一种脉冲式离子源、质谱仪及产生离子的方法
【专利摘要】本发明公开了一种脉冲式离子源、质谱仪及利用脉冲式离子源产生离子的方法。该脉冲式离子源包括：加速电极板，离子生成腔室，离子处理腔室，第一脉冲电源，第二脉冲电源，加速电源，延时发生器。离子处理腔室包括有第一偏转板组、第二偏转板组、用于汇聚离子的离子透镜、开有一孔的第一遮挡板、开有一孔的第二遮挡板。本发明脉冲式离子源实现了离子种类选择的功能，并且较现有技术结构简单、加工工艺简单。
【专利说明】一种脉冲式罔子源、质谱仪及产生罔子的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及离子质谱分析【技术领域】，尤其涉及一种脉冲式离子源、质谱仪及利用脉冲式离子源产生离子的方法。
【背景技术】
[0002]二次离子质谱(Secondary 1n Mass Spectrometry, SIMS)是目前灵敏度最高的表面化学分析手段之一，可以用于分析样品化学成分及其含量，被广泛应用于分析化学、半导体技术、环境保护、食品安全及地球化学等领域。SIMS拥有高空间分辨率、高灵敏度特点，可以在微区范围内进行样品深度成份分析、三维离子成像以及元素同位素丰度测定。
[0003]飞行时间二次离子质谱仪(Timeof Flight Secondary 1n Mass Spectrometry,T0F-SIMS)需要采用脉冲一次离子的形式，脉冲一次离子经过加速聚焦轰击样品表面，溅射出二次离子，二次离子被提取进入质量分析器进行检测。因此一次离子是产生二次离子的重要工具，其性能将直接影响TOF-SMS的分析结果。因为不同种类的离子轰击样品产生的二次离子差异较大(离子动量不同、且到达样品时间有差异)、不利于二次离子提取、分析等后期处理，所以需要尽可能地保证一次离子种类的单一性。目前TOF-SMS —次离子生成过程中会伴随产生大量不同种类的离子，为了减少这些离子对测量结果的影响，需要进行离子选择，把非目标离子滤除，使单一成分的一次离子轰击样品，有利于提高SIMS分析性能。目前主要采用Wien-Filter、四级杆、离子井等部件实现离子滤除。这些部件无一例外地结构复杂、加工工艺复杂。
【发明内容】
[0004]本发明实施例的目的在于提供一种脉冲式离子源、质谱仪及利用脉冲式离子源产生离子的方法，用以解决现有技术中TOF-SMS离子源存在结构复杂、加工工艺复杂的问题。
[0005]本发明实施例提供了一种脉冲式离子源，该离子源包括:
[0006]由开有一孔的加速电极板隔开的离子生成腔室和离子处理腔室；
[0007]离子处理腔室内设置有第一偏转板组、第二偏转板组、用于汇聚离子的至少一个离子透镜、开有一孔的第一遮挡板和开有一孔的第二遮挡板；
[0008]加速电极板上的孔、第一遮挡板的孔、第二遮挡板的孔和上述用于汇聚离子的离子透镜位于同一轴线上；
[0009]第一偏转板组位于所述加速电极板与第一遮挡板之间，在靠近加速电极板的一侧沿上述轴线两侧相对分布；
[0010]第二偏转板组位于第一遮挡板与第二遮挡板之间，在靠近第一遮挡板的一侧沿上述轴线两侧相对分布；
[0011 ] 第一偏转板组与第一脉冲电源连接，第二偏转板组与第二脉冲电源连接，加速电极板与加速电源连接；[0012]上述用于汇聚离子的离子透镜位于加速电极板与第一遮挡板之间；
[0013]第一脉冲电源和第二脉冲电源分别与用于延时触发第一脉冲电源和第二脉冲电源的延时发生器连接。
[0014]上述第一偏转板组可以由两个第一偏转板构成，这两个第一偏转板可以沿上述轴线两侧相对分布(可以对称分布，也可以非对称分布，可以平行设置也可以非平行设置)。当然也可以由大于两个(最好是偶数个)的第一偏转板构成，分成两组沿上述轴线两侧相对分布。上述第二偏转板组可以由两个第二偏转板构成，这两个第二偏转板可以在上述轴线两侧相对分布(可以对称分布，也可以非对称分布，可以平行设置也可以非平行设置)。当然也可以由大于两个(最好是偶数个)的第二偏转板构成，分成两组沿上述轴线两侧相对分布。上述第二偏转板组可以与第一偏转板组有相同的设置，也可以为不同的设置。上述第一偏转板组的具体结构可以是平面结构、也可以是曲面结构，还可以是折面结构；上述第二偏转板组的具体结构可以是平面结构、也可以是曲面结构，还可以是折面结构。
[0015]上述离子源使离子在经过加速电极板后产生较大的能量，又因为离子刚刚通过阳极板上的孔，所以束斑直径很小，当离子通过第一偏转板组，在第一脉冲电源的控制下，离子实现脉冲化。
[0016]由于离子荷质比的不同，而使得离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间不同，所以当离子通过第二偏转板组时，在第二脉冲电源的控制下，只有目标离子能够通过第二遮挡板上的孔，从而实现离子种类选择，并且该离子源具有结构简单、加工工艺简单的特点。
[0017]由于离子在上述实现离子脉冲化和后期进行成分选择时都需要飞行很长的距离，所以离子透镜对长时间飞行的离子起到聚拢的作用，防止离子发散造成损耗。
[0018]较佳的，加速电极板可以采用锥形口结构，这样有利于离子束的提取。
[0019]在上述任意实施例的基础上，较佳的，上述用于汇聚离子的离子透镜位于加速电极板和所述第一偏转板组之间；或者，上述用于汇聚离子的离子透镜位于所述第一偏转板组和所述第一遮挡板之间。
[0020]本发明实施例的脉冲式离子源包括至少一个离子透镜，该至少一个离子透镜为磁透镜和/或静电透镜(例如单透镜)，具体种类不作限定，只要能够进行离子汇聚的离子透镜均可以应用于本发明。
[0021]在上述任意实施例的基础上，较佳的，所述离子生成腔室内设置有:
[0022]靠近加速电极板的阳极板，该阳极板开有一孔径小于0.5mm的孔；位于阳极板不与加速电极板相对的一侧的中间电极；该中间电极为中空结构，在与阳极板相对的一端设置有锥形口 ；位于中间电极的中空结构内的阴极；该阴极为设置有入射口和出射口的中空结构；阴极的入射口、阴极的出射口和阳极板的开口位于上述轴线上。
[0023]上述阳极板与加速电极板之间存在有加速电场，可以增加离子的轴向速度，因为离子生成腔体内飞行路径较长，较大的轴向速度可以减少离子的发散。
[0024]上述加速电极板与离子透镜相互配合可在不影响传输效率的情况下改变离子的能量，从而实现离子能量的调节。
[0025]上述阳极板孔径小于0.5mm可以做差极真空，差极真空可保障离子在空心阴极中电离需要的分子浓度，也可保障离子在通过阳极板之后飞行需要的高真空度。并且差极真空会使低真空度腔体中离子涌向高真空度腔体，这样有利于更多的离子通过阳极板上的小孔而进入离子处理腔室，从而提高离子抽出率。
[0026]本发明实施例还提供一种离子质谱仪，包括上述实施例的离子源。
[0027]该离子质谱仪较现有技术结构简单、加工工艺简单。
[0028]本发明实施例还提供了一种利用上述离子源生成离子的方法，该方法包括:
[0029]确定第一脉冲电源产生的第一脉冲电压的脉冲宽度，第二脉冲电源产生的第二脉冲电压的脉冲宽度和目标离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间ta ；
[0030]通过离子生成腔室产生离子，并通过延时发生器周期性向第一脉冲电源发送第一触发信号，该第一触发信号用于触发上述第一脉冲电源向第一偏转板组施加第一脉冲电压，使得离子在该第一脉冲电压的脉冲宽度内通过第一遮挡板的孔；
[0031]每次向上述第一脉冲电源发送第一触发信号后，经过时间ta+td，通过上述延时发生器向第二脉冲电源发送第二触发信号，该第二触发信号用于触发第二脉冲电源向第二偏转板组施加第二脉冲电压，使得目标离子在第二脉冲电压的脉冲宽度内通过第二遮挡板的孔，若目标离子为荷质比最小的离子，所述td满足:-(T-tn-TT1+ta)〈td〈TT1,否则,所述td满足:-(ta-tb-Tn)〈td〈TT1，所述Tn为第一脉冲电压的脉冲宽度，所述tb为荷质比小于目标离子的离子中，与目标离子的荷质比最接近的离子从第一偏转板到第二偏转板的时间，所述tn为所有离子中荷质比最大的离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间，所述T为所述延时发生器发送的第一触发信号的周期。
[0032]其中，上述第一脉冲电压可以为正电压反相脉冲，或者为负电压正相脉冲；上述第二脉冲电压可以为正电压反相脉冲，或者为负电压正相脉冲。
[0033]上述方法实施例中，`离子在第一脉冲电源的控制下实现脉冲化，当需要的离子脉冲宽度较宽时，可以通过调节第一脉冲电压的脉冲宽度和第二脉冲电压的脉冲宽度实现离子脉冲宽度可调，在延时发生器和第二脉冲电源的控制下能实现离子种类选择，并且较现有技术更加简单。
[0034]当需要的离子脉冲宽度较窄时，通过控调节延时发生器发送的第一触发信号与第二触发信号的时间差ta+td，实现离子窄脉冲化。所述ta为目标离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间，若目标离子为荷质比最小的离子，所述td满足:-(T-tn-Tn+ta)〈td〈TT1,否贝1J，所述td满足:-(ta-tb-TT1)〈td〈TT1,所述Tti为第一脉冲电压的脉冲宽度,所述tb为荷质比小于目标离子的离子中，与目标离子的荷质比最接近的离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间，tn为所有离子中荷质比最大的离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间，所述T为所述延时发生器发送的第一触发信号的周期。通过上述方法可以实现离子窄脉冲化，并且调节延时时间也可以实现离子脉冲宽度可调。
[0035]较佳的，上述确定目标离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间ta，包括:
Le
[0036]根据aImx ,确定目标离子从所述第一偏转板组到所述第二偏转板组的时
VI, -
间，ma是所述目标离子质量、qa是目标离子所带电荷量、Va是加速电源在加速电极板上所加电压、Le是第一偏转板组到第二偏转板组的距离。
[0037]基于上述任意方法实施例，较佳的，所述第一脉冲电压的脉冲宽度小于|te_ta|，所述为与目标离子的荷质比最接近的离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间；
[0038]若所述目标离子为荷质比最大的离子，所述第二脉冲电压的脉冲宽度Tt2满足:如果td > o，o〈TT2〈T-(ta+td);如果td〈o，-td〈TT2〈T-(ta+td);所述T为所述延时发生器发送的触发信号的周期；
[0039]否则，所述第二脉冲电压的脉冲宽度Tt2满足:如果td≥0,0<TT2<tc-(ta+td);如果td〈0，-td<TT2<tc-(ta+td);所述t。为荷质比大于目标离子的离子中，与目标离子的荷质比最接近的离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1为本发明实施例脉冲式离子源结构示意图；
[0041]图2a~图2b为本发明实施例偏转板组设置示意图；
[0042]图3为本发明实施例离子脉冲化第一个原理示意图；
[0043]图4a~图4b为本发明实施例中第二触发信号与第一触发信号的延迟时间不意图；
[0044]图5为本发明实施例离子透镜工作原理示意图；
[0045]图6为本发明实施例利用脉冲式离子源产生离子的方法流程图；
[0046]图7为本发明实施例离子脉冲化的第二个原理示意图；
[0047]图8a~图8e为本发明实施例确定第一脉冲电源脉冲宽度和第二脉冲电源的脉冲宽度的原理示意图。
【具体实施方式】
[0048]本发明实施例提供了一种脉冲式离子源、质谱仪及利用脉冲式离子源产生离子的方法，可实现离子种类选择，并且结构简单、工艺要求低、成本低廉。下面结合附图对本发明实施例作进一步说明。
[0049]本发明实施例提供了一种脉冲式离子源，如图1所示，该离子源包括:
[0050]由开有一孔的加速电极板I隔开的离子生成腔室2和离子处理腔室3 ;离子处理腔室3内设置有第一偏转板组4、第二偏转板组5、用于汇聚离子的至少一个离子透镜12、开有一孔的第一遮挡板6和开有一孔的第二遮挡板7 ;加速电极板I上的孔、第一遮挡板6的孔、第二遮挡板7的孔和上述用于汇聚离子的离子透镜12位于同一轴线上；第一偏转板组4位于加速电极板I与第一遮挡板6之间，在靠近加速电极板I的一侧沿上述轴线两侧相对分布；第二偏转板组5位于第一遮挡板6与第二遮挡板7之间，在靠近第一遮挡板6的一侧沿上述轴两侧相对分布；上述用于汇聚离子的离子透镜12位于加速电极板I与第一遮挡板6之间(离子透镜12可以位于加速电极板I与第一偏转板组4之间；或者位于第一偏转板组4与第一遮挡板6之间；图1所示的是以位于第一偏转板组4与第一遮挡板6之间为例);第一偏转板组4与第一脉冲电源8连接,第二偏转板组5与第二脉冲电源9连接,加速电极板I与加速电源10连接；第一脉冲电源8和第二脉冲电源9分别与用于延时触发第一脉冲电源8和第二脉冲电源9的延时发生器11连接。
[0051]上述第一偏转板组4可以由两个第一偏转板构成，这两个第一偏转板在上述轴线两侧相对分布(可以对称分布，也可以非对称分布)。当然也可以由大于两个(最好是偶数个)的第一偏转板构成，分成两组在上述轴线两侧相对分布。上述第二偏转板组5可以由两个第二偏转板构成，这两个第二偏转板在上述轴线两侧相对分布(可以对称分布，也可以非对称分布)。当然也可以由大于两个(最好是偶数个)的第二偏转板构成，分成两组在上述轴线两侧相对分布。上述第二偏转板组5可以与第一偏转板组4有相同的设置，也可以为不同的设置。上述第一偏转板组4的具体结构可以是平面结构，也可以是曲面结构还可以是折面结构；上述第二偏转板组5的具体结构可以是平面结构，也可以是曲面结构，还可以是折面结构。本发明实施例以平面结构为例，偏转板组可以是平行设置(如图2a所示)，也可以非平行设置(如图2b所示) 。
[0052]较佳的，延时发生器11可以通过BNC接头、50欧姆阻抗匹配线分别与第一脉冲电源8、第二脉冲电源9相连接。
[0053]本发明实施例以第一偏转板组4 (平面结构)沿上述轴线平行，对称分布为例。如图3所示，本发明实施例实现离子脉冲化的原理:
[0054]从离子生成腔室2飞出的目标离子，通过加速电极板I后，会产生沿轴向的初速度。因为放电产生的离子能量远远小于加速电极板I提供的能量，所以离子以较小的发散角沿轴向飞行。第一偏转板组4上被施加脉冲电压(例如正电压反相脉冲，或者负电压正相脉冲)，当第一偏转板组4上施加的电压为高电压(正高压或者负高压)，离子受到与轴向垂直的作用力，偏离原轨道，无法通过第一遮挡板6上的孔。当第一偏转板组4上施加的电压为零电压时，离子通过第一遮挡板6上的孔。
[0055]在第一遮挡板6上离子的偏离距离OP确定如下:
[0056]
【权利要求】
1.一种脉冲式离子源，其特征在于，包括: 由开有一孔的加速电极板隔开的离子生成腔室和离子处理腔室； 所述离子处理腔室内设置有第一偏转板组、第二偏转板组、用于汇聚离子的至少一个离子透镜、开有一孔的第一遮挡板和开有一孔的第二遮挡板； 所述加速电极板上的孔、所述第一遮挡板的孔、所述第二遮挡板的孔和所述用于汇聚离子的离子透镜位于同一轴线上； 所述第一偏转板组位于所述加速电极板与所述第一遮挡板之间，在靠近所述加速电极板的一侧沿所述轴线两侧相对分布； 所述第二偏转板组位于所述第一遮挡板与所述第二遮挡板之间，在靠近所述第一遮挡板的一侧沿所述轴线两侧相对分布； 所述用于汇聚离子的离子透镜位于所述加速电极板与所述第一遮挡板之间； 所述第一偏转板组与第一脉冲电源连接，所述第二偏转板组与第二脉冲电源连接，所述加速电极板与加速电源连接； 所述第一脉冲电源和所述第二脉冲电源分别与用于延时触发第一脉冲电源和第二脉冲电源的延时发生器连接。
2.如权利要求1所述的脉冲式离子源，其特征在于，所述用于汇聚离子的离子透镜位于所述加速电极板和所述第一偏转板组之间；或者， 所述用于汇聚离子的离子透镜位于所述第一偏转板组和所述第一遮挡板之间。`
3.如权利要求2所述的脉冲式离子源，其特征在于，所述用于汇聚离子束的至少一个离子透镜为单透镜。
4.如权利要求1所述的脉冲式离子源，其特征在于，所述第一偏转板组的结构为平面结构或者曲面结构或者折面结构； 所述第二偏转板组的结构为平面结构或者曲面结构或者折面结构。
5.如权利要求1~4任一项所述的脉冲式离子源，其特征在于，所述离子生成腔室内设置有: 靠近所述加速电极板的阳极板，所述阳极板开有一孔径小于0.5mm的孔； 位于所述阳极板不与所述加速电极板相对的一侧的中间电极； 所述中间电极为中空结构，在与所述阳极板相对的一端设置有锥形口 ； 位于所述中间电极的中空结构内的阴极； 所述阴极为设置有入射口和出射口的中空结构； 所述阴极的入射口、所述阴极的出射口和所述阳极板的开口位于所述轴线上。
6.一种离子质谱仪，其特征在于，包括如权利要求1~5任一项所述的脉冲式离子源。
7.一种利用权利要求1~5任一项所述的脉冲式离子源产生离子的方法，其特征在于，包括: 确定第一脉冲电源产生的第一脉冲电压的脉冲宽度、第二脉冲电源产生的第二脉冲电压的的脉冲宽度和目标离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间ta ； 通过离子生成腔室产生离子，并通过延时发生器周期性向第一脉冲电源发送第一触发信号，所述第一触发信号用于触发所述第一脉冲电源向第一偏转板组施加第一脉冲电压，使得离子在所述第一脉冲电压的脉冲宽度内通过第一遮挡板的孔；每次向所述第一脉冲电源发送第一触发信号后，经过时间ta+td，通过所述延时发生器向第二脉冲电源发送第二触发信号，所述第二触发信号用于触发所述第二脉冲电源向第二偏转板组施加第二脉冲电压，使得所述目标离子在所述第二脉冲电压的脉冲宽度内通过第二遮挡板的孔；若目标离子为荷质比最小的离子，所述td满足:-(T-tn-TT1+ta) <td〈TT1,否贝1J，所述td满足:-(ta-tb-TT1)〈td〈TT1,所述Tti为第一脉冲电压的脉冲宽度,所述tb为荷质比小于目标离子的离子中，与目标离子的荷质比最接近的离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间，所述tn为所有离子中荷质比最大的离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间，所述T为所述延时发生器发送的第一触发信号的周期。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一脉冲电压为正电压反相脉冲，或者为负电压正相脉冲； 所述第二脉冲电压为正电压反相脉冲，或者为负电压正相脉冲。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述确定目标离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间ta，包括:
根据
10.如权利要求7~9任一项所述的方法，其特征在于， 所述第一脉冲电压的脉冲宽度小于|te-ta|，所述为与目标离子的荷质比最接近的离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间； 若所述目标离子为荷质比最大的离子，所述第二脉冲电压的脉冲宽度Tt2满足:如果td≥o，o〈TT2〈T-(ta+td);如果td〈o，-td〈TT2〈T-(ta+td);所述T为所述延时发生器发送的第一触发信号的周期； 否则，所述第二脉冲电压的脉冲宽度Tt2满足:如果td≥0，0〈TT2〈te-(ta+td);如果td〈0，-td<TT2<tc-(ta+td);所述t。为荷质比大于目标离子的离子中，与目标离子的荷质比最接近的离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间。
【文档编号】H01J49/26GK103531432SQ201310461050
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】龙涛, 包泽民, 王培智, 曾小辉, 张玉海, 刘敦一 申请人:中国地质科学院地质研究所