:

则式(1)可简化为Mathieu 方程:

对Mathieu 式(3)中的参数a 和q 微分，可以得到质量分辨率与四极场相关参数精度的关系［1-4］:

式中:ΔM/M 为质量分辨率的倒数;ΔM 为半峰高的宽度;Δr0/ r0为四极场半径的相对偏差;ΔU/U 为直流电压的相对稳定度;ΔV/V 为射频电压幅值的相对稳定度;Δf/f 为射频频率的相对稳定度。

大多数情况下，四极杆的四根极杆均采用圆柱杆而不是双曲杆，研究及应用发现极杆的半径r 与场圆半径r0的比值在一定范围内时［5-7］，圆柱杆代替双曲杆对质谱分辨率不会造成显著影响，圆柱极杆比双曲极杆易于加工和检测，因此目前多数四极杆质谱仪均采用圆柱杆。

只考虑机械加工精度对质量分辨率的影响，则:

通过式(5)可以看到，影响四极杆质量分辨率的因素由Δr0、r0决定，r0是场圆半径。对单杆而言，Δr0的变化可以是圆度、直线度、圆柱度等几何量的反映;对装配的四极杆组件而言，表现为场圆变化或平行度变化。

1 极杆几何参数检测

极杆几何参数包括圆度、圆柱度、直线度和粗糙度等。四极质量分析器的仿真分析表明极杆的直径、圆柱度等参数是影响四极质量分析器性能的关键因素，如对长度小于150 mm、Φ12 mm 的极杆，要求圆柱度小于1 μm。

在位测量极杆不同位置处的直径可检测极杆的圆柱度情况以便及时监控加工质量。针对在位精确测量极杆直径需要，研制了专用测量装置，如图2a。该装置基于比较测量的原理，由预先加工的标准棒校准测量初始位置，测量极杆与标准棒的尺寸偏差即得到被测极杆的直径。该测量装置的实际应用证实其测量极杆外径重复精度优于0.3 μm，满足现场质量控制需要。应用高精度圆度仪检测离线极杆的圆度、直线度及圆柱度(图2b)，测量的数据、图形作为极杆加工合格判定的唯一依据。测长仪测量离线极杆不同位置处的直径数据可以准确地反映极杆直径的分布情况，两项数据结合挑选匹配的极杆以装配四极质量分析器。

2 极杆表面缺陷检测

用作极杆的钼材质系用粉末冶金技术冶炼而成，材料不密实容易产生微孔和麻点，人眼难以直接发现的微观凹坑、裂纹等，使用过程中易被沾污形成不导电的斑点，影响四极场精度。

精密磨削后的极杆，如果瑕疵、裂纹是连续的出现且人眼难以观察发现，在圆度仪上测量圆度、直线度或圆柱度时，可以直接发现测量数据有明显变化;若不是连续缺陷，由于检测位置不同(如圆度及圆柱度检测是检测不同位置处的截面)或不是连续检测(如直线度检测，只是检测工作区域的一条母线)，圆度仪检测数据是难以发现这些变化的。此时可用机器视觉测量方法，在高倍光学显微镜可以观察出缺陷或瑕疵并测量其大小(如图3a)，从而剔除不合格品，保证极杆的质量。合格的极杆，表面加工纹理清晰(如图3b)。

3 陶瓷座的检测内容及方法

四极质量分析器的四根极杆分别装配在陶瓷座的4 个圆弧孔处，每个圆弧周长只有其整圆形状的1/3不到，而这增加了检测的不确定度(图4a)。这4 个圆弧孔的形状、位置度等直接影响四极杆的装配精度。

研制了基于比较测量方法的测量装置在位测量极座圆弧对径母线距离L 以判断加工是否到位，该装置将L 的变化由柔性铰链结构的杠杆传递给位移传感器，限位结构实现测量装置进入圆弧孔后只能在被测的对径母线附近微量平移或转动，标准环规对测量装置校定零位后即可在位测量，该装置测量环规的重复精度优于0.5μm。极座的合格检定是由三坐标测量机离线测量完成(图4b)。粗测极座端面及任意两个圆弧，以两圆弧中心连线的中点为中心位置，初步建立坐标系确定工件在机床坐标系中的初步位置(即粗找正)，编制程序自动测量4 个圆弧孔，以任意的对径孔中心连线的中点为原点建立测量坐标系(即自动找正)，测头先沿对径孔中心连线方向测量圆弧对径母线距离，然后测量各个圆弧的其他部位，计算出4 个小圆弧孔的位置度、圆弧孔的锥度情况等参数。综合测量精度优于1 μm，满足项目需要。

4 装配组件几何精度检测

四极质量分析器除了对其零部件提出了较高的加工和检测要求，其装配精度也要求在3 μm 内，这样才有可能达到高的分辨率。

组件测量的最理想的方法就是用专用测量设备直接测出内部四极场的场直径的偏差变化情况，但四极场的场圆是个虚拟的参数，即不是实际的实体，只有通过间接测量。

(1)将空间分布的场圆测量分解到若干截面，如图5a，测量某个截面4 个边长L1、L2、L3、L4(图中尺寸将极杆半径剔除了)，即可判断四根杆的平行情况;然后测量相对极杆距离L5、L6，只有这6 个参数同时测量了，才能准确判断4 个圆的圆心是否构成一个正方形，差值即是场圆变化。

(2)测量四极杆的多个截面的截面边长和对角线长度，如图5b，计算偏离正方形分布位置的误差作为场圆误差，在4 根杆误差很小时直接给出测量结果，若极杆直径存在显著误差时，计算尺寸链消除这些误差的影响。

(3)综合全部测量数据，给出误差极值作为组件的装配误差数据。

四极杆装配过程中的外测四极杆采用自研的测量装置，该装置结构类似测直径工装。离线复核时采用测长仪外测。

自研内测对杆距离装置(国外制造商均自研内测装置且将其保密)，采用非接触传感器直接测量对杆平行度(或距离)，测量重复精度0.35 μm，以其作为装配组件合格验收的依据。图6 即是内测对杆及平行度曲线。

5 质谱测试效果

研制阶段的四极质量分析器经过严格检测几何量达到合格后，需要满足质谱性能测试目标才能说明几何量检测内容及指标符合实际使用要求。

质谱测试性能的主要指标是质量分辨率，业内一般采用质谱测试图谱中最大质量数的质量数除以该峰50%高度处的峰宽表示，如图7 是编号mwj1305-02 的四极质量分器的测试图谱(图6b 是其平行度曲线，1-3 平行度2.0 μm、2-4 平行度2.36 μm、综合精度2.7 μm)，502 质量数处半峰宽0.3，即实测分辨率约1 700。批量生产5 套180 mm 长、Φ12 mm 的四极质量分析器送专业分析仪器公司进行质谱测试，检测全氟三丁胺样品均达1 500 以上质量分辨率，达到国外同类精度四极质量分析的水平。

6 结语

本文介绍了四极质量分析器涉及的几何量检测内容及方法，批量生产的一批四极质量分析器的质谱测试结果良好，表明装配组件精度符合实际要求，几何量检测指标及内容合适。

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