Датчик гиперболоидного масс-спектрометра Советский патент 1982 года по МПК H01J49/42 

(54) ДАТЧИК ГИПЕРБОЛОИДНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА

.Изобретение относится к масс-спек- трстлетрии и может быть использовано при создании гиперболоидных масс-спектрометров с повышенной чувствительностью И разрешающей способностью, а так же для создания устройств, предназначен ных для комплексного исследования по верхности твердых тел. Известны устройства датчиком гипер- болоидных масс-спектрометров типа трех мерной ловушки, в торцовых электродах которых для ввода анализируемых заряженных частиц выполнены приосеиые отверстия Cl, либо торцовые электроды выполнены в виде сетки L.2J. Однако данные устройства обладают сравнительно невысокой чуЁствительнсХ тью и разрешающей способностью и не позволяют одновременно производить эне гоанализ частиц. Наиболее близким к предлагаемому яв ляется устройство датчика гиперболоид- ного масс-спектрометра типа трехмерн(й ловушки, в котором выходной торцовый электрод выполнен в виде тонкостенного гиперболоида вращения ссквозными радиальными прорезями 3. Недостатками известного устройства являются большие искажения поля в рабочем объеме датчика, обусловленные, относительно большими размерил щелей в торцовом электроде (этот недостаток ограничивает разрешение и чувствительность прибора); невозможность проведения с Йомошью такого датчика энергетического анализа вводимого в него потока заряженных частиц, что не позволяет проводить комплексный анализ потоков заряженных частиц. Цель изобретения - повышение чувствительности и разрешающей способное ти гиперболоидных масс-спектрометров типа трехмерной ловушки и расширение функциональных возможностей за счет ведения энергетического анализа исследу емого потока заряженных частиц. Указанная цепь достигается тем, что в датчике гиперболоидного масс-спектрометра, содержащего один кольцевой и два торцовых электрода, представляющих собой гиперболоиды вращения и содержащие каналы для ввода и вывода заряженных частиц, каналы для ввода и вывода частиц выполнены в виде соосных кольцевых щелей или их частей, В таком устройстве заряженные частицы выводятся в измерительное устройство через узкую кольцевую щель в выходном торцовом электроде, вводятся анали/ зируемые заряженные частицы через узкую кольцевую щель во входном торцовом электроде. Сортировка вводимых заряженных частиц по удельным зарядам в таком устройстве осуществляется при подаче на кольцевой электрод высокочастотного с по стоянной составляющей напряжения, а эне гоанализ - при наличии только постоянного смещения. Это позволяет вести и масс анализ и энергетический анализ ионных потоков практическиодновременно, исполь зуя циклический режим работы устройства На фиг. 1 показан режим ввода заряженных частиц извне в рабочий объем„ датчика; на фиг. 2 - режим ввода накопленных и отсортированных ионов из рабочего объема датчика масс-спектрометра; на фиг. 3 - режим энергоанализа, который осуществляется датчиком гипербопоидного масс-спектрометра при снятии высокочастотной составляющей сигнала; на фиг. 4 - зависимость времени нахождения заряженных частиц в относительных единицах в рабочем объеме датчика Тдр от начальной координаты Rex соответствующей входному торцовому электроду, и угла ввода частицо(.ррдддд ассчитанные для постоянной входной энергии частиц UyQ 1,5икз,где U)(9 - напряжение на кольцевом электроде в момент ввода; на фиг. 5 приведена расчетная зависимость эффективности захвата заряженных частиц К -Jioxe сортирующим ВЧ полем от начальной координаты Rgy для трех значений входной энергии частиц; кривая А - 1.4икэ; Б -Ui,oH 1-зикэ; в l,2U,,g ; на фиг. 6 - зависимости коэффициента вывода отсортированных заряженных частиц через выходной торцовый электрод для различных координат выходной щели; на фиг. 7 - возможность построения энерго-масс-анализатора на основе датчика гиперболоидного массспектрометра типа трехмерной ловущки. Здесь кривая Г показывает зависимость выходной координаты Ивых от входной координаты влета частиц , Для режима энергоанализа, кривая Д соответствует режиму вывода заряженных частиц при масс-анализе; на фиг. 8 приведены рассчетные кривые, характеризующие эффективность энергоанализа в предпагаемом устройстве. Здесь 51 - светосила, Ro;5 разрещение по энергиям по уровню 0,5. Кривые Е, Ж, 3 рассчитаны для трех значений входных энергий частиц. Удаление точечного источника от ,оси системы одинаково для всех приведенных зависимостей и равно Q. 4(3, где - найменьщее расстояние от оси системы до торцового электрода. На величину и нормированы также и значения всех координат на фиг. 18. . Устройство (фиг. 1-3) состоит из входного торцового эпектрода 1, кольцевого электрода 2, выходного торцового электрода 3, точечного источника 4 частиц, кольцевой щели 5 во входном элек троде, выходной щели 6. На фиг. 1-3 . изображены траектории 7-10 частиц. Данное устройство работает следую- .щим образом. В режиме ввода заряженные частицы из точечного источника 4 через узкую кольцевую щель 5 во входном торцовом электроде 1 попадают в тормозящее нелинейное поле датчика масс-спектрометра и двигаются в поле по траекториям 7 (фиг. 1). Наличие статического нелинейного попя в датчике в момент ввода заряженных частиц приводит к тому, что в щироком диапазоне входных энергий время нахождения заряженных частиц в рабочем объеме датчика Тдв с увеличением начальной координаты R ву Для углов ввода о(, отличных от нуля, увеличивается (фиг. 4), Так как коэффициент захвата анализируемых частиц сортирующим ВЧ полем при непрерывном вводе будет пропорционален числу введенных частиц и врюмени их пролета в рабочем объеме датчика, то с учетом увеличения количества частиц W при увеличении начальной координать и угла вводаotggQ как « &ЬОА то для коэффициента захвата можно получить рассчитанные для постоянной ширины входной щели зависимости, приведенные на фиг. 5. Анализ результатов расчетов (фиг. 5) показывает, что эффективность ввода и захвата заряженных частиц полем резко возрастает с увеличением начального радиуса ввода для одной и 595 той же ширины входной шели и зависит от энергии вводимых частиц (фиг. 5, кривые А, Б, В). Располагая на периферии входного торцового электрода узкую кольцевую щель шириной .l5, гделЯр -дг, и средним радиусом Яьк--07 где Явх вх/й. мы получим, что коэффициент захвата - в 10 раз выше, чем для случая приосевого ввЬда ионного потока через кольцевую щель такой же ширины.. Рассмотрим режим вывода отсортированных ионов из датчика при масс-ана- лизе. Эффективный вывод отсортированных заряженных частиц с определенным, удель ным зарядом из датчика гиперболоидного масс-спектрометра можно осуществить с помощью преобразования накоплен ных ионов во вторичные электроны на внутренней поверхности входного торцо- вого электрода 1 с последующей фокусировкой эмиттированных вторичных электронов в нелинейном статическетл поле и вывода их в регистрирующее устройство через кольцевую щель 6 в вы L ходном торцовом электроде (фиг. 2). При этом, в случае оптимального вывода, по. тенциал выходного торцового электрода равен нулю, а потенциалы на кольцевом электроде и на входном торцовом электроде относятся как кэ/ вхтэ-а бНО; при этом поле является одновременно ус коряющим для ионов и фокусирующим для вторичных электродов. Коэффициент вывода заряженных частиц из области датчика зависит от ширины и положения выходной щели на выход ном торцовом электроде и может достигать нескольких десятков процентов, до 60% (фиг. 6). При этом зависимость вы ходной координаты R gy X (соответствует выходному торцовому эпектроду), от начальной координаты образования вторично го электрона на входном торцовом электроде Иьх имеет вид кривой с максимумом, (фиг. 7 кривая Д) для которой в точке максимума выполняется условие -О, и имеет место фокусировка заряженных частиц первого порядка. Коэффициент вы77вода достигает своего максимального значения именно в этой точке. Если теперь в выходном торцовом электроде прорезать узкую кольцевую щель ДЯвых (фиг. 7) шириной то в данную щель можно будет вывести вторичные электроны, начальные координа- . ты которых имеют значения от .,78 ДО ,O, при этом рассчитанный ко эффициент вывода равен 58%. Плсяцадь выходной шели в этом случае составляет всего 3% от площади выходного торцового электрода, а ее удаление на значительное расстояние от центра системы внрсит существенно меньшее искажение и распределение потенциала в рабочем объеме датчика, чем радиальные щели в известных устройствах. Рассмотрим режим энергоанализа потоков заряженных частиц в предлагаемом устройстве. Уравнения движения заряженных частиц в статическом линейном попе датчика гиперболоидного масс-спектрометра для случгй, когда знак анализируемых частиц совпадает со знаком потенциала кольцевого электрода, имеют вид КЕ,ЫХ . бЫХ -2.CVlV2: PcOS dLsb-/IT ( коэффициент, характеризующий энергию влетающей под углом cL частицы с начальными координатами вх,.,. соответствующими входному торцовому эпектроду. .Для источника заряженных частиц, выне сенного из поля датчика на расстояние di (фиг. 3), траектории движения заряженных частиц таковы, что координаты пересечения частицы с выходным тортовым электроде R ) в зависимости от начальной координаты влета через входной торцовый электрод имеют вид кривой с максимумом (фиг. 7, кривая Г), в котором имеет место фокусировка первого порядка Ml«I.o Изменяя параметры движения заряженных частиц, можно добиться того, что условие фокусировки 1 порядка будет выполняться для тех же значений выходной координаты, что и условие оптимальной фокусировки на поверхность выходного торцового электрода вторичных электронов. т.е. вывод заряженных частиц после их селекции по энергии осуществляется через ту же щепь АК.ц(,,у,что и при массанализе (фиг. 7, кривые Г, Д). При этом опять же подбором соответствующих начальных условий можно добиться, что диапазон значений входных координат Л т соответствующих вводу частиц в датчик «.будет лежать вне области, соответствующей максимальному преобразованию накопленных ионов во вторичные электроны на входном .торцовом электроде (фиг. 7). Здесь кривая А рассчитана для работы датчика масс-спектрометра в режиме энергоанализа при удалении источника на расстояние и энергии влета Р 1,4. Для тех же зна чений параметров выходной meiraAR( 0,02 частицы вводятся через кольцевую щель с входными координатами f(y 0,55-0,78. При этом, датчик гиперЬолоидного масс, спектрометра анализирует поток заряженных частиц по энергиям с разрешением по нулевому уровню, равным 25О при светосиле 1,5%. Эффективность использования датчика гиперболоидного масс-спектрометра для проведения энергоанализа наряду с масс-анализом потоков заряженных частиц иллюстрирует фиг. 8, где приведены рассчетные зави симости разрешающей способности и светосилы такой системы. Видно (фиг. 8), что по своим параметрам энергоанализ с помощью предлагаемого устройства можно вести так же эффективно, как и с помощью наиболее широко используемых в физике исследований поверхности энергоанализаторов типа цилиндрическое зеркало, Таким образом предлагаемое устройст во датчика гиперболоидного масс-спектро 9 78 метра позволяет существенно увеличить разрешение и чувствительность массспектрометра за счет уменьшения искажений поля, вносимых входными и выходными каналами, увеличения времени ввода и коэффициента вывода частиц из анализатора; расширить возможности проведения комплексного анализа исследуемых потоков заряженных частиц за счет энергоанализа их с высокой разрешающей способностью (до 250) и чувствительностью (до 1,5%). Формула изобретения Датчик гиперболоидного масс-спектрометра, содержащий один кольцевой и два торцовых электрода, представляющих собой гиперболоиды вращения и содержащие каналы для ввода и вывода заряженных частиц, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, разрешающей способности и расширения функциональных возможности за счет/.обеспечения анализа по энергиям, каналы для ввода и вывода частиц выполнены в виде соосных кольцевых щелей или их частей Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Шеретов Э. П. и Колотилин Б. И. Новый трехмерный квадрупольный массспектрометр с непосредственным вводом ионов, - Письма в ЖТФ, т. 1; вып. 3, 1975, с. 149-152. 2.Шеретов Э. П. и др. Трехмерный квадрупольный масс-спектрометр с эллиптическими электродами, - ПТЭ, № 6, 1978, с. 115-117. 3.Авторское свидетельство СССР- № 288400, кл. Н 01 J 49/36, 1969.

. 0mA/Фиг. 5 6b/) Чыу