CN104716011A - 一种光电子后电离的电离源及其应用 - Google Patents

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赵无垛
王卫国
陈平
花磊
陈文东
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Abstract

本发明涉及分析仪器中的电离源，具体地说是一种基于光电发射的光电子后电离的电离源及其应用，这种光电发射电离源利用了紫外光照射金属产生的光电效应以及照射载气产生的光化学反应。它主要包括：紫外光源、金属栅网A、样品腔、金属栅网B、一次离子源、质谱检测器。紫外光照射金属栅网电极A上能够产生低能量的光电子，光电子与中性分子反应产生样品离子。将光电子后电离的电离源用于地质样品分析，能够提高样品的电离效率，实现地质样品的准确定量分析，有利于地质年代的准确分析。

Description

一种光电子后电离的电离源及其应用
技术领域
本发明涉及分析仪器中的电离源，具体地说是一种基于光电发射的光电子后电离的负电离源，这种光电发射电离源利用了紫外光照射金属产生的光电效应以及照射载气产生的光化学反应。紫外光照射金属栅网表面能够产生低能量的光电子。产生光电子，光电子与电负性中性分子反应产生样品离子。
背景技术
二次中性粒子质谱（Secondary Neutral mass spectrometry，SNMS）是在二次离子质谱（Secondary Ion mass spectrometry，SIMS）基础上发展起来的用于分析表面化学组成的一种质谱方法。SNMS和SIMS相似之处在于两者都是利用初级离子束入射样品表面，通过分析溅射产生的二次粒子而获取材料表面化学组成，不同之处在于前者测量的是产生的中性粒子，而后者测量的是产生的荷电粒子（正负离子）。
SIMS成功地解决了样品表面化学成份的定性分析，其灵敏度已达10-5-10-6，但是在定量分析上还有待进一步发展。在离子溅射表面产生的粒子中，离子溅射产生的粒子一般以中性为主，荷电粒子在溅射产物中仅占10-5-10-1，其产率与原子序数、电离电势及亲合势有关，其跨度可达4个数量级，并受其它成分的存在而变化（基体效应，Matrix Effect，如氧对金属正二次离子产额的影响）。这是用SIMS定量分析比较困难的原因。
和二次离子产率变化范围相比，溅射产物中占90%-99.9999%的中性粒子变化范围要小得多，这是SNMS在灵敏度和定量分析均优于SIMS的根本原因。另外，在离子溅射过程中，不同元素溅射产额的差别远小于二次离子产额的差别。和SIMS不同的的是，SNMS检测的是脱离基体表面的自由中性粒子，与直接产生的二次离子不同，已不受基体表面的影响，电离过程和粒子发射过程完全分离，因此无需像SIMS那样建立复杂的模型，更容易实现定量。SNMS技术的核心就是利用有效的后电离技术（Post ionization）电离这些中性粒子。采用恰当的后电离技术可以有效提高检测灵敏度。目前用于SNMS中后电离技术主要有“电子气（e-gas）”,“电子束（e-beam）”、“激光束”等几种电离方法，其中“电子气（e-gas）”和“电子束”方法是基于经典的富能电子碰撞电离模式，经过二十年来的发展目前已成为SNMS中主要的电离手段。上述几种后电离技术主要是在正离子模式下对样品进行电离和测定，而电负性样品在负离子模式能够更好的检测。因此，本发明提出一种新型光电发射的光电子后电离负离子源，它充分利用了光电效应和光化学反应，结构简单，操作方便，灵敏度高。
发明内容
本发明涉及分析仪器中的电离源，具体地说是一种基于光电发射的光电子后电离的电离源及其应用，这种光电发射电离源利用了紫外光照射金属产生的光电效应以及照射载气产生的光化学反应。它主要包括：紫外光源、金属栅网电极A、样品腔、金属栅网电极B、一次离子源、质谱检测器。紫外光照射金属栅网电极A上能够产生低能量的光电子，光电子与中性分子反应产生样品离子。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种光电子后电离的电离源及其应用，包括紫外光源、样品腔、金属栅网A、金属栅网B、样品、一次离子源、质谱检测器和孔；
所述的样品腔是一个中空的箱体，材料绝缘体，例如陶瓷、PEEK和石英玻璃等，箱体上面设置有三个互通的孔，其中两个孔在一条线上贯穿箱体。贯穿箱体的两个孔上面分别设置有金属栅网A和金属栅网B。样品腔上第三个孔与两个贯穿箱体的孔相交叉。孔的底部设置有样品台用于放置样品。
所述紫外光源为能够产生紫外光的设备，例如真空紫外灯、二极管、氙灯、汞灯或紫外激光器。所述金属栅网A和金属栅网B为金属栅网，其材料为各种电子逸出功小于紫外光源电离能的金属及合金。
所述紫外光源1与金属栅网A的距离小于0.5厘米。紫外光源发出的紫外光能够照射到金属栅网A。质谱检测器置于样品腔外侧，质谱检测器与金属栅网B的距离小于0.5厘米。
所述一次离子源通过孔进入样品腔，然后照射到样品上。一次离子源正对着孔。
所述金属栅网A和金属栅网B上施加直流负电压，金属栅网A上的电压与金属栅网B上的电压差小于10V。
所述光电子后电离的电离源和质谱联用，实现地质样品的准确定量分析。
离子的检测过程为：首先紫外光源1照射金属栅网A3上产生低能电子。同时一次离子源6轰击样品5产生气相样品分子。低能电子与气相样品结合产生样品负离子，样品负离子通过金属栅网B4进入质谱检测器7。
本发明的有益效果在于：将光电子后电离的电离源与质谱联用，可以实现大量样品分子的高效电离，提高检测灵敏度；该电离源的对象为溅射产物中占90%-99.9999%的中性粒子，可以提高定量的准确性。另外，光电发射的光电子后电离负电离源使用简单，结构小巧，可以在空气中运行，更有利于质谱的推广和应用。
附图说明
图1光电发射电离源的结构示意图。
其中，1-紫外光源；2-样品腔；3-金属栅网A；4-金属栅网B；5-样品；6-一次离子源；7-质谱检测器和8-孔。
具体实施方式
本发明利用了紫外光照射金属产生的光电效应以及光电子引发的化学反应，具体装置见图1。其主要包括以下几个部分：包括紫外光源1、样品腔2、金属栅网A3、金属栅网B4、样品5、一次离子源6、质谱检测器7和孔8。紫外光源1可以是真空紫外灯、二极管、氙灯、紫外激光器等能够产生紫外光的设备，这里以真空紫外灯为例；金属栅网的材料为金属或合金，材料的电子逸出功小于紫外光源1的电离能，如金、银、不锈钢等。样品腔为绝缘材料，如陶瓷、石英玻璃和PEEK等。金属栅网A3与真空紫光源1的间隔为2mm。当工作时，真空紫外光源1照射金属栅网A，产生光电效应，发射出光电子。光电子的能量十分小，仅有0.4eV。此时一次离子源6通过样品腔2上的孔8照射到样品5上将样品溅射出。样品分子与光电子结合使样品分子带点变为负离子。此外样品分子的电离还可以通过添加试剂气体完成。紫外光照照射产生的电子与试剂气体分子相结合形成试剂离子，试剂离子在于溅射产生的样品分子结合，从而将样品分子电离。例如通入的试剂气体为臭氧。
Metal+hυ→e   (1)
O3+e→O3 -   (2)
形成O3 -离子后，O3 -离子再与样品分子结合将样品分子电离。样品离子经过金属栅网B4到达质谱检测器7进行分析检测。

Claims (6)

1.一种光电子后电离的电离源及其应用，其特征在于：包括紫外光源（1）、样品腔（2）、金属栅网A（3）、金属栅网B（4）、样品（5）、一次离子源（6）、质谱检测器（7）和孔（8）；
样品腔（2）是一个中空的箱体，材料为绝缘体，箱体上面设置有互通的孔，其中两个贯穿箱体的孔在一条线上，两个贯穿箱体的孔上面分别设置有金属栅网A（3）和金属栅网B（4）；样品腔（2）上第三个孔孔（8）与两个贯穿箱体的孔相交叉；孔（8）的底部设置有样品台用于放置样品（5）。
2.根据权利要求1所述的光电子后电离的电离源及其应用，其特征在于：
紫外光源（1）为能够产生紫外光的设备，包括真空紫外灯、二极管、氙灯、汞灯或紫外激光器；
所述金属栅网A（3）和金属栅网B（4）材料为各种电子逸出功小于紫外光源电离能的金属及合金。
3.根据权利要求1或2所述的光电子后电离的电离源及其应用，其特征在于：紫外光源（1）与金属栅网A（3）的距离小于2厘米；紫外光源（1）发出的紫外光能够照射到金属栅网A（3）；质谱检测器（7）置于样品腔（2）外侧，质谱检测器（7）与金属栅网B（4）的距离小于10厘米。
4.根据权利要求1所述的光电子后电离的电离源及其应用，其特征在于：一次离子源（6）通过孔（8）进入样品腔（2），然后照射到样品（5）上。
5.根据权利要求1所述电离源，其特征在于：金属栅网A（3）和金属栅网B（4）上施加直流电压，金属栅网A（3）上的电压与金属栅网B（4）上的电压差小于30V。
6.一种权利要求1所述的光电子后电离的电离源的应用，其特征在于：光电子后电离的电离源和质谱联用，实现地质样品的准确定量分析；其电离与检测过程为：首先紫外光源（1）照射金属栅网A（3）上产生低能电子，一次离子源（6）轰击样品（5）产生气相样品分子，电子与气相样品结合产生样品负离子，样品负离子在电场的作用下经金属栅网B（4）进入质谱检测器（7）进行检测。
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