基于粒子网格法的碳/氧离子束轨迹模拟及其在质谱分析和离子注入中的应用

《IEEE Journal of Photovoltaics》：Particle-in-Cell Simulation of Carbon/Oxygen Ion Beam Trajectories During Acceleration for Mass Spectrometry and Implantation

本研究针对紧凑型加速器质谱(AMS)和离子注入系统中低能离子束传输的优化需求，利用COMSOL Multiphysics和SIMION软件平台，通过粒子网格(PIC)方法系统模拟了碳/氧离子束在包含Einzel透镜、偶极磁铁和加速柱的束流线中的传输特性。研究通过优化轨迹质量因子(Q=23)、空间电荷斥力(5×10-16C)和粒子数(1783)等关键参数，确定了Einzel透镜在减速-加速模式下的最佳工作电压(-27.38 kV)，成功实现了12C-18O等多种离子束的高效传输，为AMS样品制备和半导体离子注入工艺提供了重要的理论依据和技术支撑。

　　

随着放射性碳定年技术的不断发展，基于紧凑型加速器质谱(MICADAS)的小型化系统逐渐成为考古学、环境科学和生物医学研究的重要工具。然而，传统的铯溅射离子源在分析高活性14C样品时容易产生记忆效应，导致本底水平升高，严重影响测量精度。特别是在生物医学领域的示踪研究中，样本的14C含量可能超过1000 Modern，对仪器的灵敏度和抗污染能力提出了更高要求。

为解决这一技术瓶颈，东国大学的研究团队创新性地提出将气体离子源与束流线系统相结合，通过偶极磁铁实现质谱分析和离子注入的双重功能。这一设计思路不仅能够避免固体样品制备的复杂流程，还能有效降低交叉污染风险，为高通量、高精度的14C分析开辟了新途径。

本研究采用多物理场耦合仿真策略，首先通过COMSOL Multiphysics的ac/dc模块计算加速柱的静电势分布，随后将电场数据导入SIMION 8.1软件进行粒子轨迹追踪。研究人员特别优化了空间电荷效应、轨迹质量因子和粒子数等关键参数，系统模拟了离子源提取器、Einzel透镜、偶极磁铁和加速柱组成的束流传输系统。

关键技术方法包括：1）利用有限元法计算五级圆筒电极加速柱的静电势分布；2）采用粒子网格法模拟12C-18O等离子在电磁场中的运动轨迹；3）通过均方根发射度(ε_x= (＜x2＞＜x'2＞-＜xx'＞2)^1/2)定量评估束流质量；4）使用偶极磁场实现碳氧离子分离（12C：3295.1250 G·cm，16O：3796.8421 G·cm）。

束流传输系统优化

通过系统优化Einzel透镜电压参数，发现在-27.38 kV的减速-加速模式下，离子束能够以最小发射度通过整个束流线。模拟结果显示，12C离子的均方根发射度为0.260π mm·mrad，束斑尺寸为2.42 mm，且所有离子均未与结构部件发生碰撞，证明该参数组合可实现最优的束流聚焦效果。

质量分离性能验证

偶极磁场的优化配置成功实现了碳氧离子的有效分离。在不同磁场强度下，12C-18O等离子的偏转半径呈现明显差异，其中14C的偏转半径为3516.8421 G·cm，而16O达到3796.8421 G·cm。这种分离特性使得系统既能用于AMS同位素分析，又能实现特定离子（如12C和16O）的定向注入。

加速柱聚焦特性

加速柱作为关键的静电透镜系统，展现出强聚焦入口透镜、均匀纵向场区和弱发散出口透镜的三段式聚焦特性。在200 kV加速电压下，离子束能量得到显著提升，且束流发散角得到有效控制，验证了该结构在宽能量范围内处理重离子束的能力。

本研究通过数值模拟证实了基于气体离子源的复合束流线系统在AMS和离子注入应用中的可行性。优化的束流传输参数不仅保证了离子束的高效传输，还为实际仪器设计提供了重要参考。特别值得一提的是，该系统的双模式操作特性使其既能满足高精度质谱分析需求，又可应用于半导体器件的离子注入工艺，展现出良好的工程应用前景。未来，这一技术方案有望在放射性药物代谢研究、半导体掺杂工艺等领域发挥重要作用，推动紧凑型加速器技术的多元化发展。