CN104538275A - 一种激光辅助辉光放电电离装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光辅助辉光放电电离装置，包括激光光源、质谱分析器、封闭的电离腔和电离主体，电离主体包括装有空心铜柱的铜柱固定座和装有样品的样品固定座，空心铜柱通过导线与电离腔底板连接地电位，样品与辉光放电供电电源导通，铜柱固定座和样品固定座正对设置，空心铜柱在样品的对侧设有激光孔且在激光孔内形成电离区，激光光源发出的激光穿过空心铜柱后垂直照射在样品上，在电离区的一侧设有将电离区内的离子送入质谱分析器的推斥板，推斥板与直流高压电源导通。本发明通过上述结构引入辉光放电电压信号、地电位，并通过推斥板引入直流高电压可将放电产生的离子引入质谱分析器，提高离子传输效率，检测灵敏度高。

Description

一种激光辅助辉光放电电离装置

技术领域

本发明用于质谱学分析检测领域，特别是涉及一种激光辅助辉光放电电离装置。

背景技术

高纯材料作为重要的光电子材料，被广泛用于航空航天、微电子、信息、红外、太阳能等工业领域。例如：高纯铜可直接作为添加元素应用于开发航空、宇宙原子工业的超合金以及分析标准试料，是制备高品质音频线、液晶显示器溅射靶材及离子镀膜的主要材料。高纯钛是制造飞机、火箭、宇宙飞船、舰艇、电讯器材和人造骨骼等的重要材料。6N（99.9999%）级硅是制造太阳能电池的主要材料，而生产芯片用的半导体级多晶硅纯度则要求更高，需达到99.999999%－99.9999999%。随着高新技术的发展及作为战略物资的需要，高纯材料对于纯度的要求越来越高，对其所含杂质的准确检测亦显得愈加重要。研制可同时有效电离导体、半导体和非导体高纯材料的新电离源不仅可以应用于高纯材料的分析，促进高纯材料的开发和生产，亦可以促进科学仪器的发展。

激光辅助辉光放电电离是激光辅助加强对直流电压或射频电压引起的固体样品电离，激光的引入可以不论辉光放电是直流电压引起还是射频电压引起均能够电离导体、半导体和非导体的固体，且激光的引入可以通过改变激光源的波长，选择性地使待测元素的原子接近100%电离，增大主信号强度，提高信噪比，强激光辐射可导致有效、一致的离子化，从而帮助抑制基体效应。此电离源与质谱分析器联用非常适合于导体和非导体等高纯材料的各种痕量杂质成分的检测分析。

目前，高纯材料的检测方法目前主要有：质谱分析法（火花源放电电离质谱法、热电离质谱法、电感耦合等离子体电离质谱法、二次离子体电离质谱法和辉光放电电离质谱法），光谱分析法（火花源发射光谱法、X射线荧光分析法、石墨炉原子吸收光谱法及电感耦合等离子体发射光谱法）。质谱法则较光谱法灵敏度好，检测限低，干扰小，并且可以进行多元素同时检测。因此，质谱分析法在高纯材料的分析中逐步占据主导地位。辉光放电质谱法是同时具有最广泛的分析元素范围和足够灵敏度的元素分析方法，与目前常用高纯材料的常用检测方法电感耦合等离子体电离质谱法相比，辉光放电质谱法直接对固体进行分析，避免了将固体转化成溶液时因在溶解、稀释等过程中造成的玷污和灵敏度降低，而且该方法对样品的分析面积大，所得数据结果有较好的代表性。辉光放电质谱法目前多采用直流辉光放电电离形式，只能从阴极位降中获得实现电离所需的能量，是辉光放电中最常见的放电方式，但其主要应用于导体材料的检测。对于半导体及非导体材料的检测，直流辉光放电电离需要引入导电基质，检测精确度不高。目前常用辉光放电形式不同元素电离的一致性程度不高，无法达到一致的离子化，基体效应较明显。因此，开发能够有效电离导体、半导体和非导体高纯材料的电离源，对提高高纯材料检测分析的准确度、灵敏度，促进我国高纯材料的开发和生产以及质谱分析器的发展均有重要意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种不受样品材料导体、半导体和非导体的限制，且离子化效率高、横向空间分布率高、可选择性电离和离子引入效率高，具有检测应用范围广，灵敏度高、检测限低的激光辅助辉光放电电离装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种激光辅助辉光放电电离装置，包括激光光源、质谱分析器、封闭的电离腔和位于所述电离腔内的电离主体，所述电离主体包括装有空心铜柱的铜柱固定座和装有样品的样品固定座，所述空心铜柱通过导线与电离腔底板连接地电位，所述样品通过电离腔上的辉光放电电压引入接口与辉光放电供电电源导通，所述铜柱固定座和样品固定座正对设置，所述空心铜柱上在样品的对侧设有激光孔且在激光孔内形成电离区，所述激光光源发出的激光穿过空心铜柱后垂直照射在所述样品上，在所述电离区的一侧设有将电离区内的离子送入所述质谱分析器的推斥板，所述推斥板通过电离腔上的推斥电压引入接口与直流高压电源导通。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述电离腔底板上设有与外电路导通的直流自偏置电压连接口。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述电离主体还包括上底座，所述上底座上设有推斥板左固定座和推斥板右固定座，所述推斥板通过推斥板固定块装在所述推斥板左固定座和推斥板右固定座上，且推斥板固定块可在推斥板左固定座和推斥板右固定座上滑动以调整推斥板与电离区的距离。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述铜柱固定座和样品固定座固定安装在位于推斥板左固定座和推斥板右固定座之间的U型凹槽固定座上，所述推斥板左固定座和推斥板右固定座间装有横向穿过所述U型凹槽固定座的左右位置调节螺杆，所述左右位置调节螺杆上设有驱动U型凹槽固定座在推斥板左固定座和推斥板右固定座之间横向移动的螺纹。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述上底座上装有定位旋钮，所述定位旋钮上装有在定位旋钮旋紧后可固定U型凹槽固定座的定位块。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述样品固定座上设有样品导电块，所述样品嵌于样品导电块内，所述空心铜柱通过陶瓷垫圈与样品分隔并固定于铜柱固定座上。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述上底座固定于中底座，所述中底座通过下底座装在电离腔底部，所述中底座上设有调节所述中底座在下底座上与质谱分析器间距的前后位置调节旋钮。

进一步作为本发明技术方案的改进，与所述电离腔的内腔导通设有真空规和抽气泵，所述电离腔上设有进气阀，与所述进气阀导通设有伸至所述电离区的进气管。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述激光光源设于电离腔外，所述激光光源发出的激光通过电离腔上的平面光窗射入电离腔内，所述激光光源与平面光窗间装有聚焦透镜。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述电离腔侧壁设有若干玻璃观察窗。

本发明的有益效果：本发明采用空心阴极结构（空心铜柱）且相对于质谱分析器接口横向放置以便于引入激光辅助电离，推斥板结构又可以帮助把离子沿纵向电场推入质谱分析器接口。电离主体整体固定于U型凹槽固定座内，直流辉光放电电压或射频辉光放电电压通过辉光放电电压引入接口接入样品，导线连接空心铜柱和电离腔下面板，从而将地电位引入空心铜柱，使得空心铜柱内产生辉光放电。激光通过空心铜柱以90°角入射打到样品上，辅助加强辉光放电，不论辉光放电是直流电压引起还是射频电压引起均可对导体、半导体和非导体高纯材料样品进行电离。激光光源具有离子化效率高，横向空间分辨高，可选择性电离的特点，激光光源和辉光放电结合起来可增强电离效果，此电离主体与质谱分析器结合可得到较好的分析灵敏度且能够在一定程度上抑制基质效应。推斥板设置在电离主体的一侧，可通过改变推斥板电压及其与电离区相对位置最大化推斥放电产生的离子进入质谱分析器。选择调整不同厚度的陶瓷隔离圈可改变样品与空心铜柱的相对距离，从而控制放电效果。调整左右位置调节螺杆可调节电离主体相对质谱分析器接口的横向相对距离，调整前后位置调节旋钮可调节电离主体与质谱分析器接口的纵向距离从而控制离子的传输情况。

本发明通过上述结构引入辉光放电电压信号、地电位，并通过推斥板引入直流高电压可有效将放电产生的离子引入质谱分析器，提高离子传输效率，检测灵敏度高。本发明通过激光光源引入激光辅助电离，同时可改变激光光源的波长，选择性地使待测元素的原子接近100%电离，增大主信号强度，提高信噪比，强激光辐射可导致有效、一致的离子化，从而帮助抑制基体效应。本发明同时保正电离腔内真空度并准确有效将背景气体送入放电电离区域，保障放电条件最优。本发明可应用于固体高纯材料中痕量杂质成分的分析检测。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明实施例整体结构主视原理构造图；

图2是本发明实施例整体结构侧视原理构造图。

具体实施方式

参照图1、图2，本发明提供一种激光辅助辉光放电电离装置，包括激光光源20、质谱分析器37、封闭的电离腔19和位于所述电离腔19内的电离主体，所述电离主体包括装有空心铜柱1的铜柱固定座2和装有样品5的样品固定座7，所述空心铜柱1通过导线与电离腔底板24连接地电位，所述样品5通过电离腔19上的辉光放电电压引入接口27与辉光放电供电电源26导通，辉光放电供电电源26提供的电压通过辉光放电电压引入接口27接入样品5，所述铜柱固定座2和样品固定座7正对设置，所述空心铜柱1上在样品5的对侧设有激光孔且在激光孔内形成电离区，所述激光光源20发出的激光穿过空心铜柱1后垂直照射在所述样品5上，在所述电离区的一侧设有将电离区内的离子送入所述质谱分析器37的推斥板34，推斥板34正对于电离腔后面板36，质谱分析器接口设于电离腔后面板36，所述推斥板34通过电离腔19上的推斥电压引入接口33与直流高压电源导通32。推斥电压引入接口33引入直流高压电源36提供的直流高压接入推斥板34，帮助推斥引导离子进入质谱分析器37。所述电离腔底板24上设有与外电路28导通的直流自偏置电压连接口29。直流偏置电压连接口29将射频放电产生的直流偏置电压接入外电路28（若是直流辉光放电则直流偏置电压连接口29空置），通过调整外电路28改变直流偏置电压从而调整射频放电情况。所述激光光源20设于电离腔19外，所述激光光源20发出的激光通过电离腔上的平面光窗22射入电离腔19内，所述激光光源20与平面光窗22间装有聚焦透镜21。激光光源20和聚焦透镜21固定于激光固定架上，激光光源20发射的激光通过聚焦透镜21调制后，由平面光窗22进入电离腔19，经过空心铜柱1以后90°角入射打到样品5上，辅助加强辉光放电电离。本实例利用辉光放电电压信号接入样品5，地电位接入空心铜柱1，在空心铜柱1内进行辉光放电产生等离子体，再利用激光光源20发出的激光以90°角入射打到样品5上对辉光放电进行加强电离，可对导体、半导体和非导体高纯材料进行电离，激光的引入可以通过改变激光源的波长，选择性地使待测元素的原子接近100%电离，增大主信号强度，提高信噪比，强激光辐射可导致有效、一致的离子化，从而帮助抑制基体效应有益于进行质谱分析。若是辉光放电由射频电源引起，还可将射频放电产生的直流自偏置电压接入外电路28，通过调节外电路28改变自偏置电压优化射频放电效果。同时调整电离主体与质谱分析器37之间的相对距离可优化射频放电效果。

所述电离主体还包括上底座15，所述上底座15上设有推斥板左固定座9和推斥板右固定座10，所述推斥板34通过推斥板固定块35装在所述推斥板左固定座9和推斥板右固定座10上，且推斥板固定块35可在推斥板左固定座9和推斥板右固定座10上滑动以调整推斥板34与电离区的距离。所述铜柱固定座2和样品固定座7固定安装在位于推斥板左固定座9和推斥板右固定座10之间的U型凹槽固定座8上，所述推斥板左固定座9和推斥板右固定座10间装有横向穿过所述U型凹槽固定座8的左右位置调节螺杆11，所述左右位置调节螺杆11上设有驱动U型凹槽固定座8在推斥板左固定座9和推斥板右固定座10之间横向移动的螺纹。所述上底座15上装有定位旋钮14，所述定位旋钮14上装有在定位旋钮14旋紧后可固定U型凹槽固定座8的定位块12。旋转左右位置调节螺杆11可调电离主体相对于质谱分析器接口的横向距离。电离主体横向距离调整完成后可通过定位旋钮14调节定位块12固定左右位置调节螺杆11，从而保证电离主体与质谱分析器接口之间相对横向距离。其中，所述样品固定座7上设有样品导电块6，所述样品5嵌于样品导电块6内，所述空心铜柱1通过陶瓷垫圈3与样品5分隔并固定于铜柱固定座2上。

所述上底座15固定于中底座17，所述中底座17通过下底座18装在电离腔19底部，所述中底座17上设有调节所述中底座17在下底座18上与质谱分析器37间距的前后位置调节旋钮16。前后位置调节旋钮16穿过中底座17，通过调整中底座17位置可整体调整上述装置的前后位置。

与所述电离腔19的内腔导通设有真空规31和抽气泵30，所述电离腔19上设有进气阀25，与所述进气阀25导通设有伸至所述电离区的进气管13。真空规31、抽气泵30、进气阀25和进气管13组成气路系统，气路系统为电离腔抽真空和提供背景气体。

所述电离腔19侧壁设有若干玻璃观察窗23。便于观察射频辉光放电情况，电离腔19可打开以更换样品和调整固定机械结构。

本实施例的工作原理是：辉光放电供电电源26提供的电压信号通过辉光放电电压引入接口27经导线通过样品固定座7接入样品导电块6，样品5通过样品导电块均匀获得电压信号。电离腔底板24与辉光放电供电电源26输出线屏蔽端相接为地电位，空心铜柱1接入的导线通过铜柱固定座2与电离腔底板24连接从而引入地电位。样品5可以在其高电压与空心铜柱1的地电位放电中被电离。激光光源20发射的激光经过聚焦透镜21调制后透过电离腔19上安装的平面光窗22以90°角入射打到样品5上，可通过调整激光光源20发射不同波长激光选择性辅助加强空心铜柱1内的辉光放电电离。电离产生的离子则可以在推斥板34高压作用下被充分推入质谱分析器37。若辉光放电供电电源26选用射频电源，放电区域产生的直流自偏置电压还可通过直流自偏置电压连接口29与外电路28相连，调节外电路28则可改变直流自偏置电压从而优化射频放电电离效果。辉光放电装置可以通过调节左右位置调节螺杆11在质谱分析器接口右侧横向移动，帮助找到不同样品电离产生的离子被引入质谱分析器37的最优位置，以实现提高离子引入效率的目的。推斥板34接直流高电压可有效推斥引导被电离的离子进入质谱分析器37，推斥板34可通过改变直流高电压值及其与放电区域的相对间隔优化离子从电离腔19进入质谱分析器37的效率。前后位置调节旋钮16则可整体调节推斥板34与放电区域相对质谱分析器37的纵向距离，优化离子传输效率。激光电离及辉光电离均需要在一定真空度及惰性背景气体下才可发生，抽气泵30可对电离腔19抽气，真空规31可监控电离腔真空度，进气阀25（针阀）可调节惰性背景气体进入电离源腔体的流量，进气钢管13可保证惰性背景气体准确进入到放电区域。

该电离源及检测的方法由于不受样品材料导体、半导体和非导体的限制，且离子化效率高、横向空间分布率高、可选择性电离和离子引入效率高，具有检测应用范围广，灵敏度高、检测限低的特点。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种激光辅助辉光放电电离装置，其特征在于：包括激光光源、质谱分析器、封闭的电离腔和位于所述电离腔内的电离主体，所述电离主体包括装有空心铜柱的铜柱固定座和装有样品的样品固定座，所述空心铜柱通过导线与电离腔底板连接地电位，所述样品通过电离腔上的辉光放电电压引入接口与辉光放电供电电源导通，所述铜柱固定座和样品固定座正对设置，所述空心铜柱上在样品的对侧设有激光孔且在激光孔内形成电离区，所述激光光源发出的激光穿过空心铜柱后垂直照射在所述样品上，在所述电离区的一侧设有将电离区内的离子送入所述质谱分析器的推斥板，所述推斥板通过电离腔上的推斥电压引入接口与直流高压电源导通。

2.根据权利要求1所述的激光辅助辉光放电电离装置，其特征在于：所述电离腔底板上设有与外电路导通的直流自偏置电压连接口。

3.根据权利要求1所述的激光辅助辉光放电电离装置，其特征在于：所述电离主体还包括上底座，所述上底座上设有推斥板左固定座和推斥板右固定座，所述推斥板通过推斥板固定块装在所述推斥板左固定座和推斥板右固定座上，且推斥板固定块可在推斥板左固定座和推斥板右固定座上滑动以调整推斥板与电离区的距离。

4.根据权利要求3所述的激光辅助辉光放电电离装置，其特征在于：所述铜柱固定座和样品固定座固定安装在位于推斥板左固定座和推斥板右固定座之间的U型凹槽固定座上，所述推斥板左固定座和推斥板右固定座间装有横向穿过所述U型凹槽固定座的左右位置调节螺杆，所述左右位置调节螺杆上设有驱动U型凹槽固定座在推斥板左固定座和推斥板右固定座之间横向移动的螺纹。

5.根据权利要求4所述的激光辅助辉光放电电离装置，其特征在于：所述上底座上装有定位旋钮，所述定位旋钮上装有在定位旋钮旋紧后可固定U型凹槽固定座的定位块。

6.根据权利要求1所述的激光辅助辉光放电电离装置，其特征在于：所述样品固定座上设有样品导电块，所述样品嵌于样品导电块内，所述空心铜柱通过陶瓷垫圈与样品分隔并固定于铜柱固定座上。

7.根据权利要求3所述的激光辅助辉光放电电离装置，其特征在于：所述上底座固定于中底座，所述中底座通过下底座装在电离腔底部，所述中底座上设有调节所述中底座在下底座上与质谱分析器间距的前后位置调节旋钮。

8.根据权利要求1所述的激光辅助辉光放电电离装置，其特征在于：与所述电离腔的内腔导通设有真空规和抽气泵，所述电离腔上设有进气阀，与所述进气阀导通设有伸至所述电离区的进气管。

9.根据权利要求1所述的激光辅助辉光放电电离装置，其特征在于：所述激光光源设于电离腔外，所述激光光源发出的激光通过电离腔上的平面光窗射入电离腔内，所述激光光源与平面光窗间装有聚焦透镜。

10.根据权利要求1所述的激光辅助辉光放电电离装置，其特征在于：所述电离腔侧壁设有若干玻璃观察窗。