Способ анализа ионов в квадрупольном масс-спектрометре

 

Изобретение относится к области физики, 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 квадрупольных 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 полеобразую11Ц1е электроды напряжения развертки . По занисимости ионного тока от времени определяют время развертки одного пика ионов с одним массовым числом t мин. Подают на полеобразующие 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 Фарадея, 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1 1 060 (584 Н 01 J 49 34

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ:

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3961145/24-21 (22) 08.!0.85 (46) 07.06.87. Бюл. У 21 (72) Е.А.Митрофанов, Ю.П.Маишев и А.П.Аверина (53) 621.384(088.8) (56) Слободенюк Г.И. Квадрупольные масс-спектрометры. М.: Атомиздат, 1974.

Зубков И.П. и др. Исследование потока ионов, выходящих из двухлинзового ускорителя. ЖТФ, 1971, т. 41, М 5, с. 880-889. (54) СПОСОБ А11АЛИЗА ИОНОВ В КВАДРУH0J1bH0M МАСС-СПЕКТРОМЕТРЕ (57) Изобретение относится к области физики, 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 квадрупольных ВЧ вЂ пол 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 полеобразующие электроды напряжения развертки. По зависимости ионного тока от времени определяют время развертки одного пика ионов с одним массовым числом Г мин. Подают на полеобразующие электроды дополнительное тормозящее напряжение Отрр„ ступенчато. При каждом значение О регистрируют зависимость величины тока ионов от времени в течение каждой ступени. Измеряют во всем диапазоне значении V тррм величину полного ионного тока, которую используют . в качестве реперной линии. Рассчитывают зависимость токов ионов I„ (A) 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, полеобраэующие электро ды 5 фильтра масс, выходную ОД 6, де тектор 7 ионов в виде цилиндра Фарадея, корпус 8, электрометрический усилитель 9, потенциометр 10, источник 11 питания, генератор 12, источники 13, 15, источник 16 питания.

Существенное достоинство способа воэможность оценить соотношение между количествами поступающих ионов -. каждого массового числа (Тр)щ ., что необходимо для составления материаль ных балансов. 4 ил.

6 g

1316060

40 йUтдрм: :1 00 зВ

= COtlSt g

Б1 („

50 д "мин

/П

1

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

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

Иа фиг. 1 приведена схема устройства, реализующего способ; на фиг.

2 — графики зависимостей амплитуд пиков ионов газа CF I dI от энергии тормозящего полл; на фиг. 3 — графики зависимостей тока ионов газа СР от энергии тормозящего поля; на фиг. графики функций распределения ионов этого газа.

Устройство содержит анод 1 и катод (ускоряющий) электрод 2 источник ионов, дополнительную входную ограничительную диафрагму 3, входную ограничительную диафрагму 4, полеобразующие электроды 5 фильтра масс, выходную ограничительную диафрагму 6, детектор 7 ионов в виде цилиндра Фарадея, корпус 8. Ток ионов, поступающих на детектор, усиливают с помощью электрометрического усилителя (ЭМУ) 9, а регистрируют на диаграммной ленте потенциометра 1О. Потенциал на выходную ограничительную диафрагму 6 подают от источника 11 питания. Ва стержни 5 фильтра масс от генератора !2 подается напряжение развертки, а от источника 13 — дополнительное тормозящее напряжение.

Входную ограничительную диафрагму 4 поддерживают под потенциалом с помощью источника 14 питания, а дополнительнчю 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 U, котоР рый формируется с помощью источника

14 питания. Величина потенциала

1 может варьироваться в интервале с U< (сс, в частном случае диа1 фрагма может быть заземлена U =- О.

Величина U может отличаться от потенциалов стержней фильтра масс и потенциала оси. Потенциал U под%1 держивается постоянным в течение вре.

«. М

Стержни 5 квадрупольного фильтра масс находятся попарно под напряжением развертки, формируемым с помощью генератора 12, вида: +(U +

+ Vcosv7) и одновременно под ступенчатым тормозящим напряжением U торм

Минимальное время развертки одного пика группы ионов одного массового числа 7 „„ . время полного цикла

10 развертки, включающее участок до начала развертки, пока потенциал на всех четырех стержнях равен нулю, весь интервал напряжений от исходного до максимального и спад напряже15 ния от максимального, соответствующего максимальному массовому числу, до исходного напряжения, соответствующего минимальному массовому числу

20 t „.Îñoáåííoñòü генератора в том, что некоторое время Г„„„ 7 < д 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 каска30 да выдерживает подачу дополнительного тормозящего напряжения.

Интервал приращений величины U д тОрм определяется характеристиками массспектрометра и функциями распределения потока ионов. Для большинства малогабаритных квадрупольных массспектрометров (КМ) удобен интервал приращений

Величину потенциала выходной ограничительной диафрагмы 6 U поддерживают с помощью источника питания постоянным в течение минимальное время развертки одного пика группы ионов с одним массовым числом, с, время, в течение которого величину U поддерживают

„ 2 постоянной, с, потенциал выходной ограничительной диафрагмы 6, 3 l 3160 (В) его He H HH — c

cU< г коэффициент, 0 c g (с время полного цикла развертки, с. 5

Если применяют дополнительную ограничительную диафрагму 3 при исследовании расходящихся пучков, то величину ее потенциала - ао c U c

Ф поддерживают с помощью1источника 15 lO питания постоянным в течение г мин-=соп$ГД3 иц

Я 3 где < /g> const — время, в течение !5 которого потенциал дополнительной ограничительной ди-. афрамы 3 поддерживается постоянным, с, — коэффициент, 0 р 3 < . 2p

Положение дополнительной диафрагмы 3 может изменяться от входной ограничительной диафрагмы 4 до выходной апертуры ионного источника 2:

0 1g3 g4 1к 7

Ь1 где 1g3-g„— расстояние между дополнительной и входной ограничительными диафраг- 30 мами, м, 1 — расстояние между входк-Г ной ограничительной диафрагмой и выходной апертурой ионного источника, 35 м.

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

О с1. с 1„,„ где d — диаметр отверстия дополнительной ограничительной диафрагмы, м, 45

d — внутренний диаметр корпуКорп са, км.

Между выхопной ограничительной диафрагмой 6 и детектором 7 для подав- О ления вторичной электронной эмиссии может быть установлен антидинатронный электрод, например, сетка, на которую подают отрицательный потенциал

U c О, причем величину потенциала поддерживают постоянной в течение времени

"мiiн - " 1П- сопЯС g4 n.u, "e 4

60 4 где . !Г- = 4

const — время в течение которого величину потенциала антидинатронного электрода поддерживают постоянной, g4 — коэффициент, 0 с g4 с со.

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 полеобразующими электродами анализатора1 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 1граммной ленте потенциометра; подают исследуемый газ в разрядный промежуток ионного источника; подают на анод 1 ионного источника от источника 16 питания ускоряющее напряжение Uq< подбирают диаметр отверстия d дополнительной ограничительной диафрагмы 3 и расстояние между ней и входной ограничительной диафрагмой

4 1 — g таким, чтобы пучок ионов не попадал на полеобразующие электроды 5 фильтра масс путем измерения тока между полеобразующими электродами и корпусом; поддерживают ограничительные диафрагмы 3, 4 и 6 под потенциалом земли; регистрируют величину общего тока поступающего на детектор, подают на полеобразующие электроды 5 фильтра масс от генератора 12 напряжение развертки вида

V — амплитуда ВЧ-напряжения, В;

mV2

Е =gU с Е = --- —" — — а ZeU

4hQKC. lI 2 уСк где Е мс Кс р максимальная кинетическая энергия ионов, разделяемых в фильтре масс по массовым числам., эВ, параметр, рассчитываемый с учетом хаРактеРистик масс-спектрометра и анализируемых ионов, величина потенциала, Б; энергия ионов, эВ, масса иона, кг; 30 составляньщая скорости иона, направленная вдоль оси фильтра масс, и/с; кратность заряда иона; вепичина ускоряющей разности потенциалов, через которую проходят ионы,В.

Ец, 1 н

Uyc к

На выходной каскад генератора 12 развертки, с которого напряжение подается на полеобразующие электроды

5 фильтра масс, от источника 13 питания ступенчато подают дополнительное тормозящее напряжение У, причем время, в течение которого тормозящее напряжение поддерживают постоянным мин tU = COIISt с К «р

5 131б0

ы — частота БЧ-напряжения,рад/с;

Т вЂ” время, с; регистрируют зависимость ионнnI о тока от времени, определяют ио графику зависимости ионного тока от времени время развертки одного цикла группы ионов с одним массовым числом „ „, время полного цикла развертки 7, 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 фильтра масс !5 бО б интервал изменений величины 1, „, тарм

0 « U тррм t3U где О< 8<со

Если изоляция генератора выдерживает весь интервал изменений величины Ут, „, то обычно максимальная величина U,,не превышает U y« Это обусловлено тем, что обычно энергия ионов ие превышает Е, ZPUycK.

В общем случае, когда в источнике возможны флуктуации энергии, энергия, приобретаемая ионами все-таки не бесконечна, потому U „ может в этом случае превышать Ь ус„ интервал приращений тормозящего потенциала йУтррм 0 торм g 0торм где 0 <3" (ро.

Часто удобно для малогабаритных серийных KM применять aU р,„=.- 100 эВ, обычно интервал приращений ОУтррм не превышает Uус при каждом эначе ии

U, пока его величину поддерживаторм ют постоянной, регистрируют график зависимости величины тока ионов от времени; измеряют во всем диапазоне значений 1)т, „, 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 массовым числам, от энергии

dI 1 dI (Е) Е =ZeU . Е

TOPE "

\I Il

-е0торм 7 11 и строят ее график, рассчитывают функцию распределения всего потока ионов по энергиям

Обычно в лабораториях для статической обработки данных используют два-три полных цикла развертки К = 2-3, а ири vIIp;lB. Iåíèè технологическим Itpo цессим nт 38M, когда используют информацию об амплитуде отдельных иикон.tt „„, = соиз =i К = 0

dI aI

f (E) = — —,.---.- E ZeU - ----- Е

3-0 н

- Е торм- д зЕ л о е(3тррм7 где т(Е) — функция распределения потока ионов, неразделенных по массовым числам, по энергиям, 41

tt Fn

7. е торм

1316080

I,) . 1К„ и мГ-ненис ионного токар изменения энергии, кратность заряда, заряд электрона, величина тормозящего погде f + (Е) — функция распределения

1 по энергиям ионов с мас+ 4m совым числом Г1. I

4Iм

M;+- — —

Ртормозящего поля

Et, = ZeUTop Zt-UTope q

35 где (1 )

4F, F. ОР „ „

«(E);

СОВЫХ ЧИС Е.ll

1р1и и теницала, Io — величина тока ионов при

TOP и строят ее график, измеряют величину тока (амплитуды 10 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 15 соединяет основание переднего и заднего фронтов пика; рассчитывают величины токов ионов

d ttl отдельных массовых чисел M.i 20

2 при U = 0 путем интегрирования зависимостей величины тока (амплитуд пиков) ионов отдельных массовых чисел от энергии тормозящего поля или путем 25 суммирования величин токов (амплитуд пиков) ионов отдельных массовых чисел в измеряемом диапазоне энергий

)м = () < Е

dI о м;— м; я

0 торм„„

d I (-- — -) El F

) величина тока группы ионов с массовым числом р Uto величина тока (амплитуда пика) группы ионов с массовым числом М.f

1 дт

2 изменение энергии тормозящего поля; 45 максимальная величина энергии тормозящего поля, рассчитывают зависимости токов ионов отдельных массовых чисел от энергии тормозящего поля рассчитывают функции распределения по персиям ионов отдельных масамплитуда пика группы ионов с массовым числом изменение энергии тормозящего поля, (Iо) „ — величина тока группы ионов с массовым числом дш

Г1 - — — при U = 0

2 TltP и строят их графики.

Выполнение предлагаемого способа иллюстрируется следующим примером.

Исследовался состав потока ионов из разряда газа СГ . Ha анод ионного источника подавали от блока питания

БП-94 напряжение Б „„-„ = 3,0 кВ, ток разряда составлял I р = 150 мА. Плотность тока ионов в области входной диафрагмы 14 j = 1 мА/см . Измерения состава ионов по массовым числам проводились в области, где трансмиссия близка к 1007.

Сначала дважды измеряли спектр масс на участке от 5 до 80 а.е.м. без подачи тормозящего напряжения

U - =0 а затем на стержни фильтTopm 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 спектра участка 5-80 а.е.м. Длительность записи одного участка спектра 4 мин.

Спектры зафиксированы при положении переключателя "Множитель шкал", электрометрического усилителя вакуумметра ВИ-12 10 . Диапазон измеряемых токов на этой шкале 0,2 .10 "

20 .1О "А. Середина ленты соответствует середине шкалы 10 .10 A, полное отклонение на всю ширину ленты соответствует величине тока ионов 20

lt10 "A. Величины токов ионов (амплитуды пиков отсчитывались от искривленной интерполированной реперной линии, разграничивающей пики ионов и фон.

Зависимость величины тока (амплитуды пика) ионов с данным массовым числом от энергии тормозящегo поля это график зависимости первой про9 изводной величины общего ионного тока (Т ) для ионов с данным массоИ 1 вым числом М + --- от энергии тормо2 зящего поля. Для расчета значений функции распределения ионов каждого массового числа необходимо знать полное число этих ионов при Пт,р„ = О.

Fòî определяют по сумме амплитуд пиков ионов с данным массовым числом.

Далее по сумме амплитуд рассчитывают полный ток ионов с данным массовым числом (I )„, \

На 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 распредения f (У) включает в себя среднеI квадратичные погрешности следующих измерений: изменения величины тока I„,, величины полного тока (Т )„,.

"1

1 и интервала изменения энергии тормозящего поля n F.„ . При измерении вели— чины (T), с помощью ЭМУ от вакуумметра БИ-12, погрешность составляет

+5,027..

Погрешность Е, при подаче тормозящего потенциала от источника УИП-1". 0,57.. Рассчетное значение погрешности (Т ), полученное по девяти изМ, мерениям величины ионного тока, каждое из которых выполнено с точностью, +5,027. составляет +15,067.. Рассчетная среднеквадратичная погрешность значения f д (E) с учетом всех этих величин

1 равна + 16, 657 = +1 6, У7., 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 (ТО) „ что необходимо дпя составления материапьных балансов.

Предлагаемый способ обеспечивает значительно большую точность анали 32 oC, T.lK KBK HCnOJIb3OBBHne в известном способе большого количества vcTpoAcTB с малыми отверстиями

6060 10

5

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

Способ упрощает аппаратурное оформление, уменьшает стоимость установки и сокращает время подготовки ее к работе. Способ обеспеЧивает возможность обработки результатов на

3ВМ, что раскрывает широкие перспективы 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.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Способ анализа ионов в квадрупольном масс-спектрометре, заключающийся в том, что направляют поток ионов в комбинированное электрическое поле, создаваемое путем подачи на полеобраэующие электроды высокочастотного и взаимосвязанного с ним постоянного напряжения развертки, а также дополнительного тормозящего напряжения, измеряют ток на детекторе, и регистрируют зависимость тока ионов от времени, отличающийся 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 7,„,, подают на полеобразующие электроды дополнительное тормозящее напряжение

U „, ступенчато, причем длительность ступени, в течение которой тормозящее напряжение U „, поддерживается постоянным, не менее ь„„„ при каждом значении U „, регистрируют зависимость величины тока ионов от времени в течение каждой ступени, измеряют во всем диапазоне значений

U, величину полного ионного тока, которую используют в качестве

1316060 где f„(F) "1 го поля

М

1 тм Р (е)

1 дЕ, 15

Фиг. 2 реперной линии, рассчитывают зависимости токов ионов I (А) отдельных массовых чисел от энергии тормозящеи рассчитывают функции распределения по энергиям ионов отдельных массовых чисел f0

<1?м;

f .(Е) Е ZeU (М1,1Е (й торм

0 м; II ь Iv<

Е Z0U (Z ) E I 0 О торм э

0 м, 0

12 функция распределения по энергиям ионов с массоД П1 вым числОм 1 1.- -- 1 изменение величины тока ионов с массовым числом сип

И. --- измеренное от

1 2 реперной линии, разделяющей пик иона и фон

А; изменение энергии тормозящего поля, эВ, величина тока ионов с уп массовым числом М +--2

ТТ то рм заряд электрона, (кл); кратность заряда иона.

М >,ась у!

Рие. 3

fg Цдра

Тираж 698

Подписное

ВНИИПИ Заказ 2370/55

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