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一種脈沖式離子源及質譜儀的制作方法

文檔序號:2861848閱讀:461來源:國知局
一種脈沖式離子源及質譜儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種脈沖式離子源及質譜儀。該脈沖式離子源包括:加速電極板,離子生成腔室,離子處理腔室,第一脈沖電源,第二脈沖電源,加速電源,延時發(fā)生器。離子處理腔室包括有第一偏轉板組、第二偏轉板組、用于匯聚離子的離子透鏡、開有一孔的第一遮擋板、開有一孔的第二遮擋板。本實用新型脈沖式離子源實現(xiàn)了離子種類選擇的功能,并且較現(xiàn)有技術結構簡單、加工工藝簡單。
【專利說明】一種脈沖式離子源及質譜儀
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及離子質譜分析【技術領域】,尤其涉及一種脈沖式離子源及質譜儀?!颈尘凹夹g】
[0002]二次離子質譜(Secondary 1n Mass Spectrometry, SIMS)是目前靈敏度最高的表面化學分析手段之一,可以用于分析樣品化學成分及其含量,被廣泛應用于分析化學、半導體技術、環(huán)境保護、食品安全及地球化學等領域。SIMS擁有高空間分辨率、高靈敏度特點,可以在微區(qū)范圍內進行樣品深度成份分析、三維離子成像以及元素同位素豐度測定。
[0003]飛行時間二次離子質譜儀(Timeof Flight Secondary 1n Mass Spectrometry,T0F-SIMS)需要采用脈沖一次離子的形式,脈沖一次離子經(jīng)過加速聚焦轟擊樣品表面,濺射出二次離子,二次離子被提取進入質量分析器進行檢測。因此一次離子是產(chǎn)生二次離子的重要工具,其性能將直接影響TOF-SMS的分析結果。因為不同種類的離子轟擊樣品產(chǎn)生的二次離子差異較大(離子動量不同、且到達樣品時間有差異)、不利于二次離子提取、分析等后期處理,所以需要盡可能地保證一次離子種類的單一性。目前TOF-SMS —次離子生成過程中會伴隨產(chǎn)生大量不同種類的離子,為了減少這些離子對測量結果的影響,需要進行離子選擇,把非目標離子濾除,使單一成分的一次離子轟擊樣品,有利于提高SIMS分析性能。目前主要采用Wien-Filter、四級桿、離子井等部件實現(xiàn)離子濾除。這些部件無一例外地結構復雜、加工工藝復雜。
實用新型內容
[0004]本實用新型實施例的目的在于提供一種脈沖式離子源及質譜儀,用以解決現(xiàn)有技術中TOF-SMS離子源存在結構復雜、加工工藝復雜的問題。
[0005]本實用新型實施例提供了一種脈沖式離子源,該離子源包括:
[0006]由開有一孔的加速電極板隔開的離子生成腔室和離子處理腔室;
[0007]離子處理腔室內設置有第一偏轉板組、第二偏轉板組、用于匯聚離子的至少一個離子透鏡、開有一孔的第一遮擋板和開有一孔的第二遮擋板;
[0008]加速電極板上的孔、第一遮擋板的孔、第二遮擋板的孔和上述用于匯聚離子的離子透鏡位于同一軸線上;
[0009]第一偏轉板組位于所述加速電極板與第一遮擋板之間,在靠近加速電極板的一側沿上述軸線兩側相對分布;
[0010]第二偏轉板組位于第一遮擋板與第二遮擋板之間,在靠近第一遮擋板的一側沿上述軸線兩側相對分布;
[0011 ] 第一偏轉板組與第一脈沖電源連接,第二偏轉板組與第二脈沖電源連接,加速電極板與加速電源連接;
[0012]上述用于匯聚離子的離子透鏡位于加速電極板與第一遮擋板之間;
[0013]第一脈沖電源和第二脈沖電源分別與用于延時觸發(fā)第一脈沖電源和第二脈沖電源的延時發(fā)生器連接。
[0014]上述第一偏轉板組可以由兩個第一偏轉板構成,這兩個第一偏轉板可以沿上述軸線兩側相對分布(可以對稱分布,也可以非對稱分布,可以平行設置也可以非平行設置)。當然也可以由大于兩個(最好是偶數(shù)個)的第一偏轉板構成,分成兩組沿上述軸線兩側相對分布。上述第二偏轉板組可以由兩個第二偏轉板構成,這兩個第二偏轉板可以在上述軸線兩側相對分布(可以對稱分布,也可以非對稱分布,可以平行設置也可以非平行設置)。當然也可以由大于兩個(最好是偶數(shù)個)的第二偏轉板構成,分成兩組沿上述軸線兩側相對分布。上述第二偏轉板組可以與第一偏轉板組有相同的設置,也可以為不同的設置。上述第一偏轉板組的具體結構可以是平面結構、也可以是曲面結構,還可以是折面結構;上述第二偏轉板組的具體結構可以是平面結構、也可以是曲面結構,還可以是折面結構。
[0015]上述離子源使離子在經(jīng)過加速電極板后產(chǎn)生較大的能量,又因為離子剛剛通過陽極板上的孔,所以束斑直徑很小,當離子通過第一偏轉板組,在第一脈沖電源的控制下,離子實現(xiàn)脈沖化。
[0016]由于離子荷質比的不同,而使得離子從第一偏轉板組到第二偏轉板組的時間不同,所以當離子通過第二偏轉板組時,在第二脈沖電源的控制下,只有目標離子能夠通過第二遮擋板上的孔,從而實現(xiàn)離子種類選擇,并且該離子源具有結構簡單、加工工藝簡單的特點。
[0017]由于離子在上述實現(xiàn)離子脈沖化和后期進行成分選擇時都需要飛行很長的距離,所以離子透鏡對長時間飛行的離子起到聚攏的作用,防止離子發(fā)散造成損耗。
[0018]較佳的,加速電極板可以采用錐形口結構,這樣有利于離子束的提取。
[0019]在上述任意實施例的基礎上,較佳的,上述用于匯聚離子的離子透鏡位于加速電極板和所述第一偏轉板組之間;或者,上述用于匯聚離子的離子透鏡位于所述第一偏轉板組和所述第一遮擋板之間。
[0020]本實用新型實施例的脈沖式離子源包括至少一個離子透鏡,該至少一個離子透鏡為磁透鏡和/或靜電透鏡(例如單透鏡),具體種類不作限定,只要能夠進行離子匯聚的離子透鏡均可以應用于本實用新型。
[0021]在上述任意實施例的基礎上,較佳的,所述離子生成腔室內設置有:
[0022]靠近加速電極板的陽極板,該陽極板開有一孔徑小于0.5mm的孔;位于陽極板不與加速電極板相對的一側的中間電極;該中間電極為中空結構,在與陽極板相對的一端設置有錐形口 ;位于中間電極的中空結構內的陰極;該陰極為設置有入射口和出射口的中空結構;陰極的入射口、陰極的出射口和陽極板的開口位于上述軸線上。
[0023]上述陽極板與加速電極板之間存在有加速電場,可以增加離子的軸向速度,因為離子生成腔體內飛行路徑較長,較大的軸向速度可以減少離子的發(fā)散。
[0024]上述加速電極板與離子透鏡相互配合可在不影響傳輸效率的情況下改變離子的能量,從而實現(xiàn)離子能量的調節(jié)。
[0025]上述陽極板孔徑小于0.5mm可以做差極真空,差極真空可保障離子在空心陰極中電離需要的分子濃度,也可保障離子在通過陽極板之后飛行需要的高真空度。并且差極真空會使低真空度腔體中離子涌向高真空度腔體,這樣有利于更多的離子通過陽極板上的小孔而進入離子處理腔室,從而提高離子抽出率。[0026]本實用新型實施例還提供一種離子質譜儀,包括上述實施例的離子源。
[0027]該離子質譜儀較現(xiàn)有技術結構簡單、加工工藝簡單。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本實用新型實施例脈沖式離子源結構示意圖;
[0029]圖2a?圖2b為本實用新型實施例偏轉板組設置示意圖;
[0030]圖3為本實用新型實施例離子脈沖化第一個原理示意圖;
[0031]圖4a?圖4b為本實用新型實施例中第二觸發(fā)信號與第一觸發(fā)信號的延遲時間示意圖;
[0032]圖5為本實用新型實施例離子透鏡工作原理示意圖;
[0033]圖6a?圖6e為本實用新型實施例確定第一脈沖電源脈沖寬度和第二脈沖電源的脈沖寬度的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0034]本實用新型實施例提供了一種脈沖式離子源及質譜儀,可實現(xiàn)離子種類選擇,并且結構簡單、工藝要求低、成本低廉。下面結合附圖對本實用新型實施例作進一步說明。
[0035]本實用新型實施例提供了一種脈沖式離子源,如圖1所示,該離子源包括:
[0036]由開有一孔的加速電極板I隔開的離子生成腔室2和離子處理腔室3 ;離子處理腔室3內設置有第一偏轉板組4、第二偏轉板組5、用于匯聚離子的至少一個離子透鏡12、開有一孔的第一遮擋板6和開有一孔的第二遮擋板7 ;加速電極板I上的孔、第一遮擋板6的孔、第二遮擋板7的孔和上述用于匯聚離子的離子透鏡12位于同一軸線上;第一偏轉板組4位于加速電極板I與第一遮擋板6之間,在靠近加速電極板I的一側沿上述軸線兩側相對分布;第二偏轉板組5位于第一遮擋板6與第二遮擋板7之間,在靠近第一遮擋板6的一側沿上述軸兩側相對分布;上述用于匯聚離子的離子透鏡12位于加速電極板I與第一遮擋板6之間(離子透鏡12可以位于加速電極板I與第一偏轉板組4之間;或者位于第一偏轉板組4與第一遮擋板6之間;圖1所示的是以位于第一偏轉板組4與第一遮擋板6之間為例);第一偏轉板組4與第一脈沖電源8連接,第二偏轉板組5與第二脈沖電源9連接,力口速電極板I與加速電源10連接;第一脈沖電源8和第二脈沖電源9分別與用于延時觸發(fā)第一脈沖電源8和第二脈沖電源9的延時發(fā)生器11連接。
[0037]上述第一偏轉板組4可以由兩個第一偏轉板構成,這兩個第一偏轉板在上述軸線兩側相對分布(可以對稱分布,也可以非對稱分布)。當然也可以由大于兩個(最好是偶數(shù)個)的第一偏轉板構成,分成兩組在上述軸線兩側相對分布。上述第二偏轉板組5可以由兩個第二偏轉板構成,這兩個第二偏轉板在上述軸線兩側相對分布(可以對稱分布,也可以非對稱分布)。當然也可以由大于兩個(最好是偶數(shù)個)的第二偏轉板構成,分成兩組在上述軸線兩側相對分布。上述第二偏轉板組5可以與第一偏轉板組4有相同的設置,也可以為不同的設置。上述第一偏轉板組4的具體結構可以是平面結構,也可以是曲面結構還可以是折面結構;上述第二偏轉板組5的具體結構可以是平面結構,也可以是曲面結構,還可以是折面結構。本實用新型實施例以平面結構為例,偏轉板組可以是平行設置(如圖2a所示),也可以非平行設置(如圖2b所示)。[0038]較佳的,延時發(fā)生器11可以通過BNC接頭、50歐姆阻抗匹配線分別與第一脈沖電源8、第二脈沖電源9相連接。
[0039]本實用新型實施例以第一偏轉板組4 (平面結構)沿上述軸線平行,對稱分布為例。如圖3所示,本實用新型實施例實現(xiàn)離子脈沖化的原理:
[0040]從離子生成腔室2飛出的目標離子,通過加速電極板I后,會產(chǎn)生沿軸向的初速度。因為放電產(chǎn)生的離子能量遠遠小于加速電極板I提供的能量,所以離子以較小的發(fā)散角沿軸向飛行。第一偏轉板組4上被施加脈沖電壓(例如正電壓反相脈沖,或者負電壓正相脈沖),當?shù)谝黄D板組4上施加的電壓為高電壓(正高壓或者負高壓),離子受到與軸向垂直的作用力,偏離原軌道,無法通過第一遮擋板6上的孔。當?shù)谝黄D板組4上施加的電壓為零電壓時,離子通過第一遮擋板6上的孔。
[0041]在第一遮擋板6上離子的偏離距離OP確定如下:
[0042]
【權利要求】
1.一種脈沖式離子源,其特征在于,包括: 由開有一孔的加速電極板隔開的離子生成腔室和離子處理腔室; 所述離子處理腔室內設置有第一偏轉板組、第二偏轉板組、用于匯聚離子的至少一個離子透鏡、開有一孔的第一遮擋板和開有一孔的第二遮擋板; 所述加速電極板上的孔、所述第一遮擋板的孔、所述第二遮擋板的孔和所述用于匯聚離子的離子透鏡位于同一軸線上; 所述第一偏轉板組位于所述加速電極板與所述第一遮擋板之間,在靠近所述加速電極板的一側沿所述軸線兩側相對分布; 所述第二偏轉板組位于所述第一遮擋板與所述第二遮擋板之間,在靠近所述第一遮擋板的一側沿所述軸線兩側相對分布; 所述用于匯聚離子的離子透鏡位于所述加速電極板與所述第一遮擋板之間; 所述第一偏轉板組與第一脈沖電源連接,所述第二偏轉板組與第二脈沖電源連接,所述加速電極板與加速電源連接; 所述第一脈沖電源和所述第二脈沖電源分別與用于延時觸發(fā)第一脈沖電源和第二脈沖電源的延時發(fā)生器連接。
2.如權利要求1所述的脈沖式離子源,其特征在于,所述用于匯聚離子的離子透鏡位于所述加速電極板和所述第一偏轉板組之間;或者, 所述用于匯聚離子的離子透鏡位于所述第一偏轉板組和所述第一遮擋板之間。
3.如權利要求2所述的脈沖式離子源,其特征在于,所述用于匯聚離子束的至少一個離子透鏡為單透鏡。
4.如權利要求1所述的脈沖式離子源,其特征在于,所述第一偏轉板組的結構為平面結構或者曲面結構或者折面結構; 所述第二偏轉板組的結構為平面結構或者曲面結構或者折面結構。
5.如權利要求1?4任一項所述的脈沖式離子源,其特征在于,所述離子生成腔室內設置有: 靠近所述加速電極板的陽極板,所述陽極板開有一孔徑小于0.5mm的孔; 位于所述陽極板不與所述加速電極板相對的一側的中間電極; 所述中間電極為中空結構,在與所述陽極板相對的一端設置有錐形口 ; 位于所述中間電極的中空結構內的陰極; 所述陰極為設置有入射口和出射口的中空結構; 所述陰極的入射口、所述陰極的出射口和所述陽極板的開口位于所述軸線上。
6.一種離子質譜儀,其特征在于,包括如權利要求1?5任一項所述的脈沖式離子源。
【文檔編號】H01J49/16GK203481184SQ201320613495
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權日:2013年9月30日
【發(fā)明者】龍濤, 包澤民, 王培智, 曾小輝, 張玉海, 劉敦一 申請人:中國地質科學院地質研究所
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