Способ масс-анализа ионов Советский патент 1992 года по МПК H01J49/40 

Изобретение относится к масс-спект- рометрии и может быть использовано для исследования элементного состава непрерывных ионных пучков, формируемых различными источниками.

Известен способ исследования масс- спектров непрерывных ионных пучков, в котором на ионный пучок воздействуют импульсом электрического поля, направляющим ионы пучка во времяпролетное пространство. Ионы различных масс, вышедшие из пучка под воздействием импульса электрического поля в виде короткого пакета и обладающие одинаковой энергией или импульсом, имеют различные времена пролета фиксированного пути (в поле или без поля) и регистрируются на детекторе последовательно во времени,

Однако чувствительность известного способа ограничена неполным собиранием на детекторе ионов из-за угловой расходимости ионов на входе во времяпролетное

пространство, обусловленной наличием разброса по энергиям ионов исследуемого ионного пучка.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ иссле- дования масс-спектра непрерывного ионного пучка, в котором реализуется вре- мяпролетный способ разделения ионов пучка с дополнительной фокусировкой ионов для устранения углового разброса.

Известный способ масс-спектрометри- ческого исследования ионных пучков заключается в следующем.

На ионный пучок воздействуют импульсом электрического поля. Этот импульс отклоняет часть пучка от первоначальной траектории, направляя его во времяпролетное пространство. Поскольку анализируемый пучок ионов является непрерывным, то под воздействием импульса электрического поля отклонится от первоначальной траектории только та часть пучка, которая за вресл

с

VI сл оо

ч

о сл

...), то при

мя действия импульса электрического поля попала в область взаимодействия пучка с электрическим полем.

Далее эту часть пучка фиксируют и регистрируют разделенные пакеты ионов в различные времена.

Недостаток известного способа заключается в сложности масс-анализа из-за введения с целью повышения коэффициента сбора ионов и, следовательно, чувствительности дополнительной операции - фокусировки. Действительно, поскольку в непрерывном ионном пучке ионы различных масс имеют одинаковую энергию Ј, но различные скорости Vi (из-за выполнения

MiVi2 M2V2 2 условия Б --- ---

отклонении этих ионов от первоначальной траектории импульсом электрического поля с напряженностью Е они приобретут в направлении этого поля также различную скорость

/ i с MiV2 М2У2 2, V) (еЕ --у-

При векторном сложении скоростей Vi, Vi и Va, Va с различными величинами /Vi/, /Vi/, /V2/, /V2/ образуется угловой разброс из-за несовпадения направлений результирующих векторов Vi и /2 (Vi Vi + V2 V2 + V2). Этот угловой разброс приходится компенсировать фокусировкой ионов с различными массами в направлении их регистрации.

Цель изобретения - упрощение масс- анализа ионного пучка.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу масс-анализа ионов, заключающемуся в разделении ионов по времени пролета посредством импульсного отклонения ионного пучка от первоначальной траектории и регистрации информативного сигнала, регистрирую информативный сигнал не отклоненных от первоначальной траектории ионов, соответствующий уменьшению или отсутствию полного ионного тока, при этом по времени между отклонением ионного пучка и регистрацией информативного сигнала судят о наличии элемента с массой М, а по отношению амплитуды информативного ионного сигнала к величине регистрируемого полного ионного тока судят о концентрации элемента с массой М, причем длительность отклонения ионного пучка t выбирают удовлетворяющей соотношению

где т - время пролета наиболее тяжелой компоненты ионного пучка.

На фиг. 1 схематически представлено устройство, реализующее предлагаемый

способ исследования масс-спектра непрерывного ионного пучка; на фиг. 2 - временная диаграмма ионного тока на мишени,

Устройство состоит из ионного источника 1, системы 2 импульсного отклонения

ионного пучка 3 от первоначальной траектории (роль системы 2 в ионных пушках могут выполнять отклоняющие электроды, на которые подается импульс напряжения), мишени 4 устройства (роль мишени 4 в

аналитических и технологических установках может выполнять распыляемый источником 1 образец), в которое встроен ионный источник 1, системы 5 регистрации ионного тока, которая может быть

обычной системой регистрации времяпро- летных спектрометров, источника б напряжения.

Устройство работает следующим образом.

Ионный пучок 3, формируемый источником 1, попадает на мишень 4 и при этом системой 5 регистрируется постоянный ток. Для исключения влияния вторично-электронной эмиссии на измерение полного ионного тока на мишень 4 подается потенциал, вырабатываемый источником 6 напряжения. Величину и полярность этого потенциала выбирают из соображений запирания выхода из образца под действием ионной

бомбардировки вторичных электронов. Затем с помощью системы 2 ионный пучок 3 импульсно отклоняется от первоначальной траектории и не попадает на мишень. Причем длительность отклонения пучка t

выбирается много меньшей времени прилета г ионов, соответствующих элементу ионного компонента пучка с самой тяжелой массой (t «т). Выполнение соотношения t « г позволяет осуществить

временную селекцию ионов различных масс в промежутке система 2 отклонения ионного пучка - мишень 4.

Действительно, пакет ионов с массой Mi будет зарегистрирован на мишени 4 системой 5 спустя время ti после момента импульсного отклонения ионного пучка от первоначальной траектории системой 2

где расстояние от системы 2 импульсного отклонения ионного пучка 3 до мишени 4;

Mi - масса соответствующего иона;

е - заряд электрона;

U - ускоряющее напряжение ионного источника 1.

Сигнал, регистрируемый на мишени 4 системой 5, суммируется из токов ионов различных масс, присутствующих в исследуемом пучке. Информация об ионах массы MI дойдет до мишени 4 за время ti после отклонения ионного пучка от первоначальной траектории и будет в виде отрицательного выброса - провала на осциллограмме выходного сигнала, соответствующего информативному ионному сигналу. Отношение величины провала IM-I к величине полного ионного тока Полн дает процентное содержание ионов массы Mi в исследуемом пучке. Причем сумма всех амплитуд провалов IMI, 1м2 и т. д. равна полному ионному току на мишени полм. Случай, когда ионный ток на мишени равен нулю, говорит о наличии в ионном пучке только элемента с массой Mi и концентрацией 100%, время прилета которого на мишень после отклонения пучка от первоначальной траектории соответствует значению времени на временной диаграмме ионного тока на мишени. В этом случае других провалов на диаграмме нет, т. е. имеем одноэлементный пучок.

В заявляемом способе отсутствует дополнительная операция - фокусировка ионного пучка, так как регистрируется неотклоненный пучок, в котором не возникает углового разброса, как в отклоненной части пучка. Кроме того, в устройстве, реализующем заявляемый способ, отпадает необходимость использования дополнительного коллектора ионов (для отклоненной части пучка), роль которого в устройстве, реализующем заявляемый способ, играет мишень 4. Это упрощает способ анализа.

Простота проводимого предлагаемым способом масс-анализа ионных пучков с той же чувствительностью, что и в прототипе, практически без применения допопнитель- ных устройств (особенно в случае ионных пушек), является главным достоинством предлагаемого способа.

Предлагаемый способ может найти применение в технологических и аналитических установках которых применяются ионные источники, где в большинстве случаев необходимо знать масс-спектр применяемых

пучков и необходимо пронести зкспрег. масс-анализ без временного вькпюченп ионной пушки из рабочего цикла. Формула изобретения Способ масс-анализа ионов, заключающийся в разделении ионов по времени пролета посредством импульсного отклонения ионного пучка от первоначальной траектории и регистрации информативного сигнала, отличающийся тем, что, с целью

упрощения способа, регистрируют информативный сигнал не отклоненных от первоначальной траектории ионов, соответствующий уменьшению ипи отсутствию полного ионного тока, при этом по времени

между отклонением ионного пучка и регист- рацией информативного сигнала судят о наличии элемента с массой М, а по отношению ампличуды информативного ионного сигнала к величине регистрируемого полного ионного тока судят о концентрации элемента с массой М, причем длительность отклонения ионного пучка t выбирают удовлетворяющей соотношению t « г, где т- время пролета наиболее тяжелой компоненты

ионного пучка.

Использование: относится к масс-спек- трометрии для исследования элементного состава непрерывных ионных пучков, формируемых различными источниками. Сущность изобретения заключается в регистрации информативного сигнала неотклоненных от первоначальной траектории ионов, соответствующего уменьшению или отсутствию полного ионного тока, при этом по времени между отклонением ионного пучка и регистрацией информативного сигнала судят о наличии элемента с массой М, а по отношению амплитуды информативного ионного сигнала к величине регистрируемого полного ионного тока судят о концентрации элемента с массой М. 2 ил.

/

z

-S/

/

/

/5

ФигЛ

У

у

Фиг. 2