CN103531432A - 一种脉冲式离子源、质谱仪及产生离子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲式离子源、质谱仪及利用脉冲式离子源产生离子的方法。该脉冲式离子源包括：加速电极板，离子生成腔室，离子处理腔室，第一脉冲电源，第二脉冲电源，加速电源，延时发生器。离子处理腔室包括有第一偏转板组、第二偏转板组、用于汇聚离子的离子透镜、开有一孔的第一遮挡板、开有一孔的第二遮挡板。本发明脉冲式离子源实现了离子种类选择的功能，并且较现有技术结构简单、加工工艺简单。

Description

一种脉冲式离子源、质谱仪及产生离子的方法

技术领域

本发明涉及离子质谱分析技术领域，尤其涉及一种脉冲式离子源、质谱仪及利用脉冲式离子源产生离子的方法。

背景技术

二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS)是目前灵敏度最高的表面化学分析手段之一，可以用于分析样品化学成分及其含量，被广泛应用于分析化学、半导体技术、环境保护、食品安全及地球化学等领域。SIMS拥有高空间分辨率、高灵敏度特点，可以在微区范围内进行样品深度成份分析、三维离子成像以及元素同位素丰度测定。

飞行时间二次离子质谱仪（Time of Flight Secondary Ion MassSpectrometry，TOF-SIMS）需要采用脉冲一次离子的形式，脉冲一次离子经过加速聚焦轰击样品表面，溅射出二次离子，二次离子被提取进入质量分析器进行检测。因此一次离子是产生二次离子的重要工具，其性能将直接影响TOF-SIMS的分析结果。因为不同种类的离子轰击样品产生的二次离子差异较大（离子动量不同、且到达样品时间有差异）、不利于二次离子提取、分析等后期处理，所以需要尽可能地保证一次离子种类的单一性。目前TOF-SIMS一次离子生成过程中会伴随产生大量不同种类的离子，为了减少这些离子对测量结果的影响，需要进行离子选择，把非目标离子滤除，使单一成分的一次离子轰击样品，有利于提高SIMS分析性能。目前主要采用Wien-Filter、四级杆、离子井等部件实现离子滤除。这些部件无一例外地结构复杂、加工工艺复杂。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种脉冲式离子源、质谱仪及利用脉冲式离子源产生离子的方法，用以解决现有技术中TOF-SIMS离子源存在结构复杂、加工工艺复杂的问题。

本发明实施例提供了一种脉冲式离子源，该离子源包括：

由开有一孔的加速电极板隔开的离子生成腔室和离子处理腔室；

离子处理腔室内设置有第一偏转板组、第二偏转板组、用于汇聚离子的至少一个离子透镜、开有一孔的第一遮挡板和开有一孔的第二遮挡板；

加速电极板上的孔、第一遮挡板的孔、第二遮挡板的孔和上述用于汇聚离子的离子透镜位于同一轴线上；

第一偏转板组位于所述加速电极板与第一遮挡板之间，在靠近加速电极板的一侧沿上述轴线两侧相对分布；

第二偏转板组位于第一遮挡板与第二遮挡板之间，在靠近第一遮挡板的一侧沿上述轴线两侧相对分布；

第一偏转板组与第一脉冲电源连接，第二偏转板组与第二脉冲电源连接，加速电极板与加速电源连接；

上述用于汇聚离子的离子透镜位于加速电极板与第一遮挡板之间；

第一脉冲电源和第二脉冲电源分别与用于延时触发第一脉冲电源和第二脉冲电源的延时发生器连接。

上述第一偏转板组可以由两个第一偏转板构成，这两个第一偏转板可以沿上述轴线两侧相对分布（可以对称分布，也可以非对称分布，可以平行设置也可以非平行设置）。当然也可以由大于两个（最好是偶数个）的第一偏转板构成，分成两组沿上述轴线两侧相对分布。上述第二偏转板组可以由两个第二偏转板构成，这两个第二偏转板可以在上述轴线两侧相对分布（可以对称分布，也可以非对称分布，可以平行设置也可以非平行设置）。当然也可以由大于两个（最好是偶数个）的第二偏转板构成，分成两组沿上述轴线两侧相对分布。上述第二偏转板组可以与第一偏转板组有相同的设置，也可以为不同的设置。上述第一偏转板组的具体结构可以是平面结构、也可以是曲面结构，还可以是折面结构；上述第二偏转板组的具体结构可以是平面结构、也可以是曲面结构，还可以是折面结构。

上述离子源使离子在经过加速电极板后产生较大的能量，又因为离子刚刚通过阳极板上的孔，所以束斑直径很小，当离子通过第一偏转板组，在第一脉冲电源的控制下，离子实现脉冲化。

由于离子荷质比的不同，而使得离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间不同，所以当离子通过第二偏转板组时，在第二脉冲电源的控制下，只有目标离子能够通过第二遮挡板上的孔，从而实现离子种类选择，并且该离子源具有结构简单、加工工艺简单的特点。

由于离子在上述实现离子脉冲化和后期进行成分选择时都需要飞行很长的距离，所以离子透镜对长时间飞行的离子起到聚拢的作用，防止离子发散造成损耗。

较佳的，加速电极板可以采用锥形口结构，这样有利于离子束的提取。

在上述任意实施例的基础上，较佳的，上述用于汇聚离子的离子透镜位于加速电极板和所述第一偏转板组之间；或者，上述用于汇聚离子的离子透镜位于所述第一偏转板组和所述第一遮挡板之间。

本发明实施例的脉冲式离子源包括至少一个离子透镜，该至少一个离子透镜为磁透镜和/或静电透镜（例如单透镜），具体种类不作限定，只要能够进行离子汇聚的离子透镜均可以应用于本发明。

在上述任意实施例的基础上，较佳的，所述离子生成腔室内设置有：

靠近加速电极板的阳极板，该阳极板开有一孔径小于0.5mm的孔；位于阳极板不与加速电极板相对的一侧的中间电极；该中间电极为中空结构，在与阳极板相对的一端设置有锥形口；位于中间电极的中空结构内的阴极；该阴极为设置有入射口和出射口的中空结构；阴极的入射口、阴极的出射口和阳极板的开口位于上述轴线上。

上述阳极板与加速电极板之间存在有加速电场，可以增加离子的轴向速度，因为离子生成腔体内飞行路径较长，较大的轴向速度可以减少离子的发散。

上述加速电极板与离子透镜相互配合可在不影响传输效率的情况下改变离子的能量，从而实现离子能量的调节。

上述阳极板孔径小于0.5mm可以做差极真空，差极真空可保障离子在空心阴极中电离需要的分子浓度，也可保障离子在通过阳极板之后飞行需要的高真空度。并且差极真空会使低真空度腔体中离子涌向高真空度腔体，这样有利于更多的离子通过阳极板上的小孔而进入离子处理腔室，从而提高离子抽出率。

本发明实施例还提供一种离子质谱仪，包括上述实施例的离子源。

该离子质谱仪较现有技术结构简单、加工工艺简单。

本发明实施例还提供了一种利用上述离子源生成离子的方法，该方法包括：

确定第一脉冲电源产生的第一脉冲电压的脉冲宽度，第二脉冲电源产生的第二脉冲电压的脉冲宽度和目标离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间t_a；

通过离子生成腔室产生离子，并通过延时发生器周期性向第一脉冲电源发送第一触发信号，该第一触发信号用于触发上述第一脉冲电源向第一偏转板组施加第一脉冲电压，使得离子在该第一脉冲电压的脉冲宽度内通过第一遮挡板的孔；

每次向上述第一脉冲电源发送第一触发信号后，经过时间t_a+t_d，通过上述延时发生器向第二脉冲电源发送第二触发信号，该第二触发信号用于触发第二脉冲电源向第二偏转板组施加第二脉冲电压，使得目标离子在第二脉冲电压的脉冲宽度内通过第二遮挡板的孔，若目标离子为荷质比最小的离子，所述t_d满足：-（T-t_n-T_T1+t_a）<t_d<T_T1，否则，所述t_d满足：-（t_a-t_b-T_T1）<t_d<T_T1，所述T_T1为第一脉冲电压的脉冲宽度，所述t_b为荷质比小于目标离子的离子中，与目标离子的荷质比最接近的离子从第一偏转板到第二偏转板的时间，所述t_n为所有离子中荷质比最大的离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间，所述T为所述延时发生器发送的第一触发信号的周期。

其中，上述第一脉冲电压可以为正电压反相脉冲，或者为负电压正相脉冲；上述第二脉冲电压可以为正电压反相脉冲，或者为负电压正相脉冲。

上述方法实施例中，离子在第一脉冲电源的控制下实现脉冲化，当需要的离子脉冲宽度较宽时，可以通过调节第一脉冲电压的脉冲宽度和第二脉冲电压的脉冲宽度实现离子脉冲宽度可调，在延时发生器和第二脉冲电源的控制下能实现离子种类选择，并且较现有技术更加简单。

当需要的离子脉冲宽度较窄时，通过控调节延时发生器发送的第一触发信号与第二触发信号的时间差t_a+t_d，实现离子窄脉冲化。所述t_a为目标离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间，若目标离子为荷质比最小的离子，所述t_d满足：-（T-t_n-T_T1+t_a）<t_d<T_T1，否则，所述t_d满足：-（t_a-t_b-T_T1）<t_d<T_T1，所述T_T1为第一脉冲电压的脉冲宽度，所述t_b为荷质比小于目标离子的离子中，与目标离子的荷质比最接近的离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间，t_n为所有离子中荷质比最大的离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间，所述T为所述延时发生器发送的第一触发信号的周期。通过上述方法可以实现离子窄脉冲化，并且调节延时时间也可以实现离子脉冲宽度可调。

较佳的，上述确定目标离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间t_a，包括：

根据

确定目标离子从所述第一偏转板组到所述第二偏转板组的时间，m_a是所述目标离子质量、q_a是目标离子所带电荷量、V_a是加速电源在加速电极板上所加电压、Le是第一偏转板组到第二偏转板组的距离。

基于上述任意方法实施例，较佳的，所述第一脉冲电压的脉冲宽度小于|t_e-t_a|，所述t_e为与目标离子的荷质比最接近的离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间；

若所述目标离子为荷质比最大的离子，所述第二脉冲电压的脉冲宽度T_T2满足：如果t_d≥0，0<T_T2<T-(t_a+t_d)；如果t_d<0，-t_d<T_T2<T-(t_a+t_d)；所述T为所述延时发生器发送的触发信号的周期；

否则，所述第二脉冲电压的脉冲宽度T_T2满足：如果t_d≥0，0<T_T2<t_c-(t_a+t_d)；如果t_d<0，-t_d<T_T2<t_c-(t_a+t_d)；所述t_c为荷质比大于目标离子的离子中，与目标离子的荷质比最接近的离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间。

附图说明

图1为本发明实施例脉冲式离子源结构示意图；

图2a～图2b为本发明实施例偏转板组设置示意图；

图3为本发明实施例离子脉冲化第一个原理示意图；

图4a～图4b为本发明实施例中第二触发信号与第一触发信号的延迟时间示意图；

图5为本发明实施例离子透镜工作原理示意图；

图6为本发明实施例利用脉冲式离子源产生离子的方法流程图；

图7为本发明实施例离子脉冲化的第二个原理示意图；

图8a～图8e为本发明实施例确定第一脉冲电源脉冲宽度和第二脉冲电源的脉冲宽度的原理示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种脉冲式离子源、质谱仪及利用脉冲式离子源产生离子的方法，可实现离子种类选择，并且结构简单、工艺要求低、成本低廉。下面结合附图对本发明实施例作进一步说明。

本发明实施例提供了一种脉冲式离子源，如图1所示，该离子源包括：

由开有一孔的加速电极板1隔开的离子生成腔室2和离子处理腔室3；离子处理腔室3内设置有第一偏转板组4、第二偏转板组5、用于汇聚离子的至少一个离子透镜12、开有一孔的第一遮挡板6和开有一孔的第二遮挡板7；加速电极板1上的孔、第一遮挡板6的孔、第二遮挡板7的孔和上述用于汇聚离子的离子透镜12位于同一轴线上；第一偏转板组4位于加速电极板1与第一遮挡板6之间，在靠近加速电极板1的一侧沿上述轴线两侧相对分布；第二偏转板组5位于第一遮挡板6与第二遮挡板7之间，在靠近第一遮挡板6的一侧沿上述轴两侧相对分布；上述用于汇聚离子的离子透镜12位于加速电极板1与第一遮挡板6之间（离子透镜12可以位于加速电极板1与第一偏转板组4之间；或者位于第一偏转板组4与第一遮挡板6之间；图1所示的是以位于第一偏转板组4与第一遮挡板6之间为例）；第一偏转板组4与第一脉冲电源8连接，第二偏转板组5与第二脉冲电源9连接，加速电极板1与加速电源10连接；第一脉冲电源8和第二脉冲电源9分别与用于延时触发第一脉冲电源8和第二脉冲电源9的延时发生器11连接。

上述第一偏转板组4可以由两个第一偏转板构成，这两个第一偏转板在上述轴线两侧相对分布（可以对称分布，也可以非对称分布）。当然也可以由大于两个（最好是偶数个）的第一偏转板构成，分成两组在上述轴线两侧相对分布。上述第二偏转板组5可以由两个第二偏转板构成，这两个第二偏转板在上述轴线两侧相对分布（可以对称分布，也可以非对称分布）。当然也可以由大于两个（最好是偶数个）的第二偏转板构成，分成两组在上述轴线两侧相对分布。上述第二偏转板组5可以与第一偏转板组4有相同的设置，也可以为不同的设置。上述第一偏转板组4的具体结构可以是平面结构，也可以是曲面结构还可以是折面结构；上述第二偏转板组5的具体结构可以是平面结构，也可以是曲面结构，还可以是折面结构。本发明实施例以平面结构为例，偏转板组可以是平行设置（如图2a所示），也可以非平行设置（如图2b所示）。

较佳的，延时发生器11可以通过BNC接头、50欧姆阻抗匹配线分别与第一脉冲电源8、第二脉冲电源9相连接。

本发明实施例以第一偏转板组4（平面结构）沿上述轴线平行，对称分布为例。如图3所示，本发明实施例实现离子脉冲化的原理：

从离子生成腔室2飞出的目标离子，通过加速电极板1后，会产生沿轴向的初速度。因为放电产生的离子能量远远小于加速电极板1提供的能量，所以离子以较小的发散角沿轴向飞行。第一偏转板组4上被施加脉冲电压（例如正电压反相脉冲，或者负电压正相脉冲），当第一偏转板组4上施加的电压为高电压（正高压或者负高压），离子受到与轴向垂直的作用力，偏离原轨道，无法通过第一遮挡板6上的孔。当第一偏转板组4上施加的电压为零电压时，离子通过第一遮挡板6上的孔。

在第一遮挡板6上离子的偏离距离OP确定如下：

$\mathrm{OP}=\frac{1}{2}d+L\tan \mathrm{\&lambda;}=\frac{1}{2}(\frac{1}{2}+L)\frac{l}{d}\frac{V_D}{V_a}$

其中，d表示第一偏转板组4上下板之间的距离，λ表示离子偏转角，L表示第一偏转板组4到第一遮挡板6的距离，l表示第一偏转板组4的轴向长度，V_D表示第一偏转板组4上被施加的电压，V_a表示加速电极板1上被施加的电压。

从上式可以看出，离子在第一遮挡板6上的偏离距离与第一偏转板组4长度、第一遮挡板6的孔径、加速电源10在加速电极板1上施加的电压、第一偏转板组4被施加的电压有关，与离子质量和电荷数量无关；而当离子到达第一偏转板组4时，如果第一偏转板组4上施加的电压为零电位，则离子能顺利通过第一遮挡板6上的孔。所以，通过周期性的向第一偏转板组4上施加脉冲电压即可实现离子的脉冲化。通过调节第一偏转板组4上施加的电压脉冲宽度，使得离子的脉冲宽度可调。

一般脉冲电源带负载的能力有限，为使脉冲尽量窄，可以减少负载电容值。减少负载电容值的有效办法是在偏转板的长度一定的情况下减小工作面积（偏转板电容值与其截面积成正比）。

在实施时，可以根据脉冲电源的带负载能力来确定偏转板的尺寸。假设脉冲电源的带负载能力为C₀，脉冲偏转板轴向长度为l、与轴向垂直方向长度为h、及上下板的距离为d，应满足下式（8.854×10^-12×h×l）/d＜C₀。较佳的，h的取值应满足大于3倍离子束斑直径，以保证离子能够受到偏转电场的作用；d的取值应满足大于离子束斑直径，这样能够保证离子能通过偏转板；在保证离子在遮挡板上有足够的偏移距离的条件下，l取值应满足上述确定OP的公式。并且上述各个参数的取值受到腔体尺寸的限制。

本发明实施例实现离子种类选择的原理：

当离子经过第一组偏转板组4的孔后，这时离子的运动性能满足下面关系：

$\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2={\mathrm{qV}}_a$

离子飞行速度：

$v=\sqrt{\frac{2m{V}_a}{q}}$

离子从第一偏转板组4到第二偏转板组5的所用的时间：

$t=\frac{\mathrm{Le}}{v}=\frac{\mathrm{Le}}{\sqrt{\frac{2m{V}_a}{q}}}$

以上各式中m是离子质量、v是离子速度、q是离子所带电荷量、V_a是加速电源10在加速电极板上所加的电压、Le是第一偏转板组4到第二偏转板组5的距离，t是离子从第一偏转板组4到第二偏转板组5所用的时间、m/q为离子的质荷比。不同质荷比（或者说不同荷质比）的离子从第一偏转板组4到第二偏转板组5所用的时间不同，所以不同离子通过第二偏转板组5的时刻也不同。利用这个时间差，通过第一偏转板组4与第二偏转板组5组成的“离子门”，来实现离子种类选择。

第一偏转板组4上施加脉冲电压（例如正电压反向脉冲或者负电压正向脉冲），当第一偏转板组4上施加为高电压（正高压或者负高压）的时候，离子受到径向电场作用，运动方向改变，不能通过第一遮挡板6的孔；当第一偏转板组4上为零电压的时候，离子能通过该孔。这时离子成份并没有改变，依旧是包含各个分量成分。

离子经过第一个偏转板组4后，因不同离子荷质比不同，飞行速度不同，导致不同离子到第二偏转板组5的时间不同，这时通过控制第二偏转板组5上的电压可达到离子种类选择的功能。

控制前后偏转板的反转时间用延时发生器11实现，较佳的，可以利用精密延时发生器实现。偏转板上的电压则用脉冲电源实现。具体实现方式：

延时发生器11产生两个触发信号（一般为TTL信号），两个触发信号的相隔时间可以根据目标离子从第一偏转板组4到第二偏转板组5的时间来确定。由于延时发生器11分别和第一脉冲电源8、第二脉冲电源9相连接，所以当触发信号通过延时发生器11到达脉冲电源，脉冲电源会产生相应的脉冲电压。在这里脉冲电压的脉冲宽度可以根据需要进行调节，通过调节脉冲电压的脉冲宽度实现离子脉冲宽度可调。

上述脉冲电源施加在偏转板组上的电压与加速电源10在加速电极板1上施加的电压有关，施加的电压越大，离子飞行速度越快，则需要的偏转电压也就越大，目前此处电压的量级为20V以上，加速电压在1kv以上。

因为离子由第一偏转板组4到第二偏转板组5的时间只随加速电极板1上施加的电压改变，一旦加速电极板1被施加的电压确定，离子从第一偏转板组4到第二偏转板组5的时间也就可以确定。所以通过调节两个触发信号的延时时间就可以实现两个偏转板组上施加脉冲的控制。

如果实际应用所需的离子脉冲宽度较宽时，通过调节第一脉冲电源8产生的第一脉冲电压的脉冲宽度和第二脉冲电源9产生的第二脉冲电压的脉冲宽度即可实现所需的脉冲宽度，但是所需的离子脉宽度较窄时，两个脉冲电源产生的脉冲电压的脉冲宽度已无法满足更窄的离子脉冲宽度的需求，那么可以通过调节上述延时发生器11对两个脉冲电源触发脉冲信号的时间差来实现离子脉冲可调，具体实现方式：

在延时发生器11向第一脉冲电源8发送第一触发信号后，经过时间t_a+t_d（t_a为目标离子从第一偏转板组4到第二偏转板组5的时间，若目标离子为荷质比最小的离子，所述t_d满足：-（T-t_n-T_T1+t_a）<t_d<T_T1，如图4a所示，否则，所述t_d满足：-（t_a-t_b-T_T1）<t_d<T_T1，如图4b所示，所述T_T1为第一脉冲电压的脉冲宽度，所述t_b为荷质比小于目标离子的离子中，与目标离子的荷质比最接近的离子从第一偏转板组4到第二偏转板组5的时间，所述t_n为所有离子中荷质比最大的离子从第一偏转板组4到第二偏转板组5的时间，所述T为所述延时发生器11发送的第一触发信号的周期），通过上述延时发生器11向第二脉冲电源9发送第二触发信号，该第二触发信号用于触发第二脉冲电源9向第二偏转板组5施加第二脉冲电压，使得所述目标离子在第二脉冲电压的脉冲宽度内通过第二遮挡板5的孔。

其中，目标离子为荷质比最小的离子，那么第二触发信号可以早于第一触发信号发送，但不得早于荷质比最大的离子在第一触发信号的上一周期中通过第二偏转板组5的时间，因此，延迟时间的取值范围如图4a所示。如果目标离子不是荷质比最小的离子，为保证目标离子能够通过第二偏转板组5，第二触发信号的发送时间不得晚于目标离子通过第二偏转板组5的时间，因此，延迟时间的取值范围如图4b所示。

通过调节延迟时间t_a+t_d（由于目标离子从第一偏转板组4到第二偏转板组5的时间t_a是固定的，所以调节延迟时间也就是调节时间t_d），对目标离子的脉冲宽度进行调节，实现离子脉宽可调。

上述脉冲式离子源使离子在经过加速电极板1后产生较大的能量，又因为离子刚刚通过阳极板上的孔，所以束斑直径很小，当离子通过第一偏转板组4，在第一脉冲电源8的控制下，离子实现脉冲化。由于离子荷质比的不同，而使得离子从第一偏转板组4到第二偏转板组5的时间不同，所以当离子通过第二偏转板组5时，在第二脉冲电源9的控制下，只有目标离子能够通过第二遮挡板7上的孔，从而实现离子种类选择，并且该离子源具有结构简单、加工工艺简单的特点。由于离子在上述实现离子脉冲化和后期进行成分选择时都需要飞行很长的距离，所以离子透镜12对长时间的飞行的离子起到聚拢的作用，防止离子发散损失。

其中，上述用于汇聚离子的至少一个离子透镜12为磁透镜和/或静电透镜（例如单透镜），具体种类不作限定，只要能够进行离子汇聚的离子透镜均可以应用于本发明。

这里以单透镜为例，如图5所示，单透镜由三个相互绝缘的筒状电极构成；较佳的，三个筒状电极之间可以利用陶瓷绝缘。

若目标离子为负离子，则中间位置的筒状电极与提供负高压的电源连接，另外两个筒状电极接地；若目标离子为正离子，则中间位置的筒状电极与正高压相连接，另外两个筒状电极接地。

在实施过程中，上述用于汇聚离子的离子透镜12上的电压可以根据加速电极板1上所加电压来进行设置。例如，当加速电极板1上的电压设置为10kv，离子透镜12的电压（当离子为阴离子，离子透镜12的电压为负高压，若离子为阳离子，离子透镜12的电压为正高压）可在2kv-9kv范围内进行调节来确定最佳值；当加速电极板1上的电压是20kv时，上述用于汇聚离子的离子透镜12的电压可以在2kv～18kv范围内进行调节来确定最佳值。

因为在离子源中离子飞行距离较长，即使较小的原始发散角也能产生较大的离子发散。当带有一定发散角度的离子进入离子透镜12后会产生向中心轴线汇聚的作用力，使发散的离子汇聚。所以通过调节离子透镜12上的电压能对长时间飞行的离子起到聚拢作用，用来防止离子损失，增加离子源亮度。

上述加速电极板1与上述离子透镜12相互配合可在不影响传输效率的情况下改变离子的能量，从而实现离子能量的调节。

基于上述任意离子源实施例，较佳的，上述离子生成腔室2内设置有：

靠近加速电极板1的阳极板，该阳极板开有一孔径小于0.5mm的孔；位于阳极板不与加速电极板1相对的一侧的中间电极；该中间电极为中空结构，在与阳极板相对的一端设置有锥形口；位于中间电极的中空结构内的阴极；该阴极为设置有入射口和出射口的中空结构；阴极的入射口、阴极的出射口和阳极板的开口位于上述轴线上。

上述离子生成腔室3用于产生初始离子束，可以作为初始离子源。但凡能用于二次质谱的离子源都可以作为本发明的初始离子源，为本发明提供离子束，例如：气体放电离子源、表面电离源、液态金属场离子发射源和多原子离子源等等。

上述阳极板与加速电极板1之间存在有加速电场，加速电场对离子有抽取的作用。较佳的，将上述加速电极板1的通孔可以设置为锥形口，更有利于离子束的提取。

加速电场的产生是通过加速电源10向加速电极板1施加加速电压，并且加速电压一般设置大于1kv，最大可以设置为几十甚至上百kv，用来增加离子的轴向速度，因为离子生成腔体2内飞行路径较长，较大的轴向速度可以减少离子的发散。

上述阳极板孔径的设置小于0.5mm可以做差极真空，差极真空可保障离子在空心阴极中电离需要的分子浓度，也可保障离子在通过阳极板之后飞行需要的高真空度。并且差极真空会使低真空度腔体中离子涌向高真空度腔体，这样有利于更多的离子通过阳极小孔而进入后一级，从而提高离子抽出率。

基于上述任意离子源实施例，较佳的，上述第一偏转板组4和上述第二偏转板组5以及上述用于汇聚离子的离子透镜12通过绝缘部件固定在所述离子处理腔室3的内壁上。

本发明实施例还提供一种脉冲式离子质谱仪，包括上述实施例的脉冲式离子源。

该离子质谱仪能够实现提取目标离子的功能，并且较现有技术结构简单、加工工艺简单。

本发明实施例还提供利用上述脉冲式离子源生成离子的方法，如图6所示，该方法包括：

S1：确定第一脉冲电源8产生的第一脉冲电压的脉冲宽度，第二脉冲电源9产生的第二脉冲电压的脉冲宽度和目标离子从第一偏转板组4到第二偏转板组5的时间t_a；

S2：通过初始离子源产生离子，并确定延时发生器11周期性向第一脉冲电源8发送第一触发信号，该第一触发信号用于触发第一脉冲电源8向第一偏转板组4施加第一脉冲电压，使得离子在第一脉冲电压的脉冲宽度内通过第一遮挡板6的孔；

S3：每次向第一脉冲电源8发送第一触发信号后，经过时间t_a+t_d，通过上述延时发生器11向第二脉冲电源9发送第二触发信号，该第二触发信号用于触发第二脉冲电源9向第二偏转板组5施加第二脉冲电压，使得所述目标离子在第二脉冲电压的脉冲宽度内通过第二遮挡板5的孔，若目标离子为荷质比最小的离子，所述t_d满足：-（T-t_n-T_T1+t_a）<t_d<T_T1，否则，所述t_d满足：-（t_a-t_b-T_T1）<t_d<T_T1，所述T_T1为第一脉冲电压的脉冲宽度，所述t_b为荷质比小于目标离子的离子中，与目标离子的荷质比最接近的离子从第一偏转板组4到第二偏转板组5的时间，所述t_n为所有离子中荷质比最大的离子从第一偏转板组4到第二偏转板组5的时间，所述T为所述延时发生器11发送的第一触发信号的周期。

延时发生器11周期性的向第一脉冲电源8发送第一触发信号，该第一触发信号触发第一脉冲电源8向第一个偏转板组4施加第一脉冲电压。当上述第一脉冲电压是零电位时，离子可以通过第一遮挡板6上的孔，通过的离子是直流离子并且包含所有离子成分。当上述第一脉冲电压是高电位V_D时，离子偏转到第一遮挡板6上无法通过第一遮挡板6上的孔。延时发生器11周期性向第一脉冲电源8发送第一触发信号，触发第一偏转板组4上周期性施加第一脉冲电压（如图7中图），可以实现离子的脉冲化，这时离子包含所有离子成分，如图7下图所示。

由于不同荷质比离子飞行速度不同，导致不同离子从第一偏转板组4到第二偏转板组5的时间不同。首先确定目标离子从第一偏转板组4到第二偏转板组5的时间t_a，当延时发生器11向第一脉冲电源8发送第一触发信号后，经过时间t_a+t_d，延时发生器11向第二脉冲电源9发送第二触发信号，该第二触发信号触发第二脉冲电源向第二偏转板组5施加第二脉冲电压，这时只有处于脉冲宽度内的目标离子能够通过第二偏转板组5上的孔。这样既实现了离子的窄脉冲化又实现了种类选择。

实施时，如果所需的离子脉冲宽度较宽时，则通过调节第一脉冲电压的脉冲宽度和第二脉冲电压的脉冲宽度即可得到所需的离子脉冲宽度，不需要通过第二触发信号相对于第一触发信号的延迟时间对离子脉冲宽度进行调节。那么，t_d可以不大于0，如果目标离子为荷质比最小的离子，那么t_d具体的取值范围是：-（T-t_n-T_T1+t_a）<t_d<0，否则，t_d具体的取值范围是：-（t_a-t_b-T_T1）<t_d<0，t_a表示目标离子a从第一偏转板组4到第二偏转板组5的时间，所述t_b为荷质比小于目标离子的离子中，与目标离子的荷质比最接近的离子从第一偏转板组4到第二偏转板组5的时间，t_n为所有离子中荷质比最大的离子从第一偏转板组4到第二偏转板组5的时间，所述T为所述延时发生器11发送的第一触发信号的周期。相应的，在满足上述t_d取值范围的基础上，通过调节第一脉冲电压的脉冲宽度和第二脉冲电压的脉冲宽度即可得到所需的离子脉冲宽度。

如果所需的离子脉冲宽度较窄时，通过调节上述两个脉冲电压的脉冲宽度已不可能实现，则可以通过调节延时发生器11的延时时间，实现离子窄脉冲化并实现离子脉冲可调。一种情况是只通过延时发生器11向第二脉冲电源9延迟发送触发信号的时间来调节，那么只需保证t_d不小于0，具体取值范围为：0<t_d<T_T1，所述T_T1为第一脉冲电源的脉冲宽度，则通过调节延时时间t_d，即可实现离子脉冲宽度可调。另一种情况是通过延时发生器11向第二脉冲电源9延迟发送触发信号的时间和第二脉冲电压的脉冲宽度共同实现，那么t_d可以小于0，也就是在目标离子到达第二偏转板组5之前，触发延时发生器11发送第二触发信号，只需保证第二脉冲电源9的脉冲宽度截止的时刻晚于目标离子到达第二偏转板组5的时刻。

其中，上述第一脉冲电压可以为正电压反相脉冲，或者为负电压正相脉冲；上述第二脉冲电压可以为正电压反相脉冲，或者为负电压正相脉冲。

在上述任意方法实施例的基础上，较佳的，所述确定目标离子从第一偏转板组4到第二偏转板组5的时间t_a，包括：

根据

确定目标离子从所述第一偏转板组4到所述第二偏转板组5的时间，m_a是所述目标离子质量、q_a是目标离子所带电荷量、V_a是加速电场电压、Le是两个偏转板的距离。

由于不同荷质比的离子由第一偏转板组4到第二偏转板组5的时间不同，为了能够使离子按照不同种类完全分离，上述第一脉冲电压的脉冲宽度和第二脉冲电压的脉冲宽度需要满足：所述第一脉冲电压的脉冲宽度T_T1小于|t_e-t_a|，所述t_e为与目标离子的荷质比最接近的离子e从第一偏转板组4到第二偏转板组5的时间，如图8a所示；

若所述目标离子为荷质比最大的离子，所述第二脉冲电压的脉冲宽度T_T2满足：如果t_d≥0，0<T_T2<T-(t_a+t_d)，所述T为所述延时发生器发送的第一触发信号的周期。如图8b上图所示（图中a表示目标离子，b表示荷质比小于目标离子的离子中，与目标离子的荷质比最接近的离子，f表示经过第一偏转板组4后形成的包含所有离子的离子脉冲），当离子脉冲f通过第一偏转板组4后，在第二偏转板组5上施加如图8b中图所示的脉冲电压，则滤去了非目标离子，并且目标离子的脉冲宽度被窄化，形成的离子束如图8b下图所示。如果t_d<0，那么第二脉冲电压的脉冲宽度只需满足：-t_d<T_T2<T-(t_a+t_d)，所述T为所述延时发生器发送的第一触发信号的周期。如图8c上图所示，当离子束f通过第一偏转板组4后，在第二偏转板组5上施加如图8c中图所示的电压，则滤去了非目标离子，形成的离子脉冲如图8c下图所示（图中b表示荷质比小于目标离子的离子中，与目标离子的荷质比最接近的离子，f表示经过第一偏转板组4后形成的包含所有离子的离子束）；

否则，如果t_d≥0，所述第二脉冲电压的脉冲宽度满足：0<T_T2<t_c-(t_a+t_d)，如图8d所示（图中b表示荷质比小于目标离子的离子中，与目标离子的荷质比最接近的离子，c表示荷质比大于目标离子的离子中，与目标离子的荷质比最接近的离子，f表示经过第一偏转板组4后形成的包含所有离子的离子束）；如果t_d<0，-t_d<T_T2<t_c-(t_a+t_d)，如图8e所示（图中a表示目标离子，b表示荷质比小于目标离子的离子中，与目标离子的荷质比最接近的离子，c表示荷质比大于目标离子的离子中，与目标离子的荷质比最接近的离子，f表示经过第一偏转板组4后形成的包含所有离子的离子脉冲）；所述t_c为荷质比大于目标离子的离子中，与目标离子的荷质比最接近的离子从第一偏转板组4到第二偏转板组5的时间。

上述对于第二脉冲电压的脉冲宽度以及延迟发生器11的延时时间的确定，不存在先后顺序。例如先确定延迟时间，则可以根据延迟时间确定第二脉冲电压的脉冲宽度，如果先确定了第二脉冲电压的脉冲宽度，则可以确定第二脉冲电压的脉冲宽度确定延时发生器11的延迟时间。

上述离子源及方法不仅适用于TOF—SIMS，只要是脉冲式离子源均可以采用本发明实施例提供的结构。

将上述脉冲式离子源、质谱仪或者方法应用到TOF-SIMS中：不仅能实现离子种类的分离，还可以增加TOF-SIMS垂直分辨率和减少样品损耗，提升仪器整体性能。因为当前电子技术的限制，高速高压脉冲电源向下脉宽在降低到一定程度后，一般很难实现平稳的零电平。TOF-SIMS为实现较高的垂直分辨率，减少样品损耗，必须保证脉冲尽可能窄。本发明实施例中，利用第一脉冲电压和第二脉冲电压的脉冲宽度调节实现离子脉冲宽度的调节。当所需的脉冲较窄，难以通过第一脉冲电压和第二脉冲电压的脉冲宽度的调节实现时，可以采用调节第一触发信号和第二触发信号的延迟时间的方式实现。这样能形成更窄的脉冲离子流，可以增加TOF-SIMS垂直分辨率和减少样品损耗，提升仪器整体性能。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种脉冲式离子源，其特征在于，包括：

由开有一孔的加速电极板隔开的离子生成腔室和离子处理腔室；

所述离子处理腔室内设置有第一偏转板组、第二偏转板组、用于汇聚离子的至少一个离子透镜、开有一孔的第一遮挡板和开有一孔的第二遮挡板；

所述加速电极板上的孔、所述第一遮挡板的孔、所述第二遮挡板的孔和所述用于汇聚离子的离子透镜位于同一轴线上；

所述第一偏转板组位于所述加速电极板与所述第一遮挡板之间，在靠近所述加速电极板的一侧沿所述轴线两侧相对分布；

所述第二偏转板组位于所述第一遮挡板与所述第二遮挡板之间，在靠近所述第一遮挡板的一侧沿所述轴线两侧相对分布；

所述用于汇聚离子的离子透镜位于所述加速电极板与所述第一遮挡板之间；

所述第一偏转板组与第一脉冲电源连接，所述第二偏转板组与第二脉冲电源连接，所述加速电极板与加速电源连接；

所述第一脉冲电源和所述第二脉冲电源分别与用于延时触发第一脉冲电源和第二脉冲电源的延时发生器连接。

2.如权利要求1所述的脉冲式离子源，其特征在于，所述用于汇聚离子的离子透镜位于所述加速电极板和所述第一偏转板组之间；或者，

所述用于汇聚离子的离子透镜位于所述第一偏转板组和所述第一遮挡板之间。

3.如权利要求2所述的脉冲式离子源，其特征在于，所述用于汇聚离子束的至少一个离子透镜为单透镜。

4.如权利要求1所述的脉冲式离子源，其特征在于，所述第一偏转板组的结构为平面结构或者曲面结构或者折面结构；

所述第二偏转板组的结构为平面结构或者曲面结构或者折面结构。

5.如权利要求1～4任一项所述的脉冲式离子源，其特征在于，所述离子生成腔室内设置有：

靠近所述加速电极板的阳极板，所述阳极板开有一孔径小于0.5mm的孔；

位于所述阳极板不与所述加速电极板相对的一侧的中间电极；

所述中间电极为中空结构，在与所述阳极板相对的一端设置有锥形口；

位于所述中间电极的中空结构内的阴极；

所述阴极为设置有入射口和出射口的中空结构；

所述阴极的入射口、所述阴极的出射口和所述阳极板的开口位于所述轴线上。

6.一种离子质谱仪，其特征在于，包括如权利要求1～5任一项所述的脉冲式离子源。

7.一种利用权利要求1～5任一项所述的脉冲式离子源产生离子的方法，其特征在于，包括：

确定第一脉冲电源产生的第一脉冲电压的脉冲宽度、第二脉冲电源产生的第二脉冲电压的的脉冲宽度和目标离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间t_a；

通过离子生成腔室产生离子，并通过延时发生器周期性向第一脉冲电源发送第一触发信号，所述第一触发信号用于触发所述第一脉冲电源向第一偏转板组施加第一脉冲电压，使得离子在所述第一脉冲电压的脉冲宽度内通过第一遮挡板的孔；

每次向所述第一脉冲电源发送第一触发信号后，经过时间t_a+t_d，通过所述延时发生器向第二脉冲电源发送第二触发信号，所述第二触发信号用于触发所述第二脉冲电源向第二偏转板组施加第二脉冲电压，使得所述目标离子在所述第二脉冲电压的脉冲宽度内通过第二遮挡板的孔；若目标离子为荷质比最小的离子，所述t_d满足：-（T-t_n-T_T1+t_a）<t_d<T_T1，否则，所述t_d满足：-（t_a-t_b-T_T1）<t_d<T_T1，所述T_T1为第一脉冲电压的脉冲宽度，所述t_b为荷质比小于目标离子的离子中，与目标离子的荷质比最接近的离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间，所述t_n为所有离子中荷质比最大的离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间，所述T为所述延时发生器发送的第一触发信号的周期。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一脉冲电压为正电压反相脉冲，或者为负电压正相脉冲；

所述第二脉冲电压为正电压反相脉冲，或者为负电压正相脉冲。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述确定目标离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间t_a，包括：

根据

确定目标离子从所述第一偏转板组到所述第二偏转板组的时间，m_a是所述目标离子质量、q_a是目标离子所带电荷量、V_a是加速电源在加速电极板上所加电压、Le是第一偏转板组到第二偏转板组的距离。

10.如权利要求7～9任一项所述的方法，其特征在于，

所述第一脉冲电压的脉冲宽度小于|t_e-t_a|，所述t_e为与目标离子的荷质比最接近的离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间；

若所述目标离子为荷质比最大的离子，所述第二脉冲电压的脉冲宽度T_T2满足：如果t_d≥0，0<T_T2<T-(t_a+t_d)；如果t_d<0，-t_d<T_T2<T-(t_a+t_d)；所述T为所述延时发生器发送的第一触发信号的周期；

否则，所述第二脉冲电压的脉冲宽度T_T2满足：如果t_d≥0，0<T_T2<t_c-(t_a+t_d)；如果t_d<0，-t_d<T_T2<t_c-(t_a+t_d)；所述t_c为荷质比大于目标离子的离子中，与目标离子的荷质比最接近的离子从第一偏转板组到第二偏转板组的时间。

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