CN108089064A - 一种测量脉冲离子束脉冲宽度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种测量脉冲离子束脉冲宽度的装置及方法。它测量的原理是：将一次离子源产生的脉冲离子束经过偏转板调制后轰击到样品靶后，收集产生的二次离子后进入后端质谱进行检测。二次离子强度变化可以实时反映一次离子束强度的变化。在偏转电极的一个电极上施加固定电位，另一个电极上施加脉冲电压。当两个电极为相等电位时，离子束正常通过偏转电极轰击到靶上产生二次离子流；当两个电极电位不等时，离子束受到电场的偏转而无法通过偏转电极，无法轰击到靶上。通过改变离子偏转电极施加脉冲高压的时间，可以在收集并检测不同时刻对应的二次离子流强度，即实现脉冲离子束的时间分布及脉宽的测量。

Description

一种测量脉冲离子束脉冲宽度的装置及方法

技术领域

本发明涉及质谱分析领域，提供了一种测量脉冲离子束脉冲宽度的装置及方法，解决快速的(纳秒级)离子脉冲探测器灵敏度低、响应慢及饱和等造成脉宽无法测量问题。

背景技术

飞行时间二次离子质谱是一种可以快速获得表面化学组分分析的有利工具。它的原理其实是将一束经过良好聚焦的高能一次离子束(10～30千伏)轰击到样品表面，溅射出来的二次离子通过后端的飞行时间质谱分析，得到每一个轰击点的化学成分。

飞行时间二次离子质谱中常采用的一次离子束源产生的必须是脉冲化的离子束(小于100纳秒)，并且经过良好聚束后轰击到样品靶时束斑大小在50纳米至100微米之间。其中一次离子束的强度决定了二次离子产生的多少，制约二次离子质谱的灵敏度；其中一次离子束聚焦的束斑大小决定了表面采样区域大小，制约二次离子质谱的空间分辨率；

一团脉冲离子的数量在时间上的分布状态可以用脉冲宽度衡量，常常用这个离子分布(离子峰)的半高全宽来表示脉冲宽度。它的大小决定了二次离子产生的时间分布，制约二次离子质谱的分辨率。一次离子源产生离子脉冲宽度越窄，质谱的分辨率越高，能更好的定性复杂化学组分中分子的化学式。目前商品化的飞行时间二次离子质谱(ION-TOF公司的TOF-SIMS 5)，极限条件下离子脉宽可以达到0.1纳秒，分辨率超过1万。一次离子源产生离子脉冲的宽度对飞行时间二次离子质谱仪至关重要。

常见测量离子束的方法及不足之处如下：

第一种是法拉第筒测量，这是一种结构简单的带电粒子测量装置。等离子体物理或者束流物理中，束流和离子能量都很强(可达到上千安培，离子能量超过几百千电子伏)，可以直接用法拉第筒直接测量，如文献(刘金亮等，《强激光与粒子束》，1993(4)：629-632)和文献(何小平等，《强激光与粒子束》，2000(6)：753-755)报道，都直接采用了法拉第筒直接接收高强度束流的离子束并测量了粒子束的强度和脉冲波形；然而，以上这种法拉第筒直接测量的办法只能针对离子流很强的情形，而当面对其他离子流较弱的场合，灵敏度不够！如二次粒子质谱中一次离子束离子流强度非常小，大约为几个纳安或者更小。这时往往需要在法拉第筒后面增加一个高增益的放大器，将弱电流信号放大才能测量。实用新型CN201229407Y分别公开了用常见的法拉第筒接收离子再用高增益的微电流放大器放大弱的离子流信号的方法，测量了毫秒级脉冲离子束中离子的束流强度。然而，微电流放大器的带宽是很有限的，而且和增益倍数存在矛盾关系。放大器工作在高增益模式时，带宽很小，响应非常慢。因此法拉第筒测量法与微电流放大器结合的办法可以测量非常微弱的连续离子流或者缓慢变化的离子流，却无法测量纳秒级的一次脉冲离子束电流，更无法得到离子束的时间分布。

第二种是微通道板测量，将离子直接轰击到微通道板(MCP)上产生更多的电子流，然后再通过低倍放大器进一步放大后测量。微通道板(MCP)是一种大面阵的高空间分辨的电子倍增探测器，并具备非常高的时间分辨率。微通道板以玻璃薄片为基地，在基片上以数微米到十几微米的空间周期以六角形周期排布孔径比空间周期略小的微孔。一块MCP上约有上百万微通道，二次电子可以通道壁上碰撞倍增放大，工作原理与光电倍增管相似。因此，对于随机的离子碰撞到MCP表面，可以实现快速放大的能力。在飞行时间质谱中也常常将MCP作为离子探测器。然而，对于二次离子质谱中一次离子源产生的离子束经过强聚焦后，离子束斑直径在100微米以下甚至至50nm，这样离子束仅仅轰击到MCP表面上一个或者几个微孔通道，造成通道增益饱和，无法测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量脉冲离子束脉冲宽度的装置及方法。

为实现上述目的，本发明如下：一种测量脉冲离子束脉冲宽度的装置，其所述装置的特征在于：沿脉冲离子束轴线方向上设置有偏转电极，偏转电极的两个极片沿脉冲离子束轴线两侧呈对称分布，沿脉冲离子束轴线的延长线方向上设置有转换靶，沿转换靶的法线方向设置有离子检测装置。

所述偏转电极可以是平板状并沿轴线两侧对称平行设置，或也可以是圆弧状沿轴线两侧对称设置。

所述的转换靶的作用是在其表面将脉冲离子束利用轰击溅射转换为二次离子，转换靶表面脉冲离子束轰击溅射区域为一平面，平面处采用的材料为铜、银、金、铁中的一种或二种以上。

所述离子检测装置对收集靶产生的二次离子进行检测，可以为微通道板探测器或是飞行时间质谱仪。

所述装置进行离子源脉冲宽度测量方法，其特征在于：固定所述的偏转电极的一侧极片上的电位V1，并在另一侧极片上施加一个脉冲电压，当脉冲电压电位等于V1时，偏转电极之间没有电压差，脉冲离子束会沿直线通过偏转电极并轰击到转换靶上，溅射产生的离子被离子检测装置收集后进行检测，反之当脉冲电压处于V2(V2≠V1)时，偏转电极之间产生电压差，脉冲离子束中尚未通过偏转电极的离子受到偏转电极的偏转作用、无法轰击到转换靶上，离子检测装置仅能检测到脉冲高压V2施加之前已经通过偏转电极的离子在转换靶上溅射产生的离子信号；

步骤1，设脉冲离子束的周期T，在脉冲离子束的一个周期内设定离子偏转电极另一侧电极上脉冲高压V2施加的时刻t，t小于等于T，可以在离子检测装置上测量到脉冲高压V2施加前脉冲离子束中已通过偏转电极的离子轰击溅射转换靶所产生的离子信号；进而可以测定一个周期内，由周期起始时刻至t时刻时间段内的离子信号；

在脉冲离子束的m+1个不同周期内通过改变离子偏转电极另一侧电极上脉冲高压V2施加的时刻t，t小于等于T，进而可以测定不同周期内，由每一个周期起始时刻至t时刻时间段内的离子信号；获得m+1个t时间段内的离子信号，对应为t1、t2……tm、T，根据测量精度需要m至少为大于等于5的整数；

步骤2，将测得的离子信号通过计算后得出每一个扫描时间点t所对应的转换靶上产生离子流的相对强度，这也反应了脉冲离子束通过偏转电极时所有离子的时间分布范围，同时也测得了脉冲离子束通过偏转电极时的脉冲宽度大小。

所述脉冲离子束是经过聚束后轰击到转换靶上的束斑直径在100微米以下，离子脉冲宽度在10纳秒至500纳秒之间，离子电流强度在10皮安至100纳安之间，带电离子的性质可以是正电荷或者负电荷，离子的能量1000电子伏到50千电子伏之间。

所述的偏转电极上施加的脉冲电压V1、V2分别可以是正电位，或也可以是负电位，脉冲电压的脉宽要求大于等于T，(V1-V2)的差值的绝对值越大，脉冲离子束偏转效果更明显。

所述的偏转电极上施加的脉冲高压施加时刻t，这个时间扫描的精度根据要测量脉冲离子束的脉冲宽度来确定，一般应保证在一个脉冲离子束脉宽内均布有至少5个不同时间t的扫描点，且还应包括至少有一个大于等于脉冲离子束脉宽时间的扫描点。

本发明所产生的有益效果：

这种利用离子偏转斩切离子束，并通过在靶上溅射二次离子流间接检测一次离子束脉宽的方法，克服了常规直接探测方法由于灵敏度低、响应速度慢、通道增益饱和等导致一次离子束脉宽难以测量问题，可以准确地测定脉冲离子束的时间分布及脉宽大小。

附图说明

图1为测量脉冲离子束脉冲宽度的装置示意图。

图2为测得的不同时刻能通过偏转电极的离子轰击转换靶产生二次粒子的相对强度。

图3为根据图2计算得出的不同时刻对应的脉冲离子束的离子相对强度，并拟合求出了脉宽值大小。

具体实施方式

脉冲铯离子由5KeV加速能量的铯离子枪发出，重复周期500μs，经过离子光学聚焦后，离子束斑直径大小经过实验测量约10μm，脉冲宽度待测(理论上约十几到几百纳秒区间)。沿脉冲离子束1轴线方向上设置有偏转电极2，偏转电极2的两个平板状极片沿脉冲离子束1轴线两侧程对称分布，两个极板间距3mm，沿脉冲离子束轴线的延长线方向上设置有纯铜材质的转换靶3。从脉冲离子束1的起始位置到偏转电极2的距离是500mm，从偏转电极2到转换靶3的距离也是500mm。沿转换靶3的法线方向设置有离子检测装置4，这里采用了一台飞行时间质谱作为检测装置直接检测转换靶3上产生的二次离子。所述离子源脉冲宽度测量方法：首先，固定所述的偏转电极2的一侧电极上的电位V1＝0V，并在另一侧电极上施加一个脉冲电压，脉冲持续时间10μs，当脉冲电压电位等于0V时，偏转电极2之间没有电压差，脉冲离子束1会沿直线通过偏转电极2并轰击到转换靶3上，溅射产生的离子被质谱收集后进行检测，反之当脉冲电压处于V2＝150V时，偏转电极2之间产生电压差，脉冲离子束1中尚未通过偏转电极2的离子受到偏转电极2的偏转作用，无法轰击到转换靶3上，质谱仅能检测到脉冲高压施加之前已经通过偏转电极2的离子在转换靶3上溅射产生的离子信号。在脉冲离子束的一个周期500μs内的某个t时刻施加脉冲电压，离子检测装置4(质谱)可以测得t时刻之前已经通过离子偏转电极2的离子产生的二次离子电流信号。通过在不同周期中，改变t的取值进行均匀扫描，步长10ns，可以在离子检测装置4(质谱)上测量到不同时刻通过偏转电极2的离子产生的二次离子信号的相对强度。如图2所示，一开始离子全部通过偏转板溅射到转换靶3上，这时信号最强。随着扫描时间的增大，能通过的离子越来越少，最后全部无法通过偏转板。经过对图2数据中相邻两点做差的方法，可以得到脉冲离子束1通过偏转电极2时离子的时间分布，如图3所示，最后也可以求出通过偏转电极2时脉冲离子束的脉宽大约在43.8ns。扫描的精度这里用10ns，扫描大致范围可以通过粗略的试验点测试信号的有无来判断，这里选择了4～8μs的区间，保证脉冲离子束的时间分布包含在了这个区间内。

Claims (8)

1.一种测量脉冲离子束脉冲宽度的装置，其所述装置的特征在于：沿脉冲离子束(1)轴线方向上设置有偏转电极(2)，偏转电极(2)的两个极片沿脉冲离子束(1)轴线两侧呈对称分布，沿脉冲离子束(1)轴线的延长线方向上设置有转换靶(3)，沿转换靶(3)的法线方向设置有离子检测装置(4)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述偏转电极(2)可以是平板状并沿轴线两侧对称平行设置，或也可以是圆弧状沿轴线两侧对称设置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的转换靶(3)的作用是在其表面将脉冲离子束(1)利用轰击溅射转换为二次离子，转换靶(3)表面脉冲离子束(1)轰击溅射区域为一平面，平面处采用的材料为铜、银、金、铁中的一种或二种以上。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述离子检测装置(4)对收集靶(3)产生的二次离子进行检测，可以为微通道板探测器或是飞行时间质谱仪。

5.一种采用权利要求1-4任一所述装置进行离子源脉冲宽度测量方法，其特征在于：

固定所述的偏转电极(2)的一侧极片上的电位V1，并在另一侧极片上施加一个脉冲电压，当脉冲电压电位等于V1时，偏转电极(2)之间没有电压差，脉冲离子束(1)会沿直线通过偏转电极(2)并轰击到转换靶(3)上，溅射产生的离子被离子检测装置(4)收集后进行检测，反之当脉冲电压处于V2(V2≠V1)时，偏转电极(2)之间产生电压差，脉冲离子束(1)中尚未通过偏转电极(2)的离子受到偏转电极(2)的偏转作用、无法轰击到转换靶(3)上，离子检测装置(4)仅能检测到脉冲高压V2施加之前已经通过偏转电极(2)的离子在转换靶(3)上溅射产生的离子信号；

步骤1，设脉冲离子束的周期T，在脉冲离子束的一个周期内设定离子偏转电极(2)另一侧电极上脉冲高压V2施加的时刻t，t小于等于T，可以在离子检测装置(4)上测量到脉冲高压V2施加前脉冲离子束(1)中已通过偏转电极(2)的离子轰击溅射转换靶(3)所产生的离子信号；进而可以测定一个周期内，由周期起始时刻至t时刻时间段内的离子信号；

在脉冲离子束的m+1个不同周期内通过改变离子偏转电极(2)另一侧电极上脉冲高压V2施加的时刻t，t小于等于T，进而可以测定不同周期内，由每一个周期起始时刻至t时刻时间段内的离子信号；获得m+1个t时间段内的离子信号，对应为t1、t2……tm、T，根据测量精度需要m至少为大于等于5的整数；

步骤2，将测得的离子信号通过计算后得出每一个扫描时间点t所对应的转换靶(3)上产生离子流的相对强度，这也反应了脉冲离子束(1)通过偏转电极(2)时所有离子的时间分布范围，同时也测得了脉冲离子束(1)通过偏转电极(2)时的脉冲宽度大小。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述脉冲离子束(2)是经过聚束后轰击到转换靶(3)上的束斑直径在100微米以下，离子脉冲宽度在10纳秒至500纳秒之间，离子电流强度在10皮安至100纳安之间，带电离子的性质可以是正电荷或者负电荷，离子的能量1000电子伏到50千电子伏之间。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的偏转电极(2)上施加的脉冲电压V1、V2分别可以是正电位，或也可以是负电位，脉冲电压的脉宽要求大于等于T，(V1-V2)的差值的绝对值越大，脉冲离子束(1)偏转效果更明显。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的偏转电极(2)上施加的脉冲高压施加时刻t，这个时间扫描的精度根据要测量脉冲离子束的脉冲宽度来确定，一般应保证在一个脉冲离子束脉宽内均布有至少5个不同时间t的扫描点，且还应包括至少有一个大于等于脉冲离子束脉宽时间的扫描点。