用于二次离子质谱仪的一次铯离子源的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年10月13日提交的美国临时专利申请第62/063,023号的权益，前述申请的全部内容以引用的方式并入本文。

本公开涉及用于二次离子质谱仪的一次离子源，以及用于制作该离子源的方法。

背景技术：

二次离子质谱仪(sims)是一种广泛使用的表面和薄膜分析技术，其广泛地应用于半导体工业、地球化学和材料研究、以及其它技术领域中。世界上存在500多种商用仪器。该技术通过用高能离子束(“一次”离子束)轰击样品来生成分析信号，该高能离子束从样品表面上“溅射”原子。5-15kev一次离子的每次撞击都使靶表面发射少量的原子。一小部分发射出的原子在发射时被电离并且这些“二次”离子可以加速进入质谱仪中并且进行质量分析以便产生关于样品的化学构成和同位素构成的信息。

可以通过使用具有化学活性的一次离子种类来提高二次离子形成的效率，该具有化学活性的一次离子种类被注入靶表面中并且在其表面化学化之后：带负电的一次离子种类(诸如，氧气)用于促进阳性二次离子产生，并且带正电的离子种类(诸如，铯离子)用于促进阴离子产生(即，带负电种类的二次阴离子)。

该sims技术提供了如下能力的独特组合：对于几乎所有元素(从氢至铀以及更高元素)的极高敏感性(例如，对于许多元素的检测极限低至ppb水平)、高横向分辨率成像(例如，目前低至50nm)、以及允许高动态范围(例如，多于五十)的非常低的背景。该技术在本质上是“毁灭性的”，这是由于其涉及溅射材料以生成离子信号。其可以应用于可以停留在真空下的任何类型的材料(绝缘体、半导体、金属)。

sims技术的一个强项在于其体现了一种微量分析方法。一次离子束可以集中至微小的点，从而可以在极其微小的区域上执行化学分析；替代地，通过在监测离子信号的同时在样品表面上对集中的离子束进行光栅扫描，可以产生样品表面的具有优良空间分辨率的化学和同位素图像。

目前，被称为namosims(由法国巴黎的cameca所制造)的仪器中出现了典型的成像性能，该仪器目前的成本为约4百万美元。该仪器具有精确设计的一次离子光学器件，该精确设计的一次离子光学器件旨在将一次离子束集中至样品表面上可能的最小点。具有工厂离子源的特定最小射束大小是50nm，通常是利用在样品处的例如约0.25皮安(pa)的射束电流来获得的。

图1a示意性地图示了nanosims仪器的工厂离子源设计。源1完全由金属——主要是钼——制成，但离子发生器部段7的一部分是钨。该源1包括：安装柱2、由安装柱2支撑并且包括布置为保持铯盐(例如，碳酸铯)的储器凹腔3a的加热钼储器体3、钼小直径管道组件5(包括用作储器的一部分的宽基部6)、以及布置为经由小直径管道容纳来自储器的碳酸铯蒸汽的强烈加热离子发生器部段7。该小直径管道组件5将来自加热储器体3的碳酸铯蒸汽供给至强烈加热的离子发生器部段7并且在储器体3与离子发生器部段7之间提供一定程度的热绝缘。储器体3的外边缘部包括斜面表面3b。小直径管道组件5的宽基部6的边界表面6a布置为与储器体3的斜面表面3b邻接。储器体3具有外部螺纹并且布置为容纳内部螺纹密封盖螺钉4，该内部螺纹密封盖螺钉4安装在宽基部6的周围以形成旋锻型密封。钼宽基部6与钼储器体3之间的密封对于该离子源1而言是至关重要的问题，这是因为泄漏会使得电子撞击加热系统的性能不佳并且最终引起噪声图像。与工厂离子源1一起使用的两个钼储器部3和6之间的旋锻型密封要求对密封力进行密切控制，且未设计成可拆卸式，因此离子源1不可以重复使用。

图1b示出了nanosims工厂源的离子发生器部段的细节图。离子发生器部段7的尖端10用作电极并且限定出口孔径9。平坦的钨离子发生器板8布置在小直径管道5(在底部)与出口孔径9之间的加宽凹腔5a中。孔径9通常具有约0.5mm(500μm)的直径，并且钨离子发生器板8通常与用作电极并且限定孔径9的尖端10的内表面11间隔一段约0.2mm(200μm)的距离。

图1c示出了离子发生器部段7的预期(或者设计目标)操作，进一步参照图1a中描绘的布置在离子发生器部段7上游的结构。储器体3被加热以使碳酸铯蒸汽从小直径管道5向上扩散并且在该蒸汽到达强烈加热的离子发生器部段7(例如，该离子发生器部段7被加热至约1200℃)时分解，在该强烈加热的离子发生器部段7处，蒸汽流到平坦的钨离子发生器板8上。离子发生器部段7被强烈地加热(例如，通过电子轰击与电子发射丝的辐射加热的组合)并且撞击钨离子发生器板8的铯原子作为阳离子几乎100％蒸发。该源保持在非常接近接地提取板(未示出)的高电势(在nanosims中为+8kv)下，并且铯离子由高电场提取，该高电场穿过离子发生器板8周围的电极尖端10上的500μm的孔径9。如图1c所示，该成形电场设计为用静电使离子加速并且将离子吸引至形成离子-光学“对象”的小“交叉”中，以使一次离子柱的集中光学器件集中至样品处的缩小图像(诸如，nanosims的直径为50nm的工厂规格)。

在实践中，离子发生器部段的实际操作不同于图1c中示意性地图示的预期操作。图1d图示了前述离子发生器部段7的实际操作。在实践中，不可能仅仅加热离子发生器板8；相反，整个离子发生器头均被加热并且在离子发生器体积的所有表面上都形成铯离子。可论证地，铯离子可以形成于直径为500μm并且深度为200μm的区域中并且可以从该区域提取。这形成了更加扩散的离子-光学对象，并且这又导致样品处集中的图像被限制至直径为50nm的工厂规格。与图1c中示意性地图示的设计目标相比，在实际操作中，初始离子束交叉会受到显著损害。

图1a中示出的工厂离子源1通常一年更换一至几次(例如，当铯盐源材料耗尽时)，其中，更换频率取决于nanosims仪器的使用。这种“一次性”离子源每次更换花费约3000美元。

亚利桑那州立大学研发了用于与大约2000年的早期版本的camecasims仪器ims3f(即，并非nanosims仪器)一起使用的替代离子发生器设计。在一个版本中，使用了外径为1/8”、内径为1/16”的大约3”长的铝管道。该管道的一个端部由商用矾土水泥塞密封并且在该水泥塞上钻出细孔或者孔口(例如，直径为0.010”或者250μm)。管道的另一端部装载有一些(大约0.15g)碳酸铯，该另一端部由利用矾土水泥粘固到位的矾土盖密封。管道的具有细孔口的端部插入到电阻加热器中，该电阻加热器包括加热元件并且被加热至大约1200℃。cs2co3电荷被沿着管道的热传导加热并且作为cs2co3或者在分解为cs2o之后蒸发；所产生的蒸汽然后通过孔口流出。在孔口中的高温下，蒸汽分裂为铯原子。几乎每个穿过孔口的铯原子都与被加热的矾土表面发生多次碰撞并且在热作用下表面电离的可能性非常高。该孔口离子发生器通过较小的中心区产生高通量密度的铯原子，该较小的中心区可以与二次离子质谱仪的一次离子柱准确地对齐。此外，与由昂贵的钨金属制作出的常规离子发生器相比较，使用矾土(尤其是矾土水泥)意味着该源的抗热离子发生器部的制作非常便宜，这是因为矾土水泥在热定型之前可非常容易钻孔，或者可以在细线插入件周围形成水泥塞，该细线插入件随后在水泥已定型之后被移除。具有上文概述的离子发生器部段的早期版本的camecasims仪器不具有能够将离子束集中至极其小的点处的一次离子柱；然而，已表明总离子电流可与该时代的其它离子源进行竞争。

亚利桑那州立大学研发出了上述矾土基孔口离子发生器部段的石墨基变体，并且该石墨基变体自约2001年起已在该仪器中使用。图2示出了石墨基离子发生器部段17的设计。该离子发生器部段17包括制作于石墨塞20上的通道或者孔口29，该石墨塞20经由接近管道15的端部15’的螺纹23被拧到钼储器管道15中，其中，管道15和塞子20由包括加热元件13的电阻加热器12进行加热，该加热元件13布置在钼管道15和石墨塞20外部。钼管道15具有外部螺纹并且布置为容纳石墨塞20的内部螺纹。如图2所示，通道或者孔口29具有0.125mm(125μm)的直径并且塞子20的端部表面21大体上与储器管道15的端部表面28齐平。

石墨的使用带来某些好处。石墨高度难熔，因此其能够承受表面电离所需要的高温。而且与难熔金属不同的是，石墨柔软并且易于用直径为0.005”(125微米)的易碎钻机进行钻孔。石墨的柔软性还使得容易将钻孔的石墨插入件密封至金属储器管道。在图2中，迫使石墨塞20的斜面基部22进入管道15的尖锐金属边缘16，从而切割入石墨塞20的石墨材料中并且提供蒸汽密封。石墨的表面逸出功为约4.5电子伏特，堪比钨并且高于铯的电离电势(3.9电子伏特)，这确保了在加热的石墨表面上对铯的电离效率几乎为100％。

本领域继续寻找与能够改进性能并减少成本的sims仪器一起使用的铯离子源。本公开的方面解决了与常规系统和方法相关联的缺陷。

技术实现要素：

本公开的方面涉及布置为与二次离子质谱仪一起使用的一次离子源、以及一次离子源子组件。

在某些方面中，本公开涉及一种布置为与二次离子质谱仪一起使用的一次离子源子组件，该一次离子源子组件包括离子发生器管道和储器基部，其中，该离子发生器管道和该储器基部是整体式的，并且由连续石墨或者包含石墨的基体材料形成。在某些实施例中，储器基部的一部分配置为界定限定凹腔的储器体的圆柱形凹腔和/或容纳在该圆柱形凹腔中。在某些实施例中，储器基部和离子发生器管道的第一部分共同限定环形凹槽，该环形凹槽布置为暴露于限定凹腔的储器体的圆柱形凹腔和/或者容纳在该圆柱形凹腔中，并且离子发生器管道的第二部分从储器基部向外延伸。在某些实施例中，离子发生器管道的第二部分包括限定离子发生器孔径的远端，该离子发生器孔径的直径与离子发生器管道内的通路的标称或者平均直径相比为减小的。在某些实施例中，离子发生器管道的远端包括向外突出的圆锥形或者截头圆锥形表面，并且离子发生器孔径延伸通过该圆锥形或者截头圆锥形表面的中心轴线。在某些实施例中，圆锥形或者截头圆锥形表面包括在6度至45度的范围内的互补圆锥形半角。在某些实施例中，圆锥形或者截头圆锥形表面的至少一部分上布置有难熔金属涂层或者难熔金属护套。在某些实施例中，离子发生器孔径包括不大于约125μm的直径或者不大于50μm的直径，并且可以由机械钻孔或者激光钻孔来限定。在某些实施例中，储器基部包括径向延伸的唇口，该径向延伸的唇口布置为压缩地容纳在如下部分之间：(i)限定凹腔的储器体的外边缘部，以及(ii)布置为与限定凹腔的储器体的一部分螺纹接合的密封盖。在某些实施例中，储器基部包括：锥形石墨圆筒，该锥形石墨圆筒具有随着位置在最大直径值与减小直径值之间变化的外径，该最大直径值大于限定凹腔的储器体在最接近离子发生器的端部处的内径，该减小直径值小于限定凹腔的储器体在最远离离子发生器的端部处的内径；以及密封盖，该密封盖布置为与限定凹腔的储器体的一部分螺纹接合并且迫使锥形石墨圆筒进入限定凹腔的储器体。在某些实施例中，储器基部的一部分包括外部螺纹表面，该外部螺纹表面布置为与限定凹腔的储器体的内部螺纹表面相配。在某些实施例中，石墨粉或者石墨涂层布置在外部螺纹表面与内部螺纹表面之间。在某些实施例中，一次离子源布置为与二次离子质谱仪一起使用，该一次离子源包括：储器体，该储器体包括圆柱形凹腔；以及一次离子源子组件，其中，储器基部的一部分容纳在圆柱形凹腔中。在某些实施例中，储器体包括石墨。在某些实施例中，一次离子源进一步包括密封盖，该密封盖布置为与储器体的一部分螺纹接合，并且布置为使一次离子源子组件密封接合至储器体。

在某些方面中，本公开涉及布置为与二次离子质谱仪一起使用的一次离子源，该一次离子源包括：管道，该管道配置为容纳来自储器的包含铯的蒸汽，其中，该管道包括外部螺纹表面，包括内部通路，并且包括第一端部；毛细管插入件，该毛细管插入件包括限定离子发生器孔径的主体，其中，该毛细管插入件的至少一部分配置为由沿着第一端部的内部通路容纳，其中，离子发生器孔径布置为容纳来自该内部通路的包含铯的蒸汽；以及限定孔口的盖子，该盖子包括布置为容纳毛细管插入件的一部分的凹腔，其中，该孔口与离子发生器孔径对齐，并且包括内部螺纹表面，该内部螺纹表面布置为与管道的外部螺纹表面接合以便使毛细管插入件与管道之间密封接合。在某些实施例中，毛细管插入件的主体包括布置为延伸穿过限定在盖子上的孔口的远端，该远端包括向外突出的圆锥形或者截头圆锥形表面，并且离子发生器孔径延伸通过该圆锥形或者截头圆锥形表面的中心轴线。在某些实施例中，圆锥形或者截头圆锥形表面包括在6度至45度的范围内的互补圆锥形半角。在某些实施例中，毛细管插入件的主体包括石墨或者包含石墨的材料，并且毛细管插入件进一步包括布置在圆锥形或者截头圆锥形表面的至少一部分上的难熔金属涂层或者护套。在某些实施例中，毛细管插入件包括硬度低于以下任一种材料的硬度的材料：(i)制作管道的材料，以及(ii)制作盖子的材料。在某些实施例中，毛细管插入件由石墨材料制作。在某些实施例中，毛细管插入件的第一部分包括第一宽度并且配置为由沿着第一端部的内部通路容纳，并且毛细管插入件的第二部分包括第二宽度并且配置为布置在内部通路外部，其中，第二宽度大于第一宽度。在某些实施例中，管道和盖子中的至少一个包括钼。在某些实施例中，石墨粉或者石墨涂层布置在外部螺纹表面与内部螺纹表面之间。在某些实施例中，离子发生器孔径包括不大于约125μm的直径或者不大于50μm的直径，并且可以由机械钻孔或者激光钻孔来限定。

在某些方面中，本公开涉及布置为与二次离子质谱仪一起使用的一次离子源，该一次离子源包括：储器基部；储器体，该储器体包括外部螺纹表面；布置在储器基部与储器体之间的管状垫圈，其中，该管状垫圈包括石墨或者包含石墨的基体材料，该管状垫圈包括第一端部和第二端部，并且该管状垫圈包括随着位置在处于中间点处的最大直径值与处于第一端部和第二端部处的减小直径值之间变化的外径；离子发生器管道，该离子发生器管道布置为与由储器基部的一部分、储器体的一部分、以及管状垫圈所界定的储器凹腔流体连通；以及密封螺母，该密封螺母包括布置为与外部螺纹表面接合的内部螺纹。在某些实施例中，储器基部和储器体中的至少一个包括金属。在某些实施例中，储器基部和储器体中的至少一个包括石墨或者包含石墨的材料。在某些实施例中，离子发生器管道和储器基部是整体式的，并且由连续石墨或者包含石墨的基体材料形成。在某些实施例中，离子发生器管道包括接近储器体的近端，并且离子发生器管道包括限定离子发生器孔径的远端，该离子发生器孔径的直径与离子发生器管道内的通路的标称或者平均直径相比为减小的。在某些实施例中，离子发生器管道的远端包括向外突出的圆锥形或者截头圆锥形表面，并且离子发生器孔径延伸通过该圆锥形或者截头圆锥形表面的中心轴线。在某些实施例中，一次离子源进一步包括难熔金属涂层或者难熔金属护套，该难熔金属涂层或者难熔金属护套布置在圆锥形或者截头圆锥形表面的至少一部分上。在某些实施例中，一次离子源进一步包括：毛细管插入件，该毛细管插入件包括限定离子发生器孔径的主体，其中，该毛细管插入件的至少一部分配置为由离子发生器管道容纳；以及限定孔口的盖子，该盖子包括布置为容纳毛细管插入件的一部分的凹腔，其中，该孔口与离子发生器孔径对齐，并且包括内部螺纹表面，该内部螺纹表面布置为与离子发生器管道的外部螺纹表面接合以便使毛细管插入件与离子发生器管道之间密封接合。在某些实施例中，毛细管插入件包括石墨或者包含石墨的材料。在某些实施例中，毛细管插入件的主体包括布置为延伸通过限定在盖子上的孔口的远端，该远端包括向外突出的圆锥形或者截头圆锥形表面，并且离子发生器孔径延伸通过该圆锥形或者截头圆锥形表面的中心轴线。在某些实施例中，毛细管插入件的主体包括石墨或者包含石墨的材料，并且毛细管插入件进一步包括布置在圆锥形或者截头圆锥形表面的至少一部分上的难熔金属涂层或者护套。

在另一方面中，本公开涉及布置为与二次离子质谱仪一起使用的一次离子源，该一次离子源包括：离子发生器管道，该离子发生器管道配置为容纳来自储器的包含铯的蒸汽；以及远端部，该远端部包括向外突出的圆锥形或者截头圆锥形表面，其中，离子发生器孔径延伸通过该圆锥形或者截头圆锥形表面的中心轴线，并且离子发生器孔径布置为容纳来自离子发生器管道的包含铯的蒸汽。在某些实施例中，该远端部和离子发生器管道体现为连续主体结构。在某些实施例中，一次离子源进一步包括难熔金属涂层或者难熔金属护套，该难熔金属涂层或者难熔金属护套布置在圆锥形或者截头圆锥形表面的至少一部分上。在某些实施例中，远端部包括由离子发生器管道容纳的毛细管插入件，其中，毛细管插入件限定圆锥形或者截头圆锥形表面并且限定离子发生器孔径；且一次离子源进一步包括限定孔口的盖子，该盖子包括布置为容纳毛细管插入件的一部分的凹腔，其中，该孔口与离子发生器孔径对齐，并且盖子包括内部螺纹表面，该内部螺纹表面布置为与离子发生器管道的外部螺纹表面接合以便使毛细管插入件与离子发生器管道之间密封接合。在某些实施例中，一次离子源进一步包括难熔金属涂层或者难熔金属护套，该难熔金属涂层或者难熔金属护套布置在圆锥形或者截头圆锥形表面的至少一部分上。在某些实施例中，盖子的居中部分包括重叠在圆锥形或者截头圆锥形表面的至少一部分上的锥形表面，其中，该锥形表面包括难熔金属护套。

在另一方面中，本公开涉及布置为与二次离子质谱仪一起使用的离子供应组件，该离子供应组件包括：如本文所公开的一次离子源；提取板，该提取板限定与离子发生器孔径对齐的提取板孔口；以及射束挡板，该射束挡板限定与提取板孔口对齐的射束挡板孔口。在某些实施例中，离子供应组件布置为防止除直接从离子发生器孔径发射出的铯离子之外的铯离子穿过射束挡板孔口，在某些实施例中，选择如下参数用于防止除直接从离子发生器孔径发射出的铯离子之外的铯离子穿过射束挡板孔口：(a)远端部的形状，(b)远端部的材料，以及(c)射束挡板孔口的大小和形状。在某些实施例中，射束挡板孔口包括接近一次离子源的直径减小部，并且包括远离一次离子源的直径增大部。在某些实施例中，射束挡板孔口包括截头圆锥形截面形状。在某些实施例中，射束挡板包括截头圆锥形延伸部，并且通过该截头圆锥形延伸部限定直径减小部。

在另一方面中，本公开涉及布置为与二次离子质谱仪一起使用的离子供应组件，该离子供应组件包括：一次离子源，该一次离子源布置为通过离子发生器孔径排放离子；提取板，该提取板限定与离子发生器孔径对齐的提取板孔口；以及射束挡板，该射束挡板限定与提取板孔口对齐的射束挡板孔口，其中，射束挡板孔口包括接近一次离子源的减小的直径，并且包括远离一次离子源的增大的直径。在某些实施例中，射束挡板孔口包括截头圆锥形截面形状。

在某些实施例中，离子发生器在如下温度下进行操作：该温度选择为使得从限定在石墨元件上的离子发生器孔径高效地发射铯离子，并且使得从布置为接近离子发生器孔径的难熔金属涂层或者难熔金属护套低效地发射铯离子。

在某些方面中，在此所公开的任何前述方面或者其它特征可以进行组合以实现附加优点。

在结合附图阅读了优选实施例的如下详细描述之后，本领域的技术人员将理解本公开的范围并且意识到其附加方面。

附图说明

图1a是nanosims二次离子质谱仪仪器的工厂一次离子源的截面示意图；

图1b是nanosims二次离子质谱仪仪器的工厂一次离子源的离子发生器部段的放大截面示意图；

图1c图示了图1b的离子发生器部段，示出了具有预期铯离子轨线的预期(或者设计目标)操作；

图1d图示了图1b至图1c的离子发生器部段，图示了更密切地类似实际操作的铯离子轨线；

图2图示了在约2000年研发出的用于与二次质谱仪仪器一起使用的替代离子发生器部段设计；

图3a是离子发生器部段的放大截面示意图，该离子发生器部段包括限定离子发生器孔径的毛细管插入件，并且由根据一个实施例的螺纹盖保持，并且意在与二次质谱仪仪器一起使用；

图3b是用于二次质谱仪仪器的离子源的分解正视图，使用类似于图3a的设计的离子发生器部段；

图4a是利用使用工厂一次离子源的nanosims二次离子质谱仪仪器(即，根据图1b)获得的蚀刻硅测试网格的图像；

图4b是利用使用根据图3b的离子源的nanosims二次离子质谱仪仪器获得的蚀刻硅测试网格的图像；

图5是根据另一实施例的离子发生器部段的截面示意图，该离子发生器部段包括限定离子发生器孔径的毛细管插入件，并且由具有与图3a的盖子不同的形状的螺纹盖保持；

图6是使用用于nanosims二次离子质谱仪仪器的射束大小规格的工厂测试样品中的硅颗粒的硅(²⁸si^-)离子的图像，该硅离子是利用根据图5的离子发生器部段来获得的；

图7是使用硅(²⁸si^-)离子在图6中描绘的工厂测试样品中的尖锐边缘特征(即，图6中用箭头识别出的硅颗粒)上的线路扫描；

图8a是使用用于nanosims二次离子质谱仪仪器的射束大小规格的工厂测试样品的氧(¹⁶o^-)离子的图像，该氧离子是利用根据图5的离子发生器部段来获得的；

图8b是使用用于nanosims二次离子质谱仪仪器的射束大小规格的工厂测试样品的硅(²⁸si^-)离子的图像，该硅离子是利用根据图5的离子发生器部段来获得的；

图8c是使用用于nanosims二次离子质谱仪仪器的射束大小规格的工厂测试样品的碳(12c^-)离子的图像，该碳离子是利用根据图5的离子发生器部段来获得的；

图9是按照图8a中描绘的工厂测试样品中的箭头在氧(16o^-)离子图像中的特征上的线段扫描；

图10是使用工厂一次离子源获得的、并且描绘出猛烈位移的鬼像的、用于支持nanosims二次离子质谱仪仪器的微粒样品的多穴碳膜的二次电子图像；

图11是根据一个实施例的一次离子源的截面示意图，该一次离子源包括金属储器体、金属密封盖、以及包括整体式石墨离子发生器管道和储器基部的子组件；

图12是根据一个实施例的并且包括类似于图11的设计的部件的一次离子源的照片；

图13a是根据一个实施例的全石墨一次离子源的截面示意图，该全石墨一次离子源包括石墨储器体以及包括整体式石墨离子发生器管道和外部螺纹储器基部的子组件，其中，离子发生器管道包括具有向外突出的圆锥形表面的远端并且离子源缺乏密封盖；

图13b是图13a的离子发生器管道的远端的放大截面示意图；

图14图示了圆锥体，示出了圆锥半角α和互补圆锥半角β。

图15是根据一个实施例的一次离子源的截面示意图，该一次离子源包括石墨储器体、凸形金属储器安装柱、以及包括整体式石墨离子发生器管道和外部螺纹储器基部的子组件，其中，离子发生器管道包括具有向外突出的圆锥形表面的远端；

图16是根据一个实施例的一次离子源的截面示意图，该一次离子源包括石墨储器体、凹形金属储器安装柱、以及包括整体式石墨离子发生器管道和外部螺纹储器基部的子组件，其中，离子发生器管道包括具有向外突出的圆锥形表面的远端；

图17a至图17c是离子源的截面示意图，该离子源配置为将铯离子传输通过提取板和射束挡板的连续布置的孔径，其中，箭头示出了铯离子的轨线，示出了鬼射束形成的机制；

图18a是具有锥形(例如，圆锥形)尖端的离子源的尖端的截面示意图，该锥形尖端配置为将铯离子传输通过提取板和射束挡板的连续布置的孔径，其中，射束挡板孔径具有可变直径，并且图18a包括示出铯离子轨线的线段；

图18b是根据一个实施例的射束挡板的一部分的截面示意图，其中，射束挡板具有布置为沿着上游侧定位的截头圆锥形延伸部，并且具有与延伸部对齐的射束挡板孔径并且具有可变孔径，其中沿着前缘的直径减小，沿着后缘的直径增大；

图19是根据另一实施例的离子发生器部段的截面示意图，该离子发生器部段包括由螺纹盖保持的毛细管插入件，其中，毛细管插入件具有包括向外突出的圆锥形表面的并且限定离子发生器孔径的远端，以及其中，圆锥形表面延伸通过螺纹盖中限定的孔口；

图20是根据温度从非特定加热表面上蒸发的铯离子部分的曲线图；

图21包括根据温度从加热的石墨(c)和钨(w)表面上蒸发的铯离子部分的叠加曲线图，其中，附加的两条垂直线限制出优选的可用温度窗；

图22是类似于图19的离子发生器部段的离子发生器部段的截面示意图，其进一步包括布置在毛细管插入件的远端的圆锥形表面的至少一部分上的难熔金属涂层；

图23是类似于图19的离子发生器部段的离子发生器部段的截面示意图，但其中，盖子包括锥形远端，该锥形远端布置为在毛细管插入件的远端的圆锥形表面的至少一部分上形成难熔金属护套；

图24a是根据一个实施例的一次离子源的截面示意图，该一次离子源包括布置在储器部之间的并且适合于与二次质谱仪仪器一起使用的具有可变直径的一次性石墨管道垫圈；

图24b是可变直径石墨管道垫圈的截面示意图，描绘了在中间点处的最大外径和沿着两个端部的最小外径，其中，放大了直径变化；

图24c是图24a的一次离子源的部分在组装步骤期间的截面示意图，其中，使用细长临时密封螺母和使用配合到储器盖中的圆柱形teflon短桩将石墨管道垫圈按压到储器基部941中。

具体实施方式

本公开的方面涉及布置为与二次离子质谱仪一起使用的一次离子源、一次离子源子组件、以及离子供应组件。

图3a示出了根据一个实施例的与二次离子质谱仪一起使用的一次离子源的离子发生器部段。在该实施例中，可以使用与工厂离子源(诸如，图1a中示出的)相同的储器和安装结构，但离子发生器(例如，尖端)部与图1b至图1d和图2中示出的结构不同。离子并非如图1b至图1d所示出的那样在平坦离子发生器板8上形成，而是在图3a的离子发生器部在止于孔径59处的细通道58中形成，孔径59的直径优选不大于125μm(或者更优选地，直径不大于100μm，直径不大于75μm，直径不大于50μm，直径不大于25μm，或者直径不大于10μm)。该孔径59和通道58可以通过任何恰当的方式来形成，诸如(但不限于)，通过石墨插入件进行机械钻孔或者激光钻孔。激光钻孔可以容许形成比使用机械钻孔实际上可以形成的孔径更小的孔径。铯蒸汽自由地流过通道46，如同在工厂源中一样，但离子形成区的值被限制为远小于工厂源的离子提取开口的500μm的直径。

图3a的离子发生器部段包括毛细管插入件50，该毛细管插入件50限定离子发生器孔径59并且由与离子发生器管道45成密封关系的螺纹盖60保持。毛细管插入件(或者塞子)50包括布置为与离子发生器管道45的端部邻接的肩部57，该肩部57包括布置为与盖子60的螺纹65合作的外部螺纹47。毛细管插入件50包括远端51和近端52。在某些实施例中，螺纹盖60可以包括钼材料。盖子60包括远端61和向内成锥形的(或者倒锥形)表面64，该向内成锥形的(或者倒锥形)表面64限定与毛细管插入件50的离子发生器孔径59对齐的孔口。为了保证密封并且还为了使得源离子发生器部段在加热之后更易拆卸，螺纹表面47和65以及毛细管插入件50的与离子发生器管道45的端部接触的表面和螺纹盖60的内表面可以在组装之前涂上石墨粉。储器的两个部分3和6的金属旋锻配合表面(如图1a所示)也可以涂上石墨，以再次确保密封并便于拆卸。图3a的离子发生器部段可很容易拆卸，并且石墨毛细管插入件50在损坏的情况下可以由用户更换。

图3b是用于二次质谱仪仪器的离子源的分解正视图，使用了类似于图3a的设计的离子发生器部段40。离子源包括由安装柱32支撑的加热储器体33，其中，储器体33包括外部螺纹表面36、斜面表面35、以及颈部34(布置为容纳安装柱32)。在某些实施例中，储器体33和安装柱32可以配置为由连续材料制作的单个组件30。离子发生器部段40包括：具有离子发生器管道容器42的储器基部41、包括外部螺纹47的离子发生器管道45、毛细管插入件50、以及布置为固定与离子发生器管道45呈密封关系的毛细管插入件50的内部螺纹盖60’。该盖子60’包括与毛细管插入件50中限定的孔径(未示出)对齐的孔口(未示出)。在某些实施例中，毛细管插入件50可以由石墨制作。离子发生器管道45的近端45a密封到储器基部41的离子发生器管道容器42中以便实现在源操作温度下维持完整性的真空密封。优选的密封方法使用铜金属钎焊。在某些实施例中，储器基部41、螺旋安装部42、以及离子发生器管道45可以由单片连续材料制成。内部螺纹密封螺母70布置为与储器体33的外部螺纹表面36接合以便使得储器基部41的表面压抵储器体33的斜面表面35从而封闭由储器体33和储器基部41组成的储器。在使用中，储器被加热以使得碳酸铯蒸汽从储器开始行进通过离子发生器管道45和毛细管插入件50的孔径，其中，该蒸汽被分解并且电离形成铯离子。

图4a和图4b示出了图3a至图3b的离子发生器部段和一次离子源的性能参数。图4a描绘了利用工厂铯离子源获得的蚀刻硅测试网格的图像，并且图4b描绘了利用图3a的新颖离子发生器部段获得的蚀刻硅测试网格的图像。图4b清晰地示出了更尖锐的特征(以及噪声电平，对噪声电平进行追踪能发现离子发生器部段与储器的不恰当密封)。尤其注意分散在图4b的图像上亮点。在与工厂一次离子源的使用相对应的图4a中，这些特征几乎不可见，这是因为这些特征明显小于工厂射束的大小。在图4b中，亮点更强，这是因为射束大小现在与特征大小相差无几。在图4b中，由于射束点大小明显更小，所以小亮点特征更可见，其中，与图4a中使用的射束大小的情况相比，射束大小与特征大小相差无几。值得注意的是，与图3a的离子发生器部段一起使用的电流是51.4ma，约为当获得这些图像时与工厂源一起使用的20.3na的电流的两倍。这些电流并非是在测试网格样品处测量的，而是在通过一次离子光学柱中的最后孔径使铯离子束变细之前在测试点上游处记录的。

图5是根据另一实施例的离子发生器部段的截面示意图，该离子发生器部段包括限定离子发生器孔径159的毛细管插入件150，并且由具有与图3a的盖子60不同的形状的螺纹盖160(例如，除去了图3a的盖子的倒锥形)保持。毛细管插入件(或者塞子)150包括远端151和近端152。毛细管插入件150进一步包括布置为与离子发生器管道145的端部邻接的肩部157，该肩部157包括布置为与盖子160的螺纹165合作的外部螺纹147。毛细管插入件150包括远端151和近端152。毛细管插入件150包括居中地布置在离子发生器管道145的通道146与窄离子发生器孔径159之间的宽通道部158。盖子160包括平坦的近端162和具有向外倾斜的边缘166的远端161。盖子160还限定与离子发生器孔径159对齐的孔口164，并且包括包含毛细管插入件150的凹腔。在某些实施例中，毛细管插入件150包括石墨材料。

图6是使用嵌入在用于nanosims二次离子质谱仪仪器的射束大小规格的工厂测试样品中的铝基质中的硅颗粒的硅(²⁸si^-)离子制作的图像，该硅离子是利用根据图5的离子发生器部段来获得的。图7示出了同样使用根据图5的离子发生器部段在由cameca供应的硅铝测试样品的尖锐边缘特征上的线路扫描。射束大小的标准不同。最常见的标准(以及该工厂使用的标准)是离子信号发生变化的距离为最大值的16％至84％。图7中的叠加比例尺为25nm宽。这大概跨越了扫描范围的16％至84％。该25nm的比例尺表明射束大小接近该值。明显地，用于该扫描的射束电流(在样品处测量的)为1pa——该电流值是典型工厂电流值的四倍。该增加的电流在多个方面是有利的：其不仅使分析速度大幅提高(4x)，而且其表明可以通过消耗更多电流来实现更小的离子束。

图8a至图8c提供了使用根据图5的离子发生器部段获得的氧、硅、以及碳的图像。图8a是使用用于nanosims二次离子质谱仪仪器的射束大小规格的硅铝工厂测试样品中的氧(¹⁶o^-)离子制作的图像。图8b是使用用于nanosims二次离子质谱仪仪器的射束大小规格的硅铝工厂测试样品中的硅(²⁸si)离子制作的图像。图8c是使用用于nanosims二次离子质谱仪仪器的射束大小规格的硅铝工厂测试样品中的碳(¹²c^-)离子制作的图像。图8a至图8c的图像是在图6的图像过了数月之后拍摄的。图9是在图8a中描绘的工厂测试样品的氧(¹⁶o^-)离子图像中的小特征上的线段扫描。图8a的在氧离子图像中的小特征上的线段扫描再次表明分辨率接近25nm，与阴影垂直比例尺相对应。比例尺两侧的垂直线间隔50nm。

然而，应注意图8a至图8c中的图像与图6中的图像之间的差异。图8a至图8c的图像在所有方向上都是整洁的，而图6则展现出“鬼”像，每个特征均向右并且稍微向上位移。这证明第二较弱“鬼”离子射束从主要射束上发生位移。图10中示出了“鬼”离子束的其它证据。图10是用于支持nanosims中的颗粒样品的“多穴”碳膜的二次电子图像。二次电子由集中的铯离子束与阴离子一起生成并且类似地反映了离子束的大小。图10的图像是使用工厂一次离子源来获得的并且描绘了发生位移的(和不希望的)强鬼像。该鬼像显示为相邻特征之间的有光晕的(例如，模糊不清且位移的)边界。本文(下文)结合图17a至图17c对用于产生鬼射束的机制进行了讨论，并且本文描述的至少某些实施例包括用于减少或者消除鬼射束的特征。

图11示出了根据另一实施例的用于与二次离子质谱仪一起使用的一次离子源。该源的整个离子发生器部段(或者离子发生器子组件)由单片整体式石墨(或者替代地是由包含石墨的材料)制成，包括储器基部241(体现为储器的一半)和从该储器基部241向外延伸的离子发生器管道245。该整体式制作避免了离子发生器部段240的多个接头处发生铯蒸汽泄漏的任何可能性并且简化了设计和加工。离子发生器子组件240包括限定通路246的离子发生器管道245，其中，离子发生器管道245的远端251限定离子发生器孔径259。在某些实施例中，离子发生器孔径259的直径与离子发生器管道245内的通路246的标称或者平均直径相比为减小的。离子发生器孔径259的直径优选不大于125μm，直径不大于100μm，直径不大于75μm，直径不大于50μm，直径不大于25μm，或者直径不大于10μm，并且可以由机械钻孔或者激光钻孔来限定。在某些实施例中，离子发生器孔径259可以由任何恰当的方式来形成，诸如(但不限于)通过管道245的远端251的机械钻孔或者激光钻孔。在某些实施例中，离子发生器孔径可以被限定在石墨毛细管插入件(未示出)中。离子发生器管道245的近端部段243延伸通过储器基部241并且止于近端245a。离子发生器管道245的近端部段243与储器基部241的侧壁244共同限定环形凹槽248，该环形凹槽248布置为暴露至储器体233中限定的圆柱形凹腔238。储器基部241进一步包括径向延伸的肩部或者唇口部249，该径向延伸的肩部或者唇口部249布置为与储器体233的侧壁237的斜面表面部235邻接。储器体233包括具有螺纹外表面236的侧壁237，并且安装柱232附着至储器体233。密封螺母270布置为使储器基部241保持与储器体233相抵以便密封其间的圆柱形凹腔238。密封螺母270包括布置为与储器体233的肩部或者唇口部249接触的居中部分271，并且包括具有螺纹内表面277的侧壁276，该螺纹内表面277布置为与储器体233的螺纹外表面236接合。如先前所指出的，与工厂源一起使用的两个钼储器部之间的旋锻型密封要求对密封力进行密切控制，且未设计成可拆卸式，因此离子源不可以重复使用。由于图11的离子发生器子组件240是由相当柔软的石墨制作的，所以使用图11中描绘的一次离子源可改进密封方法。通过拧紧密封螺纹270迫使储器体233的斜面表面部235的远端处的尖锐斜面边缘咬到储器基部241的石墨肩部或者唇口部249中，形成良好密封。在优选密封方法中，石墨储器基部244的外壁是锥形的(例如，锥角优选地在1度至5度的范围内，或者更加优选地在2度至3度的范围内)，并且大小设置为仅仅使得锥形表面的一部分可很容易插入到储器体233中，但然后必须通过拧紧密封螺母270迫使其完全进入，从而允许储器体233切割入石墨储器基部244的外壁的锥形表面中并且实现密封。

图12是根据一个实施例的并且包括类似于图11的设计的部件的一次离子源的照片。离子发生器子组件340包括离子发生器管道345、储器基部(未示出)、离子发生器管道端部345a、以及全部由整片石墨材料制成的远端表面359中限定的孔径351。一次离子源进一步包括附着至储器体333的安装柱332，其中，内部螺纹密封螺母370布置为使离子发生器子组件340与储器体333接合。在某些实施例中，储器体333和安装柱332可以设置为体现为连续单片材料的子组件330。

在替代实施例中，石墨离子发生器子组件可以设计有斜面，该斜面被迫与尖锐金属边缘相抵以形成密封，类似于图1a中示出的设备，其中，使用外部螺母施加了压缩力。

所有石墨源的密封(例如，包括整体式石墨离子发生器管道和储器基部、以及石墨储器体)都可以根据如下技术中的一种来实现。

在第一密封技术中，可以在两个储器部(储器基部和储器体)的内部和外部刻上螺钉螺纹，并且简单地将这些部分拧在一起。该技术会在任一石墨件上产生相当小的机械应力。石墨螺钉螺纹被拧紧时的摩擦将会擦掉任何高点并且确保表面对表面密封。在某些实施例中，螺纹还可以由石墨粉来润滑，这将帮助确保密封。

在第二密封技术中，可以在内部螺钉螺纹的顶部制成轻微斜面并且通过螺钉螺纹迫使外表面边缘与该斜面相抵。

在第三密封技术中，两个储器部中的一个可以具有斜面并且可以通过外部金属螺纹件迫使这两个部分在一起。

将石墨用作构造材料极大地提高了一次离子源的可重复使用性。金属工厂离子源并非意在可重复使用。当碳酸铯储器耗尽时，或者当离子发生器破损时(例如，由于过热或者由于一次离子柱中的铯射束击打表面产生回流离子)，目前，用户的首要补救措施是丢弃一次离子源并且从制造商处购买新的一次离子源。本文所公开的可重复使用储器离子源意在容许用户再填充和再使用该源，只要离子发生器孔口保持完好便可，代价是可更换的石墨双重锥形垫圈。如果该源的孔口部破损，则可以单独更换该孔口部。在具有石墨离子发生器插入件的金属设计中，插入件及其金属螺帽是可更换的物品，并且可以通过购买来供应备件。

在某些实施例中，可以在不需要使用密封螺母的情况下使石墨离子发生器子组件与储器基部直接接合。

图13a图示了根据一个实施例的全石墨一次离子源。离子发生器子组件440包括由整片石墨材料(或者其它包含石墨的材料)制成的离子发生器管道445和储器基部441。离子发生器管道445限定通路446，其中，离子发生器管道445的远端包括圆锥形或者截头圆锥形表面451并且限定离子发生器孔径459，该离子发生器孔径459的直径与离子发生器管道445内的通路446的标称或者平均直径相比为减小的。离子发生器管道445的近端443延伸通过储器基部441并且止于近端445a。离子发生器管道445的近端部段443与储器基部441的外部螺纹侧壁444共同限制环形凹槽448，该环形凹槽448布置为暴露至储器体433中限定的圆柱形凹腔438。储器基部441的外部螺纹侧壁444布置为与储器体433的侧壁437的内部螺纹表面436接合。储器体433和安装柱432设置为体现为连续单片石墨(或者包含石墨的)材料的子组件430。两个子组件430和440可分离开以允许将碳酸铯或者其它铯源材料装载到储器凹腔438中。

图13b是图13a的离子发生器管道445的远端的放大截面示意图，示出了圆锥形或者截头圆锥形表面451和离子发生器孔径459。离子发生器孔径459(其直径与离子发生器管道445内的通路446的标称或者平均直径相比为减小的)延伸通过圆锥形或者截头圆锥形表面451的中心轴线(或者顶点)。

图14图示了圆锥体，示出了圆锥半角α和互补圆锥半角β。将图14的圆锥体与图13b中示出的离子发生器管道的远端作比较，图13b的离子发生器孔径459延伸通过圆锥形或者截头圆锥形表面451的中心轴线(或者顶点)，并且该表面451与图14的圆锥体的侧壁相对应。在某些实施例中，图13a至图13b中描绘的圆锥形或者截头圆锥形表面451包括在6度至45度的范围内、或者在10度至40度的范围内、或者在15度至35度的范围内、或者在20度至30度的范围内的互补圆锥形半角。该角度范围可以适用于接近如本文所公开的离子发生器孔径的其它圆锥形或者截头圆锥形表面。

由于如图13a中图示的石墨安装柱432可能相当易碎，所以在某些实施例中，安装柱可以由金属(例如，钼)制成并且布置为附着至(例如，经由螺纹连接)石墨储器体。图15和图16中示出了安装柱与储器体之间的两种替代螺纹连接。

图15是一次离子源的截面示意图，该一次离子源包括石墨储器体533、(凸形)金属储器安装柱522、以及包括整体式石墨离子发生器管道545和外部螺纹储器基部541的子组件540，其中，离子发生器管道545包括内部通路546并且包括具有限定离子发生器孔径559的向外突出的圆锥形或者截头圆锥形表面551的远端。离子发生器管道545的近端部段543延伸通过储器基部541并且止于近端545a。离子发生器管道545的近端部段543与储器基部541的外部螺纹侧壁544共同限制环形凹槽548，该环形凹槽548布置为暴露至储器体533中限定的圆柱形凹腔538。储器基部541的外部螺纹侧壁544布置为与储器体533的侧壁537的内部螺纹表面536接合。安装柱522包括径向延伸的法兰部523，并且外部螺纹突出部524布置为与储器体533的内部螺纹凹槽534接合。在某些实施例中，安装柱522可以由金属(例如，钼)制成，并且储器体533可以由石墨制成。子组件540可与储器体533分离开以允许将碳酸铯或者其它铯源材料装载到储器凹腔538中。

图16是一次离子源的截面示意图，该一次离子源包括石墨储器体633、(凹形)金属储器安装柱622、以及包括整体式石墨离子发生器管道645和外部螺纹储器基部641的子组件640，其中，离子发生器管道645包括内部通路646并且包括具有限定离子发生器孔径659的向外突出的圆锥形或者截头圆锥形表面651的远端。离子发生器管道645的近端部段643延伸通过储器基部641并且止于近端645a。离子发生器管道645的近端部段643与储器基部641的外部螺纹侧壁644共同限制环形凹槽648，该环形凹槽648布置为暴露至储器体633中限定的圆柱形凹腔638。储器基部641的外部螺纹侧壁644布置为与储器体633的侧壁637的内部螺纹表面636接合。安装柱622包括限定内部螺纹凹槽626的螺旋安装部625，该内部螺纹凹槽626布置为与储器体633的外部螺纹突出部634接合。在某些实施例中，安装柱622可以由金属(例如，钼)制成，并且储器体633可以由石墨制成。子组件640可与储器体633分离开以允许将碳酸铯或者其它铯源材料装载到储器凹腔638中。

现在将对用于鬼射束形成的机制进行描述。图17a至图17c是离子源700的截面示意图，该离子源700配置为将铯离子传输通过提取板701和射束挡板702的连续布置的孔径701a和702a，其中，箭头示出了铯离子的轨线。在图17a中，来自离子源700的cs+离子发散开，并且一些离子撞击在射束挡板702上并且将铯注入到射束挡板702的表面中。在图17b中，随后cs+离子在射束挡板702上的撞击使注入的cs作为中性原子溅射，该中性原子冲回到热离子发生器。在图17c中，再电离的cs+离子加速通过射束挡板孔口702a。大量初始形成的cs+离子束发散开，从而击打(例如，钼)射束挡板702，具体地，该射束挡板702放置成拦截该发散射束并且保护下游透镜元件(未示出)。这些撞击离子可以从射束挡板702上溅射阴离子，该阴离子可以加速返回至离子源700，从而导致从离子源700的表面溅射阳离子。由于射束挡板金属的电子亲合性较低，所以该效果可能较小，因此产生的阴离子较少。更显著的效果是使注入的铯进行再溅射。在稳态下，对于每个撞击离子，溅射一个铯。由于铯在射束挡板702的表面中积累，所以再溅射的铯的电离概率较低，约为50％或者更低。尽管再溅射的cs+离子不能返回至正偏置的离子发生器，但中性铯原子可以很容易返回至离子发生器。溅射的铯的中性通量的一部分(在图17b中示出)可以再次撞击热离子源700的前表面，其中，其发生电离的效率为～100％。这就产生cs+离子的鬼射束(在图17c中示出)，该cs+离子的鬼射束沿着柱子向下行进并且可以通过离子透镜进行集中。加速场以及该场穿透过提取板701的效果使得鬼射束似乎来自离子发生器表面后面的实际物体平面。该射束可以在样品处是模糊的并且可以产生可能难以检测的叠加晕，但这可以从受主要射束撞击的小区域之外的区域生成离子并且产生错误结果。前述讨论对于所有离子发生器几何结构均是有效的。cameca工厂源中平坦表面与凸表面的组合可以产生具有不同的明显源点和聚集性质的多个鬼射束。

申请人已经研发出三种方法来减少或者消除用于二次离子质谱仪的一次离子源中的鬼射束。第一方法涉及使离子发生器表面成形为防止鬼离子穿过射束挡板孔径。第二方法涉及使射束挡板成形为使得击打离子发生器的再溅射铯原子的生成最小化。第三方法涉及调节离子发生器表面的化学性质和温度以便使得受到再溅射铯撞击的区域不会导致这些再溅射铯原子再电离。在某些实施例中，前述方法可以单独地使用或者共同使用。

图18a是具有带有锥形(例如，圆锥形或者截头圆锥形)表面710的远端的离子源700的尖端的截面示意图，该锥形表面710包括离子发生器孔径709，该离子源700的尖端配置为将铯离子传输通过提取板711和射束挡板712的连续布置的孔口711a和712b。图18a包括对使离子发生器前表面710呈30度的锥形的效果进行的离子-光学模拟。由于在锥形表面710上形成的离子最初垂直于其离开的表面进行加速，因此在锥形表面710的角度足够大的情况下，来自该锥形表面710的离子(甚至是形成为非常接近如图18a中的圆锥体的尖端的离子)不能穿过射束挡板孔口712b。射束挡板孔口712b包括可变直径，其中，直径减小的前缘713-1接近一次离子源700，并且直径增大的后缘713-2远离一次离子源700。在某些实施例中，射束挡板孔口712b包括截头圆锥形截面形状。离子源700的锥形表面710的锥形(例如，圆锥形或者截头圆锥形)形状减弱或者消除了从锥形表面710发射的溅射沉积cs离子穿过提取板711和射束挡板712的连续布置的孔口711a和712b的能力。接近锥形表面710的线719与从离子源700发射出的cs离子(包括由再溅射的cs形成的离子)的潜在方向相切。在某些实施例中，圆锥形或者截头圆锥形表面710包括在6度至45度的范围内、或者在10度至40度的范围内、或者在15度至35度的范围内、或者在20度至30度的范围内的互补圆锥形半角。该角度范围适用于本文所公开的圆锥形或者截头圆锥形表面。

图18b是根据一个实施例的修改射束挡板722的截面，其中，射束挡板722包括截头圆锥形延伸部724，该截头圆锥形延伸部724布置为放置在接近上游离子发生器(例如，如图18a中示出的一次离子源)的一侧。射束挡板722包括与截头圆锥形延伸部724对齐的具有可变直径的孔径722b，该可变直径包括接近上游一次离子源的直径减小的前缘723-1并且具有远离上游一次离子源的直径增大的后缘723-2。截头圆锥形延伸部724设计为确保从离子发生器孔径发散出的铯离子以掠射角击打延伸部表面724a。在这些掠射角处，大部分撞击铯离子不会注入到接近孔径722b的射束挡板722中，而是会向前和向外分散并且最终静置在射束挡板材料上或者材料内的较远的点处，该较远的点使得任何再溅射的铯都不能返回至上游一次离子源的表面。在初始撞击下确实注入在射束挡板材料中的任何铯在向前方向上进行再溅射的可能性很高，并且再次静置在射束挡板材料上或者材料内的较远的点处，该较远的点使得任何再溅射的铯都不能返回至上游一次离子源的表面。此外，射束挡板722的初始撞击延伸表面724a中的注入铯的低集中度会使撞击表面中的逸出功减少最小化。从该高逸出功表面上再溅射的任何铯均会主要作为阳性铯离子离开该表面，该阳性铯离子不能返回至正偏置的上游一次离子源。

如将从图18a至图18b的前述描述中理解，如下参数中的一些或者所有均可以选择用于防止除直接从离子发生器孔径发射出的铯离子之外的铯离子穿过射束挡板孔口：(a)离子发生器的远端部的形状，(b)离子发生器的远端部的材料，以及(c)射束挡板孔口的大小和形状。

图13a、图15和图16中图示了包括具有离子发生器管道的圆锥形或者截头圆锥形表面的远端的离子发生器子组件。在某些实施例中，石墨毛细管插入件可以包括接近离子发生器孔径的圆锥形或者截头圆锥形表面。

图19图示了根据一个实施例的离子发生器部段，该离子发生器部段包括由螺纹盖760保持的毛细管插入件750(例如，包括石墨或者包含石墨的材料)，其中，毛细管插入件750具有包括向外突出的圆锥形表面751的并且限定离子发生器孔径759的远端，且其中，圆锥形表面751延伸通过在沿着螺纹盖760的远端的居中部分761上限定的孔口764。毛细管插入件(或者塞子)750包括远端(圆锥形表面)751和近端752。毛细管插入件750进一步包括布置为与离子发生器管道745的端部邻接的肩部757，该肩部757包括布置为与盖子760的螺纹765合作的外部螺纹747。毛细管插入件750包括居中地布置在离子发生器管道745的通道746与窄离子发生器孔径759之间的宽通道部758。盖子760包括近端部762和向外倾斜的边缘766。盖子760的孔口764与离子发生器孔径759对齐，并且包括包含毛细管插入件750的凹腔。在某些实施例中，离子发生器管道745和盖子760包括至少一种金属(例如，钼或者钨)，并且毛细管插入件750包括石墨。在某些实施例中，圆锥形表面751可以是截头圆锥形形状。由于圆锥形表面751上存在的任何铯离子都会垂直于表面751进行加速，所以具有充分角度(例如，在6度至45度的范围内、或者在10度至40度的范围内、或者在15度至35度的范围内、或者在20度至30度的范围内的互补圆锥形半角)的向外突出的圆锥形或者截头圆锥形表面的存在会减小使从该表面上电离的任何铯离子传输通过射束挡板孔径(诸如，图18a至图18b中示出的)的可能性。

在对涉及布置在圆锥形或者截头圆锥形离子发生器表面的至少一部分上的难熔金属涂层或者难熔金属护套的存在的其它实施例进行讨论之前，将介绍离子发生器表面材料的调节和电离温度的控制的效果。

图20是根据温度从加热表面上蒸发的铯离子部分的曲线图(α)。峰值离子比接近1。对于清洁表面，石墨和钨均具有约4.5ev的电子逸出功(电子逃逸的势垒)，这高于铯的电离电势(3.9ev)。因此，在能量上更有利的是，使铯在任何温度下均作为阳离子从这些清洁的高逸出功表面上蒸发。铯作为阳离子被吸附。在吸附的铯离子移动远离该表面时，尽管原子中的空价能级的能量下降，但其永不会下降为低于金属中的费米能级，并且不存在如下可能性：来自金属的电子可能贯穿到铯离子中以使其中和。对于从不清洁的表面上蒸发的铯，图20中的曲线应该在所有温度下均是平坦的(更加具体地，其应在较高温度下随着温度稍微下降，这是因为作为中性原子蒸发是一个活化过程，该活化在较高温度下变得更加可能)。曲线在开始处急剧上升的原因在于，对于流向表面的给定铯通量，铯在较低温度下不会作为离子或者中性原子足够快速地蒸发，而是积累在该表面上。这使得逸出功大幅降低(对于约10-20％的单层铯覆盖率的最小逸出功低至1.5ev，远低于铯电离电势)，并且因此，离子的发射由于来自该表面的电子贯穿而受到抑制。对于流向表面的给定铯通量，温度必须足够高以使铯覆盖率维持在足够低的水平，从而使逸出功不会下降至低于3.9ev。对于钨表面，当铯覆盖率下降到足够低以使得存在清洁表面逸出功时，在约1200℃急剧发生电离。申请人已经观察到本文所公开的石墨离子发生器的操作温度低于钨离子发生器(通过加热电流来估算该温度)，可能低至900℃。人们认为这是由于铯在碳上的吸附温度明显低于在钨上的吸附温度，因此需要明显较高温度来使铯在钨离子发生器的表面保持游离。该效果提供了一种方式来抑制在离子发生器的金属部分上的鬼射束形成，这是通过在如下温度下进行操作来实现：该温度足以在碳上发生电离，但不足以在钨(或者钼，钼被认为与钨具有相似的表现)上发生可感知的电离。图21包括根据温度从加热的石墨(c)和钨(w)表面上蒸发的铯离子部分的叠加曲线图，标识出优选地由两条垂直实线限制出的优选的可用温度“窗”。用于石墨的t0值估计为约900℃。

考虑到对离子发生器材料的调节和电离温度的控制的前述讨论，在某些实施例中，难熔金属涂层或者难熔金属护套可以布置在石墨离子发生器表面的至少一部分上，其优选地具有圆锥形或者截头圆锥形形状。将石墨离子发生器表面加热至约900℃就足以使铯离子电离，但该温度不够高，以使任何难熔金属(例如，钨或者钼)表面上存在的铯电离。

图22是类似于图19的离子发生器部段的离子发生器部段的截面示意图，其进一步包括布置在毛细管插入件750的远端的圆锥形表面751的至少一部分上的难熔金属涂层769。图22的所有其它元件均与结合图19描述的元件相同，因此为了简洁，省略了对这些元件的进一步讨论。难熔金属涂层可以通过溅射或者任何其它合适的技术而沉积在圆锥形表面751上。在某些实施例中，圆锥形表面751可以是截头圆锥形形状。在某些实施例中，圆锥形表面751的大体上所有向外面向的(例如，暴露的)部分均涂有难熔金属(例如，钨和/或钼)。在某些实施例中，所应用的金属涂层769可以与毛细管插入件的石墨起反应以形成金属碳化物。在某些实施例中，所应用的涂层769覆盖着毛细管插入件750的圆锥形(或者截头圆锥形)表面751的多于80％、多于90％、或者多于95％。

图23是类似于图19的离子发生器部段的离子发生器部段的截面示意图，但其中，盖子860包括锥形远端866，该锥形远端866布置为在毛细管插入件850的远端的向外突出的圆锥形表面851的至少一部分上形成难熔金属护套。毛细管插入件850限定离子发生器孔径859，其中，圆锥形表面851延伸通过在沿着螺纹盖860的远端的居中部分868中限定的孔口864。

毛细管插入件(或者塞子)850包括远端(圆锥形表面)851和近端852。毛细管插入件850进一步包括布置为与离子发生器管道845的端部邻接的肩部857，该肩部857包括布置为与盖子860的螺纹865合作的外部螺纹847。毛细管插入件850包括近端部862，并且包括居中地布置在离子发生器管道845的通道846与窄离子发生器孔径859之间的宽通道部858。盖子860的孔口864与离子发生器孔径859对齐，并且包括包含毛细管插入件850的凹腔。在某些实施例中，离子发生器管道845和盖子860包括至少一种难熔金属(例如，钼或者钨)，并且毛细管插入件850包括石墨。在某些实施例中，圆锥形表面851可以是截头圆锥形形状。在某些实施例中，盖子860覆盖着多于80％、多于90％、或者多于95％的毛细管插入件850的圆锥形(或者截头圆锥形)表面851。

某些实施例涉及布置为与二次离子质谱仪一起使用的改进一次离子源，其包括使用一次性管状石墨垫圈的新颖储器密封系统。如本文先前所指出的，工厂离子源的储器是使用旋锻设计来密封，在该旋锻设计中，通过应用螺帽来迫使两个成形的钼表面(限制储器)彼此接触。与相当硬的金属(诸如，钼)实现密封需要相当高的转矩，并且必须仔细地控制转矩参数以便在密封与避免金属破裂之间实现平衡。钼在储器温度下变脆，并且由于再次给接头施加转矩引起破裂，所以源体不能重复使用。为了克服储器的密封金属部分的挑战，已经研发出了一次性管状石墨垫圈以允许低转矩操作，同时提供优良的密封性能。

图24a是根据一个实施例的一次离子源的截面示意图，该一次离子源包括布置在金属储器体933与金属储器基部841之间的具有可变直径的一次性石墨管道垫圈910。储器体933包括限制储器凹腔938的侧壁937的外部螺纹表面936，并且安装柱932附着至储器体933。离子发生器管道945限定通路946，其中，离子发生器管道945的远端连接至加热的离子发生器部段951，以及其中，离子发生器管道945的近端部段945a延伸通过储器基部941。离子发生器管道945的近端部段945a与储器基部941的侧壁944共同限制环形凹槽948，该环形凹槽948布置为暴露至储器体933中限定的储器凹腔938。密封螺母970包括居中部分971并且包括布置为与外部螺纹表面936接合的内部螺纹表面977。石墨管道垫圈910布置在接近侧壁937和944的储器体933和储器基部941的内部。在某些实施例中，石墨管道垫圈910具有双重锥形外表面(例如，具有优选地在1度至5度的范围内、或者更加优选地在2度至3度的范围内的锥角)，其中，减小的外径接近垫圈910的端部，并且增大的外径位于两个端部之间的中间位置处。图24b是可变直径石墨管道垫圈910的截面示意图，描绘了在中间点处的最大外径和沿着两个端部911和912的最小外径，其中，为了清晰而放大了直径变化。管道垫圈910包括第一锥形表面915和第二锥形表面916。石墨管道垫圈910的双重锥形外表面的大小设置为提供干涉配合，从而仅仅使得每个锥形表面915和916的一部分可容易地插入到相应的储器基部941或者储器体933中，但然后必须迫使其完全进入，从而允许金属储器基部941和储器体933切割到石墨管道垫圈的锥形表面915和916中并且实现密封。在某些实施例中，石墨管道垫圈包括限定内部凹槽918的恒定内径(如图24b中示出的)。在某些实施例中，石墨管道垫圈包括限定内部凹槽918的恒定内径(如图24b中示出的)。

图24c是图24a的一次离子源的部分在组装步骤期间的截面示意图。在组装期间，在某些实施例中，首先使用宽松地配合到储器盖937中的圆柱形teflon短桩990迫使石墨管道垫圈910进入储器体933中，并且使用螺纹接合到外部螺纹表面936中的超长临时密封螺母980迫使其与石墨管道垫圈910的端部相抵，从而将石墨管道垫圈910的一部分按压到储器基部941的内部。然后收好储器体933并且移除teflon短桩990。在将离子发生器部段951组装和安装至离子发生器管道945之后，使其中插入有石墨管道垫圈910的储器体933装载干燥的脱气碳酸铯。其后，再次使用超长临时密封螺母980将储器体933推至石墨管道垫圈910的突出部分上。一旦已经迫使石墨管道垫圈910足够深入储器基部941的环形凹槽948中，就移除超长密封螺母并且用最终密封螺母970来替换，并且拧紧该组件直至石墨管道垫圈910的底部从两个端部911和912处露出来以产生图24a的组件。由于石墨管道垫圈910的略微呈锥形的表面915和916，以及石墨的柔软润滑性质，所以仅仅需要少量力来实现密封。优选地，利用两个小扳手用手拧紧约4”就足够了。石墨管道垫圈910连同离子发生器部段951的石墨毛细管插入件是一次性的，但图24a的离子源的其余金属部分可以重复使用。

在根据附图阅读如下描述时，本领域的技术人员将理解本公开的概念并且会意识到这些概念在本文未具体说明的情况下的应用。本领域的技术人员会意识到对本公开的优选实施例的改进和修改。所有这些改进和修改均落在本文所公开的概念和如下权利要求书的范围内。