摘要本實(shí)驗(yàn)室研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)寬離子能量檢測(cè)范圍飛行時(shí)間質(zhì)譜儀。儀器采用緊湊式電子轟擊源設(shè)計(jì)，配合離子透鏡系統(tǒng)有效的調(diào)制離子流，飛行時(shí)間質(zhì)量分析器采用了離子垂直引入式，雙場(chǎng)加速和雙場(chǎng)反射以及大尺寸MCP檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)。儀器單離子信號(hào)半峰寬約2 ns，儀器分辨率優(yōu)于1600FWHM，檢測(cè)實(shí)際樣品質(zhì)量范圍為1～127 amu（儀器理論質(zhì)量檢測(cè)上限優(yōu)于800 amu），可檢測(cè)離子能量范圍優(yōu)于2個(gè)數(shù)量級(jí)（3～140 eV）。若該TOF質(zhì)量分析器與短瞬高壓脈沖放電離子源耦合聯(lián)用，可廣泛應(yīng)用于高能離子束的快速檢測(cè)，如真空陰極放電對(duì)制備薄膜、離子注入材料的表征，導(dǎo)電材料的離子電荷態(tài)分布以及離子擴(kuò)散速度的測(cè)定等。

1引言

隨著離子物理狀態(tài)、碰撞反應(yīng)規(guī)律研究的不斷深入，涉及目標(biāo)離子能量分散大時(shí)，需要在不影響離子原始能量狀態(tài)下，對(duì)離子進(jìn)行定性、定量分析^[1，2]，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物理過程的表征、離子電荷分布狀態(tài)測(cè)定和碰撞反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律的揭示。質(zhì)譜技術(shù)是能夠?qū)ξ镔|(zhì)定性的有效手段^[3]，其中飛行時(shí)間質(zhì)量分析器具有檢測(cè)速度快^[4～6]，分辨率高等優(yōu)點(diǎn)^[7]，國(guó)內(nèi)已有許多研究團(tuán)隊(duì)開展了飛行時(shí)間質(zhì)譜技術(shù)^[8，9]及應(yīng)用^[6，10]的研究工作，并取得了一定的成果。垂直引入式TOF是一種可以保證引入離子初始能量不受影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)離子有效分析的檢測(cè)技術(shù)。微孔通道板（MCP）作為TOF最常用的檢測(cè)器之一，其常規(guī)結(jié)構(gòu)采用雙片MCP錯(cuò)層疊放，所使用MCP的尺寸較小，所能檢測(cè)的離子的能量分布較窄，放大的電子信號(hào)利用陽(yáng)極板收集后，通過采集卡采集并記錄。

本研究為實(shí)現(xiàn)寬離子能量檢測(cè)范圍，所研制儀器采用大尺寸的MCP及雙陽(yáng)極的檢測(cè)區(qū)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)初始橫向能量分散離子的檢測(cè)。對(duì)儀器的單離子信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試，并在EI源條件下以空氣組分中氮?dú)鉃闄z測(cè)對(duì)象，測(cè)試儀器分辨率等，通過匹配傳輸區(qū)電壓，實(shí)現(xiàn)不同橫向能量離子的檢測(cè)。儀器分辨率優(yōu)于1600FWHM，檢測(cè)離子能量范圍達(dá)到2個(gè)數(shù)量級(jí)（3～140 eV）。新研制的垂直引入式飛行時(shí)間質(zhì)量分析器可配合其他高能瞬短脈沖放電離子源使用^[11～13]，能夠廣泛應(yīng)用于高能離子束的快速檢測(cè)，如真空陰極放電對(duì)制備薄膜、離子注入材料的表征等。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1儀器結(jié)構(gòu)

儀器整體包括真空系統(tǒng)、電子轟擊離子源、飛行時(shí)間質(zhì)量分析器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等幾部分組成。采用緊湊型設(shè)計(jì)，儀器腔體水平放置，腔體采用鋁材料整體加工成型，保證真空性能和機(jī)械精度，裝配圖見圖1，儀器主機(jī)部分尺寸約為413 mm×250 mm×414 mm。儀器真空系統(tǒng)機(jī)械泵為普蘭德隔膜泵，極限真空約100 Pa，抽速為3.8 m3/h； 分子泵為普發(fā)Hipace300， 抽速為260 L/s，真空度優(yōu)于1×10–4 Pa。

2.2離子源

電子轟擊離子源，其結(jié)構(gòu)由進(jìn)樣石英熔融毛細(xì)管（內(nèi)徑50 μm）、燈絲、電離室、引出電極、聚焦電極、圓型透鏡組組成，Simiom模擬離子飛行軌跡圖見圖2。燈絲采用 wRe20合金材料，直徑為0.2 mm，有效長(zhǎng)度10 mm，最大電子發(fā)射電流可達(dá)2mA，在實(shí)驗(yàn)中只需要幾十到幾百微安的發(fā)射電流即可得到足夠的離子流。電子所獲得的能量是由燈絲與電子接收阱間的相對(duì)電壓值決定，能量在10～70 eV之間可調(diào)，燈絲的加熱電壓由發(fā)射電流反饋電路控制。

電離室離子引出小孔孔徑為6.0 mm，引出電極和聚焦電極是厚度1.0 mm的不銹鋼圓片，中間開直徑分別為4.0和 2.0 mm的圓孔，電極圓孔的大小和間距直接影響到離子源的靈敏度，通過 Simion軟件模擬確定電極間距為1.0 mm。為了減小離子在離子源中的停留時(shí)間，避免多余的分子離子反應(yīng)，采用連續(xù)引出的方式。圓型透鏡組由3片圓周均布的直流圓環(huán)組成，對(duì)離子起到空間導(dǎo)向作用，提高靈敏度，離子束經(jīng)過調(diào)制后垂直進(jìn)入質(zhì)量分析器。被引入TOF加速區(qū)的離子的橫向動(dòng)能是由電離室電壓決定，因此，在測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，通過改變電離室的施加電壓來(lái)獲得不同初始橫向能量的離子，同時(shí)匹配引出極電壓、聚焦電壓以及透鏡組電壓，對(duì)離子進(jìn)行調(diào)制。

2.3飛行時(shí)間質(zhì)量分析器

飛行時(shí)間質(zhì)量分析器由加速區(qū)、無(wú)場(chǎng)飛行區(qū)、反射區(qū)以及檢測(cè)區(qū)等部分組成，圖3A為不同初始能量離子模擬飛行軌跡圖，表1為其主要參數(shù)列表。采用垂直引入反射式二階空間聚焦設(shè)計(jì)，考慮離子引入時(shí)空間及能量分散，理論及模擬設(shè)計(jì)分辨率大于1000（FWHM）。離子經(jīng)離子源透鏡組調(diào)制成圓柱型離子束，在進(jìn)入TOF加速區(qū)時(shí)，采用孔徑為2 mm的屏蔽罩減小進(jìn)入加速區(qū)的離子束的空間分散。離子經(jīng)過無(wú)場(chǎng)飛行區(qū)后進(jìn)入反射區(qū)，反射區(qū)相對(duì)加速區(qū)增加2.5°傾角，增加離子橫向位移，使初始能量較小的離子能夠在MCP檢測(cè)區(qū)被接收，同時(shí)相應(yīng)調(diào)整檢測(cè)區(qū)傾角約3°，保證分辨率不下降。

檢測(cè)區(qū)示意圖見圖3B所示，采用大尺寸設(shè)計(jì)，大尺寸方形MCP在制作和加工上難度很大，本儀器研制中將直徑為100 mm的圓形MCP進(jìn)行切割得到的，兩片MCP錯(cuò)層疊放，檢測(cè)器施加負(fù)直流高壓，單片MCP工作電壓通過電阻（R1，R2，R3）分壓獲得，同時(shí)加入電容C對(duì)工作電路進(jìn)行匹配，起到濾波穩(wěn)壓作用；采用兩片大小一致的鏡面不銹鋼薄片作為陽(yáng)極板，沿離子引入方向并排放置，配合大尺寸MCP，

并通過電阻（R4，R5）分別進(jìn)行阻抗匹配，保證檢測(cè)橫向動(dòng)能分布較寬范圍的離子。距離離子源較近的陽(yáng)極板接收通道為1信號(hào)通道，距離離子源較遠(yuǎn)的陽(yáng)極板接收通道為2信號(hào)通道。

由圖3可知， 初始橫向動(dòng)能較小及較大的離子分別到達(dá)距離離子源較近及較遠(yuǎn)的檢測(cè)區(qū)部位，即分別被1通道和2通道陽(yáng)極板接收。陽(yáng)極板采集到的電流信號(hào)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如示波器、采集卡等轉(zhuǎn)換采集并記錄。傳統(tǒng)的TOF儀器其檢測(cè)器使用的MCP尺寸較小，僅能檢測(cè)初始能量在某一窄能量段內(nèi)的離子，對(duì)于能量分散較大的離子檢測(cè)效率極低，該儀器利用大尺寸檢測(cè)區(qū)實(shí)現(xiàn)不同能量端離子的檢測(cè)，能夠廣泛應(yīng)用于高能離子束的快速檢測(cè)，如導(dǎo)電材料的離子電荷態(tài)分布以及離子擴(kuò)散速度的測(cè)定等^{[11，14，15]}。

3結(jié)果與討論

3.1單離子信號(hào)

單離子信號(hào)是在MCP正常工作下接收到真空背景中游離的單個(gè)離子而產(chǎn)生的信號(hào)，單離子峰能考察檢測(cè)器是否正常工作，以及信號(hào)傳遞電路對(duì)高頻信號(hào)的響應(yīng)情況。對(duì)于儀器的MCP檢測(cè)器，影響單離子寬度的影響因素有MCP的尺寸、兩片MCP之間距離、MCP與陽(yáng)極板之間的距離、陽(yáng)極板的厚度、傳遞信號(hào)的信號(hào)線上的阻抗匹配等，根據(jù)飛行時(shí)間質(zhì)譜儀的分辨率計(jì)算公當(dāng)MCP施加電壓

Symbolm@@ 1800 V時(shí)，圖4A中單陽(yáng)極的單離子信號(hào)峰，峰底寬約20 ns，半峰寬5 ns，而相同MCP工作電壓下，雙陽(yáng)極1通道與2通道的單離子信號(hào)峰底寬僅為5 ns，半峰寬約2 ns，如圖4B和4C所示。雙陽(yáng)極結(jié)構(gòu)下單個(gè)離子峰信號(hào)的信號(hào)寬度較小，因此在雙陽(yáng)極結(jié)構(gòu)下儀器的分辨率將高于單陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，此后的實(shí)驗(yàn)均是在雙陽(yáng)極結(jié)構(gòu)下進(jìn)行的。

3.2分辨率及質(zhì)量范圍

儀器進(jìn)樣毛細(xì)管開口狀態(tài)下，空氣直接進(jìn)樣檢測(cè)，儀器真空度 1.0×10

Symbolm@@ 4 Pa，實(shí)驗(yàn)在EI 源條件下測(cè)試，燈絲發(fā)射電流100 μA，電子能量70 eV，利用示波器采集雙通道質(zhì)譜信號(hào)截圖見圖5A和5B；以空氣中氮?dú)猓∟2， m/z 28）為觀察對(duì)象，由TDC采集卡（廣州禾信分析儀器有限公司）記錄譜圖測(cè)試分辨率見圖5C；圖5D為SF6樣品檢測(cè)質(zhì)譜圖。圖5A和5B分別為離子橫向能量為10和80 eV條件下，通道1和2分別檢測(cè)到的空氣譜圖。當(dāng)離子橫向能量較小時(shí)，離子信號(hào)主要集中在1通道，2通道基本無(wú)信號(hào)響應(yīng)（圖5A），而當(dāng)離子橫向能量較大時(shí)則相反（圖5B）。圖5C為TDC數(shù)據(jù)采集卡單秒采

3.3離子能量檢測(cè)范圍

利用示波器測(cè)試，改變離子橫向引入能量，通過調(diào)節(jié)EI源離子傳輸部分各電壓，將不同初始能量狀態(tài)下的離子傳輸調(diào)制最佳，并通過雙信號(hào)通道觀察不同能量離子的檢測(cè)效果?？諝庵苯舆M(jìn)樣，調(diào)節(jié)電離室電壓（G1）控制離子能量，

并調(diào)節(jié)匹配傳輸電壓，使信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到最大值，考察雙通道空氣特征組分N2離子強(qiáng)度變化。表2為離子源傳輸區(qū)電壓設(shè)置與N2信號(hào)強(qiáng)度列表，圖6所示為不同離子能量下N2信號(hào)強(qiáng)度分布情況。

由表2可知，當(dāng)離子初始能量較低時(shí)，大部分離子被1通道陽(yáng)極板接收，1通道有信號(hào)響應(yīng)而2通道基本沒有信號(hào)響應(yīng)，而當(dāng)離子初始能量較高時(shí)，大部分離子到達(dá)距離離子源較遠(yuǎn)的2通道陽(yáng)極板，2通道有信號(hào)響應(yīng)而1通道基本沒有信號(hào)響應(yīng)。當(dāng)離子初始能量在30～50 eV范圍內(nèi)，離子束處于整個(gè)檢測(cè)器的中心位置，在兩片陽(yáng)極上的離子信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，儀器可檢測(cè)離子能量范圍為3～140 eV，達(dá)到2個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬情況基本一致。由于離子能量范圍是在EI離子源條件下進(jìn)行測(cè)試，受離子傳輸區(qū)對(duì)離子調(diào)制的影響，在中心能量區(qū)域的離子調(diào)制效果較明顯，離子傳輸率高，信號(hào)較強(qiáng)，而處于能量分布兩端（低能端和高能端）離子的調(diào)制效果下降，從而使得低能端和高能端離子檢測(cè)強(qiáng)度明顯降低。此外，與N2測(cè)試結(jié)果類似，針對(duì)不同離子分別匹配優(yōu)化各極片傳輸、聚焦電壓，儀器對(duì)橫向動(dòng)能分布在3～140 eV 范圍內(nèi)的H2O，O2等空氣特征信號(hào)都能夠?qū)崿F(xiàn)有效地檢測(cè)。計(jì)劃在后

續(xù)研究工作中，增加陽(yáng)極個(gè)數(shù)，建立陽(yáng)極陣列，則能夠更加精細(xì)有效地檢測(cè)離子的能量分布狀態(tài)。

本實(shí)驗(yàn)室自制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)寬離子能量檢測(cè)范圍飛行時(shí)間質(zhì)譜儀。采用緊湊式電子轟擊源設(shè)計(jì)，配合多個(gè)透鏡系統(tǒng)， 有效地調(diào)制離子流。飛行時(shí)間質(zhì)量分析器采用了垂直引入方式，雙場(chǎng)加速和雙場(chǎng)反射以及大尺寸MCP檢測(cè)裝置。經(jīng)測(cè)試，TOF單離子信號(hào)半峰寬約2 ns，儀器分辨率優(yōu)于1600（FWHM），實(shí)際樣品檢測(cè)質(zhì)量范圍為1～127 amu（儀器理論質(zhì)量檢測(cè)上限優(yōu)于800 amu），可檢測(cè)離子能量范圍為3～140 eV。

該儀器可有效地檢測(cè)離子能量分散較大的離子束，能夠廣泛應(yīng)用于高能離子檢測(cè)等領(lǐng)域。配合其它高壓瞬短脈沖放電離子源使用，能夠檢測(cè)能量分散大的目標(biāo)離子，適用于離子相對(duì)含量測(cè)試、能量分散分布確定等研究。此外，若采用陽(yáng)極陣列配合MCP使用，則能夠更為精細(xì)地檢測(cè)離子能量的分布情況，將提高其在金屬材料放電過程中對(duì)離子能量分布檢測(cè)的分辨率。

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