[發明專利]一種測量脈沖離子束脈沖寬度的裝置及方法

有效

• 申請號: 201611025682.7
• 申請日: 2016-11-21
• 公開（公告）號: CN108089064B
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 陳平;李海洋;蔣吉春
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: G01R29/02
• 分類號: G01R29/02
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本專利提出一種測量脈沖離子束脈沖寬度的裝置及方法。它測量的原理是：將一次離子源產生的脈沖離子束經過偏轉板調制后轟擊到樣品靶后，收集產生的二次離子后進入后端質譜進行檢測。二次離子強度變化可以實時反映一次離子束強度的變化。在偏轉電極的一個電極上施加固定電位，另一個電極上施加脈沖電壓。當兩個電極為相等電位時，離子束正常通過偏轉電極轟擊到靶上產生二次離子流；當兩個電極電位不等時，離子束受到電場的偏轉而無法通過偏轉電極，無法轟擊到靶上。通過改變離子偏轉電極施加脈沖高壓的時間，可以在收集并檢測不同時刻對應的二次離子流強度，即實現脈沖離子束的時間分布及脈寬的測量。

技術領域

本發明涉及質譜分析領域，提供了一種測量脈沖離子束脈沖寬度的裝置及方法，解決快速的(納秒級)離子脈沖探測器靈敏度低、響應慢及飽和等造成脈寬無法測量問題。

背景技術

飛行時間二次離子質譜是一種可以快速獲得表面化學組分分析的有利工具。它的原理其實是將一束經過良好聚焦的高能一次離子束(10～30千伏)轟擊到樣品表面，濺射出來的二次離子通過后端的飛行時間質譜分析，得到每一個轟擊點的化學成分。

飛行時間二次離子質譜中常采用的一次離子束源產生的必須是脈沖化的離子束(小于100納秒)，并且經過良好聚束后轟擊到樣品靶時束斑大小在50納米至100微米之間。其中一次離子束的強度決定了二次離子產生的多少，制約二次離子質譜的靈敏度；其中一次離子束聚焦的束斑大小決定了表面采樣區域大小，制約二次離子質譜的空間分辨率；

一團脈沖離子的數量在時間上的分布狀態可以用脈沖寬度衡量，常常用這個離子分布(離子峰)的半高全寬來表示脈沖寬度。它的大小決定了二次離子產生的時間分布，制約二次離子質譜的分辨率。一次離子源產生離子脈沖寬度越窄，質譜的分辨率越高，能更好的定性復雜化學組分中分子的化學式。目前商品化的飛行時間二次離子質譜(ION-TOF公司的TOF-SIMS 5)，極限條件下離子脈寬可以達到0.1納秒，分辨率超過1萬。一次離子源產生離子脈沖的寬度對飛行時間二次離子質譜儀至關重要。

常見測量離子束的方法及不足之處如下：

第一種是法拉第筒測量，這是一種結構簡單的帶電粒子測量裝置。等離子體物理或者束流物理中，束流和離子能量都很強(可達到上千安培，離子能量超過幾百千電子伏)，可以直接用法拉第筒直接測量，如文獻(劉金亮等，《強激光與粒子束》，1993(4)：629-632)和文獻(何小平等，《強激光與粒子束》，2000(6)：753-755)報道，都直接采用了法拉第筒直接接收高強度束流的離子束并測量了粒子束的強度和脈沖波形；然而，以上這種法拉第筒直接測量的辦法只能針對離子流很強的情形，而當面對其他離子流較弱的場合，靈敏度不夠！如二次粒子質譜中一次離子束離子流強度非常小，大約為幾個納安或者更小。這時往往需要在法拉第筒后面增加一個高增益的放大器，將弱電流信號放大才能測量。實用新型CN201229407Y分別公開了用常見的法拉第筒接收離子再用高增益的微電流放大器放大弱的離子流信號的方法，測量了毫秒級脈沖離子束中離子的束流強度。然而，微電流放大器的帶寬是很有限的，而且和增益倍數存在矛盾關系。放大器工作在高增益模式時，帶寬很小，響應非常慢。因此法拉第筒測量法與微電流放大器結合的辦法可以測量非常微弱的連續離子流或者緩慢變化的離子流，卻無法測量納秒級的一次脈沖離子束電流，更無法得到離子束的時間分布。

第二種是微通道板測量，將離子直接轟擊到微通道板(MCP)上產生更多的電子流，然后再通過低倍放大器進一步放大后測量。微通道板(MCP)是一種大面陣的高空間分辨的電子倍增探測器，并具備非常高的時間分辨率。微通道板以玻璃薄片為基地，在基片上以數微米到十幾微米的空間周期以六角形周期排布孔徑比空間周期略小的微孔。一塊MCP上約有上百萬微通道，二次電子可以通道壁上碰撞倍增放大，工作原理與光電倍增管相似。因此，對于隨機的離子碰撞到MCP表面，可以實現快速放大的能力。在飛行時間質譜中也常常將MCP作為離子探測器。然而，對于二次離子質譜中一次離子源產生的離子束經過強聚焦后，離子束斑直徑在100微米以下甚至至50nm，這樣離子束僅僅轟擊到MCP表面上一個或者幾個微孔通道，造成通道增益飽和，無法測量。