способ времяпролетной масс-спектрометрии
Классы МПК: | H01J49/40 спектрометры, работающие по принципу измерения времени полета ионов |
Автор(ы): | Миловзоров Д.Е., Шишлаков В.А. |
Патентообладатель(и): | Научно-исследовательский технологический институт |
Приоритеты: |
подача заявки:
1990-07-09 публикация патента:
30.09.1994 |
Использование: относится к времяпролетной масс-спектрометрии. Сущность изобретения: заключается в разделении испущенных источником ионов в первом бесполевом пространстве дрейфа по времени пролета на пакеты, отражении пакетов ионов в электростатическом поле с их последующим направлением во второе бесполевое пространство дрейфа, где осуществляется поочередное отклонение пакетов ионов определяемых масс, и последующей регистрацией. 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
СПОСОБ ВРЕМЯПРОЛЕТНОЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ, заключающийся в разделении испущенных источников ионов в первом бесполевом пространстве дрейфа по времени пролета на пакеты, отражении пакетов ионов в электростатическом поле с их последующим направлением в второе бесполевое пространство дрейфа и регистрацией, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности и чувствительности, регистрацию пакетов ионов осуществляют посредством поочередного отклонения пакетов ионов определяемых масс в втором бесполевом пространстве дрейфа импульсным электрическим полем, напряженность которого (t) и время воздействия на отклоняемые пакеты ионов выбирают из соотношения(t)dt = tg,
где - угол регистрации пакетов ионов, рад;
Uист. - ускоряющее напряжение источника ионов, В;
Mi - масса определяемого иона, кг;
l - элементарный заряд, Кл.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к масс-спетрометрии, а именно времяпролетной масс-спектрометрии, и может быть использовано в микроэлектронике для анализа состава вещества по массам ионов химических элементов и соединений. Известен способ времяпролетной масс-спектрометрии [1], в котором направляют исследуемые ионы с одинаковой энергией из источника ионов в бесполевое пространство дрейфа и регистрируют после прохождения фиксированного пути разделенные в нем по времени пакеты ионов с одинаковой массой. Недостатком известного способа является низкая разрешающая способность из-за наличия начального разброса по энергиям в источнике ионов. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ времяпролетной масс-спектрометрии [2], в котором испущенные источником ионы разделяются в первом бесполевом пространстве дрейфа по времени пролета, далее разделенные пакеты ионов отражаются в электростатическом поле и направляются во второе бесполевое пространство дрейфа, где происходит компенсация начального разброса ионов с одинаковой массой по энергиям с последующей регистрацией пакетов ионов. Недостатками известного способа являются недостаточная разрешающая способность, обусловленная конечной временной протяженностью регистрируемых ионных пакетов, и низкая чувствительность, связанная с угловой расходимостью ионов после отражения в ионном зеркале. Целью изобретения является повышение разрешающей способности и чувствительности. Сущность изобретения заключается в том, что в способе времяпролетной масс-спектрометрии, заключающемся в разделении испущенных источником ионов в первом бесполевом пространстве дрейфа по времени пролета на пакеты, отражении пакетов ионов в электростатическом поле с их последующим направлением во втрое бесполевое пространство дрейфа и регистрацией, регистрацию пакетов ионов осуществляют посредством поочередного отклонения пакетов ионов определяемых масс во втором бесполевом пространстве дрейфа импульсным электрическим полем, напряженность которого (t) и время воздействия на отклоняемые пакеты ионов выбирают из соотношения:(t)dt = tg; (1) где - угол регистрации, рад;
Uист - ускоряющее напряжение источника ионов, В;
Мi - масса определяемого иона, кг;
е - элементарный заряд, Кл. На фиг.1 схематически представлено устройство, реализующее предлагаемый способ времяпролетной масс-спектрометрии; на фиг.2 изображены траектории ионов с массой Mi после отражения в ионном зеркале. Устройство состоит из источника 1 ионов, ионного зеркала 2, отклоняющих электродов 3, детектора 4 ионов, расположенного на оси, отклоненной от оси первого пространства дрейфа на угол . Устройство работает следующим образом. Вылетающие из источника 1 в виде короткого пакета ионы массами Mi, Mj, Mк и т.д. с одинаковыми энергиями разделяются в первом пространстве дрейфа на пакеты по массам Mi, Mj, Mк и т.д. После отражения пакета ионов массой Mi в двухступенчатом (U1 и U2) поле на него воздействуют импульсом электрического поля, создаваемым при приложении к отклоняющим электродам 3 импульса напряжения с параметрами U3i, 3i. При этом длительность импульса напряжения 3i выбирают, исходя из того, что:
3i < < tпрол, (2) где tпрол - время пролета ионами с массой Mi отклоняющих электродов 3. В случае выполнения этого требования импульс электрического поля длительностью 3i, создаваемый между отклоняющими электродами 3, будет воздействовать на ионы с небольшим различием в массах Mi, дающие основной вклад в ухудшение разрешения, одинаковое время 3i, поскольку эти ионы имеют слабые различия в скоростях vi= пролета отклоняющих электродов 3. Этот импульс сообщает ионам в промежутке между отклоняющими электродами 3 скорость vоткл.i, перпендикулярно оси первого пространства дрейфа и определяемую по формуле
vоткл.i= Uзi(t)dt, (3) где е - элементарный разряд;
d3 - расстояние между отклоняющими электродами 3. Для случая прямоугольного отклоняющего импульса, формула (3) принимает вид:
vоткл.i= Uзiзi, (4) где Uзi - амплитуда прямоугольного импульса. В случае треугольного отклоняющего импульса формула (3) имеет вид:
vоткл.i= 2 Uзimax3imax. (5)
В случае, когда импульсное электрическое поле реализуется в области плоского конденсатора, параметры отклоняющего импульса напряжения на электродах конденсатора (амплитуда U3i и длительность 3i) могут быть определены из соотношения:
для прямоугольного импульса
Uзiз = dзitg, (6) где d3 - расстояние между электродами конденсатора 3;
для импульса треугольной формы
Uзiзi= dзtg (7)
Подачу отклоняющего импульса поля на электроды 3 длительностью 3iнеобходимо осуществлять в момент пролета ионами массы Mi половины длины отклоняющих электродов 3. Время подачи отклоняющего импульса tп можно определить следующим образом:
tп = tпрол.1 + tотр + t, (8) где tпрол.1 - время пролета ионами массой Mi первого пространства дрейфа;
tотр - время пролета ионами массой Mi ионного зеркала 2;
t"прол.2 - время пролета ионами массой Mi от ионного зеркала 2 до середины отклоняющих электродов 3. tпрол.1=, где l1 - длина первого пространства дрейфа;
Е - кинетическая энергия ионов на выходе из ионного источника 1
tотр= 2 , (9) где U1 - напряжение между электродами первого отражающего промежутка ионного зеркала 2 длиной d1;
U2 - напряжение между электродами второго отражающего промежутка ионного зеркала 2 длиной d2;
е - элементарный заряд. Так как на выходе из ионного зеркала 2 ионы массой Mi имеют ту же скорость, что и в первом дрейфовом пространстве, то есть
vотр.i= vi= , (10) то
t= , (11) где l21 - расстояние от ионного зеркала 2 до середины отклоняющих электродов 3. Значение tпрол. в требовании (11) определяется как:
tпрол. = , (12) где lэл.3 - длина отклоняющих электродов 3. Попавшие в это же время в пространство между отклоняющими электродами 3 ионы с массами Mj, MK и т.д. также приобретут в направлении, перпендикулярном оси первого пространства дрейфа, различные скорости vоткл.j, vоткл.к и т.д.:
vоткл.j = Uзi(t)dt;
(13)
vоткл.к = Uзi(t)dt. Поскольку в это же время в отражательном поле ионного зеркала 2 ионы меняют направления своего движения на противоположные с той же скоростью vi, vj, vк, суммарная скорость движения ионов vEi, vEj, veкбудет являться результатом векторного сложения скоростей вдоль оси первого пространства дрейфа vотр.i, vотр.j, vотр.к и скорости vоткл.i, vоткл.j, vоткл.к, причем очевидно:
v = v; v = v; v = v. (14)
Таким образом, ионы с массами Mi, Mj, Mк отклонятся на разные углы i, j, к от первоначального направления движения
i= arctg Uзi(t)dt;
j= arctg Uзi(t)dt; (15)
к= arctg Uзi(t)dt.. В случае прямоугольного и треугольного выталкивающих импульсов формулы (14) примут, соответственно, вид (16) и (17):
i= arctg = arctg ;
j= arctg ; (16)
к= arctg ;
i= arctg ;
j= arctg ; (17)
к= arctg ;
Поскольку детектор 4 ионов расположен на оси, отстоящей от оси первого пространства дрейфа на угол =i, после прохождения второго пространства дрейфа будут регистрироваться только ионы массой Mi, сфокусированные по энергии в ионном зеркале 2. Таким образом, за счет дополнительного разделения ионов по углу разлета, зависящему от массы, осуществляется повышение разрешения ионов по массам в предлагаемом способе времяпролетной масс-спектрометрии. Дополнительное слагаемое, вносимое предлагаемым способом в разрешение по массам, имеет вид:
= , (18) где 0 . Подавая в момент нахождения в область между отклоняющими электродами 3 пакет ионов с другой массой (например, Mj, Mк)
tj l; tк l (см. формулу импульса напряжения на отклоняющие электроды 3 с параметрами U3j, 3i, U3к, 3к для ионов с массой Mj, Mк соответственно) и, подбирая параметры U3j, 3j или U3к, 3к из соображения отклонения ионов с массой Mj или Мк на угол регистрации (фиг.1), можно осуществлять исследование масс-спектра ионов из источника 1. В способе [2], взятом за прототип, происходит снижение чувствительности за счет угловой расходимости ионов после отражения в ионном зеркале. В предлагаемом способе происходит подфокусировка ионов на детектор 4 за счет воздействия импульса электрического поля, отклоняющего ионы в направлении, перпендикулярном оси первого пространства дрейфа. Это связано с тем, что при отражении ионов в зеркале они приобретают скорости, противоположные направлению первоначального движения, но равные по величине скоростям до отражения (см. формулу (14)). Таким образом, ионы массой Mi, имеющие большую скорость vi " из-за начального разброса в источнике 1 ионов (фиг.1) и прилетающие к отражательному промежутку раньше, после отражения в ионном зеркале, имея по величине ту же скорость viотр" = vi", оказываются сзади по отношению к ионам массой Mi, вылетевшим из источника с начальной скоростью vi "" < vi " (vотр.i ""< vотр.i"). Но в пространстве между электродами 3 за время действия отклоняющего импульса электрического поля 3i они приобретут одну и ту же скорость в направлении, перпендикулярном оси первого пространства дрейфа v откл.i" = v откл.i"" = vоткл.i. Поэтому суммарные скорости ионов пакета массой Mi v" и v являющиеся результатом векторного сложения скоростей = + , = v+ имеют тенденцию к сходимости в направлении движения к детектору (фиг.2). Минимальный размер фокусировки ионов пакета по массам driподбирается путем оптимизации параметров отклоняющего импульса соответственно для случаев прямоугольного и треугольного импульсов напряжения:
dri= dvi;
(19)
dri= dvi, где l2 - длина второго пространства дрейфа. Таким образом, в предлагаемом способе времяпролетной масс-спектрометрии происходит повышение разрешающей способности по массам ионов за счет дополнительного разделения ионов разных масс на различные углы отклонения и чувствительности за счет подфокусировки пакета ионов отклоняющим импульсом электрического поля. Предлагаемый способ может быть использован для проведения масс-анализа различных ионных пучков, применяемых в технологии и аналитике микроэлектроники, физических исследованиях с высокой чувствительностью и разрешающей способностью по массам.
Класс H01J49/40 спектрометры, работающие по принципу измерения времени полета ионов