SU1316060A1 - Способ анализа ионов в квадрупольном масс-спектрометре - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к области физики, а именно к масс-спектромет- рии, и может найти применение при исследовании пучков Ионов, плазмы, в ионно-плазменной технологии. Целью изобретени   вл етс  расширение диапазона энергий, анализируемых в квад- рупольных ВЧ-пол х ионов, и расширение функциональных возможностей способа за счет анализа распределени  ионов отдельных массовых чисел по энерги м. Способ заключаетс  в следующем . Направл ют поток ионов в комбинированное электрическое поле, которое создают путем подачи на поле- образую11Ц1е электроды напр жени  развертки . По занисимости ионного тока от времени определ ют врем  развертки одного пика ионов с одним массовым числом t мин. Подают на поле- образующие электроды дополнительное тормоз щее напр жение Qrof ступенчато . При каждом значение регистрируют зависимость величины тока ионов от времени в течение каждой ступени. Измер ют во всем диапазоне значении величину полного ионного тока, которую используют . в качестве реперной линии. Рассчитывают зависимость токов ионов 1 (А) отдельных массовых чисел от энергии тормоз щего пол . Рассчитывают функции распределени  по энерги м ионов отдельных массовых чисел. Устройство содержит анод 1 и катод 2, дополнительную ограничительную диафрагму (ОД) 3, ОД 4, полеобразующие электроды Ь фильтра масс, выходную ОД 6, детектор 7 ионов в виде цилиндра Фара- де , корпус 8, электрометрический усилитель 9, потенциометр 10, источник 11 питани , генератор 12, источники 13, 15, источник. 16 питани . Существенное достоинство способа - возможность оценить соотношение между количествами поступающих ионов . каждого массового числа (1(})м; необходимо дл  составлени  материальных балансов. 4 ил. i (Л 00 а о 05 АгсГ

Description

11

Изобретение относитс  к физике, а именно к масс-спектрометрии, и может найти применение при исследовании пучков ионов, плазмы, в ионно- плазменной технологии.

Целью изобретени   вл етс  расширение диапазона энергий, анализируемых в квадрупольньгх ВЧ-пол х ионов, и расширение функциональных возможностей способа за счет анализа распределени  ионов отдельных массовых чисел по энерги м.

На фиг. 1 приведена схема устройства , реализующего способ; на фиг. 2 - графики зависимостей амплитуд пиков ионов газа CF I-dl I от энергии тормоз щего пол ; на фиг. 3 - графики зависимостей тока ионов газа CF от энергии тормоз щего пол ; на фиг. 4 - графики функций распределени  ионов этого газа.

Устройство содержит анод 1 и катод (ускор ющий) электрод 2 источник ионов, дополнительную входную ограничительную диафрагму 3, входн то ограничительную диафрагму 4, полеобра- зующие электроды 5 фильтра масс, выходную ограничительную диафрагму 6, детектор 7 ионов в виде цилиндра Фа- раде , корпус 8. Ток ионов, поступающих на детектор, усиливают с помощью электрометрического усилител  (ЭМУ) 9, а регистрируют на диаграммной ленте потенциометра 10. Потенциал на выходную ограничительную диафрагму 6 подают от источника 11 питани . На стержни 5 фильтра масс от генератора 12 подаетс  напр жение развертки, а от источника 13 - до- полнитель 1ое тормоз щее напр жение. Входную ограничительную диафрагму 4 поддерживают под потенциалом с помощью источника 14 питани , а дополнительную ограничительную диафрагму 3 - с помощью источника 15. Ускор ющее напр жение анода 1 ионного источника формируетс  в источнике 16 питани . Входна  ограничительна  диафрагма 4 находитс  под потенциалом Ug., который формируетс  с помощью источника 14 питани . Величина потенциала U может варьироватьс  в интервале -c i:Uo- ioo, в частном случае диафрагма может быть заземлена U,., - 0.

V 1

Величина U г может отличатьс  от

о л

потенциалов стержней фильтра масс и потенциала оси. Потенциал U о- подТ1 1

держиваетс  посто нным в течение аремени Т

и и

160602

Стержни 5 квадрупольного фильтра масс наход тс  попарно под напр жением развертки, формируемым с помощью генератора 12, вида: t(U + , Vcosai T) и одновременно под ступенчатым тормоз щим напр жением U

ТОрм

Минимальное врем  развертки одного пика группы ионов одного массового числа мим врем  полного цикла

развертки, включающее участок до на7 чала развертки, пока потенциал на всех четьфех стержн х равен нулю, весь интервал напр жений от исходно- го до максимального и спад напр жени  от максимального, соответствующего максимальному массовому числу, до исходного напр жени , соответствующего минимальному массовому числу

С„ .Особенность генератора в том, что некоторое врем  «н .ц ДО начала развертки на стержн х поддерживаетс  потенциал, равный нулю.

Дополнительное тормоз щее напр жение формируетс  в источнике 13 и подаетс  на выходной каскад генератора 12 развертки, с которого одновременно с напр жением развертки поступает и на стержни. Изол ци  каскада вьщерживает подачу дополнительного тормоз щего напр жени . I

Интервал приращений величины UJQ- определ етс  характеристиками масс- спектрометра и функци ми распределени  потока ионов. Дл  большинства малогабаритных квадрупольных масс- спектрометров (КМ) удобен интервал приращений

тсрм 100 эВ.

Величину потенциала выходной ограничительной диафрагмы 6 U поддержи- вают с помощью источника if питани  посто нным в течение

. .ц ,

50 Я

минимальное врем  развертки одного пика группы ионов с одним массовым чисг/и

2

const - врем , в течение которого величину и поддерживают посто нной, с,

Up. - потенциал выходной огра- ничительной диафрагмы 6,

(в) его величина - со tU 00 ;

g - коэффициент, О g ,u. врем  полного цикла развертки , с. Если цримен ют дополнительную ограничительную диафрагму 3 при исследовании расход щихс  пучков, то величину ее потенциала -оо и, : поддерживают с помощью источника 15 питани  посто нным в течение

- - .ц ,

где T/gj const - врем , в течение которого потенциал дополнительной ограничительной ди афрамы 3 поддерживаетс  посто нным, с,

gj - коэффициент, О ч gj со. Положение дополнительной диафрагмы 3 может измен тьс  от входной ограничительной диафрагмы 4 до выходной апертуры ионного источника 2:

О . Igj - g, . IKгде Igj-g - рассто ние между дополнительной и входной ограничительными диафрагмами , м.

- рассто ние между входной ограничительной диафрагмой и выходной апертурой ионного источника м.

Диаметр отверсти  в дополнительной ограничительной диафрагме 3 может измен тьс  в интервале значений

О d ,

где dp, - диаметр отверсти  дополни- тельной ограничительной

диафрагмы, м,

п внутренний диаметр корпуса , км,

Между выходной ограничительной диафрагмой 6 и детектором 7 дл  подав- лени  вторичной электронной эмиссии может быть установлен антидинатронны электрод, например, сетка, на которую подают отрицательный потенциал -CD Uig. О, причем величину по- тенциала поддерживают посто нной в течение времени

44

const 6 .u,

с О

5

0

5

0

5

5

где /и, const - врем  в течение которого величину потенциала анти- динатронного электрода . поддерживают посто нной, g - коэффициент, О g4 Детектор 7 ионов выполнен в виде цилиндра Фараде , возможно использование ВЭУ. Величина тока ионов на детекторе усиливаетс  с помощью ЭМУ 9. Выходное напр жение ЭМУ 9, пропорциональное величине тока ионов, регистрируетс  на диаграммной ленте потенциометра или на экране осциллографа . Исходное положение нулевой линии на диаграмме до подачи исследуемого потока ионов устанавливают с помощью ручек регулировки ЭМУ 9.

Способ осуществл етс  следующим образом.

Устанавливают исследуемый источник ионов непосредственно перед по- леобразующими электродами анализатора;

создают вакуум в корпусе устройства или технологической камере, куда оно помещено;

включают регистрирующий прибор, например потенциометр, и устанавливают с помощью ручек регулировки ЭМУ положение реперной нулевой линии на ди граммной ленте потенциометра;

подают исследуемый газ в разр дный промежуток ионного источника;

подают на анод 1 ионного источника от источника 16 питани  ускор ющее напр жение Ujytn ;

подбирают диаметр отверсти  d о-, дополнительной ограничительной диафрагмы 3 и рассто ние между ней и входной ограничительной диафрагмой 4 l(j - g таким, чтобы пучок ионов не попадал на полеобразующие электроды 5 фильтра масс путем измерени  тока между полеобразующими электродами и корпусомi

поддерживают ограничительные диафрагмы 3, 4 и 6 под потенциалом земли;

регистрируют величину общего тока IQ, поступающего на детектор, подают на полеобразующие электроды 5 фильтра масс от генераторй 12 напр жение развертки вида tlU Vcos to т / (величиной от исходного до максимального ) ;

где и - величина посто нной составл ющей напр жени , В-, V - амплитуда ВЧ-напр жени , В;

u - частота ВЧ-напр жени ,рад/с t - врем , с;

регистрируют зависимость ионного тока от времени;

определ ют по графику зависимости ионного тока от времени врем  развертки одного цикла группы ионов с одним MaccoBLiM числом Тд,ин врем  полного цикла развертки Тп.и, , диапазон массовых чисел устройства и исследуемого потока ионов, кроме того, определ ют наличие фона. Если фон есть, значит есть ионы с энерги ми

более энергии отклон ющего пол  фильт- приобретаема  ионами все-таки не

ра масс

МЯКС. II

С Е„

2

ZeU.cK

де Е

«сч.с

максимальна  кинетическа  энерги  ионов,раздел емых в фильтре масс по массовым числам-, эВ о/ - параметр, рассчитываемый с учетом характеристик масс-спектрометра и анализируемых ионов,

-величина потенциала. В;

-энерги  ионов, 3Bj

-масса иона, кгj

-составл юща  скорости иона, направленна  вдоль оси фильтра масс, м/с-,

-кратность зар да иона; величина ускор ющей разности потенциалов, через которую проход т ионы,В.

ус К

На пыходной каскад генератора 12 развертки, с которого напр жение подаетс  на полеобразующие электроды 5 фильтра масс, от источника 13 питани  ступенчато подают дополнительное тормоз щее напр жение причем врем , в течение которого тормоз щее напр жение поддерживают посто нным

const К

П.и,

Обычно в лаборатори х дл  статической обработки данных использ тот два-три полных цикла развертки К 2-3, а при управлении технологическим процессом от ЭВМ, когда используют информацию об амплитуде отдельных пиков

TO

const ,,„; К 0

интервал изменений величины U

тор

О f UTOP-И Ви

где О R 00.

Если изол ци  генератора выдерживает весь интервал изменений величины , то обычно максимальна  величина не превьшает Это обусловлено тем, что обычно знерги  ионов не превышает Ец ZeUycuВ общем случае, когда в источнике возможны флуктуации энергии, энерги .

15 бесконечна, может в этом случае превышать интервал приращений тормоз щего потенциала /iU-ropM

О ди

20

ТОрМ f ТОрЛЛ I

где О у со .

Часто удобно дл  малогабаритных серийных КМ примен ть dU, 100 эВ, обычно интервал приращений Urop/ не

превышает , при каждом значении , пока его величину поддерживают посто нной, регистрируют график зависимости величины тока ионов от вpeмeниj

измер ют во всем диапазоне значений и,-орщ, величину тока (амплитуду пика) I всего потока ионов, неразделенных по массовым числам, причем отсчет величины тока (амплитуды пика)

ведут от нулевой линии,

рассчитывают зависимость величины этого тока от энергии тормоз щего пол  I ч (Е) и стро т ее график;

дифференцируют зависимость величины тока ионов, неразделенных по мас- числам, от энергии

«

-7рП -- --i- -tieu-ropiv г- .,-,

Д ь.

ZeUTopM;

и стро т ее график,

рассчитывают функцию распределени  всего потока ионов по энерги м

f(E) dl

4dE,,

ZeU

торм

ai

E,

ZeU-ropi,

где f(E) - функци  распределени  потока ионов, неразделенных по массовым числам, по энерги м.

Л II

Z

fl - HTMOHetuie Hofinoi o токп, ,E|| - изменени  энергии,

кратность зар да, е - зар д электрона, Vopvi величина тормоз щего потеницала , TO - величина тока ионов при

и 0

- торм И стро т ее график,

измер ют величину тока (амплитуды пиков) ионов отдельных массовых чисел на графике зависимости тока ионов детектора от времени развертки, причем отсчет ведут от реперной линии, разграничивающей пик и фон, котора  соедин ет основание переднего и заднего фронтов пика;

рассчитывают величины токов ионов

Ijwj

(IO)M;

Е„ Zcl4

РГМ j

W

15

где f.(E) - функци  распределени 

по энерги м ионоп с мас совым числом М.- амплитуда пика группы ионов с массовьм числом

M.

1 2

изменение энергии тормо з щего пол , величина тока группы ионов с массовым числом

Лгп

41,

4Е.

(IO)M стро т их графики.

при О

am

Выполнение предлагаемого способа 20 иллюстрируетс  следутопщм примером.

Исследовалс  состав потока ионов из разр да газа CF. На анод ионного источника подавали от блока питани  БП-9А напр жение U у- 3,0 кВ, ток

от энергии тормоз щего пол  или путем 5 разр да составл л суммировани  величин токов (амплитуд

отдельных массовых чисел M.t ---,

2

при О путем интегрировани  зависимостей величины тока (амплитуд пиков) ионов отдельных массовых чисел

IP 150 мА. Плотность тока ионов в области входной диафрагмы 1А j 1 мА/см . Измерени  состава ионов по массовым числам проводились в области, где трансмисси 

пиков) ионов отдельных массовых чисел в измер емом диапазоне энергий (Тормоз щего пол 

00

гл т

(IO)M (- )M. dE,, Е„ ZeU.

со

СТОРМ„О«. т

, ( )

оЛЕ„ V.

тор«

ЗЕ„

ZeU.

TOPW

де

41,

величина тока группы ионов с массовым числом при 0: величина тока (амплитуда пика) группы ионов с массовым числом M.t m .

ЛЕ;

тор«„

-изменение энергии тормоз щего пол ;

-максимальна  величина энергии тормоз щего пол ,

рассчитывают зависимости токов ионов отдельных массовых чисел от энергии тормоз щего пол 

ч(Е);

рассчит 1влют функции распределени  по энерги м ионов отдельных массовых uHfeji

f«.(F-) О„ )„ dE „

Ьц - ZeUjjjp,;

Ijwj

(IO)M;

Е„ Zcl4

РГМ j

где f.(E) - функци  распределени 

по энерги м ионоп с массовым числом М.- амплитуда пика группы ионов с массовьм числом

M.

1 2

изменение энергии тормоз щего пол , величина тока группы ионов с массовым числом

Лгп

41,

4Е.

(IO)M стро т их графики.

при О

Исследовалс  состав потока ионов из разр да газа CF. На анод ионного источника подавали от блока питани  БП-9А напр жение U у- 3,0 кВ, ток

разр да составл л

 ,

IP 150 мА. Плотность тока ионов в области входной диафрагмы 1А j 1 мА/см . Измерени  состава ионов по массовым числам проводились в области, где трансмисси 

30 близка к 100%.

Сначала дважды измер ли спектр масс на участке от 5 до 80 а.е.м. без подачи тормоз щего напр жени  - ТОРИ затем на стержни фильт35 ра масс от универсального источника питани  УИП-1 на генератор 12 через каждые +100 В подавали тормоз щее напр жение до напр жени  +800 В и каждый раз фиксировали по два спект40 ра участка 5-80 а.е.м. Длительность записи одного участка спектра 4 мин. Спектры зафиксированы при положении переключател  Множитель щкал, электрометрического усилител  ваку45 умметра ВИ-12 10. Диапазон измер емых токов на этой щкале 0,2-10 20-10 °А. Середина ленты соответствует середине шкалы lO-IO A, полное отклонение на всю щирину ленты соответствует величине тока ионов 20 « ). Величины токов ионов (амплитуды пиков отсчитывались от искривленной интерполированной реперной линии , разграничивающей пики ионов и

55 фон.

Зависимость величины тока (амплитуды пика) ионов с данным массовым числом от энергии тормоз щего пол  - это график зависимости перпоп про50

нзводной величины общего ионного то- дл  ионов с массе (l.M

лт

вым числом Mji--от энергии тормоз щего пол . Дл  расчета значений функции распределени  ионов каждого массового числа необходимо знать полное число этих ионов при 0. Его определ ют по сумме амплитуд пиков ионов с данным массовым числом.

Далее по сумме амплитуд рассчитывают полный ток ионов с данным массовым числом (l j ArtНа фиг. 2-4 Построены графики, характеризующие зависимости общего тока ионов и производные этих зависимостей от энергии, а также функци  распределени  ионов по энерги м.

Среднеквадратична  погрешность получаемого значени  функции распре- дени  f«.(y) включает в себ  среднеквадратичные погрешности следующих измерений: изменени  величины тока 41., величины полного тока (1о). и интервала изменени  энергии тормоз щего пол  лЕ,, . При измерении величины (d 1)д,. с помощью ЭМУ от вакуумметра ВИ-12, погрешность составл ет 15,02%.

Погрешность дЕ,, при подаче тормоз щего потенциала от источника УИП-1 +0,5%. Рассчетное значение погрешности do- м- полученное по дев ти измерени м величины ионного тока, каждое из которых выполнено с точностью; 35 измер ют ток на детекторе, и регист- +5 02% составл ет +15,06%. Рассчетна  рируют зависимость тока ионов от времени , отличающийс 

среднеквадратична  погрешность значени  f м, (Е) с учетом всех этих величин равна +16,65% +16,7%..

Преимущество способа состоит в том, что по вл етс  возможность анализировать ионы по массовым числам в широком диапазоне энергий, становитс  возможным проанализировать распределение ионов отдельных массовых чисел по энерги м с высокой чувствительностью .

Одно из существенных достоинств способа - возможность оценить соотношение между количествами поступающих ионов каждого массового числа (Х)., что необходимо дл  составлени  материальных балансов.

Предлагаемый способ обеспечивает значительно большую точность анализа состава, так как исгГользование в известном способе большого количества устройств с малыми отверсти ми

40

, 1 J, пчающийс  тем, что, с целью расширени  диапазона энергий анализируемых ионов и функциональных возможностей способа за счет анализа распределени  ионов отдельных массовых чисел по энерги м после подачи на полеобразующие электроды напр жени  развертки, по зависимости ионного тока от времени определ ют врем  развертки одного пика ионов с одним массовым числом подают на полеобразующие электроды дополнительное тормоз щее напр жение

ступенчато, причем длительность ступени, в течение которой тормоз щее напр жение , поддерживаетс  посто нным, не менее при каждом значении ,p , регистрируют за- висимость величины тока ионов от

времени в течение каждой ступени, измер ют во всем диапазоне значений

45

50 rofi

мшl

и

тори

величину полного ионного тока , которую используют в качестве

в диафрагмах искажало результаты анализа состава потока ионов с широким диапазоном массовых чисел.

Способ упрощает аппаратурное оформнение , уменьшает стоимость установки и сокращает врем  подготовки ее к работе. Способ обеспег ивает возможность обработки результатов на ЭВМ, что раскрывает широкие перспектины дл  использовани  изобретени  в системах оптимизации конструкций ионных источников и АСУ ТП.

Способ и устройство дают возможность анализировать не только положительные , но и отрицательные ионы,

В предлагаемом способе и реализующем устройстве вакуум необходимо создавать только в анализаторе и детекторе , а источник ионов может работать не только в вакууме, но и при нормальном атмосферном и даже повышенном давлении.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Способ анализа ионов в квадруполь- ном масс-спектрометре, заключающийс  в том, что направл ют поток ионов Е комбинированное электрическое поле, создаваемое путем подачи на полеоб- раэуюш е электроды высокочастотного и взаимосв занного с ним посто нного напр жени  развертки, а также дополнительного тормоз щего напр жени ,

   змер ют ток на детекторе, и регист- рируют зависимость тока ионов от времени , отличающийс 

   , 1 J, пчающийс  тем, что, с целью расширени  диапазона энергий анализируемых ионов и функциональных возможностей способа за счет анализа распределени  ионов отельных массовых чисел по энерги м после подачи на полеобразующие электоды напр жени  развертки, по зависимости ионного тока от времени определ ют врем  развертки одного пика ионов с одним массовым числом подают на полеобразующие электроды дополнительное тормоз щее напр жение

   ступенчато, причем длительность ступени, в течение которой тормоз щее напр жение , поддерживаетс  посто нным, не менее при каждом значении ,p , регистрируют за- висимость величины тока ионов от

   времени в течение каждой ступени, измер ют во всем диапазоне значений

   rofi

   мшl

   и

   тори

   величину полного ионного тока , которую используют в качестве

   и1316060

   реперной линии, рассчитывают зависи- где мости токов ионов 1 (А) отдельных массовых чисел от энергии тормоз щего пол 

   IM, - (Е)

   и рассчитывают функции распределени  по энерги м ионов отдельных массовых чисел10

   diMi

   CT Ч jp

   O lW; 11

   ZeU

   ТОрм л 1м(

   (1о)м;4Е„

   Z(jU

   торм )

   6060

   где

   f (Е)

   -31,

   4Е,

   (1.)

   О м

   е

   Z

   12

   -функци  распределени  по энерги м ионов с массо .. . jm вым числом rij t --- j

   -изменение величины тока ионов с массовым числом

   .. J. от

   Mj t 9 измеренное от

   реперной линии, раздел ющей пик иона фон А;

   -изменение энергии тормоз щего пол , эВ,

   -величина тока ионов с

   массовым числом M;t --при О, (А);

   -зар д электрона, (кл);

   -кратность зар да иона.

   П f ,л .г.лг.

   2ffff 300 Ш 500 600 100 600

   Фиг.1

   (/гор,зЬ

   6500

   Xtf т wo т т soo т loo ш E-feUnp ул

   .

   И- ,а.е..

   10-lf

   о 100 гоо JOO 400 soo бОО ЮО дОО ,эд

   м « ш , tf. е лг.

   т-

   ВНИНПИ Заказ 2370/55Тираж 698Подписное

   Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектна , 4