SU1191981A1 - Ion microanalyzer - Google Patents
Ion microanalyzer Download PDFInfo
- Publication number
- SU1191981A1 SU1191981A1 SU843746148A SU3746148A SU1191981A1 SU 1191981 A1 SU1191981 A1 SU 1191981A1 SU 843746148 A SU843746148 A SU 843746148A SU 3746148 A SU3746148 A SU 3746148A SU 1191981 A1 SU1191981 A1 SU 1191981A1
- Authority
- SU
- USSR - Soviet Union
- Prior art keywords
- lens
- electrode
- electrodes
- ions
- lenses
- Prior art date
Links
Landscapes
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
Description
Изобретение относится к масс-спектрометрии, в частности к масс-спектрометрическим методам исследования твердых тел, и. может быть использовано, при создании установок для анали- 5 за твердых тел с высокой чувствитель-. ностью и разрешающей способностью методом вторично-ионной масс-спектрометрии.The invention relates to mass spectrometry, in particular to mass spectrometric methods for studying solids, and. can be used when creating installations for the analysis of solid bodies with high sensitivity. by secondary-ion mass spectrometry.
Целью изобретения является увели- ,0 чение чувствительности и разрешающей способности анализатора вторичньгх ионов за счет увеличения коэффициента сбора вторичных ионов, уменьшения потери, частиц на электродах и опта- 15 мизации условий ввода в масс-спектрометр.The invention aims to increase, 0 chenie sensitivity and resolving power analyzer vtorichngh ions by increasing the collection ratio of the secondary ions, reducing losses of particles on the electrodes 15 and opta- minimization condition input to the mass spectrometer.
На фиг. 1 схематично изображено предлагаемый микроанализатор; на фиг. 2 и 3 - теоретические кривые, 20 подтверждающие эффективность работы предлагаемого устройства.FIG. 1 schematically shows the proposed microanalyzer; in fig. 2 and 3 - theoretical curves, 20 confirming the efficiency of the proposed device.
На фиг. .2 приведены зависимости разрешения К и ££ светосилы для различных значений геометрического фак- 25 тора у первой линзы при фиксированном положении точечного источника относительно ее центра и энергетического фактора Р. Здесь кривая А соответствует у=0,5; кривая В у =2,0; .30FIG. .2 shows plots of resolution R and ££ aperture ratio for different values of the geometrical factor of the torus 25 in the first lens at a fixed position of the point source with respect to its center, and the power factor curve P. Here A corresponds to y = 0.5; curve In y = 2,0; .thirty
кривая С - у= оо .curve C - y = oo.
На фиг. 3 приведена зависимость эффективности ионно-оптической системы, определяемой как произведение коэффициента сбора частиц на разреше-35 ние, в зависимости от соотношения потенциалов на втором цилиндрическом электроде и кольцевом электроде первой линзы.FIG. Figure 3 shows the dependence of the efficiency of the ion-optical system, defined as the product of the particle collection coefficient and resolution, depending on the ratio of the potentials on the second cylindrical electrode and the ring electrode of the first lens.
Предлагаемое устройство включает 40 источник первичных ионов 1, исследуемый образец на держателе 2, фокусирующую вторичные ионы ионно-оптичес2The proposed device includes 40 primary ion source 1, the test sample on the holder 2, focusing the secondary ion-optical ions 2
кую систему, выполненную из двух осесимметричных гиперболоидных линз, причем первая линза, выполняющая роль энергоанализатора, включает входной 3 и выходной 4 торцовые электроды и кольцевой электрод 5, а вто;рая линза, выполняющая роль формирующего ионный поток с заданными геометрическими размерами элемента, также включает входной 6 и выходной 7 торцовые электроды и кольцевой электрод 8.A system made of two axially symmetric hyperboloid lenses, the first lens acting as an energy analyzer includes input 3 and output 4 end electrodes and an annular electrode 5, and the second lens performing the role of forming an ion flux with given element dimensions also includes input 6 and output 7 end electrodes and the ring electrode 8.
Кроме того, устройство содержит кольцевую щель 9 во входном торцовом электроде 3 и кольцевую щель 10 в выходном торцовом электроде 4, а также цилиндрические отверстия 11 и 12 для входа и выхода пучка во входном 6 и выходном 7 торцовых электродах второй гиперболоидной лйнзы, дополнитель ные цилиндрические электроды (оси) 13 и 14, квадрупольный фильтр масс 15, детектор ионов 16, систему регистрации 17 и систему индикации 18.In addition, the device contains an annular gap 9 in the input end electrode 3 and an annular gap 10 in the output end electrode 4, as well as cylindrical holes 11 and 12 for the entrance and exit of the beam in the input 6 and output 7 end electrodes of the second hyperboloid lens, additional cylindrical electrodes (axes) 13 and 14, quadrupole mass filter 15, ion detector 16, recording system 17 and display system 18.
Все электроды 3-8 являются гиперболоидами вращения с уравнениями поверхностей: для кольцевых электродов 5 и 8All electrodes 3-8 are rotation hyperboloids with surface equations: for ring electrodes 5 and 8
г2=г„2+2г2,g 2 = g „ 2 + 2g 2 ,
для торцовых электродов 3,4 и 6,7: 2г2=г2+2<32,for end electrodes 3,4 and 6,7: 2 g 2 = g 2 +2 <3 2 ,
где Гд - минимальное расстояние отwhere GD - the minimum distance from
кольцевого электрода до центра системы;ring electrode to the center of the system;
ά - минимальное расстояние отά - the minimum distance from
торцового электрода до центра системы.end electrode to the center of the system.
Значения гя и ά для первой и второй линзы в общем случае могут быть различны. Причем, для увеличения чувствительности системы, необходимо выбирать Тд , где га^ - минимальное расстояние от кольцевого электро3 1191981 4The values of r i and ά for the first and second lenses in the general case may be different. Moreover, in order to increase the sensitivity of the system, it is necessary to choose Td, where r a ^ is the minimum distance from the annular electro3 1191981 4
да до центра/для первой линзы;yes to the center / for the first lens;
г„ - для второй линзы. Точечный исιg „- for the second lens. Dotted
точник удален от центра первой линзы на расстояние ζ5, расстояние между центрами линз равно ζ2. 5the point is removed from the center of the first lens by a distance of ζ 5 , the distance between the centers of the lenses is ζ 2 . five
Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device works as follows.
Высокоэнергетический поток первичных ионов, сформированный источником 1 в пучок малого диаметра, пада- 10 ет на исследуемый образец, закрепленный в держателе 2, выбирая при этом вторичные ионы, несущие информацию о составе поверхности. Вторичные ионы из точечного источника разлетают- 15 ся в большом телесном угле приблизительно по закону косинуса и попадают в ионно-оптическую'систему, выполненную из двух осесимметричных гиперболоидных линз. 20The high-energy flow of primary ions, formed by the source 1 into a small-diameter beam, falls on the sample under study, fixed in the holder 2, while selecting secondary ions carrying information about the surface composition. The secondary ions from a point source spread out in a large solid angle approximately according to the cosine law and fall into the ion-optical system made of two axially symmetric hyperboloid lenses. 20
Ионно-оптическая система в ионном микроанализаторе обеспечивает согла-. сование точечного источника с входными характеристиками масс-спектрометра; служит для улучшения аналити-. 25 ческих характеристик устройства, чувствительности, разрешающей способности и улучшения соотношения сигнал/ /шум; обеспечивает большой коэффициент сбора заряженных частиц, что при-30 водит к увеличению чувствительности и правильности.анализа; селекцию заряженных частиц по энергиям для формирования моноэнергетического потока ионов на входе в масс-спектрометре, что значительно улучшает разрешающую способность устройства по анализируемым массам; оптическую развязку областей образования вторичных ионов и их регистрации, что позволяет 4θThe ion-optical system in the ion microanalyzer provides accord-. combining a point source with input characteristics of a mass spectrometer; serves to improve analytics. 25 device characteristics, sensitivity, resolution and signal / noise ratio improvement; provides a large collection rate of charged particles, which at-30 leads to an increase in sensitivity and accuracy. analysis; selection of charged particles by energy to form a monoenergetic ion flux at the entrance to the mass spectrometer, which significantly improves the resolution of the device according to the analyzed masses; optical isolation of areas of formation of secondary ions and their registration, which allows 4 θ
уменьшить фоновую засветку детектора и улучшить соотношение сигнал/шум.reduce detector background light and improve signal to noise ratio.
С. целью удовлетворения всех перечисленных требований, в предлагаемом устройстве ионно-оптическая система 4$ сбора выполнена из двух гиперболойдных осесимметричных линз, причем функции этих линз различны: ближняя ' к образцу линза обеспечивает эффективный сбор вторичных ионов и преобразование точечного источника заряженных частиц в сходящийся поток с одновременной их селекцией по энергиям, вторая гиперболоидная линза служит для формирования потока ионов 55 с заданными геометрическими размерами и углами схождения для эффективного ввода в анализатор применяемогоThe purpose of meeting all the requirements listed above, in the proposed device, the ion-optical collection system $ 4 is made of two hyperbolic axisymmetric lenses, and the functions of these lenses are different: the lens closest to the sample ensures efficient collection of secondary ions and the conversion of a point source of charged particles into a converging stream with their simultaneous selection by energies, the second hyperboloid lens is used to form a flux of ions 55 with given geometrical dimensions and angles of convergence for effective insertion and the analyzer used
масс-спектрометра, т.е. без дополнительных потерь на электродах анализатора.mass spectrometer i.e. without additional losses on the analyzer electrodes.
Селекция заряженных частиц по энергиям ближней к мишени гиперболоид-, ной линзой осуществляется следующим образом. Вторичные ионы через кольцевую щель 9 во входном торцовом электроде 3 входят в поле линзы, потенциал иК1 кольцевого электрода 5 которой совпадает по полярности со знаком заряда анализируемых частиц, и выходят из нее через кольцевую щель 10 в выходном торцевом электроде 4. Уравнение движения заряженных частиц в поле такой линзыThe selection of charged particles by the energies of the hyperboloid lens closest to the target is as follows. The secondary ions through the annular slit 9 in the input end electrode 3 enter the field of the lens, the potential and K1 of the annular electrode 5 of which coincides in polarity with the charge sign of the analyzed particles, and leave it through the annular slit 10 in the output end electrode 4. Equation of motion of charged particles in the field of such a lens
• Г=г0 сод ^ + рД2*у2 5ϊη о£ ;• T = r 0 sod ^ + pD2 * y 2 5ϊη о £;
2=-Ζ0 1+0,5 / соз βί сйЯ ,2 = -Ζ 0 1 + 0.5 / cos βί syya,
где гв , ζ6 where g in , ζ 6
'МОН'Mon
начальные координаты влета, соответствующие входному торцовому электроду; угол влета частиц в линзу;the initial coordinates of the entry corresponding to the input end electrode; the angle of entry of particles into the lens;
коэффициент, характеризующий входную энергию частиц,the coefficient characterizing the input energy of the particles,
потенциал кольцевого электрода первой линзы; потенциал влетающей час-potential of the annular electrode of the first lens; potential of the incoming part
потенциал в центре датчика.potential in the center of the sensor.
Для частиц, влетающих в линзу из одного источника под одними и теми же углами, в зависимости от их энергии, траектории движения в поле линзы будут различны. Соответствующим подбором угла влета οί для заданных Ρ,ζ можно добиться получения в плос"кости выходного торцового, электрода выполнения условия фокусировки заряженных частиц по углу первого порядка, т.е. условияFor particles entering the lens from the same source at the same angles, depending on their energy, the trajectories of motion in the field of the lens will be different. By appropriate selection of the entry angle ο подбор for given Ρ, ζ, it is possible to obtain in the plane of the output face, electrode, the fulfillment of the condition of focusing charged particles in a first-order angle, i.e.
У™ ” ‘ Y ™ ”
Если в выходном торцовом электроде выполнена кольцевая щель 10, то при этом обеспечивается максимальный коэффициент сбора заряженных частиц и их эффективная селекция по . энергиям. Эффективность селекции за-: ряженных частиц по энергиям и влия5If an annular slot 10 is made in the output end electrode, then this ensures the maximum collection rate of charged particles and their effective selection according to. energies. Efficiency of selection of charged particles by energies and influence5
11919811191981
66
ние на эту эффективность г.еометрии линзы иллюстрируется фиг. 2, где 'приведены зависимости разрешения по энергиям КР5· и светосилы линзы 52 для трех значений .’ Светосила характеризует коэффициент сбора заряженных частиц и определяется величиной телесного угла, частицы из которого проходят через линзу, по формулеA view of this effectiveness of lens geometry is illustrated in FIG. 2, where 'the dependences of the energy resolution K P5 · and the aperture power of lens 52 are given for three values.' Aperture characterizes the collection rate of charged particles and is determined by the magnitude of the solid angle, the particles from which pass through the lens, according to the formula
Р ~ 5ΐη <<Ср 100%, где - полураствор входных угловР ~ 5ΐη << С р 100%, where is the half-solution of the input angles
влетающих частиц; е4ср- средний угол ввода частиц.flying particles; e4 cf - the average angle of entry of particles.
Из зависимостей, приведенных на фиг. 2, видно, что гиперболоидная осесимметричная линза позволяет получать разрешения по энергиям до 200- , 300 при светосиле до 5-8%. Сравнение параметров энергоанализа линз с различным у. пока;зывает, что более предпочтительно для указанных целей использовать линзы с большим у и в пределе, линзы, торцевые электроды которой вырождаются в свои асимптоты с уравнениями поверхностейOf the dependencies shown in FIG. 2, it can be seen that the hyperboloidal axisymmetric lens makes it possible to obtain energy resolutions up to 200-, 300 with aperture ratio up to 5-8%. Comparison of parameters of energy analysis of lenses with different y. while it is indicated that it is more preferable for these purposes to use lenses with large y and in the limit, lenses whose end electrodes degenerate into their asymptotes with surface equations
Ионный поток после селекции по энергиям на выходе ближней к образцу линзы имеет большие относительные размеры и угол схождения пучка, поэтому для формирования параллельного пучка малого диаметра, используется вторая гиперболоидная осесимметричная линза. При этом потенциал кольцевого электрода 8 ик ' имеет знак, противоположный знаку потенциала кольцевого электрода 5. Для ввода и рывода заряженных частиц торцовые электроды 6 и 7 второй линзы имеют осевые цилиндрические отверстия 11 и 12. Геометрия второй линзы может быть отлична от геометрии первой линзы, причем более предпочтительно использовать линзу с меньшим для увеличения эффективности формирования потока заряженных частиц. Потенциалы торцовых электродов обоих линз равны между собой.The ion flux, after selection by energy at the exit of the lens closest to the sample, has large relative sizes and the angle of convergence of the beam; therefore, the second hyperboloidal axisymmetric lens is used to form a parallel beam of small diameter. The potential of the annular electrode 8 and k 'has the opposite sign to the potential of the annular electrode 5. To enter and pull out charged particles, the end electrodes 6 and 7 of the second lens have axial cylindrical holes 11 and 12. The geometry of the second lens may be different from the geometry of the first lens It is more preferable to use a lens with a smaller one to increase the efficiency of forming a stream of charged particles. The potentials of the end electrodes of both lenses are equal to each other.
Для увеличения коэффициента сбора заряженных частиц в область между выходными торцовым электродом 5 первой линзы и входным торцовым электродом 6 второй линзы могут быть поме30To increase the collection rate of charged particles in the region between the output end electrode 5 of the first lens and the input end electrode 6 of the second lens can be placed
3535
4040
4545
5050
щены дополнительные электроды, например, в виде “расположенных последовательно на одной оси цилиндров 13 и 1.4 с соответствующими потенциалами. При этом потенциал входного тор-, цового электрода 6 второй линзы можно выбирать отличным от нуля.Additional electrodes, for example, in the form of “cylinders 13 and 1.4 arranged in series on one axis with corresponding potentials. In this case, the potential of the input end electrode of the second lens 6 can be chosen different from zero.
Из фиг. 3 видно, что введение дополнительных электродов в область, между линзами позволяет существенно (в 3-5 раз) увеличить эффективность работы как ионно-оптической системы сбора,- так и всего устройства в целом .From FIG. 3 shows that the introduction of additional electrodes in the area between the lenses allows significantly (3-5 times) to increase the efficiency of the ion-optical collection system, and the device as a whole.
Пример. Ионно-оптическая система выполнена из гиперболоидных осесимметричных линз с гч=7,8 м, причем ближняя к мишени линза имеет уголковые торцовые электроды, вторая линза имеет ^=Υ2. Расстояние от источника ионов до центра линзы ζ^=27,5 мм, расстояние между центрами линз ζζ=39,5 мм. Диапазон входных углов, из которых вторичные ионы собираются ионной оптикой, До6= · 0,285-0,425. На электроды линзы при этом подаются следующие потенциалы относительно положительного потенциала кольцевого электрода ближней к мишени линзы, которые соответствуют условию анализа положительных вторичных ионов: υΚι=+1; υγ =-1,5ик ; υΚι=-θ,ΐυκΛ; ит^=о.Example. The ion-optical system is made of hyperboloidal axisymmetric lenses with rh = 7.8 m, the lens closest to the target has angular end electrodes, the second lens has ^ = Υ2. The distance from the ion source to the center of the lens is ζ ^ = 27.5 mm, the distance between the centers of the lenses is ζ ζ = 39.5 mm. The range of input angles from which the secondary ions are collected by ion optics is up to 6 = · 0.285-0.425. At the same time, the following potentials are applied to the lens electrodes with respect to the positive potential of the ring electrode near the lens target, which correspond to the condition for the analysis of positive secondary ions: υ Κι = + 1; υ γ = -1,5i k ; υ Κι = -θ, ΐυκ Λ ; and m ^ = o.
Потенциалы торцовых электродов 3 и 4 иТл и ит равны нулю (электроды заземлены).The potentials of the end electrodes 3 and 4 and T and u and t are zero (the electrodes are grounded).
В пространстве между торцовыми электродами линз расположены два цилиндрических электрода диаметром 12,16 мм и 7,6 мм, имеющих соответвенно потенциалы 15^=0 и υ^2=+0,75υΚι, Вся система помещена в электростатический экран диаметром 70 мм, длина системы 80 мм. Разработанная ионнооптическая -система позволяет получить коэффициент сбора ионов до 5%, разрешение по энергиям 20 на уровне 0,5, диаметр выходного ионного потока равен 2 мм при угловой расходимости потока не более 10°. При изменении потенциала υχ1 имеется возможность настройки прохождения ионов любых . энергий, параметры ионной оптики сбора при этом не меняются.In the space between the end electrodes of the lenses there are two cylindrical electrodes with a diameter of 12.16 mm and 7.6 mm, each having potentials of 15 ^ = 0 and υ ^ 2 = + 0.75υ , ι , the whole system is placed in an electrostatic screen with a diameter of 70 mm, length 80 mm systems. The developed ion-optical system makes it possible to obtain an ion collection ratio of up to 5%, an energy resolution of 20 at a level of 0.5, an output ion current diameter of 2 mm with an angular divergence of flow no more than 10 °. When the potential υχ 1 changes, it is possible to tune the passage of any ions. energy, the parameters of ion optics collection does not change.
11919811191981
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU843746148A SU1191981A1 (en) | 1984-05-30 | 1984-05-30 | Ion microanalyzer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU843746148A SU1191981A1 (en) | 1984-05-30 | 1984-05-30 | Ion microanalyzer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
SU1191981A1 true SU1191981A1 (en) | 1985-11-15 |
Family
ID=21121107
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU843746148A SU1191981A1 (en) | 1984-05-30 | 1984-05-30 | Ion microanalyzer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
SU (1) | SU1191981A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0456516A2 (en) * | 1990-05-11 | 1991-11-13 | Kratos Analytical Limited | Ion buncher |
-
1984
- 1984-05-30 SU SU843746148A patent/SU1191981A1/en active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0456516A2 (en) * | 1990-05-11 | 1991-11-13 | Kratos Analytical Limited | Ion buncher |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
SU1407409A3 (en) | Instrument for analysis of solid body specimen | |
WO2006130149A2 (en) | Mass spectrometer and methods of increasing dispersion between ion beams | |
Giffin et al. | An electro—optical detector for focal plane mass spectrometers | |
JP3266286B2 (en) | Charged particle energy analyzer | |
WO2006079096A2 (en) | Ion optics systems | |
SU1191981A1 (en) | Ion microanalyzer | |
CN106404882B (en) | A kind of magnetic deflection mass spectrometer based on cylindricality analysis of electric field device | |
JPH0766767B2 (en) | Charged particle device and its focusing lens | |
GB1533526A (en) | Electro-static charged particle analyzers | |
US4367406A (en) | Cylindrical mirror electrostatic energy analyzer free of third-order angular aberrations | |
RU169336U1 (en) | ELECTROSTATIC CHARGED PARTICLE ENERGY ANALYZER | |
RU136237U1 (en) | ANALYZER OF ENERGIES AND MASSES OF CHARGED PARTICLES | |
Gall et al. | A Prism Mass-Spectrometer for Isotope Analysis of Hydrogen–Helium Mixtures | |
SU1128308A2 (en) | Mass spectrometer | |
SU1755333A1 (en) | Simultaneous analysis negative and positive ions mass- spectrometer | |
RU136236U1 (en) | ENERGY-MASS-ANALYZER OF ION STREAMS | |
RU2459310C2 (en) | Method of analysing charged particles based on energy mass and apparatus for realising said method | |
RU2490749C1 (en) | Iso-trajectory mass spectrometer | |
WO2013002683A1 (en) | Static ion mass analyzer | |
RU2076387C1 (en) | Charged-particle spectrometer | |
SU974458A1 (en) | Prizm mass spectrometer | |
SU175584A1 (en) | ANALYZER OF CHARGED PARTICLES BY KINETIC ENERGY | |
JPH0812773B2 (en) | Simultaneous detection mass spectrometer | |
SU346656A1 (en) | PRISM MASS OF THE SPECTROMETRIC UNION PNSCHNCH1KhNKM? ^ NABILE ~ E: ON | |
SU1269216A1 (en) | Energy analyzer |