Способ лазерного масс-спектрометрического анализа Советский патент 1991 года по МПК H01J49/26 

Изобретение относится к лазерной масс-спектрометрии и может быть использовано для многоэлементного анализа вещества.

Цель изобретения - повышение точности количественного анализа.

Су1дность способа лазерного масс- спектрометрического анализа заключается в следующем.

Луч работающего в частотном режиме лазера фокусируют на анализируемую пробу или стандартный образец состава. Перед проведением анализа предварительно выбирают условия воздействия лазерного излучения на пробу. Сначала определяют оптимальное время разлета V0 матричной компоненты плазменного сгустка, необходимое для эАфективной

ионизации потокон примесных и достаточное для преимущественного протекания процесса ионизации по сравнению с рекомбинацией, посредством изменения диаметра пятна гоокуси- ровки d. Для этого пробу и/или сган- дарт облучают не менее 5-7 раз, после довательно ыокусируя изл --гение в равные по размеру пятна с диаметрами и диапазоне 10 мкм - t мм при сохранении постоянно величины q для каждого из размеров d, ко юр, ю выставляют с помощью оптической системы пачеь- ного источника ионов. При этом постоянное значение q при облучении разных по плоцади пяген S обеспечивают путем изменения мощноеiи во дечсiчУЮЩО- го излечения и гве i с i чин ни- симостью q ( тьг, Решстри руют массовый спектр матрицы дня каждого размера d при одинаковых временах облучения и по ре зультат IM измерении полт.ч чо зависимость пыхо да однозарядные ионоп с единицы об- тученнои площади от d. По положению максимума т гон к1чисим с ги находя г оптимальный начальный размер d 0 пг п оцтшпльчог C0 время оазл(.1Г сгус iKi, чдочте чорм тег vr-ловию

(О,

i)

где j (/ ,Јр./} - времена ионизации и рекомонн шпи данной q.

Для проведении лтли- а с «ксн- ма.пь}юи точностью выоир нот размер d из области 10 мкм - t -donr, i интенсивность излучения ус ганявчив iHir и; интервала тн t leuni q Ёт-сч 2 при которой и утиес ипяе гс я преимущественный одно чаряднпх ионов (более 907) по сравнению с высокоза- HOI №i , в течение ьо-- торого протекают процессы ночи ыцпи атомов iipHMtcubrx элементов и матрицы,

M t м кизни матрич- ьо 11ому ня

максимумов

ПУНКЦИИ -

от д ,Ьля прнмесных и ионив мприцы дают при d 0()Т , При испольчованни стандарт 1ых образцов состава для повышения воспроизводимости резупьт гов многоэлементного анализа облучение стандартных образцов и зятем лн -пн1И- рус. Фгх проб пронодят при onuHaktiHbrx условия - воздеиг излучения d и q,

В оГът стч диаметров 1П к«км «id - d опг дпки И| уюг npontccLf л,1рнои

ионизации испаренных потоков атомов 3jieKTponaMH, поэтому относительный пыход ионов приметных элементов достаточно адекватен элементному составу испаренных атомов с учетом скоростей и сечении ионизации, / ля расче/а значения коэффициента относительной чувствительности (КО1 } искомого элемента х по отношению к справочному i цементу-стандарту, используя

л

U

С2)

е

Lo U

т так-ке обратно пропорциональную вяэь эффективности ионизации атомов

о

р нличных эчемечтов - с соответt. j чуюилмн временами ионизации этих элементов {,

лет

Ои

получаем

00()

е

(3)

5

0

5

5

0

г п,е

i

1

U Л

d

и

п ,

а

конечное и начальное число ионов; скорость движения плаз- енног о сгустка; концентрация атомов;

времена ионизации ато- t

мов элемента-стандарта и искомого эпемента х. Г1оскол ку значения КОЧ можно заранее вычислить, эта область наиболее бла- i оприятна дхгл проведения количественного и безэталонного анализа.

Поскольку в области d 10 мкм

А время разлета ... достаточно мало и

0 л сиавнимо с минимальными с;, условия

для осуществления эффективной ионизации потоков атомов различньгх элементов с заметно различающимися временами ионизации не достигаются, что приводит к плохой воспроизводимости результатов анализа (до 300%).

В области размеров пятен фокусировки d п,. Ј d 3d опт усиливается процесс покорения ионов примесных элементов в двойном электрическом слое. Ускорение приводит, во-первых, к изменению относительного выхода ионов в соответствии с z/M, во-вторых, к формированию зависимости КОЧ от атомной массы элемента-примеси и к заметной перестройке зарядовых отношении эчементов, сформированных в процессе ионизации Яа счет появления дополнительной скорости в процессе ускорения примесных ионов относительно нейтральной компоненты матрицы возрастает эгоюективность перезарядных процессов. Из-за сложной картины протекающих процессор заранее вычислить значения КОЧ нелегко, однако именно в этой области достигается максимальная чувствительность анализа. Поэтому для определения КОЧ элементов-примесей необходимо использовать стандартные образцы состава.

В области d 3dопт доминируют процессы рекомбинации, которые протекают с одинаковой скоростью для всех примесных ионов при данном z. Зтот процесс приводит к постоянному относительному изменению числа ионов различных элементов, что отражается в постоянстве значений КОЧ. Абсолютные значения КОЧ в этой области зависят от эффективности процессов ионизации и ускорения. Эта область характеризуется наилучшей воспроизводимостью результатов анализа при постоянно 1 q независимо размера d. Рассмотрение различных физических условии воздействия излучения на пробу и развивающихся при этом основных процессов в плазме доказывает ныбор (наченни d и q из областей 10 г-;к-.- « d с. d оати 108 Вт, .-- b1()J т Для по- выж ния точности количественного анализа пробы на примеси

Способ реализован на лазернсм масс спектрометре ЭМЛЛ-2. Использовали стандартный образец состава СИ-303 с содержанием примесей на уровне мае.7, в игироком диапазоне масс

0

5

0

5

относительный выход ионов определяемых элементов обратно щюпоршшна-- лен соотношению времен ионизации aio мов соответствующих элементов. При этом времена ионизации атомов опреде лены экспериментально, используя TIM

N гене угла наклона функции -(d) к оп,

абсцисс по Формуле (2). График з.чви симости КОЧ различных примесных элементов (внутренний стандарт - хром) при d 50 мкм и q 1 40 по казан на фиг. 3. Выделяются три личные области поведения такой функции: уменьшения, роста и постоянства значений КОЧ, которые соответствуют доминирующему влиянию процессеi ионизации, ускорения и перезаряд и. рекомбинации в каждой из этих зон. Рассмотрена область 10 мкг- d :dorn При таксированных воздействия из лучения разброс зн ченин |.ОЧ физически обосгонль р. 0росом времен ионизации атомов ра пшчных элементов в соответствии с Формулой

(3). (сние значений КОЧ при

л увеличении ,0 связано с наименьшим

временем пони кщии атомов элемента ста) дарта (хрома). Лля практической оценки значении КОЧ ьоложим при d

; пмкЬ Ч7 mojr максималь ныи потенциал из набора первых потенциалов ионизации атомов, которые можно эффективно проионизиронать при данной электронно;1 температуре Тр

Поэтому для d С d

опт

соответственно

Изобретение относится к лазерной масс-спектрометрии и может быть использовано для многоэлементного анализа вещества. Цель - повышение точности результатов масс-спектромет- рических измерений. При этом рассмат- риваются кинетические процессы новообразования при образовании и разлете лазерно-плазменного сгустка. Изменением диаметра пятна фокусировки , подбирают оптимальное время разлета сгустка, необходимое для эффективной ионизации потоков примесных атомов и достаточное для преимущественного протекания процесса ионизации По сравнению с рекомбинацией. Это позволяет ( найти физические условия воздействия излучения на многокомпонентную матрицу (диапазоны изменения размеров пятна Фокусировки и интенсивности излучения) для проведения анализа, при которых лазерно-штазменный источник масс-спектрометра обеспечивает адекватный исходному составу относительный выход ионов различных элементов. Способ обеспечивает режимы проведения многоэлементного анализа пробы на примеси с наилучшей воспроизводимостью, максимальной чувствительностью и правильностью результатов измерений. 3 ил. 1 табл. (Л Ф № 00 i

от Р до Ра. Зависимость выхода одно- и двухзарядных ионов медной матрицы и одноразрядных ионов примесей, например Р, Cr, Z.n, с единицы облучен- п ной поверхности от d при q 1 1G Вт- гм приведена на фиг. 1 (положение максимума этой зависимости для примесных ионов и ионов медной матрицы приходится на dQ;ir 0,2 мм). Зависимость количества одноразрядных ионов элементов-примесей с единицы облученной площади, нормированного на содержание

атомов в матрице

МГ

S-пц

от экспериментально найденных значений времен ионизации атомов соответствующих элементов, представлена на фиг. 2 (для размеров d из области 10 мкм d«idorrr: 1-50 мкм, 2-100 мкм, 3-200 мкм). Видно, что для всех d

A W

(If

mat

)х

(А)

45

Согласно формуле Ситона

Ј; /С; (,.- -f/Тц),

(5)

гДе Фсг М jyajf первые потенциалы ионизации атомов элемента-стандарта, искомого элемента, максимальный потенциал ионизации. Используя известные закономерности

2СР

majr

е

(6)

Гг J, q

2/3

(7)

для медной матрицы У 21 СГ 5 можно рассчитать значения КОМ, исходя из CBoiicTB, определяемых элементов и условий воздействия излучения.

Экспериментально полученные и рассчитанные по Аормулам (4)- (7) значения КОЧ приведены в таблице 1.

Как видно ич таблицы, тля всех примесных элементов наблюдается хоро шее совпадение между экспериментальными данными и расчетом в пределах 20%, т.е. в пределах разброса -экспериментальных точек и приближении расчета. Это обстоятельство доказы- вает, что проведение анализа в указанных интервалах d и q соотпетс risv- ег максимальной точности.

Формула изобретения

Способ лазерного масс-спектромс- i - рического анализа, состоящий в вочцем ствии сфокусированного лазерного ц-)- лучения на пробу, сепарации ионов различных элементов по отношению их масс к заряду, регистрации ионных токов, расчете концентрации элементов, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности количественного анализа, пробу предвари- тельно облучают не менее 5-7 раз, последовательно фокусируя излучение в разные по размеру пятна с диаметрами в диапазоне 0,01-1 мм при одинаковых

,-1

WГО

W5

10

Фш.1

для всех d значениях интенсивности излучения на пробе q, регистрируют масг-спектр матрииы для каждого размера при одинаковых временах воздействия излучения, по результатам измерений определяют размер donr, соответствующий максимальному выходу одноразрядных ионов матрицы с единичны облученной площади

N

многоэле

ментный анализ пробы на примеси проводят при фокусировке излучения в пятна с размером d в интервале

.0,01 мм 1 d L d .

опт и q 108-109 Вт. см при постоянных d и q в процессе ана- чиза с тяндартньгх образцов состава и пробь

Значения экспериментальных и рассчитанных значений КОЧ ПРИ d 50 мкм, q - Ь Ю9 , Tg 20 -)В (внутренний стандарт - хром)

-- . - «-чЛд«чяд

s a, w:1MM

N

Sna 0-е

W1

W

0,5 /Г Фиг. 2

1°1 TIO.C

4 6 Фиг.Э

8 WMM