ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-АНАЛИЗАТОР ИОНОВ Российский патент 1997 года по МПК H01J49/40 

Изобретение относится к области научного приборостроения и более точно касается времяпролетного масс-анализатора.

Известен времяпролетный масс-анализатор, содержащий источник ионов, включающий мишень из исследуемого вещества и источник лазерного излучения, а также расположенные соосно с мишенью пространство дрейфа ионов, рефлектор и детектор с центральным отверстием (SU N1097252).

В масс-спектрометре этого типа лазерное излучение плотностью мощности ≈10⁸ 10⁹ Вт/см падает под углом ≈30 - 40^o на исследуемый образец, вызывая испарение и ионизацию пробы. Образованные ионы разлетаются не- симметрично относительно вертикали к плоскости мишени. Эта асимметрия связана, во-первых, с особенностью кратера, образованного при косом падении излучения на поверхность (т.н. эффект "зарывания" луча), и, во-вторых, с эффектом вылета небольшой части ионов вдоль лазерного луча. Направление разлета ионов в источнике этого типа сильно зависит от заглубления луча в поверхность и угла падения.

Воспроизводимость спектров, полученных от источников ионов этого типа, крайне низка. Низкая воспроизводимость спектров существенно удлиняет время анализа в целом, требует специального отбора спектров, продолжительной статистической обработки для получения усредненных по объему образца химического состава матрицы и примесей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому масс-анализатору является времяпролетный масс-спектрометр, содержащий расположенные соосно: мишень, детектор, рефлектор, фокусирующий объектив и лазерный источник ионов (SU N 1732396]
В этом устройстве лазерное излучение падает перпендикулярно на мишень, а ионы регистрируются детектором, также симметрично расположенным относительно мишени. Такая конфигурация источника ионов создала возможность обеспечения полного симметричного разлета и регистрации ионов. Это, в свою очередь, позволило достичь относительно высокой воспроизводимости спектров и проведения послойного анализа без смещения образца или луча практически без ограничения.

Предложенный полностью симметричный масс-спектрометр дал возможность существенно сократить общее количество спектров, необходимых для получения правильного объемного анализа химического состава образца. Однако для выполнения последнего требуется регистрация от 10 до 100 спектров и их усреднение. Необходимость усреднения связана с малым диаметром пятна лазерного излучения, который при оптимальных физических характеристиках равен ≈50 мкм. Эта величина недостаточна для обеспечения правильного анализа при незначительной неоднородности пробы. Поэтому возникает необходимость проведения анализа в разных точках и в различных слоях образца и усреднения данных.

Имеется возможность увеличения диаметра пятна простым увеличением диаметра лазерного воздействия, например, до 300 500 мкм, однако в этом случае возрастает и плотность плазмы, возникающей при лазерном воздействии при одновременном росте средней энергии ионов.

Эти два фактора приводят к ухудшению массового разрешения масс-анализатора за счет объемного заряда плотной плазмы, снижению его чувствительности за счет роста средней энергии ионов до 0,5 1 кэВ и их большего энергетического разброса.

Целью изобретения является повышение достоверности результатов в одном акте лазерного воздействия за счет получения информации со многих точек поверхности образца, повышение чувствительности и массового разрешения масс-анализатора в целом за счет улучшения геометрии ионного источника и увеличения отношения сигнала к шуму на порядок величины.

Цель достигается тем, что в линейном времяпролетном масс-анализаторе ионов, содержащем соосно расположенные элементы конструкции в последовательности: мишень, плоский электрод, детектор с центральным отверстием и с сеточной сборкой, пространство дрейфа, рефлектор, фокусирующий объектив и источник лазерного излучения, по ходу следования лазерного излучения между рефлектором и фокусирующим объективом располагают формирующие пучки оптический элемент. При этом диаметр каждого из них на плоскости мишени d много меньше по сравнению с расстоянием между ними D при минимальном размере области воздействия на мишень.

На чертеже представлена схема предлагаемого масс-анализатора.

Между мишенью 1 и детектором 3 с сеточной сборкой 4 на расстоянии 5 см от мишени расположен плоский электрод 2. Отверстия в плоском электроде составляют ≈1,0 1,5 см. За бесполевым пространством 5 расположен рефлектор 6, ограниченный входной сеткой 7 и донной сеткой 8.

За рефлектором расположен оптический элемент, формирующий пучок 9, фокусирующий объектив 10 и источник лазерного излучения 11.

Оптический элемент, формирующий пучок 9, в простейшем случае представляет собой многосекторную круговую сборку, каждый из секторов которой представляет клин. Это обеспечивает получение многолучевого пучка лазерного излучения. Например, при шести секторах без центрального отверстия в плоскости мишени образуются шесть пучков диаметром 40 50 мкм и расстоянием между соседними пучками от 300 до 500 мкм.

На прибор падают следующие напряжения: при анализе ионов с энергией 150
200 эВ на плоский электрод 2 подают напряжение положительной полярности от 2 до 6 В. Средняя сетка сеточной сборки находится под положительным потенциалом 80 100 В. Крайние сетки и сетка рефлектора 7 находятся под нулевым потенциалом, а сетка 8 под положительным потенциалом ≈160 180 В.

Масс-анализатор, согласно изобретению, работает следующим образом: ионы и плазма, образованные на мишени под воздействием лазерного излучения, из каждой шести точек воздействия разлетаются изотропно. При взаимодействии с тормозящим полем плоского электрода 2 с низкотемпературным плазменным облаком высокой плотности происходит отделение ускоренных ионов от низкотемпературной плазмы, являющейся основным источником шума. Ионы, отраженные в поле рефлектора 6, пролетев через сеточную сборку 4, регистрируются детектором 3.

Возможны другие варианты расположения оптического элемента, формирующего излучение, например, между источником лазерного излучения и фокусирующим объективом или непосредственно перед мишенью. Сам многолучевой пучок также может быть сформирован не только системой клиньев. Для этих целей может быть использована голографическая маска, обеспечивающая расположение отдельных пучков по углам квадратов.

Воздействующий пучок может быть также сформирован в виде цилиндрического при выполнении условий, что разница между большим диаметром пучка R и малым r должна быть много меньше R.

Масс-анализатор может найти применение в металлургической промышленности для экспресс-анализа составов различных сплавов, в микроэлектронике и электронной промышленности для анализа химического состава полупроводников, в экологии для определения предельно допустимых концентраций веществ, загрязняющих окружающую среду и продукты питания, в биологии и медицине для химического анализа крови, почечных камней, лекарств, а также в других областях, где требуется проведение элементного и изотопного анализа различных материалов.

Назначение: масс-спектрометрия, экспресс-анализ состава различных сплавов, анализ химического состава полупроводников. Обеспечивает повышение точности, чувствительности и массового разрешения масс-анализаторов. Сущность изобретения: в линейном времяпролетном масс-анализаторе ионов, содержащем соосно и последовательно расположенные мишень, детектор с центральным отверстием и с сеточной сборкой, рефлектор, фокусирующий объектив и источник лазерного излучения, по ходу следования лазерного излучения расположен формирующий пучки оптический элемент. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Времяпролетный масс-анализатор ионов, содержащий соосно и последовательно расположенные лазерный источник излучения, фокусирующий объектив, рефлектор, детектор с центральным отверстием, мишень, отличающийся тем, что между рефлектором и фокусирующим объективом расположен формирующий пучки оптический элемент. 2. Масс-анализатор по п.1, отличающийся тем, что формирующий пучки оптический элемент расположен между источником лазерного излучения и фокусирующим объективом. 3. Масс-анализатор по п.1, отличающийся тем, что формирующий пучки оптический элемент расположен внутри рефлектора.