CN203414424U - Tof-sims的样品图像系统和tof-sims - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种TOF-SIMS的样品图像系统和TOF-SIMS，样品图像系统包括安装于TOF-SIMS的主腔体外的电荷藕合器件图像传感器、变焦镜头和光源、以及设置于主腔体内的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜通过安装孔套装于二次离子提取系统的壳体。上述TOF-SIMS的样品图像系统，通过在主腔体内设置第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，实现了光线的内外传输，达到将电荷藕合器件图像传感器、变焦镜头和光源设置在主腔体的外部的目的，所以，上述TOF-SIMS的样品图像系统节省了主腔体的内部空间，提高了二次离子提取效率。

Description

TOF-SIMS的样品图像系统和TOF-SIMS

技术领域

本实用新型涉及化学分析技术领域，特别涉及一种TOF-SIMS的样品图像系统和TOF-SIMS。

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中，TOF-SIMS（Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry，飞行时间二次离子质谱仪）是目前灵敏度最高的表面化学分析手段之一。

TOF-SIMS的基本原理是利用聚焦的一次离子束在样品上进行稳定的轰击，一次离子可能受到样品表面的背散射（概率很小），也可能穿透固体样品表面的一些原子层深入到一定深度，在穿透过程中发生一系列弹性和非弹性碰撞。一次离子将其部分能量传递给晶格原子，这些原子中有一部分向表面运动，并把能量传递给表面离子使之发射，这种过程称为粒子溅射。

TOF-SIMS的结构如图1所示，主要由位于主腔体内的离子源01、一次离子光学系统02、三维样品台03、样品图像系统、二次离子提取系统05、飞行时间质量分析器06和离子检测系统07等所组成。由离子源01产生一次离子，一次离子束经过一次离子光学系统02对离子进行筛选、加速、聚焦等操作后轰击到由三维样品台03固定的样品靶04上。在样品表面溅射出的二次离子经二次离子提取系统05提取出来后加速进入飞行时间质量分析器06，根据离子核质比大小的不同，他们飞行到达离子检测器的时间也不同，从而可以分析出样品表面不同的元素成分。

可见，样品图像系统是TOF-SIMS的重要组成部分，通过样品图像系统可以实现对一次离子束的束斑形状、离子束轰击样品位置、样品图像的清晰度的观测，并配合一次离子光学系统对一次离子束进行优化、对三维样品台进行控制完成轰击点位的设置和样品图像的聚焦等功能。

目前大部分TOF-SIMS中的样品图像系统使用折射式光学透镜结构（如图1所示结构），这种结构的图像系统需要安装在TOF-SIMS的主腔体内部，并且需要在主腔体内部提供额外的光源08进行照明，这需要占用大量的空间，影响主腔体的设计和二次离子提取系统的效率。

实用新型内容

本实用新型提供了一种TOF-SIMS的样品图像系统和TOF-SIMS，用以解决TOF-SIMS的主腔体内部空间不足、二次离子提取效率低的问题。

为解决上述问题，本实用新型提供以下技术方案：

本实用新型提供了一种TOF-SIMS的样品图像系统，包括：安装于TOF-SIMS的主腔体外的电荷藕合器件图像传感器、变焦镜头和光源、以及设置于所述主腔体内的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜上设有安装孔，所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜通过安装孔套装于所述主腔体内的二次离子提取系统的壳体；

在所述光源发出的光射入所述主腔体的光路中：所述第一反射镜的一部分位于所述光源的出射光路上，所述第三反射镜的一部分位于所述第一反射镜的反射光路上，所述第二反射镜的一部分位于所述第三反射镜的反射光路上，TOF-SIMS的样品靶位于所述第二反射镜的反射光路上；

在所述样品靶反射的光射出所述主腔体的光路中：所述第二反射镜的另一部分位于所述样品靶的反射光路上，所述第三反射镜的另一部分位于所述第二反射镜的反射光路上，所述第一反射镜的另一部分位于所述第二反射镜的反射光路上，所述变焦镜头位于所述第一反射镜的反射光路上，所述电荷藕合器件图像传感器位于所述变焦镜头的出射光路上。

本实用新型提供的TOF-SIMS的样品图像系统，通过在主腔体内设置第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，实现了光线的内外传输，达到将电荷藕合器件图像传感器、变焦镜头和光源设置在主腔体的外部的目的，节省了TOF-SIMS的主腔体的内部空间，间接提高了主腔体的真空度，并提高了二次离子提取效率。

所以，本实用新型提供的TOF-SIMS的样品图像系统，节省了TOF-SIMS主腔体的内部空间，提高了二次离子提取效率。

在一些可选的实施方式中，所述第二反射镜为球型凹面镜，所述第三反射镜为球型凸面镜，且所述第二反射镜和所述第三反射镜同心，所述第二反射镜和所述第三反射镜形成史瓦西Schwarzschild双反射结构。Schwarzschild双反射结构在一定参数设定下，具有消除三阶球面像差、慧差、像散的特性，且成像质量好。

在一些可选的实施方式中，所述球型凹面镜的曲率半径为86.775毫米，所述球型凹面镜上设有的安装孔的直径为68毫米；所述球型凸面镜的曲率半径为33.76毫米，所述球型凸面镜上设有的安装孔的直径为16毫米；所述球型凹面镜与所述球型凸面镜之间的距离为53.016毫米；所述样品靶与所述球型凸面镜的球心之间的距离为27.63毫米。

在一些可选的实施方式中，所述球型凹面镜和所述球型凸面镜的反射面上均设有铝反射层。

在一些可选的实施方式中，所述第一反射镜为具有45°斜面的平面反射镜，所述第一反射镜上设有的安装孔的直径为16毫米。可将光源发出的光线旋转90°。

在一些可选的实施方式中，所述第一反射镜的反射面上设有铝反射层。

在一些可选的实施方式中，所述光源包括：出射光为平行光的发光体、位于所述发光体出光侧的半透射半反射的光学平片。

本实用新型还提供了一种TOF-SIMS，包括上述任一项所述的样品图像系统。

由于本实用新型提供的TOF-SIMS，采用了上述样品图像系统，而上述样品图像系统具有节省TOF-SIMS主腔体的内部空间，提高二次离子提取效率等优点，所以，本实用新型提供的TOF-SIMS具有较高的灵敏度和图像分辨率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为现有技术下的TOF-SIMS结构示意图；

图2为本实用新型提供的TOF-SIMS结构示意图；

图3为本实用新型提供的TOF-SIMS结构内的Schwarzschild双反射结构示意图；

图4为本实用新型提供的TOF-SIMS结构内的Schwarzschild双反射结构的参数计算简图；

图5为本实用新型提供的TOF-SIMS的样品图像系统部分结构示意图。

图中：

01.离子源  02.一次离子光学系统  03.三维样品台  04.样品靶  05.二次离子提取系统  06.飞行时间质量分析器  07.离子检测系统  08.光源  1.主腔体  21.变焦镜头  22.电荷藕合器件图像传感器  3.光源  31.发光体  32.光学平片  4.二次离子提取系统  41.壳体  5.第一反射镜  6.第二反射镜  7.第三反射镜  8.样品靶

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图2所示，图2为本实用新型提供的TOF-SIMS结构示意图，本实用新型提供的TOF-SIMS的样品图像系统包括：安装于TOF-SIMS的主腔体1外的电荷藕合器件图像传感器22、变焦镜头21和光源3、以及设置于主腔体1内的二次离子提取系统4的壳体41上的第一反射镜5、第二反射镜6和第三反射镜7，第一反射镜5、第二反射镜6和第三反射镜7上设有安装孔，第一反射镜5、第二反射镜6和第三反射镜7通过安装孔套装于主腔体内的二次离子提取系统4的壳体41；

在光源3发出的光射入主腔体1的光路中：第一反射镜5的一部分位于光源3的出射光路上，第三反射镜7的一部分位于第一反射镜5的反射光路上，第二反射镜6的一部分位于第三反射镜7的反射光路上，TOF-SIMS的样品靶8位于第二反射镜6的反射光路上；

在样品靶8反射的光射出主腔体1的光路中：第二反射镜6的另一部分位于样品靶8的反射光路上，第三反射镜7的另一部分位于第二反射镜6的反射光路上，第一反射镜5的另一部分位于第二反射镜6的反射光路上，变焦镜头21位于第一反射镜5的反射光路上，电荷藕合器件图像传感器22位于变焦镜头21的出射光路上。

本实用新型提供的TOF-SIMS的样品图像系统，通过在主腔体内设置第一反射镜5、第二反射镜6和第三反射镜7，实现了光线的内外传输，达到将电荷藕合器件图像传感器22、变焦镜头21和光源3设置在主腔体1的外部的目的，节省了TOF-SIMS的主腔体1的内部空间，间接提高了主腔体1的真空度，并提高了二次离子提取效率。

所以，本实用新型提供的TOF-SIMS的样品图像系统，节省了TOF-SIMS主腔体的内部空间，提高了二次离子提取效率。

本实用新型提供的TOF-SIMS的样品图像系统理想状态下的光的传播路线为：光源3发出的光经第一反射镜5反射后，照射在第三反射镜7上，再经第三反射镜7反射后，照射在第二反射镜6上，再经第二反射镜6反射后，照射在TOF-SIMS的样品靶8上，再经样品靶8反射后，照射在第二反射镜6上，再经第二反射镜6反射后，照射在第三反射镜7上，再经第三反射镜7反射后，照射在第一反射镜5上，再经第一反射镜5反射后，照射在变焦镜头21上，再经变焦镜头21传到电荷藕合器件图像传感器22上。

电荷藕合器件图像传感器(CCD，Charge Coupled Device)是由一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。电荷藕合器件图像传感器由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当电荷藕合器件图像传感器表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

如图3所示，图3为本实用新型提供的TOF-SIMS结构内的史瓦西Schwarzschild双反射结构示意图，进一步地，第二反射镜6为球型凹面镜，第三反射镜7为球型凸面镜，且第二反射镜6和第三反射镜7同心，第二反射镜6和第三反射镜7形成Schwarzschild双反射结构。Schwarzschild双反射结构在一定参数设定下，具有消除三阶球面像差、慧差、像散的特性，且成像质量好。

Schwarzschild系统属于典型的正入射成像系统,由两块同心球面反射镜组成,光路结构如图3所示。

图4为本实用新型提供的TOF-SIMS结构内的Schwarzschild双反射结构的参数计算简图，如图4所示，第二反射镜6与第三反射镜7同心于R点，P点为物点，Q点为成像点，PQ为主光轴，下面为系统的一些计算变量。为了消除系统的三阶球面像差，慧差及像散，需要对镜体的曲率，两块镜体之间的距离，样品靶到系统的距离等参数进行计算。

从图4可知：

镜面S₁的曲率半径r₁=RP₁；

镜面S₂的曲率半径r₂=RP₂；

物点离球心R的距离ω=PR；

像点到镜面S₂的距离P₃=S₂Q；

镜面S₂的虚像点到球心R的距离q=RT；

镜体S₁、S₂的半径比g=r₁/r₂；

α为虚线RP₂与光轴PQ的夹角；

β为直线PP1与光轴PQ的夹角；

γ为直线QP₂与光轴PQ的夹角；

δ为直线P₂P₁与虚线P₂R的夹角；

ε为虚线RP₁与光轴PQ的夹角；

为了规范，所有的计算公式均以r₂为基准。ω'是ω的替代量，为了表示ω'是一个变量，定义一个变量x，x是为了将ω和r1、r2联系起来进行计算的一个替代量。

x＝ω'/(2ω'+g)

则 ${\mathrm{\ω}}^{\′}=\frac{\mathrm{gx}}{1-2x}$

当物点在球心时，代表ω'=0，根据公式计算得出x=0；当物点在无穷远时，ω'=∞,根据公式计算得出，x=1/2。

根据双反射系统的理论计算，系统的轴向球面像差表示如下：

${\mathrm{\α}}^{\′}=\frac{{\mathrm{gx}}^2(g-1)}{{(2\mathrm{gx}-1)}^2{(1-x)}^2}$

$\×\{x^2{g}^2+(x-2)\mathrm{xg}+{(1-x)}^2\}$

$\×\{{\mathrm{\ϵ}}^2+\frac{1}{12g{(1-x)}^2(2\mathrm{gx}-1)}$

$\×[18x^2{g}^4-15x^2{g}^3+(26x^4-103x^3+57x^2+x)g^2$

$-(18x^3-8x^2-2x+1)g-27{(1-x)}^2\left]{\mathrm{\ϵ}}^4\right\}$

$+\frac{{3x}^2(g-1)}{{(2\mathrm{xg}-1)}^2}[\frac{\mathrm{xg}}{{(1-x)}^2}-\frac{3}{4}]{\mathrm{\ϵ}}^4+0\left({\mathrm{\ϵ}}^6\right)$

当系统满足：

g²x²+(x-2)gx+(1-x)²＝0      （1）

时，系统的三阶球面像差即可消除。解公式（1）得出g(消除三阶球面像差的条件)：

$g=\frac{1}{2}+\frac{1}{x}\±{(\frac{1}{x}-\frac{3}{4})}^{1/2}---\left(2\right)$

对于同心的双反射系统，同轴段的物点和像点的位置与入射角的正弦成正比：

sinβ/sinγ＝(p'+1)/ω'   （3）

从物点P的不同角度发出的光线会与主光轴交汇于不同Q点，产生彗形象差。但是当系统的球面像差被修正的时候，系统的彗形象差也可以被修正，因为系统的慧差是和正弦条件成正比的。当系统满足条件公式（2）时，根据公式（3）可以推出系统的放大率为：

$M=\frac{\sin \mathrm{\β}}{\sin \mathrm{\γ}}=\frac{1-2x}{2\mathrm{gx}-1}+0\left({\mathrm{\ϵ}}^4\right)---\left(4\right)$

从公式（4）看出系统的放大率在三阶球面像差被修正后只包含五阶的形式，所以系统三阶彗差为零。

通过3阶塞德尔Seidel系数可以证明，在双反射系统中，球面像差、慧差、像散、三个误差中的两个被消除后，以外一个也同时会被消除。

根据公式（1）和（4）可以看出物点距离ω'和两反射镜的半径比值g直接决定了系统能否消除三阶球面像差、彗差和像散。根据系统的要求，计算出：图5为本实用新型提供的TOF-SIMS的样品图像系统部分结构示意图，如图5所示，Schwarzschild系统中的球型凹面镜曲率半径r₁为86.775mm，球型凹面镜具有安装孔，安装孔的直径r₄为68毫米，球型凹面镜的外径r₃为108毫米，球型凸面镜的曲率半径r₂为33.76mm，球型凸面镜的安装孔的直径r₅为16毫米，球型凸面镜的外径r₆为108毫米，球型凹面镜与球型凸面镜之间的距离为53.016毫米，样品靶8与球型凸面镜的球心R之间的距离ω为27.63mm，Schwarzschild系统中的系统数值孔径为0.492。

通过上述计算得出的样品图像系统的视场范围达到1mm，系统空间分辨率达到500μm，有效地消除了样品图像的三阶球面像差，解决了以往TOF-SIMS的样品图像系统空间分辨率低的缺点。

为了提高球型凹面镜和球型凸面镜的反射效率，优选地，球型凹面镜和球型凸面镜的反射面上均设有铝反射层。当然，反射层的材料也可以为其它材料，这里就不再一一赘述。

请继续参考图2，上述第一反射镜5为具有45°斜面的平面反射镜，可将光源发出的光线旋转90°。可以将光源3发出的光引入主腔体1内，或引出照射到电荷耦合器件图像传感器22上。因此可以将光源3和电荷藕合器件图像传感器22均安装于腔体的外部，这样可以大大减小主腔体1在设计时的尺寸，节省空间，间接提高了主腔体1的真空度。具体地，请继续参考图5，第一反射镜5的安装孔r₇为16毫米，外径r₈为32毫米。

为了提高第一反射镜5的反射效率，优选地，第一反射镜5的反射面上设有铝反射层。当然，反射层的材料也可以为其它材料，这里就不再一一赘述。

样品图像系统放大主要由系统外置的变焦镜头21完成，由于Schwarzschild系统中的光路产生的是平行光，第一反射镜5为平面镜，没有焦距，故整个系统的放大倍数即为变焦镜头的焦距f₂与Schwarzschild系统的焦距f₁的比值即：

$M=\frac{f_2}{f_1}---\left(5\right)$

系统的视场大约为1毫米×1毫米，电荷藕合器件图像传感器22为1/2英寸的尺寸，大约为6毫米×6毫米。为了使样品图像完整的在电荷藕合器件图像传感器22上成像，则系统的放大率应不小于5倍，根据公式（5），计算出变焦镜头21的最小焦距约为135毫米。故我们采用100毫米～300毫米的变焦镜头，系统放大率约为5～10倍。

优选地，上述光源3包括：出射光为平行光的发光体31、位于发光体31出光侧的半透射半反射的光学平片32。

另外，本实用新型还提供了一种TOF-SIMS，包括上述任一项的样品图像系统。

由于本实用新型提供的TOF-SIMS，采用了上述样品图像系统，而上述样品图像系统具有节省TOF-SIMS主腔体的内部空间，提高二次离子提取效率等优点，所以，本实用新型提供的TOF-SIMS具有较高的灵敏度和图像分辨率。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种TOF-SIMS的样品图像系统，其特征在于，包括：安装于TOF-SIMS的主腔体外的电荷藕合器件图像传感器、变焦镜头和光源、以及设置于所述主腔体内的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，所述第一反射镜、第二反射镜和所述第三反射镜上设有安装孔，所述第一反射镜、所述第二反射镜和所述第三反射镜通过安装孔套装于所述主腔体内的二次离子提取系统的壳体；

在所述光源发出的光射入所述主腔体的光路中：所述第一反射镜的一部分位于所述光源的出射光路上，所述第三反射镜的一部分位于所述第一反射镜的反射光路上，所述第二反射镜的一部分位于所述第三反射镜的反射光路上，TOF-SIMS的样品靶位于所述第二反射镜的反射光路上；

在所述样品靶反射的光射出所述主腔体的光路中：所述第二反射镜的另一部分位于所述样品靶的反射光路上，所述第三反射镜的另一部分位于所述第二反射镜的反射光路上，所述第一反射镜的另一部分位于所述第二反射镜的反射光路上，所述变焦镜头位于所述第一反射镜的反射光路上，所述电荷藕合器件图像传感器位于所述变焦镜头的出射光路上。

2.根据权利要求1所述的TOF-SIMS的样品图像系统，其特征在于，所述第二反射镜为球型凹面镜，所述第三反射镜为球型凸面镜，且所述第二反射镜和所述第三反射镜同心，所述第二反射镜和所述第三反射镜形成史瓦西Schwarzschild双反射结构。

3.根据权利要求2所述的TOF-SIMS的样品图像系统，其特征在于，所述球型凹面镜的曲率半径为86.775毫米，所述球型凹面镜上设有的安装孔的直径为68毫米；所述球型凸面镜的曲率半径为33.76毫米，所述球型凸面镜上设有的安装孔的直径为16毫米；所述球型凹面镜与所述球型凸面镜之间的距离为53.016毫米；所述样品靶与所述球型凸面镜的球心之间的距离为27.63毫米。

4.根据权利要求2所述的TOF-SIMS的样品图像系统，其特征在于，所述球型凹面镜和所述球型凸面镜的反射面上均设有铝反射层。

5.根据权利要求1所述的TOF-SIMS的样品图像系统，其特征在于，所述第一反射镜为具有45°斜面的平面反射镜，所述第一反射镜上设有的安装孔的直径为16毫米。

6.根据权利要求5所述的TOF-SIMS的样品图像系统，其特征在于，所述第一反射镜的反射面上设有铝反射层。

7.根据权利要求1～6任一项所述的TOF-SIMS的样品图像系统，其特征在于，所述光源包括：出射光为平行光的发光体、位于所述发光体出光侧的半透射半反射的光学平片。

8.一种TOF-SIMS，其特征在于，包括如权利要求1～7任一项所述的样品图像系统。

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