ИЗОТРАЕКТОРНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР
ISO-TRAJECTORY MASS SPECTROMETER

Изобретение относится к области масс-анализа потоков ионов, эмиттируемых с поверхности твердого тела под воздействием первичного излучения, и может быть использовано для улучшения аналитических свойств масс-спектрометров, используемых при исследовании объектов твердотельной микро- и нано-электроники методами вторично-ионной и лазерной масс-спектрометрии.
10
Для обнаружения ионов с характерными массами необходимо пространственно разделить принадлежащие им масс-спектральные линии (пики) на масс-спектрограммах. С этой точки зрения масс-анализатор как «сердце» масс-спектрометра может характеризоваться разрешающей способностью, имеющей несколько физически обоснованных определений, одно из которых формализуется следующим образом - R=m/Δm, где Δm -разность масс, необходимая для достижения впадины на 10% высоте пика между двумя соседними пиками одинаковой интенсивности на массе m и массе m+Δm.
Другой важной характеристикой приборов для масс-анализа вещества является чувствительность, которая в масс-спектрометрии определяется величиной, задающей количество вещества, которое нужно ввести в масс-спектрометр для того, чтобы оно было надежно обнаружено, и, в конечном счете, зависит от количества частиц с массой m, достигших коллектора и им зарегистрированных.
К одному из наиболее распространенных и используемых во вторично-ионной и лазерной масс-спектрометрии типов масс-спектрометров относятся анализаторы, разделение ионов по массам в которых осуществляется за счет дисперсии частиц при их движении в электромагнитном поле.
Известен масс-спектрометр с двойной фокусировкой на базе использования магнитного и электростатического полей. Ионы, имеющие одинаковую энергию, но различающиеся по массам, входят в магнитное поле перпендикулярно его направлению и пролетают через это поле по круговым траекториям под действием силы Лоренца. Радиусы их траекторий зависят от массы иона, что ведет к дисперсии по массам. Если пучок ионов проходит через щель с определенным углом, то фокус этого пучка лежит позади магнитного поля. Регистрация ионов с различными массами реализуется путем помещения щели (выходной диафрагмы) в точке фокуса позади магнитного поля, что приводит к четко определенным соответствиям масс и радиусов траекторий и возможности выбора специфической массы. Уменьшение ширины щели может быть использовано для увеличения масс-спектрального разрешения, но только в том случае, если ионы являются моноэнергетичными, поскольку любое распределение по энергиям будет ухудшать разрешение.
Для достижения высокого разрешения используется дисперсия энергии частиц в электрическом поле, компенсирующая дисперсию энергии магнита так, чтобы осталась только дисперсия по массам. Магнитный и электростатический анализаторы обладают свойством угловой фокусировки второго порядка и их комбинация фокусирует заряженные частицы и по углам и по энергиям. По этой причине масс-спектрометры с такими анализаторами называют приборами с двойной фокусировкой. Традиционно электростатический анализатор помещается перед магнитом с размещаемой между ними промежуточной диафрагмой. Электростатический анализатор с отклонением 90° в комбинации с магнитным с отклонением 60° известен как геометрия Нира- Джонсона [1].
К недостатку известного устройства относится низкая чувствительность, обусловленная отсутствием аксиальной симметрии и поэтому малым входным телесным углом (светосилой) системы в целом, а также ограниченная вкладом в регистрируемый полезный сигнал тока ионов, находящихся лишь в узкой полосе начальных энергий, пропущенных электростатической ступенью.
2
2
Наиболее близким к предлагаемому является аксиально-симметричный изотраекторный масс-спектрометр на основе простой в изготовлении электродной системы типа цилиндрический конденсатор [2], предназначенный для исследований импульсных потоков (пакетов ионов). Данный прибор построен на принципах изотраекторной оптики, заключающихся в том, что электрические поля, убывающие по закону как 1/t, обеспечивают движение пакета ионов с любой массой m по одним и тем же траекториям вне зависимости от их энергии, т.е. реализуют изохорный режим с идеальной фокусировкой по энергии. Здесь t - время движения пакета частиц, начиная с момента его вылета из источника. Ионы с массой, отличной от m, движутся по другим траекториям, что приводит к дисперсии по массам. Рассматриваемый изотраекторный цилиндрический масс-спектрометр содержит коаксиально расположенные внешний и внутренний цилиндры, формирующие поле цилиндрического конденсатора; приемник частиц с размещенной перед ним дырочной диафрагмой и блок развертки потенциала V=c(m)/t, подключенный к внешнему цилиндру спектрометра. Здесь c(m) - заданный постоянный параметр при регистрации ионов массы m, зависящий от конкретной конструкции спектрометра.
2
Регистрация коллектором пакета вторичных ионов, эмиттированных с поверхности исследуемого объекта за счет воздействия первичного излучения (ионы, лазерные импульсы) и имеющих определенную массу m и произвольную кинетическую энергию, достигается размещением в точке пересечения их траекторий с осью симметрии системы дырочной диафрагмы и подачей на внешний цилиндрический электрод отклоняющего потенциала V=c(m)/t. Для регистрации пакета ионов другой массы задается соответствующая константа с(m), обеспечивающая прохождение ионов с этой массой через отверстие выходной диафрагмы. Для получения всего спектра масс константа с(m) постепенно меняется с помощью блока развертки при регистрации с некоторой заданной скоростью, значительно более низкой, по сравнению со скоростью движения частиц в спектрометре.
К недостаткам известного устройства относится малая светосила, порядка долей процента, обусловленная отсутствием угловой фокусировки ионного потока, что является ограничением на величину чувствительности масс-анализа вещества.
Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в улучшении основного эксплуатационного параметра масс-спектрометров - чувствительности за счет увеличения входного телесного угла (светосилы).
На фиг.1 приведена схема предлагаемого масс-спектрометра.
Решение указанной задачи достигается тем, что аксиально-симметричный изотраекторный масс-спектрометр пакета ионов содержит коаксиально размещенные внутренний цилиндрический 1 и внешний конусообразный 2 электроды, экранирующий электрод 3 коробчатого типа, электрически и механически связанный с внутренним цилиндрическим электродом 1; выполненную на боковой поверхности внутреннего цилиндрического электрода 1 и затянутую мелкоструктурной металлической сеткой входную кольцевую прорезь 4 (входное окно) для пролета пакета вторичных ионов 10, выходную кольцевую диафрагму 5, выполненную на боковой поверхности внутреннего цилиндрического электрода 1; исследуемый образец 6, приемник ионов 7, блок развертки потенциала 8 по закону обратной пропорциональности квадрату времени движения пакета частиц. При этом внешний конусообразный электрод 2, помещенный внутри экранирующего электрода 3 коробчатого типа, формирует электрическое поле в рабочем пространстве спектрометра, обеспечивающее угловую фокусировку четвертого порядка вблизи центрального угла 40°, что позволяет достичь величины светосилы Ω/2π по порядку значений 10% и, тем самым, значительно превысить практически допустимый уровень чувствительности при масс-анализе вещества.
Устройство работает следующим образом.
2
Исследуемый образец 6 облучается импульсным потоком первичных микрочастиц (ионов, квантов лазерного излучения) 9, в результате чего образец 6 испускает пакет вторичных ионов 10, который преодолев пространство свободного дрейфа за счет начальной энергии Е между образцом 6 и внутренним цилиндрическим электродом 1, через входное окно 4 во внутреннем цилиндрическом электроде 1, затянутое мелкоструктурной металлической сеткой, попадает в отклоняющее и фокусирующее электрическое поле, созданное отрицательным потенциалом V=c(m)/t на внешнем конусообразном электроде 8, где t - время, отсчитываемое от начала движения пакета вторичных ионов. Сфокусированный пакет ионов 11 с массой m и во всем диапазоне начальных энергией Е, вследствие реализации в системе изотраекторного режима, проходит через выходную кольцевую диафрагму 5 и попадает на приемник 7 ионов. Поток ионов 12, с массой отличной от массы m, отсекается выходной диафрагмой 5 и оседает на стенках масс-спектрометра.
Внутренний цилиндрический электрод 1 и экранирующий электрод 3 спектрометра, а также образец 6 заземлены. Экранирующий электрод 3 выполняет роль электростатического экрана.
2
Изотраекторный масс-спектрометр имеет полосовую функцию пропускания, т.е. на вход приемника 7 попадают ионы, масса которых лежит в определенной полосе Δm. Дискретным изменением константы с(m), задающей в каждом акте регистрации отклоняющий потенциал V=c(m)/t, через интервал времени, превышающий время полета частиц от образца 6 до приемника 7, можно снять весь массовый спектр ионов, испускаемых образцом 6.
В регистрирующем устройстве (не показано), соединенном с приемником 7, масс-спектр анализируется, в результате чего выявляются массовые пики ионов, по которым можно судить об элементном составе поверхности образца.
2
При внешнем радиусе экранирующего электрода 3, равном 51 мм, длина устройства составляет 47 мм, радиус внутреннего цилиндрического электрода 1 составляет 10 мм, угол наклона образующей конуса конусообразного электрода 2 по отношению к оси симметрии приблизительно равен 40°, протяженность конусообразного электрода 2 вдоль оси симметрии составляет около 21.5 мм, задающая отклоняющий потенциал V=c(m)/t для центральной массы m=0.993 константа с(m)=9, ширина выходной диафрагмы 5 составляет около 0.5 мм.
Масс-спектрометр обладает угловой фокусировкой четвертого порядка типа «ось-кольцо» и обеспечивает разрешающую способность m/Δm=500 при светосиле порядка 10%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Edgar G. Johnson and Alfred O. Nier. Angular Aberrations in Sector Shaped Electromagnetic Lenses for Focusing Beams of Charged Particles // Phys. Rev. - 1953.- V.91. - P.10.
2. Матышев А.А. Изотраекторная корпускулярная оптика,- СПб.: «Наука», 2000. - 375 с.