離子光學裝置、離子源及利用離子源產(chǎn)生目標離子的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種離子光學裝置、離子源及利用離子源產(chǎn)生目標離子的方法。該離子光學裝置包括：腔體、設(shè)置在腔體內(nèi)的加速電極、離子透鏡組、質(zhì)量篩選器和開有一孔的擋板。離子透鏡組包括至少兩個同軸且相對位置固定的單透鏡；加速電極在腔體的一個開口處，為中空錐形結(jié)構(gòu)，其錐形尖口朝外且在離子透鏡組的軸線上；質(zhì)量篩選器靠近腔體的另一個開口，其由沿離子透鏡組的軸線平行對稱設(shè)置的一對導磁結(jié)構(gòu)和沿所述軸線平行對稱設(shè)置的一對電極構(gòu)成；導磁結(jié)構(gòu)之間的平行均勻磁場、電極產(chǎn)生的平行均勻電場和所述軸線之間兩兩垂直；擋板在腔體的另一個開口處，擋板上的孔在離子透鏡組的軸線上。本發(fā)明可實現(xiàn)離子束斑直徑連續(xù)可調(diào)且同時具有離子篩選功能。
【專利說明】離子光學裝置、離子源及利用離子源產(chǎn)生目標離子的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及離子質(zhì)譜分析【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種離子光學裝置、離子源及利用離子源產(chǎn)生目標離子的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)譜儀是一種可以用于分析多種樣品中各種化學成分及其含量的科學儀器，被廣泛應(yīng)用于地學、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護、食品安全等各個領(lǐng)域。在常用的各種質(zhì)譜儀儀器中，二次離子質(zhì)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。
[0003]一次離子束經(jīng)過一次離子光學系統(tǒng)后轟擊樣品表面，產(chǎn)生二次離子。二次離子束經(jīng)過二次離子光學系統(tǒng)后進入質(zhì)量分析器，按荷質(zhì)比大小不同實現(xiàn)質(zhì)量分離，從而可得知樣品表面和樣品一定深度的元素分布和組成。在SIMS分析過程中，被檢測的離子是由一次離子源產(chǎn)生的一次離子束轟擊濺射樣品表面所產(chǎn)生的濺射碎片離子，因此一次離子束是產(chǎn)生二次離子的工具。一次離子束的性能和質(zhì)量將直接影響SIMS的分析結(jié)果。
[0004]在二次離子質(zhì)譜中，使用一次離子束轟擊樣品產(chǎn)生二次離子之前，需要對樣品表面進行“清洗”，除去粘附在樣品表面的鍍層及包裹體，提高樣品分析的準確性，為了減小對樣品的損耗，特別針對于宇宙樣品及地球化學珍貴樣品，在一次離子束強度保持不變時，要求增大用于清洗樣品的一次離子束束斑。用于二次離子提取時，小束斑一次離子束可以提高二次離子質(zhì)譜的橫向分辨率，特別對于離子探針模式的二次離子質(zhì)譜儀，其橫向分辨率完全由一次束束斑的直徑所決定。用于轟擊樣品的一次離子束是從一次離子源中引出的，從離子源中引出的一次離子束并不只包含單一種類的離子，除了目標一次離子外，還有和目標一次離子相同極性的其他離子。這些離子由于荷質(zhì)比的不同，導致產(chǎn)生的二次離子初動能也各不一樣，這樣就會影響二次離子的提取。
[0005]二次離子質(zhì)譜儀中一次離子束的束斑需要調(diào)節(jié)(高離子流密度的小束斑離子束可以做空間分辨率更高的微區(qū)分析，而低離子流密度的大束斑離子可以用于“清洗”樣品表面，剝?nèi)ュ儗蛹鞍w)，但是采用單透鏡調(diào)節(jié)固定軸線上某點處束斑，其聚焦位置一定也發(fā)生變化。這在包含有多個離子光學部件的復雜系統(tǒng)中是一件比較麻煩的事情，常常改動其中一個透鏡的聚焦位置，會帶來后面部件的變動，并且最終實現(xiàn)離子束斑的有效調(diào)節(jié)也較為困難。
[0006]針對于二次離子質(zhì)譜的上述要求，需要一種離子束束斑直徑可調(diào)的，并且具有離子篩選功能的離子源，提供用于轟擊樣品，產(chǎn)生二次離子的一次離子束。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明實施例提供了一種離子光學裝置、離子源及利用離子源產(chǎn)生目標離子的方法，可實現(xiàn)離子聚焦位置不變的情況下束斑直徑連續(xù)可調(diào)，同時具有離子篩選功能。
[0008]本發(fā)明實施例提供了一種離子光學裝置，該裝置包括:[0009]腔體、設(shè)置在該腔體內(nèi)的加速電極、離子透鏡組、質(zhì)量篩選器和開有一孔的擋板；
[0010]離子透鏡組包括至少兩個同軸且相對位置固定的單透鏡；
[0011]加速電極在腔體的一個開口處，為中空錐形結(jié)構(gòu)，其錐形尖口朝外且在離子透鏡組的軸線上；
[0012]該質(zhì)量篩選器靠近腔體的另一個開口，其由沿離子透鏡組的軸線平行對稱設(shè)置的一對導磁結(jié)構(gòu)，和沿該軸線平行對稱設(shè)置的一對產(chǎn)生平行均勻電場的電極構(gòu)成；該導磁結(jié)構(gòu)之間的平行均勻磁場、該電極產(chǎn)生的平行均勻電場和上述軸線之間兩兩垂直，且所述平行均勻磁場和平行均勻電場在軸線方向的長度相等；
[0013]擋板在腔體的另一個開口處，擋板上的孔在所述離子透鏡組的軸線上。
[0014]上述離子光學裝置，離子透鏡組可以對離子束進行聚焦，并且可在不改變離子束焦點位置的情況下，實現(xiàn)離子束斑直徑連續(xù)可調(diào)，同時使用質(zhì)量篩選器，實現(xiàn)了對目標離子進行篩選，并且通過調(diào)節(jié)加速電壓，可以調(diào)節(jié)離子束的能量。
[0015]其中，上述質(zhì)量篩選器的一對電極對稱供電，其形狀為板狀矩形結(jié)構(gòu)，每個電極的寬度大于這兩個電極之間的距離的1.5倍。
[0016]較佳的，上述導磁結(jié)構(gòu)的設(shè)置方式可以為以下兩種，但不僅限于以下兩種。
[0017]第一種設(shè)置方式:一對導磁結(jié)構(gòu)為柱狀結(jié)構(gòu)，柱狀結(jié)構(gòu)相對的端面為相互平行的矩形面，另一端面分別與設(shè)置在腔體外的電磁鐵相對。
[0018]第二種設(shè)置方式:一對導磁結(jié)構(gòu)為設(shè)置在所述腔體外的電磁鐵伸入所述腔體內(nèi)的部分，一對導磁結(jié)構(gòu)相對的端面為相互平行的矩形面。
[0019]基于上述任意離子光學裝置實施例，較佳的，所述離子光學裝置，還可以包括--位于所述加速電極與離子透鏡組之間垂直分布的兩個偏轉(zhuǎn)板組，每個偏轉(zhuǎn)板由在上述軸線兩側(cè)平行對稱分布、且對稱供電的兩個矩形偏轉(zhuǎn)板組成，每個偏轉(zhuǎn)板組中每個偏轉(zhuǎn)板的寬度大于這兩個偏轉(zhuǎn)板之間的距離的1.5倍，所述偏轉(zhuǎn)板的寬度為偏轉(zhuǎn)板在與軸線垂直方向的尺寸。
[0020]在工程應(yīng)用中，很難保證離子透鏡組與加速電極共軸，上述方法采用偏轉(zhuǎn)板組修正的方法保證在不完全同軸的情況下使離子能改變運動方向，使離子在通過偏轉(zhuǎn)板組后，沿離子透鏡組的軸線飛行。
[0021]基于上述任意裝置實施例，較佳的，上述擋板上的孔半徑R應(yīng)滿足:
【權(quán)利要求】
1.一種離子光學裝置，其特征在于，包括: 腔體、設(shè)置在所述腔體內(nèi)的加速電極、離子透鏡組、質(zhì)量篩選器和開有一孔的擋板； 所述離子透鏡組包括至少兩個同軸且相對位置固定的單透鏡； 所述加速電極在所述腔體的一個開口處，為中空錐形結(jié)構(gòu)，其錐形尖口朝外且在所述離子透鏡組的軸線上； 所述質(zhì)量篩選器靠近所述腔體的另一個開口，其由沿所述離子透鏡組的軸線平行對稱設(shè)置的一對導磁結(jié)構(gòu)和沿所述軸線平行對稱設(shè)置的一對電極構(gòu)成；所述導磁結(jié)構(gòu)之間的平行均勻磁場、所述電極產(chǎn)生的平行均勻電場和所述軸線之間兩兩垂直，且所述平行均勻磁場和平行均勻電場在軸線方向的長度相等； 所述擋板在所述腔體的另一個開口處，所述擋板上的孔在所述離子透鏡組的軸線上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子光學裝置，其特征在于，還包括: 位于所述加速電極與離子透鏡組之間垂直分布的兩個偏轉(zhuǎn)板組，每個偏轉(zhuǎn)板組由在所述軸線兩側(cè)平行對稱分布、且對稱供電的兩個矩形偏轉(zhuǎn)板組成，所述每個偏轉(zhuǎn)板組中每個偏轉(zhuǎn)板的寬度大于這兩個偏轉(zhuǎn)板之間的距離的1.5倍,所述偏轉(zhuǎn)板的寬度為偏轉(zhuǎn)板在與軸線垂直方向的尺寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的離子光學裝置，其特征在于，所述質(zhì)量篩選器的一對電極對稱供電，其形狀為板狀矩形結(jié)構(gòu)，每個電極的寬度大于這兩個電極之間的距離的1.5倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的離子光學裝置，其特征在于，所述一對導磁結(jié)構(gòu)為柱狀結(jié)構(gòu)，所述柱狀結(jié)構(gòu)相對的端面為相互平行的矩形面，所述柱狀結(jié)構(gòu)的另一端面分別與設(shè)置在所述腔體外的電磁鐵相對；或者， 所述一對導磁結(jié)構(gòu)為設(shè)置在所述腔體外的電磁鐵伸入所述腔體內(nèi)的部分，所述一對導磁結(jié)構(gòu)相對的端面為相互平行的矩形面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的離子光學裝置，其特征在于，所述擋板上的孔半徑R滿足:
6.一種離子源，其特征在于，包括: 設(shè)有一出射孔的初始離子源和根據(jù)權(quán)利要求1~6任一項所述的離子光學裝置； 所述初始離子源的出射孔與加速電極的錐形尖口相對。
7.一種利用權(quán)利要求6所述的離子源產(chǎn)生目標離子的方法，其特征在于，包括: 根據(jù)目標離子的荷質(zhì)比及與目標離子荷質(zhì)比最接近的離子的荷質(zhì)比，確定所述質(zhì)量篩選器的一對電極所需的電位差和所需的一對導磁結(jié)構(gòu)之間的平行均勻磁場強度，并根據(jù)確定的電位差向所述質(zhì)量篩選器的一對電極施加電壓，同時根據(jù)確定的磁場強度向所述質(zhì)量篩選器施加產(chǎn)生在一對導磁結(jié)構(gòu)之間的平行均勻磁場所需的勵磁電流； 根據(jù)目標離子所要達到的束斑直徑及需要的聚焦位置，確定所述離子透鏡組所需的電壓，并對離子透鏡組施加所需電壓； 觸發(fā)所述初始離子源產(chǎn)生離子束。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，根據(jù)目標離子的荷質(zhì)比及與目標離子荷質(zhì)比最接近的離子的荷質(zhì)比，確定所述質(zhì)量篩選器的一對電極所需的電位差和所需的一對導磁結(jié)構(gòu)之間的平行均勻磁場強度，包括: 根據(jù)目標離子的荷質(zhì)比、與目標離子荷質(zhì)比最接近的離子的荷質(zhì)比、所述加速電壓、所述質(zhì)量篩選器的一對電極之間的距離，確定所述質(zhì)量篩選器的一對電極所需的電位差；根據(jù)目標離子的荷質(zhì)比、與目標離子荷質(zhì)比最接近的離子的荷質(zhì)比、所述加速電壓、所述一對電極之間的電位差、所述一對導磁結(jié)構(gòu)之間的距離，確定所述質(zhì)量篩選器的所需的一對導磁結(jié)構(gòu)之間的平行均勻磁場強度。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述擋板上的孔半徑R滿足:
【文檔編號】H01J49/06GK103560070SQ201310529116
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】龍濤, 包澤民, 曾小輝, 王培智, 張玉海, 劉敦一 申請人:中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所