CN103560070A - 离子光学装置、离子源及利用离子源产生目标离子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子光学装置、离子源及利用离子源产生目标离子的方法。该离子光学装置包括：腔体、设置在腔体内的加速电极、离子透镜组、质量筛选器和开有一孔的挡板。离子透镜组包括至少两个同轴且相对位置固定的单透镜；加速电极在腔体的一个开口处，为中空锥形结构，其锥形尖口朝外且在离子透镜组的轴线上；质量筛选器靠近腔体的另一个开口，其由沿离子透镜组的轴线平行对称设置的一对导磁结构和沿所述轴线平行对称设置的一对电极构成；导磁结构之间的平行均匀磁场、电极产生的平行均匀电场和所述轴线之间两两垂直；挡板在腔体的另一个开口处，挡板上的孔在离子透镜组的轴线上。本发明可实现离子束斑直径连续可调且同时具有离子筛选功能。

Description

离子光学装置、离子源及利用离子源产生目标离子的方法

技术领域

本发明涉及离子质谱分析技术领域，尤其涉及一种离子光学装置、离子源及利用离子源产生目标离子的方法。

背景技术

质谱仪是一种可以用于分析多种样品中各种化学成分及其含量的科学仪器，被广泛应用于地学、医疗卫生、环境保护、食品安全等各个领域。在常用的各种质谱仪仪器中，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。

一次离子束经过一次离子光学系统后轰击样品表面，产生二次离子。二次离子束经过二次离子光学系统后进入质量分析器，按荷质比大小不同实现质量分离，从而可得知样品表面和样品一定深度的元素分布和组成。在SIMS分析过程中，被检测的离子是由一次离子源产生的一次离子束轰击溅射样品表面所产生的溅射碎片离子，因此一次离子束是产生二次离子的工具。一次离子束的性能和质量将直接影响SIMS的分析结果。

在二次离子质谱中，使用一次离子束轰击样品产生二次离子之前，需要对样品表面进行“清洗”，除去粘附在样品表面的镀层及包裹体，提高样品分析的准确性，为了减小对样品的损耗，特别针对于宇宙样品及地球化学珍贵样品，在一次离子束强度保持不变时，要求增大用于清洗样品的一次离子束束斑。用于二次离子提取时，小束斑一次离子束可以提高二次离子质谱的横向分辨率，特别对于离子探针模式的二次离子质谱仪，其横向分辨率完全由一次束束斑的直径所决定。用于轰击样品的一次离子束是从一次离子源中引出的，从离子源中引出的一次离子束并不只包含单一种类的离子，除了目标一次离子外，还有和目标一次离子相同极性的其他离子。这些离子由于荷质比的不同，导致产生的二次离子初动能也各不一样，这样就会影响二次离子的提取。

二次离子质谱仪中一次离子束的束斑需要调节（高离子流密度的小束斑离子束可以做空间分辨率更高的微区分析，而低离子流密度的大束斑离子可以用于“清洗”样品表面，剥去镀层及包裹体），但是采用单透镜调节固定轴线上某点处束斑，其聚焦位置一定也发生变化。这在包含有多个离子光学部件的复杂系统中是一件比较麻烦的事情，常常改动其中一个透镜的聚焦位置，会带来后面部件的变动，并且最终实现离子束斑的有效调节也较为困难。

针对于二次离子质谱的上述要求，需要一种离子束束斑直径可调的，并且具有离子筛选功能的离子源，提供用于轰击样品，产生二次离子的一次离子束。

发明内容

本发明实施例提供了一种离子光学装置、离子源及利用离子源产生目标离子的方法，可实现离子聚焦位置不变的情况下束斑直径连续可调，同时具有离子筛选功能。

本发明实施例提供了一种离子光学装置，该装置包括：

腔体、设置在该腔体内的加速电极、离子透镜组、质量筛选器和开有一孔的挡板；

离子透镜组包括至少两个同轴且相对位置固定的单透镜；

加速电极在腔体的一个开口处，为中空锥形结构，其锥形尖口朝外且在离子透镜组的轴线上；

该质量筛选器靠近腔体的另一个开口，其由沿离子透镜组的轴线平行对称设置的一对导磁结构，和沿该轴线平行对称设置的一对产生平行均匀电场的电极构成；该导磁结构之间的平行均匀磁场、该电极产生的平行均匀电场和上述轴线之间两两垂直，且所述平行均匀磁场和平行均匀电场在轴线方向的长度相等；

挡板在腔体的另一个开口处，挡板上的孔在所述离子透镜组的轴线上。

上述离子光学装置，离子透镜组可以对离子束进行聚焦，并且可在不改变离子束焦点位置的情况下，实现离子束斑直径连续可调，同时使用质量筛选器，实现了对目标离子进行筛选，并且通过调节加速电压，可以调节离子束的能量。

其中，上述质量筛选器的一对电极对称供电，其形状为板状矩形结构，每个电极的宽度大于这两个电极之间的距离的1.5倍。

较佳的，上述导磁结构的设置方式可以为以下两种，但不仅限于以下两种。

第一种设置方式：一对导磁结构为柱状结构，柱状结构相对的端面为相互平行的矩形面，另一端面分别与设置在腔体外的电磁铁相对。

第二种设置方式：一对导磁结构为设置在所述腔体外的电磁铁伸入所述腔体内的部分，一对导磁结构相对的端面为相互平行的矩形面。

基于上述任意离子光学装置实施例，较佳的，所述离子光学装置，还可以包括：位于所述加速电极与离子透镜组之间垂直分布的两个偏转板组，每个偏转板由在上述轴线两侧平行对称分布、且对称供电的两个矩形偏转板组成，每个偏转板组中每个偏转板的宽度大于这两个偏转板之间的距离的1.5倍，所述偏转板的宽度为偏转板在与轴线垂直方向的尺寸。

在工程应用中，很难保证离子透镜组与加速电极共轴，上述方法采用偏转板组修正的方法保证在不完全同轴的情况下使离子能改变运动方向，使离子在通过偏转板组后，沿离子透镜组的轴线飞行。

基于上述任意装置实施例，较佳的，上述挡板上的孔半径R应满足：

$R<\left|\frac{(U2-\mathrm{BD}\sqrt{\frac{2Q1U1}{M1}})(L^2+2\mathrm{lL})}{4\mathrm{DU}1}\right|-\frac{d}{2}$

所述U1为加速电压，所述U2为所述质量筛选器两平行电极之间的电位差，D为所述质量筛选器两平行电极之间的距离，B为上述平行均匀磁场的磁场强度，L为上述平行均匀磁场与上述平行均匀电场在轴线方向的长度，l为所述质量筛选器的平行电极与挡板之间的距离，所述Q1为与目标离子的荷质比最接近的离子的电荷量，所述M1为与目标离子的荷质比最接近的离子的质量，所述d为挡板处离子束斑直径。

上述挡板上的孔的设置，可以保证只有目标离子能够通过挡板上的孔，其余离子无法通过。

本发明实施例还提供了一种离子源，该离子源包括：

设有一出射孔的初始离子源和上述任意实施例所述的离子光学装置；

所述初始离子源的出射孔与加速电极的锥形尖口相对。

上述离子源利用上述离子透镜组，可以对利用加速电极由初始离子源引出的离子束进行聚焦，并且可实现离子束斑直径连续可调（调节过程中离子透镜组的焦点位置不变），同时使用质量筛选器，实现了对目标离子进行筛选。并且通过调节加速电压，可以调节离子束的能量

本发明实施例还提供了一种利用上述离子源产生目标离子的方法，该方法包括：

根据目标离子的荷质比及与目标离子荷质比最接近的离子的荷质比，确定质量筛选器的一对电极所需的电位差和所需的一对导磁结构之间的平行均匀磁场强度，并根据确定的电位差向质量筛选器的一对电极施加电压，根据确定的磁场强度向所述质量筛选器施加产生在一对导磁结构之间的平行均匀磁场所需的励磁电流；

根据目标离子的束斑直径及需要的聚焦位置，确定所述离子透镜组所需的电压，并对离子透镜组构施加所需电压；

触发上述初始离子源产生离子束。

如果希望利用上述离子源实现不同种类目标离子的选择，不需要改变离子源的结构。可以首先确定励磁电流的大小，从而确定磁场强度，在磁场强度固定的前提下，采用上述方法，通过调节质量筛选器的一对电极之间施加的电位差，使得可以选择不同种类的目标离子通过质量筛选器。如果在所需选择的目标离子与非目标离子的荷质比相对接近时，则需要更高的分辨率来对离子进行筛选，这时，可以通过增大磁场强度（改变在导磁结构之间形成平行均匀磁场所需的励磁电流，从而可以改变磁场强度）筛选出目标离子。

上述方法通过调节离子透镜组上的电压，可在不改变离子聚焦位置的情况下，实现离子束斑直径连续可调，利用质量筛选器确定的电场强度和磁场强度，滤除离子束中的非目标离子，筛选出高纯度的目标离子束。

较佳的，根据目标离子的荷质比及与目标离子荷质比最接近的离子的荷质比，确定上述质量筛选器的一对电极所需的电位差和上述质量筛选器的所需的一对导磁结构之间的平行均匀磁场强度，包括：

根据目标离子的荷质比、与目标离子荷质比最接近的离子的荷质比、加速电压、上述一对电极之间的距离，确定质量筛选器的一对电极所需的电位差。

根据目标离子的荷质比、与目标离子荷质比最接近的离子的荷质比、加速电压、上述一对电极之间的电位差、上述一对导磁结构之间的距离，确定所述质量筛选器的所需的一对导磁结构之间的平行均匀磁场强度。

其中，上述挡板上的孔半径R满足：

$R<\left|\frac{(U2-\mathrm{BD}\sqrt{\frac{2Q1U1}{M1}})(L^2+2\mathrm{lL})}{4\mathrm{DU}1}\right|-\frac{d}{2}$

所述U1为加速电压，所述U2为所述质量筛选器两平行电极之间的电位差，D为所述质量筛选器两平行电极之间的距离，B为上述平行均匀磁场的磁场强度，L为上述平行均匀磁场与上述平行均匀电场在轴线方向的长度，l为质量筛选器的平行电极与挡板之间的距离，所述Q1为与目标离子的荷质比最接近的离子的电荷量，所述M1为与目标离子的荷质比最接近的离子的质量，所述d为挡板处离子束斑直径。

附图说明

图1为本发明实施例离子光学装置的结构示意图；

图2a为本发明实施例离子透镜的结构和聚焦示意图；

图2b为本发明实施例离子透镜组的结构和聚焦示意图；

图3a为本发明实施例一个单透镜的等效光学表示示意图；

图3b为本发明实施例两个单透镜的等效光学表示示意图；

图4a为本发明实施例中偏转板组采用对称供电的离子束电位线的示意图；

图4b为本发明实施例中偏转班组采用非对称供电的离子束电位线的示意图；

图5为本发明实施例中一种离子源的结构示意图；

图6为本发明实施例中另一种离子源的结构示意图；

图7为本发明实施例利用离子源产生目标离子的方法流程图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种离子光学装置、离子源及利用离子源产生目标离子的方法，用以实现离子聚焦位置不变情况下束斑直径连续可调，同时可以对离子进行筛选。

下面结合附图对本发明实施例做进一步说明。

本发明实施例提供了一种离子光学装置，如图1所示，该装置包括：

腔体103、设置在该腔体103内加速电极、离子透镜组101和质量筛选器102和开有一孔的挡板105。

离子透镜组101包括至少两个同轴且相对位置固定的单透镜；

该加速电极在腔体103的一个开口处，为中空锥形结构，其锥形尖口朝外且在离子透镜组101的轴线上；

较佳的，该加速电极104的尖口设置为圆形，内径满足：0.2mm≤r≤20mm。

从安全方面考虑，上述腔体103应接地。

上述加速电极104可以设置为腔体103的侧壁，则该加速电极104上的电位为0。只能通过调节前一级部件的电位来调节加速电压，从而实现离子能量可调。当然加速电极104也可以单独作为一个部件，不作为腔体103的侧壁，则可直接调节加速电极104的电位，即调节加速电压，从而实现离子能量调节。

该质量筛选器102靠近腔体103的另一个开口，其由沿离子透镜组101的轴线平行对称设置的一对导磁结构，和沿该轴线平行对称设置的一对产生平行均匀电场的电极构成；该导磁结构之间的平行均匀磁场、该电极产生的平行均匀电场和上述轴线之间两两垂直，且所述平行均匀磁场和平行均匀电场在轴线方向的长度相等。

上述挡板105在腔体103的另一个开口处，该挡板105上的孔在离子透镜组101的轴线上。

上述离子光学装置，可以对离子束进行聚焦，并且可在不改变离子束的聚焦位置为情况下，实现离子束斑直径连续可调，也是对长时间飞行的离子起到汇聚的作用，同时使用质量筛选器102，实现了对目标离子进行筛选，并且通过调节加速电压，调节离子束的能量。

质量筛选器102是一种根据离子的荷质比的不同，对离子进行筛选的装置。质量筛选器102在一对平行的导磁结构之间形成一个平行的均匀磁场区域，同时使用一对平行电极形成一个平行的均匀电场区域，且电场方向、磁场方向和离子入射方向两两垂直。上述质量筛选器102的结构，可以使得目标离子通过挡板105上的孔，而其他类型的离子与腔体103内壁、质量筛选器102的平行电极或挡板105撞击损耗，不能通过挡板105上的孔。

质量筛选器102的平行均匀电场的电场强度和平行均匀磁场的磁场强度可以根据需要进行具体设置，只需保证目标离子所受电场力和磁场力的大小相等，方向相反即可。

较佳的，质量筛选器102的一对电极对称供电，其形状为板状矩形结构，每个电极的宽度大于这两个电极之间的距离的1.5倍。

导磁结构设置的方式可以是以下两种，但不仅限于以下两种。

第一种设置方式：一对导磁结构为柱状结构，柱状结构相对的端面为相互平行的矩形面，另一端面分别与设置在腔体103外的电磁铁相对。

第二种设置方式：一对导磁结构为设置在所述腔体103外的电磁铁伸入所述腔体103内的部分，一对导磁结构相对的端面为相互平行的矩形面。

上述离子透镜组101中的单透镜可以为三个内壁为圆筒的结构，对于近轴飞行的离子只有圆筒的内壁及端面起作用，而产生聚焦所需的电场，加工过程中应尽量保证内壁和端面的加工精度及表面粗糙度，外壁形状只要在不影响近轴区域电场分布的情况下并无特殊要求。

该单透镜也可以是三个同轴圆盘结构，圆盘中心设有圆孔，且圆孔位于同一轴线上，上述三个圆盘将空间分隔成两个区域，并在这两个区域内产生的是均匀电场。由于只有圆盘上的圆孔内壁及盘面用于产生聚焦所需的电场，所以在加工过程中应尽量保证圆孔内壁和盘面的加工精度及表面粗糙度。

当离子束沿离子透镜组101的轴线进入离子透镜组101，可通过调节单透镜的中间圆筒电极的电位或者调节两边圆筒电极的电位（本发明实施例以单透镜由三个圆筒电极构成为例），在不改变焦点的情况下改变离子束的放大倍数，如图2a中所示的α为使用单透镜聚焦后，离子束的发散角度。本发明实施例使用的离子透镜组是由两个单透镜成的，如图2b所示，β为使用本发明实施例离子透镜组聚焦后离子束的发散角度。第一个单透镜可以将离子束初步聚焦，第二个单透镜把从第一个离子中引出的离子束再次聚焦。

在现有技术中，采用的离子透镜为一个单透镜，如图3a所示，那么当焦点为轴线上固定的某一点时，其放大倍数

（其中u、v分别是单透镜物距和像距）是固定值，所以无法对离子束的束斑进行调节。若要实现放大倍数的调节，必须改变焦点的位置。由于离子光学装置中各个结构需要前后相互配合，那么如果焦点不固定，并实现放大倍数可调，会不利于单透镜11与前后级的结构的配合。

当采用本发明的离子透镜组（可以由两个或者两个以上的单透镜构成，本实施例以两个单透镜为例）时，两个单透镜（单透镜11和单透镜12）的相对位置如图3b所示。这时，可以通过前后两个单透镜的配合，使得在焦点固定的情况下，调节两个单透镜上的工作电压改变放大倍数，从而实现离子束斑直径的调节。放大倍数的范围是：

其中，u₁和v₁分别表示单透镜11的物距和像距；u₂和v₂分别表示单透镜12的物距和像距。

另外，离子在通过单透镜的过程中，会产生加速或者减速，为保证离子能够顺利通过该单透镜，电压调节范围应该满足以下条件：

假设加速电极的电位是V₀，离子能量是Q|V_a|（所述Q为离子带的电荷量，V_a为加速电压)。当离子为正离子，单透镜上的电位（不论是单透镜两侧电极还是中间电极）都不应高于V₀+|V_a|；当离子为负离子，单透镜上电位（不论两侧还是中间）都不应低于V₀-|V_a|。单透镜两端电极电位相同，中间的电极不论是大于或小于两端电极电位，其都起到汇聚的作用，因为两端电极电位相同，所以在离子通过单透镜后不改变离子的能量。

上述离子透镜组101不仅可以改变离子束斑直径，并且和单个离子透镜相比，在实现相同离子束斑直径大小的同时，可以减小离子束的发散角度，即β＜α。当离子束强度和束斑直径相同时，发散角度越小，离子束亮度越大，有利于提高二次离子质谱的灵敏度。

基于上述任意离子光学装置实施例，较佳的，所述离子光学装置，还可以包括：在所述加速电极104与离子透镜组101之间垂直分布的两个偏转板组、每个偏转板组由在上述轴线两侧平行对称分布、且对称供电的两个矩形偏转板构成，每个偏转板组中每个偏转板的宽度大于这两个偏转板之间的距离的1.5倍，该偏转板的宽度为偏转板在与轴线垂直方向的尺寸。

在工程应用中，很难保证该离子透镜组101与其前一级结构同轴。在这里，可能导致不同轴的因素有很多，例如：机械加工的精度，很难保证离子透镜组101中两端CF法兰（Conflat Flang）与上述轴线完全垂直；内部部件的装配固定，也很难保证该结构与上述轴线完全平行；另外，离子透镜组101的两端CF法兰是采用铜圈垫片和螺丝固定，因此，难以保障离子透镜组101与前一级结构完全同轴。

综上所述，这里采用偏转板组修正的方法可以保证在不完全同轴的情况下通过调节偏转板组上的电压使离子能改变运动方向，使离子在通过偏转板组后，沿离子透镜组的轴线飞行。

偏转板组结构采用相互平行的矩形，在平行矩形中间形成均匀电场，离子在均匀电场中可以保证处于不同位置的离子受到同样大小的偏转力的作用，可以防止离子束产生畸变。

下面以一对平行的偏转板为例，确定离子在经过该两个偏转板后的偏转角度为：

$\mathrm{\&lambda;}=\arctan \left(\frac{V_D\mathrm{len}}{{2\mathrm{dV}}_a}\right)$

公式中λ为离子出射方向与入射方向的夹角，也就是偏转板组对离子方向的改变量，V_D表示偏转板组的电压，V_a表示加速电压，len表示每个偏转板中沿轴向的长度、d表示两个偏转板之间的距离。

由式中可知，离子经过偏转板组后的偏转角的大小与偏转板组中偏转板的宽度（偏转板的宽度为偏转板在轴线垂直方向的尺寸）无关，但为保证偏转板组提供的是均匀电场需保证偏转板组在与轴线垂直方向是均匀分布。一般情况下，偏转板组其与轴线垂直方向的尺寸应大于两板距离d的1.5倍。

因为在偏转板边缘产生的电力线与在内部产生的电力线的不同，即在边缘产生的电力线不是严格垂直于两个平行偏转板板，而是向外弯曲，所以产生并不是严格意义上的匀强电场，离子在这里通过会产生畸变。那么将偏转板其与轴线垂直方向的长度设置为大于两板距离1.5×d，会使偏转板组的产生的电场力相对均匀，因此可以减小离子束发生畸变的可能。并且上述各个参数的取值受到腔体尺寸的限制。

上述偏转板组采用对称供电方式，即一块偏转板的电位设置为V₀+1/2V_D时，另一块偏转板的电压是V₀-1/2V_D，两个偏转板的电压差还是V_D，这样可以保证等电位线是对称的，如图4a所示，这样可以很大程度上消除非线性畸变。V_D的取值范围与离子能量有关。较佳的，V_D的取值范围是-250V至+250V，调节精度优于0.1V。

反之，如果不采用对称供电的方式，即只改变偏转板组一端的电压，而不改变另一端电压，这种离子束经过偏转板组偏转的等位线如图4b所示，通过这种不对称偏转电场，处于离子束的边缘部分的离子将会受到杂散场的影响显著，会引起束斑畸变，不利于后面对离子进行处理。

以上筛选离子实现的前提是磁场、电场沿轴线方向长度足够长，挡板105的小孔足够小，但实际工程过程中其受到磁场、电场在轴线方向的长度的限制，挡板105上小孔的半径也受到限制。

离子在通过质量筛选器102后的在挡板105上的偏移距离S为：

$S=\left|\frac{(U2-\mathrm{BD}\sqrt{\frac{2\mathrm{QU}1}{M}})(L^2+2\mathrm{lL})}{4\mathrm{DU}1}\right|$

其中，U1为加速电压，U2为质量筛选器102两平行电极之间的电位差，D为上述两个平行电极之间的距离，B为上述平行均匀磁场的磁场强度，L为上述平行均匀磁场与平行电极电极产生的电场在轴线方向的长度，l为平行电极与挡板105之间的距离，所述Q为离子的电荷量，所述M为离子的质量。

在上式中我们可以看到：L越长，其偏转距离也越大，这与常识相符。但当L固定后，挡板105的开孔半径R应该小于与目标离子荷质比最接近的离子在挡板105处该离子距离轴线的偏移距离，即：

$R<\left|\frac{(U2-\mathrm{BD}\sqrt{\frac{2Q1U1}{M1}})(L^2+2\mathrm{lL})}{4\mathrm{DU}1}\right|-\frac{d}{2}$

这样可以保证除目标离子外其他离子都不能通过挡板105的孔。

其中，U1为加速电压，U2为质量筛选器102两平行电极之间的电位差，D为上述两个平行电极之间的距离，B为上述平行均匀磁场的磁场强度，L为上述平行均匀磁场与平行电极产生的电场在轴线方向的长度，l为质量筛选器102平行电极与挡板105之间的距离，所述Q1为与目标离子荷质比最接近的离子的电荷量，所述M1为与目标离子荷质比最接近的离子的质量，所述d为挡板105处离子束斑直径。

本发明实施例还提供了一种离子源，如图5所示，该离子源包括：

设有一出射孔的初始离子源106和上述任意实施例所述的离子光学装置；

所述初始离子源106的出射孔与加速电极104的锥形尖口相对。较佳的，所述初始离子源106的轴线与所述腔室3的轴线重叠。

图5仅是一种离子源的示例。较佳的，如图6所示，所述离子源还可以包括偏转板组107。具体设置情况与上述对离子光学装置所述相同，具体不再赘述。

上述初始离子源106是用于产生离子束的装置，但凡是能用于二次离子质谱仪的一次离子源都可以作为本发明的初始离子源106，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。

加速电极104是用于从初始离子源106中引出离子束的装置，设置为中空锥形结构，这样能提高引出的初始离子束的强度和减小离子束的发散角度，只需要改变加速电压极性及大小，即可从初始离子源106中引出不同极性和能量的离子束。假设初始离子源106出射孔处的电势为0，当加速电极104的极性为负时，那么可以从初始离子源106中引出正离子束，当初始离子源106出射孔处的电势为0，加速电极104的极性为正时，那么加速电极104从初始离子源106中引出负离子束，也就是说当加速电压为负时，可以引出正离子，若加速电压为正，可以引出负离子。并且加速电压越大，从初始离子源106引出的离子束的能量也就越大，通过改变加速电压可以实现离子能量的调节。

以加速电极104从初始离子源106引出的负离子束为例，假设初始离子源106的出射孔处的电位为整个系统的零电位，离子质量为M，电荷量为Q,且离子的初动能为E，加速电极104的电势为正，大小为U1，根据公式：

可知，经过加速电极104加速后，离子的速度为

质量筛选器102两平行电极之间的电位差为U2，距离为D，平行均匀磁场的磁场强度为B，当离子经过质量筛选器102时，受到的电场力大小为

受到的磁场力大小为

且离子束刚进入质量筛选器102时，受到的电场力和磁场力方向相反。当离子受到的磁场力大于电场力，

即离子的荷质比

离子将会向下偏转，和平行电极、腔体103内壁或挡板105撞击损耗，不能通过挡板105上的孔；当离子受到的磁场力小于电场力，即离子的荷质比

离子将会向上偏转，同样和平行电极、腔体103内壁或挡板105撞击损耗，不能通过挡板105的孔。只有当离子受到的磁场力和电场力相等，即离子的荷质比

时，离子才能顺利通过挡板105的孔。

当为正离子时，初始离子源106出射孔处电位为系统的零电位，此时加速电极104的极性应为负，在质量筛选器102中，正离子受到的电场力和负离子受到的电场力相反，受到的磁场力和负离子受到的磁场力也相反，因此对于正离子，质量筛选器102同样有离子筛选功能。在操作过程中，质量筛选器102的两个电极上的电位差可以根据上述离子荷质比

进行设置（只需保证与目标离子荷质比最接近的离子不能通过挡板105的孔）。通过调节质量筛选器102一对电极之间的电位差与励磁电流，可精确控制质量筛选器102的电场强度和磁场强度，让特定荷质比的离子可以通过挡板105的孔，滤去不需要的离子，从而提高离子束的纯度。

如果希望利用上述离子光学装置实现不同种类目标离子的选择，不需要改变离子光学装置的结构。可以首先确定励磁电流的大小，从而确定磁场强度，在磁场强度固定的前提下，通过调节质量筛选器102一对电极上施加的电位差，使得可以选择不同种类的目标离子通过质量筛选器102。如果在所需选择的目标离子与非目标离子的荷质比相对接近时，则需要更高的分辨率来对离子进行筛选，这时，可以通过增大磁场强度（改变在导磁结构之间形成平行均匀磁场所需的励磁电流，从而可以改变磁场强度）筛选出目标离子。

质量筛选器102的电场强度和磁场强度的设置，只需保证目标离子所受电场力和磁场力的大小相等，方向相反即可。实施时，假设目标离子的质量为M，电荷量为Q，初始离子源106出射孔处设置为整个系统的零电位，加速电压设置为U1，质量筛选器102一对电极之间的电位差为U2，距离为D，导磁结构之间的平行均匀磁场的磁场强度为B，那么要保证目标离子所受电场力和磁场力大小相等，需满足

本发明实施例还提供了一种利用上述离子源产生目标离子的方法，如图7所示，该方法包括：

S1：根据目标离子的荷质比及与目标离子荷质比最接近的离子的荷质比，确定质量筛选器102的一对电极所需的电位差和所需的一对导磁结构之间的平行均匀磁场强度，并根据确定的电位差向质量筛选器102的一对电极施加电压，同时根据确定的磁场强度向质量筛选器102施加产生在一对导磁结构之间的平行均匀磁场所需的励磁电流；

S2：根据目标离子所要达到的束斑直径及需要的聚焦位置，确定所述离子透镜组101所需的电压，并对离子透镜组101施加所需电压；

S3：触发初始离子源106产生离子束。

如果希望利用上述离子源实现不同种类目标离子的选择，不需要改变离子源的结构。可以首先确定励磁电流的大小，从而确定磁场强度，在磁场强度固定的前提下，采用上述方法，通过调节质量筛选器102的一对电极施加的电位差，使得可以选择不同种类的目标离子通过质量筛选器102。如果在所需选择的目标离子与非目标离子的荷质比相对接近时，则需要更高的分辨率来对离子进行筛选，这时，可以通过增大磁场强度（改变在导磁结构之间形成平行均匀磁场所需的励磁电流，从而可以改变磁场强度）筛选出目标离子。

上述方法中通过调节离子透镜组101上的电压，可实现离子聚焦位置固定情况下束斑直径的连续可调，利用质量筛选器102确定的一对电极之间的电位差和在导磁结构之间形成平行均匀磁场所需的励磁电流，滤除离子束中的非目标离子，筛选出高纯度的目标离子束。

较佳的，根据目标离子的荷质比及与目标离子荷质比最接近的离子的荷质比，确定所述质量筛选器102的一对电极所需的电位差和所需的一对导磁结构之间的平行均匀磁场强度，包括：

根据目标离子的荷质比、与目标离子荷质比最接近的离子的荷质比、加速电压、一对电极之间的距离，确定质量筛选器102的一对电极所需的电位差。

根据目标离子的荷质比、与目标离子荷质比最接近的离子的荷质比、加速电压、一对电极的电位差，确定质量筛选器102的所需的一对导磁结构之间的平行均匀磁场强度。

初始离子源106产生的离子由加速电极104引出，形成连续离子束。离子束在初始离子源106的近轴区域，且沿离子源轴线方向飞向离子透镜组101。分别保持离子透镜组101中两个离子透镜两侧电极的电位不变，通过调节两个中间圆筒电极的电势，可以实现在不改变聚焦位置的情况下改变离子透镜组的放大倍数，实现束斑直径的连续可调且聚焦位置不变。通过调节质量筛选器102两平行电极之间的电位差和在导磁结构之间形成平行均匀磁场所需的励磁电流，精确控制电场强度和磁场强度。目标离子束受到的电场力和磁场力大小相等，方向相反，将继续沿轴线方向运动，最终从挡板105的孔引出，非目标离子束由于荷质比和目标离子束不同，因此受到的电场力和磁场力大小不相等，将改变飞行路径，打到质量筛选器102的两平行电极上、腔体103内壁上或挡板105上损耗。最终从离子源中引出的为束斑直径可调且发散角度小的高纯度离子束。

上述方法还可以通过调节偏转板组106上的施加电压，保证离子在经过加速电极时加速，经过偏转板组106后沿离子透镜组101的轴线飞行。

以上筛选离子实现的前提是磁场、电场沿轴线方向长度足够长，挡板105处小孔足够小，但实际工程过程中其受到磁场、电场在轴线方向的长度的限制，挡板105上小孔的半径也受到限制。

离子在通过质量筛选器102后的在挡板105上的偏移距离S为：

$S=\left|\frac{(U2-\mathrm{BD}\sqrt{\frac{2\mathrm{QU}1}{M}})(L^2+2\mathrm{lL})}{4\mathrm{DU}1}\right|$

其中，U1为加速电压，U2为质量筛选器102两平行电极之间的电位差，D为上述两个平行电极之间的距离，B为上述平行均匀磁场的磁场强度，L为上述平行均匀磁场与平行均匀电场在轴线方向的长度，l为平行电极与挡板105之间的距离，所述Q为离子的电荷量，所述M为离子的质量。

在上式中我们可以看到：L越长，其偏转距离也越大，这与常识相符。较佳的，在L固定后，挡板105的开孔半径R应该小于与目标离子荷质比最接近的离子的在挡板105处该离子距离轴线的偏移距离，即：

$R<\left|\frac{(U2-\mathrm{BD}\sqrt{\frac{2Q1U1}{M1}})(L^2+2\mathrm{lL})}{4\mathrm{DU}1}\right|-\frac{d}{2},$

这样可以保证除目标离子外其他离子都不能通过挡板105的孔。

其中，U1为加速电压，U2为质量筛选器102两平行电极之间的电位差，D为上述两个平行电极之间的距离，B为上述平行均匀磁场的磁场强度，L为上述平行均匀磁场与平行电极电极产生的电场在轴线方向的长度，l为平行电极与挡板105之间的距离，所述Q1为与目标离子荷质比最接近的离子的电荷量，所述M1为与目标离子荷质比最接近的离子的质量，所述d为挡板105处离子束斑直径。

本发明实施例利用离子透镜组101，可以对利用加速电极104由初始离子源106引出的离子束进行聚焦，并且可在不改变离子束的聚焦位置的情况下，来实现离子束斑直径连续可调，同时使用质量筛选器102，实现了对目标离子进行筛选。还可以通过调节加速电压，调节离子束的能量，通过调节偏转板组106上的施加电压，保证离子在加速电极104加速，经过偏转板组106后沿离子透镜组的轴线飞行。

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 (9)

1.一种离子光学装置，其特征在于，包括：

腔体、设置在所述腔体内的加速电极、离子透镜组、质量筛选器和开有一孔的挡板；

所述离子透镜组包括至少两个同轴且相对位置固定的单透镜；

所述加速电极在所述腔体的一个开口处，为中空锥形结构，其锥形尖口朝外且在所述离子透镜组的轴线上；

所述质量筛选器靠近所述腔体的另一个开口，其由沿所述离子透镜组的轴线平行对称设置的一对导磁结构和沿所述轴线平行对称设置的一对电极构成；所述导磁结构之间的平行均匀磁场、所述电极产生的平行均匀电场和所述轴线之间两两垂直，且所述平行均匀磁场和平行均匀电场在轴线方向的长度相等；

所述挡板在所述腔体的另一个开口处，所述挡板上的孔在所述离子透镜组的轴线上。

2.根据权利要求1所述的离子光学装置，其特征在于，还包括：

位于所述加速电极与离子透镜组之间垂直分布的两个偏转板组，每个偏转板组由在所述轴线两侧平行对称分布、且对称供电的两个矩形偏转板组成，所述每个偏转板组中每个偏转板的宽度大于这两个偏转板之间的距离的1.5倍，所述偏转板的宽度为偏转板在与轴线垂直方向的尺寸。

3.根据权利要求1或2所述的离子光学装置，其特征在于，所述质量筛选器的一对电极对称供电，其形状为板状矩形结构，每个电极的宽度大于这两个电极之间的距离的1.5倍。

4.根据权利要求1或2所述的离子光学装置，其特征在于，所述一对导磁结构为柱状结构，所述柱状结构相对的端面为相互平行的矩形面，所述柱状结构的另一端面分别与设置在所述腔体外的电磁铁相对；或者，

所述一对导磁结构为设置在所述腔体外的电磁铁伸入所述腔体内的部分，所述一对导磁结构相对的端面为相互平行的矩形面。

5.根据权利要求1或2所述的离子光学装置，其特征在于，所述挡板上的孔半径R满足：

$R<\left|\frac{(U2-\mathrm{BD}\sqrt{\frac{2Q1U1}{M1}})(L^2+2\mathrm{lL})}{4\mathrm{DU}1}\right|-\frac{d}{2}$

所述U1为加速电压，所述U2为所述质量筛选器两平行电极之间的电位差，D为所述质量筛选器两平行电极之间的距离，B为所述平行均匀磁场的磁场强度，L为所述平行均匀磁场与所述平行均匀电场在轴线方向的长度，l为所述质量筛选器的平行电极与挡板之间的距离，所述Q1为与目标离子的荷质比最接近的离子的电荷量，所述M1为与目标离子的荷质比最接近的离子的质量，所述d为挡板处离子束斑直径。

6.一种离子源，其特征在于，包括：

设有一出射孔的初始离子源和根据权利要求1～6任一项所述的离子光学装置；

所述初始离子源的出射孔与加速电极的锥形尖口相对。

7.一种利用权利要求6所述的离子源产生目标离子的方法，其特征在于，包括：

根据目标离子的荷质比及与目标离子荷质比最接近的离子的荷质比，确定所述质量筛选器的一对电极所需的电位差和所需的一对导磁结构之间的平行均匀磁场强度，并根据确定的电位差向所述质量筛选器的一对电极施加电压，同时根据确定的磁场强度向所述质量筛选器施加产生在一对导磁结构之间的平行均匀磁场所需的励磁电流；

根据目标离子所要达到的束斑直径及需要的聚焦位置，确定所述离子透镜组所需的电压，并对离子透镜组施加所需电压；

触发所述初始离子源产生离子束。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据目标离子的荷质比及与目标离子荷质比最接近的离子的荷质比，确定所述质量筛选器的一对电极所需的电位差和所需的一对导磁结构之间的平行均匀磁场强度，包括：

根据目标离子的荷质比、与目标离子荷质比最接近的离子的荷质比、所述加速电压、所述质量筛选器的一对电极之间的距离，确定所述质量筛选器的一对电极所需的电位差；根据目标离子的荷质比、与目标离子荷质比最接近的离子的荷质比、所述加速电压、所述一对电极之间的电位差、所述一对导磁结构之间的距离，确定所述质量筛选器的所需的一对导磁结构之间的平行均匀磁场强度。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述挡板上的孔半径R满足：

$R<\left|\frac{(U2-\mathrm{BD}\sqrt{\frac{2Q1U1}{M1}})(L^2+2\mathrm{lL})}{4\mathrm{DU}1}\right|-\frac{d}{2}$

所述U1为加速电压，所述U2为所述质量筛选器两平行电极之间的电位差，D为所述质量筛选器两平行电极之间的距离，B为所述平行均匀磁场的磁场强度，L为所述平行均匀磁场与所述平行均匀电场在轴线方向的长度，l为所述质量筛选器的平行电极与挡板之间的距离，所述Q1为与目标离子的荷质比最接近的离子的电荷量，所述M1为与目标离子的荷质比最接近的离子的质量，所述d为挡板处离子束斑直径。

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