[发明专利]一种测量脉冲离子束脉冲宽度的装置及方法

说明书

本专利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。

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。