Устройство для анализа состава и распределения по энергиям потока ионов

 

Изобретение относится к физике ионных пучков, а именно к масс-спектрометрии, может использоваться для проведения масс-спектрометрического анализа состава и распределения по энергиям потока ионов. Цель изобретения - повышение достоверности и упрощение анализа. Исследуемый поток ионов направляется через диафрагму-электрод 1, выделяющую часть пучка в тормозящую трубку 3, на которую от генератора 4 импульсов подается напряжение в виде прямоугольных импульсов. Ионы, прошедшие тормозящую трубку, направляются в энергоанализатор 6 и масс-анализатор 3. 1 п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s>ps Н 01 J 49/44

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4487697/21 (22) 30.09,88 (46) 07.07.91. Бюл. N. 25 (72) А.Г. Вологиров, В. В, Слепцов и О.И. Сухов (53) 621.384(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Рв 1316060, кл. Н 01 J 49/34,1985.

Med!y S.S. Energetic ion mass analysis

using a radio frequency quadrupole filter.

Keeree of Scientific instruments, 1978, v. 49, М 6, р. 698-706. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА СОСТАВА И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПО ЭНЕРГИЯМ

ПОТОКА ИОНОВ. 5U 1661872 А1 (57) Изобретение относится к физике ионных пучков, а именно к масс-спектрометрии, может использоваться для проведения масс-спектрометрического анализа состава и распределения по энергиям потока ионов.

Цель изобретения — повышение достоверности и упрощение анализа. Исследуемый поток ионов направляется через диафрагмуэлектрод 1, выделяющую часть пучка в тормозящую трубку 3, на которую от генератора

4 импульсов подается напряжение в виде прямоугольных импульсов. Ионы, прошедшие тормозящую трубку. направляются в энергоанализатор 6 и масс-анализатор 3.

2 ил.

1661872

Изобретение относится к области физики ионных пучков, а именно к масс-спектрометрии, и может найти применение при исследовании пучков ионов, плазмы, ионноплазменной технологии и в других областях техники, Целью изобретения является повышение достоверности и упрощения анализа, На фиг. 1 дано устройство, общий вид; на фиг, 2 — форма импульсов напряжения на тормозящей трубке и форма токовых сигналов на входе регистрирующего устройства.

Устройство содержит последовательно установленные входную диафрагму-электрод 1 с источником 2 питания, тормозящую трубку 3, генератор 4 прямоугольных импульсов, входную диафрагму 5 энергоанализатора, цилиндрический энергоанализатор

6, источник 7 питания энергоанализатора, входную диафрагму 8 анализатора 9 квадрупольного масс-спектрометра, блок 10 питания квадрупольного масс-спектрометра, выходную диафрагму 11, блок 12 регистрации токовых импульсов прямоугольной формы.

Устройство работает следующим образом, Исследуемый поток ионов направляется через диафрагму-электрод 1, выделяющую параллельную составляющую пучка в тормозящую трубку 3, на которую от генератора 4 импульсов подается напряжение в виде прямоугольных импульсов, Часть ионов, энергия которых больше величины импульса тормозящего напряжения, проходит через тормозящую трубку, уменьшая свою энергию на величину Zi е 13имп, где Zi кратность заряда иона; е — заряд электрона;

U«n — амплитуда импульсного напряжения на трубке, Длительность импульса генератора устанавливается в зависимости от длины трубки и выбранной массы иона.

Ионы, прошедшие тормозящую трубку, направляются в энергоанализатор б через диафрагму 5, отсекающую параллельный пучок. Через энергоанализатор пройдут только те ионы, энергия которых соответствует диапазону энергии пропускания энергоанализатора, Выделенные энергоанализатором ионы попадают через диафрагму 8 в анализатор 9 квадрупольного масс-спектрометра, где разделяются по массам. Блок 12, включающий в себя последовательно соединенные коллектор ионов, вторичный электронный умножитель (ВЭУ), усилитель прямоугольных токовых импульсов и графопостроитель, соединенный на входе с генератором прямоугольных импульсов, записывает два вида

10 зависимостей: распределение любой выбранной массы по энергиям и спектд,масс ионов с любой выбранной энергией.

При определении распределения по энергиям ионов определенной массы с энергиями в диапазоне ео — Em» работа устройства осуществляется в следующей последовательности: на диафрагму-электрод подается потенциал 01 > rp /Zie, .датчик масс-спектрометра настраивается на выбранную массу, длительность импульса генератора устанавливается равной е

72 F/mi где g- длина тормозящей трубки;

e<> — энергия ионов, соответствующая энергии пропускания энергоанализатора, mi — масса иона;

E » — максимальная энергия ионов исследуемого потока.

На тормозящую трубку подаются импульсы прямоугольного напряжения Оимп.

Тогда эа ту часть периода следования импульсов, когда на трубке есть потенциал

U«n (фиг. 2). энергия всех входящих в трубку ионов уменьшится на величину

Ь е =Z)eU«n.

При этом часть ионов будет иметь энерI гию я = к, + д к = к,, где д к — разрешение энергоанализатора. 3а время т; первый из этих ионов достигнет выходного отверстия трубки (ион, затормозившись на входе трубки под положительным потенциалом, не изменяет своей скорости, пока он находится внутри трубки), Поскольку в этот момент.потенциал на трубке падает от U«> до нуля, то все ионы, замедлившиеся в предыдущий период времени (от 0 до rm;) до величины энер гии е = ко, выйдут из трубки, сохранив ту скорость, которую имели внутри трубки (и соответствующую ео). Если часть периода

45 следования импульсов (1 ), при которой на трубке поддерживается нулевой потенциал, будет больше или равна т ;, (tz rm; ). то все ионы успеют покинуть трубку. Эти же ионы беспрепятственно пройдут через энерго50 анализатор, который настроен на максимальное пропускание ионов именно с энергией e = а (для квадрупольного массспектрометра оптимальное значение

Eo = 50 эВ), и далее через анализатор масс55 спектрометра (который настроен на данную массу m ). Все остальные ионы, прошедшие через трубку в первую часть периода t (когда на ней был потенциал U«>), будут иметь энергию, отличную от ео, и. следовательно, не пройдут через энергоанализатор. В ту

1661872

Ле =де+1се, (4) 0=

50 е — ео

U>ì е (3) 55 (k Е)макс=10 5 10 =5 В.

-з .. з» часть периода t2, когда на трубке поддерживается нулевой потенциал, на диафрагмеэлектроде поддерживается постоянный положительный потенциал U1 ео /Zie, что преграждает путь в указанный период 5 ионам с энергией е = ес (т,е. тем ионам, что могли бы пройти через энергоанализатор и далее). Ионы, прошедшие энергоанализа-тор, разделяются по массам в анализаторе квадрупольного масс-спектрометра. На 10 вход регистрирующего устройства будет приходить токовый сигнал в виде импульсов прямоугольной формы со скважностью 1+ 2 (2)

Для усиления импульсов в регистрирующее устройство входит усилитель токовых импульсов, позволяющий преобразовывать этот сигнал в пропорциональный по амплитуде сигнал постоянного напряжения. Осуществляя развертку по амплитуде импульсов напряжения с генератора импульсов, мы обеспечиваем развертку по 25 энергиям ионов данной массы. Подавая на входы разных осей двухкоординатного. самописца (графопостроителя) сигналы с пропорциональных выходов генератора импульсов и усилителя токовых импульсов, производим запись искомой функции распределения по энергиям ионов определенной массы, В случае, если требуется снять спектр масс ионов с какой-то определенной энер- З5 гией е, сначала выбирается диапазон масс

OT Гпмин ДО Пмакс. ГДЕ тмин И Гпмакс МИНИмальная и маскимальная массы в этом диапазоне. Затем устанавливают длительность

=Р длительность второй части периода

-ю 7

Как и в предыдущем случае, скважность токового сигнала на входе регистрирующего устройства определяется иэ соотноше- 45 ния

Амплитуду импульсов прямоугольного напряжения устанавливают равной где е — энергия иона в потоке.

Достигаемый результат обусловлен тем, что торможение ионов осуществляется до того, как они попадут в цилиндрический энергоанализатор. В результате этого устраняется необходимость перестраивания энергоанализатора на различные энергии и, следовательно, устраняется погрешность, связанная с различием в коэффициентах прохождения ионов с разными энергиями через энергоанализатор. Необходимость использования генератора прямоугольных импульсов обусловлена тем, что только импульсное тормозящее напряжение на трубке позволит получить на выходе поток замедленных ионов (этот поток также будет импульсным с периодом, равным периоду повторения импульсов тормозящего напряжения). Этот периодический поток замедленных ионов, проходя через анализатор масс спектрометра, попадает на коллектор регистрирующего устройства.

Степень разрешения по массам для описываемого устройства определяется разрешающей способностью анализатора квадрупольного масс-спектрометра и изменением величины ео может быть выбрана оптимальной для анализаторов различной конструкции.

Разрешающая способность по энергии

Ле данного устройства зависит как от собственной разрешающей способности энергоанализатора, так и от параметров прямоугольных импульсов напряжения на тормозящей трубке, и равна где д е — абсолютная разрешающая способность энергоанализатора;

k — относительная неравномерность вершины прямоугольного импульса напряжения.

Величина k определяется из соотношеЛ0 ния k= где U — некоторая заданная амплитуда прямоугольного импульса напряжения;

ЛΠ— величина максимального отклонения от заданной величины U на протяжении первой части 11 периода повторения импульсов, Величина k является постоянной и не превышает 10 в данном устройстве, следовательно." максимальное значение второго члена в правой части уравнения (4) будет

Что касается величины д е, то выбором конструкции энергоанализатора она может изменяться от единиц до десятков вольт, 1661872

Формула изобретения

Устройство для анализа состава и распределения по энергиям потока ионов, содержащее входную диафрагму, Уамбо, Ю.7 067Ф, Ii) Составитель В.Кащеев

Редактор Л.Гратилло Техред М.Моргентал Корректор М.Кучерявая

Заказ 2130 Тираж 316 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул,Гагарина. 101

По сравнению с известным предлагаемое устройство повышает достоверность и упрощает анализ результатов измерения. Кроме того при изготовлении данйого устройства открывается воэможность испольэовать основные узлы серийно выпускаемых квадрупольных масс-спектрометров беэ существенной переделки путем применения дополнительных элементов.

Таким образом, описываемая конструкция позволяет анализировать состав и распределение по энергиям потока ионов с энергиями в широком диапазоне. цилиндрический энергоанализатор. за которым расположен анализатор квадрупольного масс-спектрометра с входной и выходной диафрагмами, блоки питания анализаторов

5 и блок регистрации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения достоверности и упрощения анализа, перед входной диафрагмой энергоанализатора установлена тормозящая поток ионов трубка с входной

10 диафрагмой-электродом, трубка электрически соединена с дополнительно введенным генератором прямоугольных импульсов на%ряжения, а диафрагма-электрод электрически соединен с дополнитель15 но введенным регулируемым блоком постоянного напряжения, а в качестве блока регистрации использован импульсный интегрирующий усилитель.