CN108648981A - 运用可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种运用可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的装置及方法，以更好地解决现有射频辉光放电质谱信号强度较低的问题。该装置包括：具有进样杆且固定有样品的进样装置；和具有外壳与由通电螺线管和铁芯组成的电磁铁的可调节磁场增强部，所述电磁铁放置于外壳中，所述可调节磁场增强部固定于所述进样装置中的所述进样杆与所述样品之间。

Description

运用可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的装置及 方法

技术领域

本发明属于无机质谱分析技术领域，具体而言本发明涉及射频辉光放电质谱仪分析材料领域，更具体而言，本发明涉及一种运用可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的装置及方法。

背景技术

辉光放电质谱（GD-MS）法是一种固体样品的直接分析方法，具有固体直接进样，灵敏度高，基体效应小，一次性分析70多种元素等特点，广泛应用于高纯导体材料的痕量元素分析。随着对非导体材料元素分析要求的提高，射频辉光放电质谱逐渐引起人们的关注。在射频模式下，带电粒子在电场力作用下在电极之间做往返运动，以一个周期为例，在射频源的负半周期中，大量正离子向样品表面移动，样品积累大量正电荷，而在射频源的正半周期，大量电子运动到样品表面并将正电荷中和，从而实现非导体材料的持续放电。由于电子运动能力远远高于正电离子，在样品表面形成的负偏压使得正电离子能够连续轰击样品。然而在使用射频辉光放电质谱分析非导体材料时，由于非导体样品的导热性差，严重制约了射频源功率的大小，进而导致测试信号偏低，影响测试效果。

在辉光放电中，发生在阴极暗区的阴极溅射和负辉区的彭宁电离是影响信号强度的两个关键过程，提高溅射和离子化效率是改善测试效果的重要思路。对此，在很多射频辉光放电仪器中，比如rf-GD-OES, rf-GD-AES, rf-GD-TOF-MS等，均有相关文献报道采用外加磁铁的方式来增强信号强度。外加磁场后，电子在洛仑兹力的作用下，被磁场束缚在样品表面运动，提高了电离和溅射效率。外加磁场作用下，样品中基体元素和杂质元素的信号强度均得到一定程度的提高。然而磁铁的材料、大小、磁感应强度分布是固定的，在测试过程中不能对磁场进行实时调整，在信号强度的调控方面有待提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种运用可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的装置及方法，以更好地解决现有射频辉光放电质谱信号强度较低的问题。

本发明一方面提供一种运用可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的装置，

包括：

具有进样杆且固定有样品的进样装置；和

具有外壳与由通电螺线管和铁芯组成的电磁铁的可调节磁场增强部，

所述电磁铁放置于外壳中，

所述可调节磁场增强部固定于所述进样装置中的所述进样杆与所述样品之间。

用本发明的这种装置分析金属、半导体、非导体材料时无需借助导体材料，无需复杂的样品前处理工作，避免污染，降低分析成本。放电时信号强度高，放电稳定，可通过改变通电螺线管电流大小调节磁感应强度，进而调节信号强度，获得理想的信噪比 (S/N)，缩短分析时间，提高分析效率。主要采用通电螺线管产生的磁场来改善射频辉光放电质谱仪对材料的分析性能，通过调节线圈电流大小来调节磁场强度，进而实现信号强度的实时调控。

优选地，所述外壳材质为金属或合金。

优选地，所述外壳为圆柱体、正方体或长方体，

所述外壳的外径小于或等于所述进样装置的内径，高度小于所述进样装置高度。

优选地，所述电磁铁的长度小于所述外壳的内径，所述电磁铁的直径小于所述外壳的高度，线圈匝数n≥5。

较佳为，使用绝缘材料将所述电磁铁固定于所述外壳中，

将所述通电螺线管的引线从所述外壳侧面的两个小孔穿出并接入电源。

所述电源可为直流电源或交流电源。

所述样品可包括导体、半导体、非导体材料的样品。

本发明的另一方面提供一种运用可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的方法，采用包括具有进样杆且固定有样品的进样装置、和具有外壳与由通电螺线管和铁芯组成的电磁铁的可调节磁场增强部的装置，包括以下步骤；

将所述可调节磁场增强部置于样品与进样杆之间，

将所述通电螺线管的引线从所述外壳侧面的小孔穿出并接入电源;

连接射频源，调整合适的放电气压和射频源功率进行放电；

对样品待测元素进行扫描并记录信号强度。

在本发明中，可调节磁场增强部在螺线管通电条件下，产生磁性，通电电流越大，磁性越强，在电场力和洛仑兹力作用下，电子绕磁感线做螺旋运动，电子的运动轨迹延长，大大增加了电子与原子的碰撞几率，相比不加磁场的情况，离子化效率提高，此外，更多电离产生的氩离子在电场作用下轰击样品表面，溅射率也随之提高，进而信号增强。信号强度大小与通电螺线管电流有关。

附图说明

图1示出了本发明一实施形态的运用可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的装置中进样装置的剖面图。

图2示出了本发明一实施形态的运用可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的装置中可调节磁场增强部的俯视图。

附图标记：

1-钽片，

2、3-陶瓷垫片，

4-样品，

5-外壳，

6-螺线管，

7、8、9-片状样品池，

10-进样杆，

11-金属芯（铁芯），

12-引线。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明提供了一种可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的装置，运用于射频辉光放电质谱仪，属于无机质谱分析技术领域，，主要用于射频电源模式下分析无机材料（包括：导体、半导体及非导体材料），以解决现有质谱装置中存在的信号强度低、灵敏度低等问题。

图1示出了本发明一实施形态的运用可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的装置中进样装置的剖面图。

如图1所示，该实施形态的运用可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的装置主要包括：具有进样杆10且固定有样品4的进样装置；和具有外壳5与电磁铁的可调节磁场增强部。电磁铁由通电螺线管和铁芯组成。电磁铁放置于外壳5中，组成可调节磁场增强部，组合置于样品4与进样杆10之间。

更具体而言，钽片1，陶瓷垫片2、3，样品4依次平放在外壳5的上方。钽片1，陶瓷垫片2、3的表面均平整光滑。陶瓷垫片2、3绝缘，且用于维持真空度；钽片1用于导电，其可活动地至于陶瓷垫片2、3与进样装置的顶部之间，从而易于拆卸清洗。样品4与外壳5上下表面均为光滑表面。螺线管6置于外壳5内部，上下面紧贴外壳5。片状样品池7、8、9连接在一起，从外部观察样品池是一个整体。进样杆10与外壳5连接，以用于固定钽片1，陶瓷垫片2、3，样品4，外壳5和螺线管6。进样杆10与外壳5之间具有图未示的弹簧以将其夹紧。金属芯（铁芯）11置于螺线管6的中间，是螺线管磁铁装置的核心部件。引线12从样品池外外部预留的小孔穿出，用于通电。具体而言，将该可调节磁场增强部放于样品与进样杆之间并固定，将引线从进样装置的小孔穿出并通电(交流或直流)，电流大小可以根据需要调节形成一个磁场增强装置。在射频模式下，射频电流经过进样杆10、外壳5传导至样品4，通过外置电源调控磁场增强装置的磁场大小，电磁场增强装置可以产生震荡磁场，进而延长电子运动路径增加电子与中性粒子的碰撞几率，提高离子化效率，从而提高离子信号强度。本发明结构简单合理，有效提高仪器信号强度与分析灵敏度，适用于无机材料的元素分析，且使用方便。

进一步，电磁铁采用软铁或硅钢等材料作为铁芯较佳，在铁芯外面卷绕电磁感应线圈(匝数n≥5)，将电磁铁置于外壳5中，使其紧贴并充满外壳5，将螺线管的引线从外壳5侧面的两个小孔穿出，组成可调节磁场增强部。电磁铁的尺寸为：电磁铁长度小于外壳5的内径，直径小于外壳5的高度，线圈匝数：n≥5。电磁铁置于外壳5中，并使用绝缘材料将电磁铁固定，将螺线管6的引线12从外壳5侧面的两个小孔穿出。

射频辉光放电质谱可分析的样品4包括：导体、半导体、非导体材料等。外壳5材质为金属(例如铜)或合金(例如黄铜)。

参见图1及图2，外壳5可为圆柱体、正方体或长方体。加工尺寸为：外壳5外径(直径)小于或等于进样装置的内径，高度小于进样装置高度。外壳5上表面与下表面光滑平整较佳。

本发明提供的运用可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的方法，采用包括具有进样杆10且固定有样品4的进样装置、和具有外壳5与由通电螺线管和铁芯组成的电磁铁的可调节磁场增强部的装置，可包括以下步骤；

将所述可调节磁场增强部置于样品4与进样杆10之间，

将所述通电螺线管的引线12从所述外壳侧面的小孔穿出并接入电源;

连接射频源，调整合适的放电气压和射频源功率进行放电；

对样品待测元素进行扫描并记录信号强度。

另外，本发明可调节磁场增强部的制作可包括以下步骤：

1.加工圆柱体、正方体或长方体的外壳5，外壳5材质为金属或合金，

2.选取金属芯11，将漆包线卷绕在金属芯11上，制作电磁铁，

3.将电磁铁置于外壳5中，并使用绝缘材料将其固定，将螺线管6的引线12从外壳5侧面的两个小孔穿出，小孔的孔径大小与引线12直径相适应。

4.将该可调节磁场增强部置于样品4与进样杆10之间，使引线12从片状放电池外部预留）的小孔穿出并接入电源(直流或交流)。

实施例1

下面通过一实施例进一步说明本发明。在常温常压下，将金属材料加工成圆柱体外壳(以黄铜材料、圆柱体形状为例)，铜壳尺寸：底面直径50 mm，高度 5 mm, 铜壳厚度 0.5mm，螺线管尺寸：金属芯直径4 mm，长度49 mm，导线直径1mm，匝数：45，将螺线管置于铜壳中，并使用绝缘材料将螺线管固定，将螺线管的引线从外壳侧面的两个小孔穿出。将该信号增强装置置于样品与进样杆之间，使引线从片状放电池的小孔穿出并接入电源(以采用直流电源为例)，组成可调节磁场增强部。

使用时，将电磁铁装置与样品组合后装入片状进样装置，射频电源启动后，电流经过进样杆、外壳传导至样品，装置在样品靠近放电池的一侧形成磁场。

使用完毕，取出磁铁增强装置，远离强电流、火源保存，同时避免敲击和剧烈振动，可重复使用。

实施例2

下面通过另一实施例进一步说明本发明。在以下实施例，用含有可调节磁场增强部和不含可调节磁场增强部的射频辉光放电质谱仪检测到的典型元素的信号强度进行对比，二者差别越大，说明信号增强效果越好；用相对标准偏差 (RSD %) 表示新装置分析非导体样品的放电稳定性，数值越小，说明稳定性越好。

以运用可调节磁场增强部分析非导体材料为例，将原始氧化钇 (Y₂O₃)、Bi₁₂SiO₂₀(BSO)及Ba_5.52La_0.32Ti₂Nb₈O₃₀ (BTN) 材料加工成圆片状试样，尺寸为：截面直径20 mm，厚度2 mm；用硝酸 (HNO₃)、超纯水、乙醇洗净，烘干。随后，在射频源功率：30W，放电气体 (Ar)流速：1.1 cc/min的条件下对试样进行分析。利用装有本可调节磁场增强部的rf-GD-MS对Y₂O₃中Y、BSO中Bi、BTN中Ba进行测定，离子信号强度分别为：1.85 × 10^-11 A，2.56 × 10^-11A，2.12 × 10^-11 A，相对标准偏差RSD (%) 分别为：8.5，9.3，9.7。而未使用本螺线管磁铁增强部的rf-GD-MS对Y₂O₃中Y、BSO中Bi、BTN中Ba进行测定，离子信号强度分别为：9.54 ×10^-12 A，1.65 × 10^-11 A，1.03 × 10^-11 A，相对标准偏差RSD (%) 分别为：10.5，11.5，12.7。对比结果表明，利用装有本螺线管磁铁增强部时rf-GD-MS分析获得的离子信号强度与放电稳定性有了明显的增强与提高。

本发明提供了一种结构简单、价格低廉、性能稳定、磁场强度可调控的增强射频辉光放电质谱信号强度的装置，提高了射频辉光放电质谱 (rf-GD-MS) 对非导体材料测试的离子信号强度，具有结构简单、价格低廉、性能稳定等优点，可推广使用，适用于射频辉光放电质谱或类似仪器装置。

Claims (8)

1.一种运用可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的装置，其特征在于，

包括：

具有进样杆且固定有样品的进样装置；和

具有外壳与由通电螺线管和铁芯组成的电磁铁的可调节磁场增强部，

所述电磁铁放置于外壳中，

所述可调节磁场增强部固定于所述进样装置中的所述进样杆与所述样品之间。

2.根据权利要求1所述的运用可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的装置，其特征在于，

所述外壳材质为金属或合金。

3.根据权利要求1所述的运用可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的装置，其特征在于，

所述外壳为圆柱体、正方体或长方体，

所述外壳的外径小于或等于所述进样装置的内径，高度小于所述进样装置高度。

4.根据权利要求1所述的运用可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的装置，其特征在于，

所述电磁铁的长度小于所述外壳的内径，所述电磁铁的直径小于所述外壳的高度，线圈匝数n≥5。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的运用可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的装置，其特征在于，

使用绝缘材料将所述电磁铁固定于所述外壳中，

将所述通电螺线管的引线从所述外壳侧面的两个小孔穿出并接入电源。

6.根据权利要求5所述的运用可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的装置，其特征在于，

所述电源为直流电源或交流电源。

7.根据权利要求1所述的运用可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的装置，其特征在于，

所述样品包括导体、半导体、非导体材料的样品。

8.一种运用可调节磁场增强射频辉光放电质谱信号强度的方法，采用包括具有进样杆且固定有样品的进样装置、和具有外壳与由通电螺线管和铁芯组成的电磁铁的可调节磁场增强部的装置，其特征在于，包括以下步骤；

将所述可调节磁场增强部置于样品与进样杆之间，

将所述通电螺线管的引线从所述样品池外部预留的小孔穿出并接入电源;

连接射频源，调整合适的放电气压和射频源功率进行放电；

对样品待测元素进行扫描并记录信号强度。