Масс-спектрометрический способ анализа твердых тел Советский патент 1984 года по МПК H01J49/40 

1 Изобретение относится к масс-спек рометрии и может быть использовано при анализе твердых тел. Известны масс-спектрометрические способы для анализа твердых тел, заключающиеся в испарении и ионизации вещества анализируемого образца, раз делении ионов в дрейфовой трубе, энергетическом анализе в энергоанализаторе и регистрации определяемых ионов In . К недостаткам указанных способов следует отнести отклонение состава получаемого ионного пучка от состава образца, что приводит к ошибкам при анализе. Наиболее близким к изобретению яв ляется масс-спектрометрический способ анализа твердых тел, заключающийся в ионизации исследуемого образ ца импульсами лазерного излучения, разделении полученных ионов по отношению м/е в пространстве дрейфа с последуюишм воздействием на пакеты ионов электрическим полем энергоанализатора и детектировании определяемых ионов. Применение лазеров, работающих в режиме гигантского импульса (длительность 10 с, плотность из.10 Вт/см), лучения на мишени lU Ьт/см ;, гарантирует полную ионизацию испаренно порции вещества и соответствие соста ва полученной плазмы и образца. Ионы образованные при импульсной ионизации, разделяются в пространстве дрей фа на группы, соответствующие различ ной скорости Ц , а затем поступают в энергоанализатор на пропускание некоторого интервала энергий uiiU, где М - масса ионов. При достаточно высоком энергетическом разрешении энергоанализатора в таком устройстве может быть достигнуто полное разрешение масс-спектральных линий, в том числе таких, которые не могут быть разрешены одним времяпролетным массанализатором С 2 Д. Недостаток указанного способа, обусловлен узким диапазоном пропусканйя энергоанализатора: каждая линия изображается в усеченном виде, а информация, относящаяся к полному распределению по энергиям, в том чис ле общий ионный ток, соответствующий отдельным массам, теряется. При этом чувствительность обратно пропорциональна разрешен№0 эиергоанализатора, 62 что затрудняет обнаружение малых примесей и не позволяет проводить строгий количественный анализ образца. Весьма затруднительно также организовать режим накопления ионов, поскольку в разные моменты времени регистрируются ионы различных масс. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет повышения предела обнаружения. Поставленная цель достигается тем, что согласно масс-спектрометрическому способу анализа твердых тел, заключающемуся в ионизации исследуемого образца Импульсами лазерного излучения, разделении полученных ионов по отношению м/. в пространстве дрейфа с последующим воздействием на пакеты ионов электрическим полем энергоанализатора и дeтeкfиpoвaнии определяемых ионов, электрическое поле энергоанализатора изменяется по закону )4- ЬДА„,,, (О где fщ отклоняющая способность поля;MO - масса иона; Z - заряд иона; В - длина пространства дрейфа; максимальная скорость разлета ионов лазерной плазмы; t - текущий момент времени, отсчитываемый от момента лазерного импульса; oL - коэффициент, постоянный для данного типа энергоанализатора . I) До момента --- отклоняющая пособность энергоанализатора поддеривается постоянной и расчитана на аксимальную энергию т.е. f,f- .i.(Mof то. 4- 7 J в указанном режиме обеспечивается озможность в течение каждого цикла . азвертки регистрировать полное энеретическое распределение и общий ионый ток ионов массы М,., а также прозводить накопление нснюв этой массы ез уменьшения ра;фе11)агащей способноси системы но массам. Тем самым чувтвителыклть к ионам выбранной млссы озрастает по моныисм; мере Hii ;iua по31рядка, несмотря на значительный разброс ионов по энергиям. Энергия разлета ионов лазерной плазмы заключена в диапазоне 0-1 кэ (при. плотности мощности излучения JO Вт/см-). Однако энергоанализатора пропускает к регистратору из всех ионов с данными M/i. только частицы, имеющие фиксированную скорость (1П 2) например, при использовании в качестцилиндрическогове энергоанализатора конденсатора и./„-(). где г - радиус центральной траектории ионов в энергоанализаторе;заряд электрона; напряжение на обкладках конденсатора;расстояние между обкладками, в данном случае Очевидно, что на регистратор частицы с разными 2 /М будут поступать в виде отдельных пакетов, поступающих в различные моменты времени WKlff гре t - длина дрейфовой трубы, а отсчет времени идет от момента вЬз никтшвения лазерной плазмы, т.е. пра тически от момента генерации лазера. Если сигнал с регистратора подать на осциллограф, начало развертки которо го совпадает с лазерным импульсом, то на осциллограмме будет зарегистри рована серия импульсов, каждый из ко .торых соответствует ионам с данными 2/М, , т.е. будет получен обзорный спектр, качественно показывающий состав образца. Для установления количественных соотношений необходимо восстановлени вида всего энергетического распределения (интегрирование ohH/dE п энергии Е дает по.гшое количество час тиц данного типа Мг/м) . Сравнение по 2 лученных значений NZ/N для разных 2/М между собой позволяет определить в процентах содержание различных элементов в образце (как правило 1). На чертеже приведен один из вариантов выполнения устройства, реализующего предлагаемый способ. На объектодержателе 1 крепится анализируемый образец. Лазер 2 с фокусирующей системой ориентирован на объектодержатель 1. который расположен на входе дрейфовой трубы 3. На выходе дрейфовой трубы 3 находятся энергоанализатор 4 и регистратор 5. Блок синхронизации 6 соединен с лазером 2 и блоком управления 7 энергоанализатора. Блок управления 7 представляет собой последовательно включенные генератор линейно возрастающего напряжения 8, схему умножения 10 и усилитель 11, с выхода которого напряжение управления подается на энергоанализатор 4. Синхронизатор 6 подключен к генератору 8 и делителю 9. Прибор работает следующим образом. Лазерное излучение лазера 2 фокусирующей системой фокусируется на образец, закрепленный в объектодержателе 1. Образовавшиеся ионы различных энергий, масс и зарядностей раздетаются по дрейфовой трубе 3. При подлете ионов к энергоанализатору 4 блок управления 7 задает на энергоанализаторе такую отклоняющую способность, при которой на регистратор 5 пройдут только ионы с требуемым /М и максимальной для данных ионов скоростью. В последующие моменты времени при подлете к энергоанализатору ионов с меньщими скоростями блок управления 7 уменьшает отклоняющую способность энергоанализатора в соответствии с формулой (1), так что к регистратору пролетают только ионы с требуемым 2-/М. В данном устройстве легко произвести накопление частиц данного типа за серию лазерных импульсов. По количеству ионов данного типа судят о концентрации анализируемого элемента в о&разце. Для того, чтобы проанализировать образец на наличие элемента с другой массой (), необходимо изменить начальную .отклоняющую способность энергоанализатора с помощью блока управления в соответствии с формулой (3). Например, при использовании в качестве энергоанализатора цилиндрического конденсатора и работе с иона ми 2- 1 блок управления должен обеспечивать изменение напряжения по фор муле и- - - -подставляя см,- Д 1 см; получаем , и где и - измерено в вольтах; t - в мкс; А - атомный вес элемента. Тогда, очевидно, что при анализе образца на присутствие элемента группы железа () и считая, что при плотности мощности излучения на ми10 Вт/см, см/с. 10 МКС. Начальное напряж ние в момент времени должно составлять U В. В последующие моменты времени напряжение должно уменьшаться как 4 2, т.е. при t 2iniiH 20 мкс U 150 В и. т.д. В данном случае генератор 8 блока управления 7 запускается в момент ге нерации лазерного импульса,что достигается синхронизацией и выдает линейно возрастающее напряжение. Выходной сигнал генератора () подается на схему давления 9 константы, запускаемую синхронизатором 6 в момент X-J- ; выходной сигнал схемы делеIния 9 I и- IT разветвляют на два канала и подают на два входа схемы умножения 10. Выходной сигнал схемы умножения через усилитель 11 подается на электроды энергоанализатора 4. Усилитель 11 задает необходимую начальную величину напряжения на электродах энергоанализатора 4. Предел обнаружения ЭМАЛа с блоком управления, работающим в соответствии с формулой (1), должен увеличиться не менее, чем на 2 порядка без применения системы накопления и на 5-6 порядков с блоком регистрации, включающим систему накопления. Технико экономическая эффективность предлагаемого изобретения определяется более высоким пределом обнаружения. Это дает возможность применения устройства для контроля частоты сверхчистых материалов или для входного контроля материалов, применяемых в производстве изделий электронной техники.

МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ АНАЛИЗА ТВЕРДЫХ ТЕЛ, заключающийся в ионизации исследуемого образца импульсами лазерного излучения, разделении полученных ионов по отношениям М/2 п пространстве дрейфа с последующим воздействием на пакеты ионов электрическим полем энергоанализатора и детектировании определяемых ионов, отличающийся тем, что, с целью р 1сширения функциональных возможностей за счет повышения предела обнаружения, электрическое поле энергоанализатора изменяют по закону Ч-«