СПОСОБ АНАЛИЗА МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ВТОРИЧНОЙ ИОННОЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Советский патент 1995 года по МПК H01J49/26 G01N27/62 

Изобретение относится к электовакуумной и газоразрядной электронике, а именно к способам и устройствам анализа веществ методом вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС), и может применяться для исследования и контроля веществ масс-спектрометрическими методами в технике физического эксперимента, в электpонной технике, химии, металлургии, медицине, для обнаружения малых концентраций примесей в веществах.

Цель изобретения - повышение чувствительности анализа материалов методом ВИМС и воспроизводимости результатов анализа.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства; на фиг.2а представлены примеры масс-спектров, полученных в известном способе и устройстве; на фиг.2б - в предлагаемых способе в устройстве для алюминиевого образца.

Способ осуществляется следующим образом.

На анализируемую мишень воздействуют первичным ионным потоком. Вторичные ионы регистрируют масс-спектрометром. Внутри вакуумной аналитической камеры на зону анализа направляют регулируемый по величине молекулярный поток Q_як из ячейки Кнудсена химически активного газа, Часть этого потока адсорбируется на поверхности мишени и образует монослой, который существует в условиях динамического равновесия при его непрерывном распылении пучком ионов. Поток газа Q_1нг, неадсорбированный поверхностью образца, и поток газа Q_2нг, выделившийся в результате ионной бомбардировки с поверхности мишени 1, поглощаются нераспыляемым газопоглотителем 2. Регулируя величину потока Q_як и скорость откачки потоков Q_1нг и Q_2нг, поддерживают постоянное парциональное давление Р_iхимически активного газа над поверхностью образца, при этом
P_i= где S_AП - скорость распыления газовых молекул на анализируемой поверхности.

Давление Р_i обеспечивает существование монослоя адсорбированного газа на анализируемом участке мишени, в результате чего увеличивается выход вторичных ионов из его материала. Разогретый нераспылямый газоплглотитель поглощает все химические активные газы, поэтому внутри его цилиндрической полости, где расположена мишень, общее давление снижается на два порядка по сравнению с давлением в объеме аналитической камеры, что обусловливает высокую воспроизводимость результатов анализов.

Внутри вакуумной аналитической камеры 1 (см.фиг.2) расположен образец 2 для анализа. На камере закреплен источник ионов 3 и масс-спектрометр 4. Вакуум в камере поддерживается насосом 5. Внутри нее над поверхностью мишени помещен генератор молекулярного потока химически активного газа в виде цилиндрической разборной ячейки 6 Кнудсена с заранее загружаемым в ячейку химическим соединением, диссоциирующим при нагреве ячейки. Вокруг ячейки установлен нагреватель 7, а на ее корпусе закреплена термопара 8. Вокруг мишени установлен пористый нераспыляемый цилиндрический газопоглотитель 9 с кольцевыми рядами отверстий. На газопоглотителе имеется нагреватель 10, а в верхней зоне газопоглотителя закреплена термопара 11. Внутри газопоглотителя на изоляторах установлен термоэмиттер 12 электронов. Для разогрева термоэмиттера и образования электронного тока в цепи термоэмиттер-нераспыляемый газопоглотитель в устройстве используется блок питания 13. Термопары 11 и 8 подключены к входу дифференциального усилителя 14, к нему же подключен и выход масс-спектрометра 4. Выход дифференциального усилителя подключен к усилителю мощности 15.

Устройство работает следующим образом.

Внутрь объема ячейки 6 Кнудсена помещают навеску химического соединения, диссоциирующего при нагреве с выделением химически активного газа, например, для получения кислорода помещают KMnO₄. Ячейку 6 устанавливают выходным каналом, формирующим молекулярный поток, над образцом 2 внутри аналитической камеры 1. Камеру 1 откачивают насосом 5 до вакуума 10^-5-10^-4 Па. Включают ионный источник 3 и бомбардируют мишень 2 ионами инертного газа, например аргона, с энергиями от 5 до 15 кэВ. Масс-спектрометром 4 регистрируют интенсивности вторичных ионных токов из мишени. Включают нагреватель 10 и разогревают нераспыляемый газопоглотитель 9, при этом по высоте газопоглотителя устанавливаются различные температурные зоны, разделенные кольцевыми рядами сквозных отверстий. Эти зоны необходимы для достижения больших скоростей сорбции различных газов соответствующими зонами. В зоне крепления газопоглотителя к держателю устанавливается температура 50-200^оС и эффективно сорбируется водород. В средней зоне, где температура 300-400^оС, с большой скоростью поглощается СО, СО₂, N₂ и СН. В верхней зоне, там где расположен нагреватель, температура 600-800^оС, в результате эффективно поглощаются О₂ и СО. Это снижает общее давление у поверхности мишени на два порядка о отношению к общему остаточному давлению в аналитической камере 1, что позволяет достигнуть воспроизводимости результатов анализа материалов.

Включают нагреватель 7, затем ячейку Кнудсена 6 и формируют молекулярный поток химически активного газа на поверхность образца 2. В частности, разогрев до 500-600^оС ячейки 6 Кнудсена вызывает выделение кислорода из KMnO₄ и повышение давления кислорода внутри разборной цилиндрической ячейки 6 Кнудсена до 0,1- 1МПа. Истечение газа через цилиндрическое сопло ячейки, имеющее соотношение диаметра и длины как 1:5 и величину диаметра не более 0,5 мм, происходит в виде направленного молекулярного потока. Поток направлен на поверхность образца 2 в зону анализа.

Ячейку 6 Кнудсена разогревают до тех пор, пока не прекратится увеличение выходного сигнала масс-спектрометра 4, настроенного на измерение вторичного ионного тока определенного изотопа мишени. В этот момент в области анализа устанавливается динамическое равновесие между скоростями сорбции молекул активного газа из молекулярного потока с образованием монослоя и их распылением ионами первичного пучка. Нераспыляемый газопоглотитель поглощает газы, не адсорбированные и распыленные с поверхности образца 2, обеспечивая сохранение высокого вакуума вокруг нее. Ячейка 6 Кнудсена должна формировать в зависимости от ее температуры поток химически активного газа величиной от 10^-8 до 10^-5 л Па/с.

Для аттестации условий анализа и измерения величины парциального давления при максимальном сигнале анализируемого изотопа периодически включают ионизационный датчик, состоящий из термоэмиттера 12 и нераспыляемого газопоглотителя 9, который включен анодом. Разогрев вольфрамового термокатода-термоэмиттера 12 приводит к эмиccии электронов, уcкоряющихcя к аноду газопоглотителя 9 и ионизируемых молекулы остаточных газов. При выключенном ионном источнике 3 ионы остаточных газов и ионы химически активного газа из ячейки 6 Кнудсена направляют в масс-спектрометр 4 для измерения величин их токов.

Автоматическое поддержание оптимальных условий анализа, которые необходимы для увеличения чувствительности, осуществляют с помощью системы обратной связи. Сигнал с выхода масс-спектрометра 4 подают на пятый вход, а сигналы с термопары 11 - на третий и четвертый, с термопары 8 - на первый и второй входы соответственно дифференциального усилителя 14. При достижении максимальной величины выходного тока масс-спектрометра 4 сигнал из дифференциального усилителя подается на вход усилителя мощности 15 и управляет его работой таким образом, что дальнейшего разогрева ячейки 6 Кнудсена не происходит. Уменьшение выходного тока масс-спектрометра вызывает повышение температуры ячейки Кнудсена и увеличение молекулярного потока. В результате сигнал масс-спектрометра возвращается к максимальной величине.

Перед началом анализа при отключенном ионном источнике 3 и выключенном нагревателе 7 ячейки 6 Кнудсена устанавливают наименьшие величины парциальных давлений остаточных газов в области образца 2, включив нагреватель 10 нераспыляемого газопоглотителя 9. Оптимальную температуру нагрева газопоглотителя контролируют микротермопарой 11 в верхней его зоне. Сигнал от микротермопары усиливается дифференциальным усиливателем 14 и управляет работой усилителя мощности 15, обеспечивающего затем постоянство нагрева нераспыляемого газопоглотителя в течение выполнения анализов в режиме ВИМС.

Предлагаемые способ и устройство для его осуществления позволяют повысить чувствительность и воспроизводимость результатов анализа, что подтверждается приведенными на фиг.2 масс-спектрометрами. Как следует из соотношения интенсивностей пиков изотопов на фиг.2а и 2б, в предлагаемых способе и устройстве для его осуществления (при анализе примесей в алюминиевой мишени) чувствительность к натрию, кальцию, магнию и кремнию увеличивается в два-три десятка раз, а их присутствие дополнительно подтверждается появлением групп окислов на спектре фиг.2б.

К технико-экономическим преимуществам предлагаемого изобретения относятся: возможность регистрации очень малых примесей в материалах, сокращение времени на анализ следовых количеств примесей, сокращение затрат на монтаж и эксплуатацию установки ВИМС, так как отпадает необходимость в применении дорогостоящих сверхвысоковакуумных насосов и инерционных механических натекателей газов.

Изобретение относится к электровакуумной и газоразрядной электронике и может быть использовано для исследования и контроля веществ масс-спектрометрическим методом путем обнаружения малых концентраций примесей в веществах. Целью изобретения является повышение чувствительности анализа материалов методом вторичноионной масс-спектрометрии и воспроизводимости результатов анализа. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу на анализируемую мишень направляют первичный ионный поток. Вторичные ионы регистрируются масс-спектрометром. Внутрь вакуумной камеры в зону анализа направляют регулируемый по величине молекулярный поток из ячейки химически активного газа. Затем поглощают газ до общего давления в области образца на порядок ниже, чем во всей камере. Контролируемое парциональное давление поддерживают согласно математическому соотношению, приведенному в формуле изобретения. Устройство для осуществления способа содержит аналитическую камеру 1, образец 2 для анализа, источник ионов 3, масс-спектрометр 4, насос 5, ячейку 6 Кнудсена, нагреватель 7, термопару 8, газопоглотитель 9, нагреватель 10, термопару 11, термоэмиттер 12 электронов, блок 13 питания и дифференциальный усилитель 14. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

СПОСОБ АНАЛИЗА МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ВТОРИЧНОЙ ИОННОЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

1. Способ анализа материалов методом вторичной ионной масс-спектрометрии, по которому в аналитическую камеру помещают образец материала, производят откачку камеры, напускают химически активный газ и контролируют его давление, воздействуют на образец первичными ионами и регистрируют токи вторичных ионов материала, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности анализа и воспроизводимости его результатов, создают молекулярный поток химически активного газа величиной от 10^-8 до 10^-5 л Па/с, направленный на поверхность образца, а с помощью нераспыляемого газопоглотителя поглощают газы до общего давления в области образца на два порядка ниже, чем во всей аналитической камере, при этом контролируемое парциональное давление P_i химически активного газа поддерживают из условий существования адсорбированного монослоя этого газа на поверхности образца в соответствии с соотношением

где Q_як - молекулярный поток из ячейки Кнудсена, л Па/с;
Q_нг - поток газов, поглощаемый нераспыляемым газопоглотителем, Па/с;
S_ап - скорость распыления газовых молекул на поверхности образца, л/с.