СПОСОБ ВРЕМЯПРОЛЕТНОЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ Российский патент 1994 года по МПК H01J49/40 

Изобретение относится к масс-спетрометрии, а именно времяпролетной масс-спектрометрии, и может быть использовано в микроэлектронике для анализа состава вещества по массам ионов химических элементов и соединений.

Известен способ времяпролетной масс-спектрометрии [1], в котором направляют исследуемые ионы с одинаковой энергией из источника ионов в бесполевое пространство дрейфа и регистрируют после прохождения фиксированного пути разделенные в нем по времени пакеты ионов с одинаковой массой.

Недостатком известного способа является низкая разрешающая способность из-за наличия начального разброса по энергиям в источнике ионов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ времяпролетной масс-спектрометрии [2], в котором испущенные источником ионы разделяются в первом бесполевом пространстве дрейфа по времени пролета, далее разделенные пакеты ионов отражаются в электростатическом поле и направляются во второе бесполевое пространство дрейфа, где происходит компенсация начального разброса ионов с одинаковой массой по энергиям с последующей регистрацией пакетов ионов.

Недостатками известного способа являются недостаточная разрешающая способность, обусловленная конечной временной протяженностью регистрируемых ионных пакетов, и низкая чувствительность, связанная с угловой расходимостью ионов после отражения в ионном зеркале.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности и чувствительности.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе времяпролетной масс-спектрометрии, заключающемся в разделении испущенных источником ионов в первом бесполевом пространстве дрейфа по времени пролета на пакеты, отражении пакетов ионов в электростатическом поле с их последующим направлением во втрое бесполевое пространство дрейфа и регистрацией, регистрацию пакетов ионов осуществляют посредством поочередного отклонения пакетов ионов определяемых масс во втором бесполевом пространстве дрейфа импульсным электрическим полем, напряженность которого ε(t) и время воздействия на отклоняемые пакеты ионов τ выбирают из соотношения:
(t)dt = tg; (1) где α - угол регистрации, рад;
U_ист - ускоряющее напряжение источника ионов, В;
М_i - масса определяемого иона, кг;
е - элементарный заряд, Кл.

На фиг.1 схематически представлено устройство, реализующее предлагаемый способ времяпролетной масс-спектрометрии; на фиг.2 изображены траектории ионов с массой M_i после отражения в ионном зеркале.

Устройство состоит из источника 1 ионов, ионного зеркала 2, отклоняющих электродов 3, детектора 4 ионов, расположенного на оси, отклоненной от оси первого пространства дрейфа на угол α.

Устройство работает следующим образом. Вылетающие из источника 1 в виде короткого пакета ионы массами M_i, M_j, M_к и т.д. с одинаковыми энергиями разделяются в первом пространстве дрейфа на пакеты по массам M_i, M_j, M_к и т.д.

После отражения пакета ионов массой M_i в двухступенчатом (U₁ и U₂) поле на него воздействуют импульсом электрического поля, создаваемым при приложении к отклоняющим электродам 3 импульса напряжения с параметрами U_3i, τ_3i. При этом длительность импульса напряжения τ_3i выбирают, исходя из того, что:
τ_3i < < t_прол, (2) где t_прол - время пролета ионами с массой M_i отклоняющих электродов 3.

В случае выполнения этого требования импульс электрического поля длительностью τ_3i, создаваемый между отклоняющими электродами 3, будет воздействовать на ионы с небольшим различием в массах M_i, дающие основной вклад в ухудшение разрешения, одинаковое время τ_3i, поскольку эти ионы имеют слабые различия в скоростях v_i= пролета отклоняющих электродов 3.

Этот импульс сообщает ионам в промежутке между отклоняющими электродами 3 скорость v_откл.i, перпендикулярно оси первого пространства дрейфа и определяемую по формуле
v_откл.i= U_зi(t)dt, (3) где е - элементарный разряд;
d₃ - расстояние между отклоняющими электродами 3.

Для случая прямоугольного отклоняющего импульса, формула (3) принимает вид:
v_откл.i= U_зiτ_зi, (4) где U_зi - амплитуда прямоугольного импульса.

В случае треугольного отклоняющего импульса формула (3) имеет вид:
v_откл.i= 2 U_зimax·τ_3imax. (5)
В случае, когда импульсное электрическое поле реализуется в области плоского конденсатора, параметры отклоняющего импульса напряжения на электродах конденсатора (амплитуда U_3i и длительность τ_3i) могут быть определены из соотношения:
для прямоугольного импульса
U_зi·τ_з = d_зitg, (6) где d₃ - расстояние между электродами конденсатора 3;
для импульса треугольной формы
U_зi·τ_зi= d_зtg (7)
Подачу отклоняющего импульса поля на электроды 3 длительностью τ_3iнеобходимо осуществлять в момент пролета ионами массы M_i половины длины отклоняющих электродов 3. Время подачи отклоняющего импульса t_п можно определить следующим образом:
t_п = t_прол.1 + t_отр + t, (8) где t_прол.1 - время пролета ионами массой M_i первого пространства дрейфа;
t_отр - время пролета ионами массой M_i ионного зеркала 2;
t'_прол.2 - время пролета ионами массой M_i от ионного зеркала 2 до середины отклоняющих электродов 3.

t_прол.1=, где l₁ - длина первого пространства дрейфа;
Е - кинетическая энергия ионов на выходе из ионного источника 1
t_отр= 2, (9) где U₁ - напряжение между электродами первого отражающего промежутка ионного зеркала 2 длиной d₁;
U₂ - напряжение между электродами второго отражающего промежутка ионного зеркала 2 длиной d₂;
е - элементарный заряд.

Так как на выходе из ионного зеркала 2 ионы массой M_i имеют ту же скорость, что и в первом дрейфовом пространстве, то есть
v_отр.i= v_i= , (10) то
t= , (11) где l₂¹ - расстояние от ионного зеркала 2 до середины отклоняющих электродов 3.

Значение t_прол. в требовании (11) определяется как:
t_прол. = , (12) где l_эл.3 - длина отклоняющих электродов 3.

Попавшие в это же время в пространство между отклоняющими электродами 3 ионы с массами M_j, M_K и т.д. также приобретут в направлении, перпендикулярном оси первого пространства дрейфа, различные скорости v_откл.j, v_откл.к и т.д.:
v_откл.j = U_зi(t)dt;
(13)
v_откл.к = U_зi(t)dt.

Поскольку в это же время в отражательном поле ионного зеркала 2 ионы меняют направления своего движения на противоположные с той же скоростью v_i, v_j, v_к, суммарная скорость движения ионов v_Ei, v_Ej, v_eкбудет являться результатом векторного сложения скоростей вдоль оси первого пространства дрейфа v_отр.i, v_отр.j, v_отр.к и скорости v_откл.i, v_откл.j, v_откл.к, причем очевидно:
v = v; v = v; v = v. (14)
Таким образом, ионы с массами M_i, M_j, M_к отклонятся на разные углы α_i, α_j, α_к от первоначального направления движения
α_i= arctg U_зi(t)dt;
α_j= arctg U_зi(t)dt; (15)
α_к= arctg U_зi(t)dt..

В случае прямоугольного и треугольного выталкивающих импульсов формулы (14) примут, соответственно, вид (16) и (17):
α_i= arctg = arctg ;
α_j= arctg ; (16)
α_к= arctg ;
α_i= arctg ;
α_j= arctg ; (17)
α_к= arctg ;
Поскольку детектор 4 ионов расположен на оси, отстоящей от оси первого пространства дрейфа на угол α=α_i, после прохождения второго пространства дрейфа будут регистрироваться только ионы массой M_i, сфокусированные по энергии в ионном зеркале 2.

Таким образом, за счет дополнительного разделения ионов по углу разлета, зависящему от массы, осуществляется повышение разрешения ионов по массам в предлагаемом способе времяпролетной масс-спектрометрии.

Дополнительное слагаемое, вносимое предлагаемым способом в разрешение по массам, имеет вид:
= , (18) где 0 ≅ α ≅ .

Подавая в момент нахождения в область между отклоняющими электродами 3 пакет ионов с другой массой (например, M_j, M_к)
t_j≥ l; t_к≥ l (см. формулу импульса напряжения на отклоняющие электроды 3 с параметрами U_3j, τ_3i, U_3к, τ_3к для ионов с массой M_j, M_к соответственно) и, подбирая параметры U_3j, τ_3j или U_3к, τ_3к из соображения отклонения ионов с массой M_j или М_к на угол регистрации α (фиг.1), можно осуществлять исследование масс-спектра ионов из источника 1.

В способе [2], взятом за прототип, происходит снижение чувствительности за счет угловой расходимости ионов после отражения в ионном зеркале. В предлагаемом способе происходит подфокусировка ионов на детектор 4 за счет воздействия импульса электрического поля, отклоняющего ионы в направлении, перпендикулярном оси первого пространства дрейфа.

Это связано с тем, что при отражении ионов в зеркале они приобретают скорости, противоположные направлению первоначального движения, но равные по величине скоростям до отражения (см. формулу (14)). Таким образом, ионы массой M_i, имеющие большую скорость v_i ' из-за начального разброса в источнике 1 ионов (фиг.1) и прилетающие к отражательному промежутку раньше, после отражения в ионном зеркале, имея по величине ту же скорость v_iотр' = v_i', оказываются сзади по отношению к ионам массой M_i, вылетевшим из источника с начальной скоростью v_i '' < v_i ' (v_отр.i ''< v_отр.i'). Но в пространстве между электродами 3 за время действия отклоняющего импульса электрического поля τ_3i они приобретут одну и ту же скорость в направлении, перпендикулярном оси первого пространства дрейфа v _откл.i' = v _откл.i'' = v_откл.i. Поэтому суммарные скорости ионов пакета массой M_i v_ε^' и v являющиеся результатом векторного сложения скоростей = + , = v+ имеют тенденцию к сходимости в направлении движения к детектору (фиг.2).

Минимальный размер фокусировки ионов пакета по массам d_riподбирается путем оптимизации параметров отклоняющего импульса соответственно для случаев прямоугольного и треугольного импульсов напряжения:
dr_i= dv_i;
(19)
dr_i= dv_i, где l₂ - длина второго пространства дрейфа.

Таким образом, в предлагаемом способе времяпролетной масс-спектрометрии происходит повышение разрешающей способности по массам ионов за счет дополнительного разделения ионов разных масс на различные углы отклонения и чувствительности за счет подфокусировки пакета ионов отклоняющим импульсом электрического поля.

Предлагаемый способ может быть использован для проведения масс-анализа различных ионных пучков, применяемых в технологии и аналитике микроэлектроники, физических исследованиях с высокой чувствительностью и разрешающей способностью по массам.

Использование: относится к времяпролетной масс-спектрометрии. Сущность изобретения: заключается в разделении испущенных источником ионов в первом бесполевом пространстве дрейфа по времени пролета на пакеты, отражении пакетов ионов в электростатическом поле с их последующим направлением во второе бесполевое пространство дрейфа, где осуществляется поочередное отклонение пакетов ионов определяемых масс, и последующей регистрацией. 2 ил.

СПОСОБ ВРЕМЯПРОЛЕТНОЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ, заключающийся в разделении испущенных источников ионов в первом бесполевом пространстве дрейфа по времени пролета на пакеты, отражении пакетов ионов в электростатическом поле с их последующим направлением в второе бесполевое пространство дрейфа и регистрацией, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности и чувствительности, регистрацию пакетов ионов осуществляют посредством поочередного отклонения пакетов ионов определяемых масс в втором бесполевом пространстве дрейфа импульсным электрическим полем, напряженность которого ε (t) и время воздействия на отклоняемые пакеты ионов τ выбирают из соотношения
(t)dt = tg,
где α - угол регистрации пакетов ионов, рад;
U_ист. - ускоряющее напряжение источника ионов, В;
M_i - масса определяемого иона, кг;
l - элементарный заряд, Кл.