Способ анализа ионов в квадрупольном масс-спектрометре Советский патент 1987 года по МПК H01J49/34 

11

Изобретение относится к физике, а именно к масс-спектрометрии, и может найти применение при исследовании пучков ионов, плазмы, в ионно- плазменной технологии.

Целью изобретения является расширение диапазона энергий, анализируемых в квадрупольньгх ВЧ-полях ионов, и расширение функциональных возможностей способа за счет анализа распределения ионов отдельных массовых чисел по энергиям.

На фиг. 1 приведена схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 - графики зависимостей амплитуд пиков ионов газа CF I-dl I от энергии тормозящего поля; на фиг. 3 - графики зависимостей тока ионов газа CF от энергии тормозящего поля; на фиг. 4 - графики функций распределения ионов этого газа.

Устройство содержит анод 1 и катод (ускоряющий) электрод 2 источник ионов, дополнительную входную ограничительную диафрагму 3, входн то ограничительную диафрагму 4, полеобра- зующие электроды 5 фильтра масс, выходную ограничительную диафрагму 6, детектор 7 ионов в виде цилиндра Фа- радея, корпус 8. Ток ионов, поступающих на детектор, усиливают с помощью электрометрического усилителя (ЭМУ) 9, а регистрируют на диаграммной ленте потенциометра 10. Потенциал на выходную ограничительную диафрагму 6 подают от источника 11 питания. На стержни 5 фильтра масс от генератора 12 подается напряжение развертки, а от источника 13 - до- полнитель 1ое тормозящее напряжение. Входную ограничительную диафрагму 4 поддерживают под потенциалом с помощью источника 14 питания, а дополнительную ограничительную диафрагму 3 - с помощью источника 15. Ускоряющее напряжение анода 1 ионного источника формируется в источнике 16 питания. Входная ограничительная диафрагма 4 находится под потенциалом Ug., который формируется с помощью источника 14 питания. Величина потенциала U может варьироваться в интервале -c i:Uo- ioo, в частном случае диафрагма может быть заземлена U,., - 0.

V 1

Величина U г может отличаться от

о л

потенциалов стержней фильтра масс и потенциала оси. Потенциал U о- подТ1 1

держивается постоянным в течение аремени Т

и и

160602

Стержни 5 квадрупольного фильтра масс находятся попарно под напряжением развертки, формируемым с помощью генератора 12, вида: t(U + , Vcosai T) и одновременно под ступенчатым тормозящим напряжением U

ТОрм

Минимальное время развертки одного пика группы ионов одного массового числа мим время полного цикла

развертки, включающее участок до на7 чала развертки, пока потенциал на всех четьфех стержнях равен нулю, весь интервал напряжений от исходно- го до максимального и спад напряжения от максимального, соответствующего максимальному массовому числу, до исходного напряжения, соответствующего минимальному массовому числу

С„ .Особенность генератора в том, что некоторое время «н .ц ДО начала развертки на стержнях поддерживается потенциал, равный нулю.

Дополнительное тормозящее напряжение формируется в источнике 13 и подается на выходной каскад генератора 12 развертки, с которого одновременно с напряжением развертки поступает и на стержни. Изоляция каскада вьщерживает подачу дополнительного тормозящего напряжения. I

Интервал приращений величины UJQ- определяется характеристиками масс- спектрометра и функциями распределения потока ионов. Для большинства малогабаритных квадрупольных масс- спектрометров (КМ) удобен интервал приращений

тсрм 100 эВ.

Величину потенциала выходной ограничительной диафрагмы 6 U поддержи- вают с помощью источника if питания постоянным в течение

. .ц ,

50 Я

минимальное время развертки одного пика группы ионов с одним массовым чисг/и

2

const - время, в течение которого величину и поддерживают постоянной, с,

Up. - потенциал выходной огра- ничительной диафрагмы 6,

(в) его величина - со tU 00 ;

g - коэффициент, О g ,u. время полного цикла развертки, с. Если црименяют дополнительную ограничительную диафрагму 3 при исследовании расходящихся пучков, то величину ее потенциала -оо и, : поддерживают с помощью источника 15 питания постоянным в течение

- - .ц ,

где T/gj const - время, в течение которого потенциал дополнительной ограничительной ди афрамы 3 поддерживается постоянным, с,

gj - коэффициент, О ч gj со. Положение дополнительной диафрагмы 3 может изменяться от входной ограничительной диафрагмы 4 до выходной апертуры ионного источника 2:

О . Igj - g, . IKгде Igj-g - расстояние между дополнительной и входной ограничительными диафрагмами, м.

- расстояние между входной ограничительной диафрагмой и выходной апертурой ионного источника м.

Диаметр отверстия в дополнительной ограничительной диафрагме 3 может изменяться в интервале значений

О d ,

где dp, - диаметр отверстия дополни- тельной ограничительной

диафрагмы, м,

п внутренний диаметр корпуса, км,

Между выходной ограничительной диафрагмой 6 и детектором 7 для подав- ления вторичной электронной эмиссии может быть установлен антидинатронны электрод, например, сетка, на которую подают отрицательный потенциал -CD Uig. О, причем величину по- тенциала поддерживают постоянной в течение времени

44

const 6 .u,

с О

5

0

5

0

5

5

где /и, const - время в течение которого величину потенциала анти- динатронного электрода . поддерживают постоянной, g - коэффициент, О g4 Детектор 7 ионов выполнен в виде цилиндра Фарадея, возможно использование ВЭУ. Величина тока ионов на детекторе усиливается с помощью ЭМУ 9. Выходное напряжение ЭМУ 9, пропорциональное величине тока ионов, регистрируется на диаграммной ленте потенциометра или на экране осциллографа. Исходное положение нулевой линии на диаграмме до подачи исследуемого потока ионов устанавливают с помощью ручек регулировки ЭМУ 9.

Способ осуществляется следующим образом.

Устанавливают исследуемый источник ионов непосредственно перед по- леобразующими электродами анализатора;

создают вакуум в корпусе устройства или технологической камере, куда оно помещено;

включают регистрирующий прибор, например потенциометр, и устанавливают с помощью ручек регулировки ЭМУ положение реперной нулевой линии на ди граммной ленте потенциометра;

подают исследуемый газ в разрядный промежуток ионного источника;

подают на анод 1 ионного источника от источника 16 питания ускоряющее напряжение Ujytn ;

подбирают диаметр отверстия d о-, дополнительной ограничительной диафрагмы 3 и расстояние между ней и входной ограничительной диафрагмой 4 l(j - g таким, чтобы пучок ионов не попадал на полеобразующие электроды 5 фильтра масс путем измерения тока между полеобразующими электродами и корпусомi

поддерживают ограничительные диафрагмы 3, 4 и 6 под потенциалом земли;

регистрируют величину общего тока IQ, поступающего на детектор, подают на полеобразующие электроды 5 фильтра масс от генераторй 12 напряжение развертки вида tlU Vcos to т / (величиной от исходного до максимального) ;

где и - величина постоянной составляющей напряжения, В-, V - амплитуда ВЧ-напряжения, В;

u - частота ВЧ-напряжения,рад/с t - время, с;

регистрируют зависимость ионного тока от времени;

определяют по графику зависимости ионного тока от времени время развертки одного цикла группы ионов с одним MaccoBLiM числом Тд,ин время полного цикла развертки Тп.и, , диапазон массовых чисел устройства и исследуемого потока ионов, кроме того, определяют наличие фона. Если фон есть, значит есть ионы с энергиями

более энергии отклоняющего поля фильт- приобретаемая ионами все-таки не

ра масс

МЯКС. II

С Е„

2

ZeU.cK

де Е

«сч.с

максимальная кинетическая энергия ионов,разделяемых в фильтре масс по массовым числам-, эВ о/ - параметр, рассчитываемый с учетом характеристик масс-спектрометра и анализируемых ионов,

-величина потенциала. В;

-энергия ионов, 3Bj

-масса иона, кгj

-составляющая скорости иона, направленная вдоль оси фильтра масс, м/с-,

-кратность заряда иона; величина ускоряющей разности потенциалов, через которую проходят ионы,В.

ус К

На пыходной каскад генератора 12 развертки, с которого напряжение подается на полеобразующие электроды 5 фильтра масс, от источника 13 питания ступенчато подают дополнительное тормозящее напряжение причем время, в течение которого тормозящее напряжение поддерживают постоянным

const К

П.и,

Обычно в лабораториях для статической обработки данных использ тот два-три полных цикла развертки К 2-3, а при управлении технологическим процессом от ЭВМ, когда используют информацию об амплитуде отдельных пиков

TO

const ,,„; К 0

интервал изменений величины U

тор

О f UTOP-И Ви

где О R 00.

Если изоляция генератора выдерживает весь интервал изменений величины , то обычно максимальная величина не превьшает Это обусловлено тем, что обычно знергия ионов не превышает Ец ZeUycuВ общем случае, когда в источнике возможны флуктуации энергии, энергия.

15 бесконечна, может в этом случае превышать интервал приращений тормозящего потенциала /iU-ropM

О ди

20

ТОрМ f ТОрЛЛ I

где О у со .

Часто удобно для малогабаритных серийных КМ применять dU, 100 эВ, обычно интервал приращений Urop/ не

превышает , при каждом значении , пока его величину поддерживают постоянной, регистрируют график зависимости величины тока ионов от вpeмeниj

измеряют во всем диапазоне значений и,-орщ, величину тока (амплитуду пика) I всего потока ионов, неразделенных по массовым числам, причем отсчет величины тока (амплитуды пика)

ведут от нулевой линии,

рассчитывают зависимость величины этого тока от энергии тормозящего поля I ч (Е) и строят ее график;

дифференцируют зависимость величины тока ионов, неразделенных по мас- числам, от энергии

«

-7рП -- --i- -tieu-ropiv г- .,-,

Д ь.

ZeUTopM;

и строят ее график,

рассчитывают функцию распределения всего потока ионов по энергиям

f(E) dl

4dE,,

ZeU

торм

ai

E,

ZeU-ropi,

где f(E) - функция распределения потока ионов, неразделенных по массовым числам, по энергиям.

Л II

Z

fl - HTMOHetuie Hofinoi o токп, ,E|| - изменения энергии,

кратность заряда, е - заряд электрона, Vopvi величина тормозящего потеницала, TO - величина тока ионов при

и 0

- торм И строят ее график,

измеряют величину тока (амплитуды пиков) ионов отдельных массовых чисел на графике зависимости тока ионов детектора от времени развертки, причем отсчет ведут от реперной линии, разграничивающей пик и фон, которая соединяет основание переднего и заднего фронтов пика;

рассчитывают величины токов ионов

Ijwj

(IO)M;

Е„ Zcl4

РГМ j

W

15

где f.(E) - функция распределения

по энергиям ионоп с мас совым числом М.- амплитуда пика группы ионов с массовьм числом

M.

1 2

изменение энергии тормо зящего поля, величина тока группы ионов с массовым числом

Лгп

41,

4Е.

(IO)M строят их графики.

при О

am

Выполнение предлагаемого способа 20 иллюстрируется следутопщм примером.

Исследовался состав потока ионов из разряда газа CF. На анод ионного источника подавали от блока питания БП-9А напряжение U у- 3,0 кВ, ток

от энергии тормозящего поля или путем 5 разряда составлял суммирования величин токов (амплитуд

отдельных массовых чисел M.t ---,

2

при О путем интегрирования зависимостей величины тока (амплитуд пиков) ионов отдельных массовых чисел

IP 150 мА. Плотность тока ионов в области входной диафрагмы 1А j 1 мА/см . Измерения состава ионов по массовым числам проводились в области, где трансмиссия

пиков) ионов отдельных массовых чисел в измеряемом диапазоне энергий (Тормозящего поля

00

гл т

(IO)M (- )M. dE,, Е„ ZeU.

со

СТОРМ„О«. т

, ( )

оЛЕ„ V.

тор«

ЗЕ„

ZeU.

TOPW

де

41,

величина тока группы ионов с массовым числом при 0: величина тока (амплитуда пика) группы ионов с массовым числом M.t m .

ЛЕ;

тор«„

-изменение энергии тормозящего поля;

-максимальная величина энергии тормозящего поля,

рассчитывают зависимости токов ионов отдельных массовых чисел от энергии тормозящего поля

ч(Е);

рассчит 1влют функции распределения по энергиям ионов отдельных массовых uHfeji

f«.(F-) О„)„ dE „

Ьц - ZeUjjjp,;

Ijwj

(IO)M;

Е„ Zcl4

РГМ j

где f.(E) - функция распределения

по энергиям ионоп с массовым числом М.- амплитуда пика группы ионов с массовьм числом

M.

1 2

изменение энергии тормозящего поля, величина тока группы ионов с массовым числом

Лгп

41,

4Е.

(IO)M строят их графики.

при О

Исследовался состав потока ионов из разряда газа CF. На анод ионного источника подавали от блока питания БП-9А напряжение U у- 3,0 кВ, ток

разряда составлял

я,

IP 150 мА. Плотность тока ионов в области входной диафрагмы 1А j 1 мА/см . Измерения состава ионов по массовым числам проводились в области, где трансмиссия

30 близка к 100%.

Сначала дважды измеряли спектр масс на участке от 5 до 80 а.е.м. без подачи тормозящего напряжения - ТОРИ затем на стержни фильт35 ра масс от универсального источника питания УИП-1 на генератор 12 через каждые +100 В подавали тормозящее напряжение до напряжения +800 В и каждый раз фиксировали по два спект40 ра участка 5-80 а.е.м. Длительность записи одного участка спектра 4 мин. Спектры зафиксированы при положении переключателя Множитель щкал, электрометрического усилителя ваку45 умметра ВИ-12 10. Диапазон измеряемых токов на этой щкале 0,2-10 20-10 °А. Середина ленты соответствует середине шкалы lO-IO A, полное отклонение на всю щирину ленты соответствует величине тока ионов 20 « ). Величины токов ионов (амплитуды пиков отсчитывались от искривленной интерполированной реперной линии, разграничивающей пики ионов и

55 фон.

Зависимость величины тока (амплитуды пика) ионов с данным массовым числом от энергии тормозящего поля - это график зависимости перпоп про50

нзводной величины общего ионного то- для ионов с массе (l.M

лт

вым числом Mji--от энергии тормозящего поля. Для расчета значений функции распределения ионов каждого массового числа необходимо знать полное число этих ионов при 0. Его определяют по сумме амплитуд пиков ионов с данным массовым числом.

Далее по сумме амплитуд рассчитывают полный ток ионов с данным массовым числом (l j ArtНа фиг. 2-4 Построены графики, характеризующие зависимости общего тока ионов и производные этих зависимостей от энергии, а также функция распределения ионов по энергиям.

Среднеквадратичная погрешность получаемого значения функции распре- дения f«.(y) включает в себя среднеквадратичные погрешности следующих измерений: изменения величины тока 41., величины полного тока (1о). и интервала изменения энергии тормозящего поля лЕ,, . При измерении величины (d 1)д,. с помощью ЭМУ от вакуумметра ВИ-12, погрешность составляет 15,02%.

Погрешность дЕ,, при подаче тормозящего потенциала от источника УИП-1 +0,5%. Рассчетное значение погрешности do- м- полученное по девяти измерениям величины ионного тока, каждое из которых выполнено с точностью; 35 измеряют ток на детекторе, и регист- +5 02% составляет +15,06%. Рассчетная рируют зависимость тока ионов от времени, отличающийся

среднеквадратичная погрешность значения f м, (Е) с учетом всех этих величин равна +16,65% +16,7%..

Преимущество способа состоит в том, что появляется возможность анализировать ионы по массовым числам в широком диапазоне энергий, становится возможным проанализировать распределение ионов отдельных массовых чисел по энергиям с высокой чувствительностью .

Одно из существенных достоинств способа - возможность оценить соотношение между количествами поступающих ионов каждого массового числа (Х)., что необходимо для составления материальных балансов.

Предлагаемый способ обеспечивает значительно большую точность анализа состава, так как исгГользование в известном способе большого количества устройств с малыми отверстиями

40

, 1 J, пчающийся тем, что, с целью расширения диапазона энергий анализируемых ионов и функциональных возможностей способа за счет анализа распределения ионов отдельных массовых чисел по энергиям после подачи на полеобразующие электроды напряжения развертки, по зависимости ионного тока от времени определяют время развертки одного пика ионов с одним массовым числом подают на полеобразующие электроды дополнительное тормозящее напряжение

ступенчато, причем длительность ступени, в течение которой тормозящее напряжение , поддерживается постоянным, не менее при каждом значении ,p , регистрируют за- висимость величины тока ионов от

времени в течение каждой ступени, измеряют во всем диапазоне значений

45

50 rofi

мшl

и

тори

величину полного ионного тока, которую используют в качестве

в диафрагмах искажало результаты анализа состава потока ионов с широким диапазоном массовых чисел.

Способ упрощает аппаратурное оформнение, уменьшает стоимость установки и сокращает время подготовки ее к работе. Способ обеспег ивает возможность обработки результатов на ЭВМ, что раскрывает широкие перспектины для использования изобретения в системах оптимизации конструкций ионных источников и АСУ ТП.

Способ и устройство дают возможность анализировать не только положительные, но и отрицательные ионы,

В предлагаемом способе и реализующем устройстве вакуум необходимо создавать только в анализаторе и детекторе, а источник ионов может работать не только в вакууме, но и при нормальном атмосферном и даже повышенном давлении.

Формула изобретения

Способ анализа ионов в квадруполь- ном масс-спектрометре, заключающийся в том, что направляют поток ионов Е комбинированное электрическое поле, создаваемое путем подачи на полеоб- раэуюш е электроды высокочастотного и взаимосвязанного с ним постоянного напряжения развертки, а также дополнительного тормозящего напряжения,

змеряют ток на детекторе, и регист- рируют зависимость тока ионов от времени, отличающийся

, 1 J, пчающийся тем, что, с целью расширения диапазона энергий анализируемых ионов и функциональных возможностей способа за счет анализа распределения ионов отельных массовых чисел по энергиям после подачи на полеобразующие электоды напряжения развертки, по зависимости ионного тока от времени определяют время развертки одного пика ионов с одним массовым числом подают на полеобразующие электроды дополнительное тормозящее напряжение

ступенчато, причем длительность ступени, в течение которой тормозящее напряжение , поддерживается постоянным, не менее при каждом значении ,p , регистрируют за- висимость величины тока ионов от

времени в течение каждой ступени, измеряют во всем диапазоне значений

rofi

мшl

и

тори

величину полного ионного тока, которую используют в качестве

и1316060

реперной линии, рассчитывают зависи- где мости токов ионов 1 (А) отдельных массовых чисел от энергии тормозящего поля

IM, - (Е)

и рассчитывают функции распределения по энергиям ионов отдельных массовых чисел10

diMi

CT Ч jp

O lW; 11

ZeU

ТОрм л 1м(

(1о)м;4Е„

Z(jU

торм )

6060

где

f (Е)

-31,

4Е,

(1.)

О м

е

Z

12

-функция распределения по энергиям ионов с массо.. . jm вым числом rij t --- j

-изменение величины тока ионов с массовым числом

.. J. от

Mj t 9 измеренное от

реперной линии, разделяющей пик иона фон А;

-изменение энергии тормозящего поля, эВ,

-величина тока ионов с

массовым числом M;t --при О, (А);

-заряд электрона, (кл);

-кратность заряда иона.

П f ,л .г.лг.

2ffff 300 Ш 500 600 100 600

Фиг.1

(/гор,зЬ

6500

Xtf т wo т т soo т loo ш E-feUnp ул

.

И- ,а.е..

10-lf

о 100 гоо JOO 400 soo бОО ЮО дОО ,эд

м « ш , tf. е лг.

т-

ВНИНПИ Заказ 2370/55Тираж 698Подписное

Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Изобретение относится к области физики, а именно к масс-спектромет- рии, и может найти применение при исследовании пучков Ионов, плазмы, в ионно-плазменной технологии. Целью изобретения является расширение диапазона энергий, анализируемых в квад- рупольных ВЧ-полях ионов, и расширение функциональных возможностей способа за счет анализа распределения ионов отдельных массовых чисел по энергиям. Способ заключается в следующем. Направляют поток ионов в комбинированное электрическое поле, которое создают путем подачи на поле- образую11Ц1е электроды напряжения развертки. По занисимости ионного тока от времени определяют время развертки одного пика ионов с одним массовым числом t мин. Подают на поле- образующие электроды дополнительное тормозящее напряжение Qrof ступенчато. При каждом значение регистрируют зависимость величины тока ионов от времени в течение каждой ступени. Измеряют во всем диапазоне значении величину полного ионного тока, которую используют . в качестве реперной линии. Рассчитывают зависимость токов ионов 1 (А) отдельных массовых чисел от энергии тормозящего поля. Рассчитывают функции распределения по энергиям ионов отдельных массовых чисел. Устройство содержит анод 1 и катод 2, дополнительную ограничительную диафрагму (ОД) 3, ОД 4, полеобразующие электроды Ь фильтра масс, выходную ОД 6, детектор 7 ионов в виде цилиндра Фара- дея, корпус 8, электрометрический усилитель 9, потенциометр 10, источник 11 питания, генератор 12, источники 13, 15, источник. 16 питания. Существенное достоинство способа - возможность оценить соотношение между количествами поступающих ионов . каждого массового числа (1(})м; необходимо для составления материальных балансов. 4 ил. i (Л 00 а о 05 АгсГ