飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀（TOF-SIMS）是一種前沿的表面分析儀器，具有高分辨率、高靈敏度及快速分析等優(yōu)勢(shì)[1-2]，在地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[3-4]。TOF-SIMS采用一次離子束轟擊濺射樣品表面后發(fā)射二次離子，經(jīng)過(guò)離子提取系統(tǒng)收集后利用飛行時(shí)間質(zhì)量分析器測(cè)定離子的精確質(zhì)荷比[5-8]。離子提取系統(tǒng)具有二次離子提取、聚焦和偏轉(zhuǎn)傳輸功能，不僅制約了能夠被收集利用的二次離子數(shù)量，而且也決定了能夠成像分析的視野范圍和能量窗口等關(guān)鍵指標(biāo)，是決定TOF-SIMS性能的關(guān)鍵部件[9-10]。

傳統(tǒng)TOF-SIMS均采用高場(chǎng)提取方式，在 1～2mm 的工作距離上施加 2kV 提取電壓，可以產(chǎn)生高達(dá)10kV/cm 的提取電場(chǎng)，能夠增大二次離子提取效率并縮短TOF回頭時(shí)間。然而，高電場(chǎng)對(duì)低能離子束散焦和偏折，不僅限制橫向空間分辨率，而且制約深度分辨率的提高。此外，高電場(chǎng)時(shí)電場(chǎng)不均勻，加劇樣品表面形貌對(duì)質(zhì)量分辨率和靈敏度的影響。隨著以 C₆₀ 和 Ar₂₀₀₀ 等連續(xù)式團(tuán)簇離子束源的突破[11]，TOF-SIMS 儀器也迎來(lái)重要發(fā)展，出現(xiàn)了以德國(guó)ION-TOF公司的3DOrbit SIMS以及Ionoptika 公司的J105 SIMS為代表的新型儀器，逐漸在生命科學(xué)[12]和有機(jī)半導(dǎo)體材料[13]等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。相比傳統(tǒng)TOF-SIMS脈沖式離子束與同軸式TOF分析器結(jié)合的方式，連續(xù)束源的TOF-SIMS采用正交加速TOF技術(shù)[1415]，有效解除了與離子束和樣品靶的耦合關(guān)系，使質(zhì)量分辨率不再受分析速度和樣品表面形貌的影響。為了減小低場(chǎng)提取時(shí)的離子損失，Carado等[16]在商用MALDI-TOF儀器上進(jìn)行了改進(jìn)，研制了基于20keVC₆₀ 離子束源TOF-SIMS，使得離子產(chǎn)生后能夠直接進(jìn)入射頻四極桿 q0 區(qū)域被捕獲，從而有效減少了離子損失[17-19]。Lanni等[20]研制了 C₆₀ 束源的 TOF-SIMS，發(fā)展了微型矩形四極桿提取系統(tǒng)，提高了離子提取效率。此外，Carado等[16]研究了不同質(zhì)荷比的離子傳輸效率的提升效果。這些采樣射頻四極桿的離子提取方法很好地解決了離子提取過(guò)程中所面臨的二次離子發(fā)散問(wèn)題。然而，為了使射頻冷卻四極桿正常工作，電離室內(nèi)的工作氣壓需達(dá)mbar（ 1mbar=100Pa ）級(jí)別，不僅對(duì)離子束源的工作條件產(chǎn)生制

約，也不適合一些需要高真空分析的樣品。

本研究提出了新型低場(chǎng)二次離子提取系統(tǒng)的研究思路。此系統(tǒng)在高真空環(huán)境中實(shí)現(xiàn)離子的低場(chǎng)提取與聚焦操作，通過(guò)動(dòng)能減速后再進(jìn)入射頻冷卻四極桿進(jìn)行收集。采用電磁場(chǎng)仿真軟件SIMION對(duì)TOF-SIMS 的二次離子光學(xué)提取系統(tǒng)開(kāi)展仿真研究，考察了提取系統(tǒng)中提取錐設(shè)計(jì)類(lèi)型對(duì)離子束偏轉(zhuǎn)、散焦以及提取效率的影響；通過(guò)仿真考察了提取系統(tǒng)成像視野、能量窗口和景深大小，并以金屬銦（In）靶為樣品，采用TOF-SIMS儀器裝置測(cè)試了研制的二次離子提取系統(tǒng)的離子傳輸效率和靈敏度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1. 1 飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜裝置

將研制的二次離子提取系統(tǒng)用于本課題組自主研制的連續(xù)束TOF-SIMS裝置中，裝置總體原理圖如圖1所示。能量為 40keV 的 C₆₀ 離子束撞擊樣品表面，產(chǎn)生的二次離子經(jīng)過(guò)提取后，再經(jīng)過(guò)聚焦和減速透鏡，穿過(guò) Skimmer1 后被冷卻四極桿捕獲。Skimmer1可以作為法拉第盤(pán)測(cè)量離子流的值，用于評(píng)價(jià)離子提取效率。根據(jù)實(shí)際需要，傳輸系統(tǒng)中的分析桿和碰撞池可以實(shí)現(xiàn)MS/MS功能。離子經(jīng)過(guò)傳輸和整形后，注入W型反射式飛行時(shí)間質(zhì)量分析器中精確測(cè)量質(zhì)荷比。在V模式和W模式條件下， In⁺（m/z115） （2號(hào)譜峰的質(zhì)量分辨率分別達(dá)到12000和21000，空間分辨率優(yōu)于 4μm 。圖1中藍(lán)色結(jié)構(gòu)為二次離子提取系統(tǒng)的原理示意圖。

1. 2 二次離子提取系統(tǒng)的離子光學(xué)設(shè)計(jì)

在 SIMION中構(gòu)建了低場(chǎng)離子提取系統(tǒng)離子光學(xué)模型，包括提取錐、聚焦透鏡、偏轉(zhuǎn)合軸透鏡和減速聚焦透鏡（圖2A）。定義仿真中離子初始條件為：銦離子 ¹¹⁵In⁺ ，隨機(jī)總數(shù)10000個(gè)，均勻分布模式，發(fā)射面積為 0.5mm×0.5mm 。初始角度與能量分布采用高斯分布進(jìn)行設(shè)置，初始角度包含方位角與俯仰角兩個(gè)部分。鑒于一次離子束以 50^° 傾角轟擊靶面，致使濺射的二次離子初始角度相對(duì)于法線呈現(xiàn)不對(duì)稱性，因此將方位角設(shè)定為 0^° ，半峰寬為 90^° ，仰角設(shè)定為 40^° ，半峰寬為 30^° 。二次離子的初始能量設(shè)定為中心能量 4eV ，半峰寬 2eV 。為了進(jìn)行散焦程度的評(píng)價(jià)，將一次離子束定義為直徑為 0.8mm 的平行離子束。圖2A中的綠色線條代表靜電透鏡中的等勢(shì)線，黑色線條表示二次離子的運(yùn)動(dòng)軌跡。

離子提取錐主要由接地外殼、提取電極和中間電極構(gòu)成。提取電場(chǎng)不僅決定二次離子提取效率，而且對(duì)一次離子束產(chǎn)生偏折和散焦。根據(jù)接地外殼、提取電極相對(duì)位置進(jìn)行分類(lèi)，離子提取錐可以構(gòu)建內(nèi)凹、齊平與外凸3種結(jié)構(gòu)模型，分別如圖2B＼～2D所示。隨著一次離子束能量增大，離子束的偏移量和散焦長(zhǎng)度均迅速下降（圖2E和2F）。其中，提取錐為內(nèi)凹結(jié)構(gòu)時(shí)，偏移量和散焦均最小，效果最好，而外凸結(jié)構(gòu)的效果最差，齊平結(jié)構(gòu)介于前兩者之間。這種趨勢(shì)在離子束能量低于 750eV 時(shí)表現(xiàn)尤為明顯。然而，當(dāng)TOF-SIMS用于樣品深度剖析時(shí)通常采用低能離子束提高深度分辨率，因此在低能量范圍內(nèi)離子束的偏移和散焦更值得關(guān)注。為了進(jìn)一步優(yōu)化離子提取錐的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，考察了3種結(jié)構(gòu)對(duì)二次離子提取效率的影響。如圖2G所示，盡管內(nèi)凹結(jié)構(gòu)具有最小的偏移距離和散焦，但是在相同的中心偏移量時(shí)，齊平結(jié)構(gòu)始終具有最優(yōu)的提取效率。為了兼顧TOF-SIMS的靈敏度和偏折散焦程度，選擇齊平型離子提取錐作為最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

圖2（A）二次離子提取系統(tǒng)仿真模型；（B）內(nèi)凹型提取錐；（C）平頭型提取錐；（D）外凸型提取錐；（E）3種提取錐中一次離子束能量和偏移量的關(guān)系；（F）3種提取錐中一次離子束能量和散焦長(zhǎng)度的關(guān)系；（G）3種提取錐中提取效率和中心偏移量比較

1.3 提取系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于仿真優(yōu)化結(jié)果，提取系統(tǒng)由樣品靶、提取錐、聚焦透鏡、偏轉(zhuǎn)合軸透鏡和減速聚焦透鏡等多個(gè)部分共同構(gòu)成，圖3A＼～3C分別為提取電極、聚焦電極和靜電漏斗的實(shí)物圖。其中，離子提取錐部分包含提取電極、輔助提取電極以及接地外殼。提取電極孔徑設(shè)計(jì)為 2mm ，各電極之間采用絕緣Peek材料，需要注意減少絕緣表面的暴露，避免電荷沉積。減速聚焦透鏡由7片內(nèi)徑逐漸收縮的圓環(huán)不銹鋼電極等間隔安裝在 Skimmer1上，呈漏斗狀結(jié)構(gòu)。電極環(huán)之間用電阻均勻分壓，在圓環(huán)電極以及 Skimmer1上分別施加直流電壓，用于實(shí)現(xiàn)離子減速會(huì)聚。

1.4 樣品制備與試劑

實(shí)驗(yàn)用銦樣品是高純度金屬圓形銦塊（ 99.995% ，鑫盾合金焊材噴涂有限公司），安裝至樣品托前，需用2000目砂紙（顆粒粒徑 12.7～14.0μm ）進(jìn)行打磨和高壓氣流吹掃處理，盡量使樣品表面光潔。離子傳輸中采用高純氮?dú)猓?99.999% ，大連大特氣體有限公司）作為緩沖氣。將膽固醇（純度 99% ，上海麥克林生化科技股份有限公司）用氯仿稀釋至 5mg/L 的溶液，然后通過(guò)旋涂?jī)x在 3200r/min 下旋涂于硅片上，形成膽固醇薄膜樣品用于靈敏度測(cè)試。

1. 5 實(shí)驗(yàn)條件及方法

采用TH2691A皮安電流計(jì)（同惠電子股份有限公司）檢測(cè)質(zhì)譜傳輸效率。采用TDC采集卡（MCS6A，F(xiàn)ASTComTec）采集質(zhì)譜數(shù)據(jù)，采樣間隔為 800ps ，每張譜圖的采集時(shí)間為 2s 。低強(qiáng)度一次束流濺射電離時(shí)，信號(hào)不飽和，可以直接采集；對(duì)于高強(qiáng)度一次束流，為避免探測(cè)器飽和，通常需要設(shè)置偏轉(zhuǎn)合軸電壓進(jìn)行衰減再采集，衰減倍數(shù)通過(guò)電流計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)中離子提取系統(tǒng)的電壓工作條件見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與討論

2.1 提取錐和聚焦透鏡電壓對(duì)提取效率的影響

為了獲得最優(yōu)提取效率，依次對(duì)提取電壓、中間電極電壓以及聚焦透鏡電壓3個(gè)電壓進(jìn)行了優(yōu)化，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與SIMION仿真優(yōu)化的 ¹¹⁵In⁺ 提取效率進(jìn)行了比較。樣品靶為 靶， C₆₀ 離子束流強(qiáng)度為3.75nA 。其中3個(gè)高壓電源均為負(fù)電壓輸出，以下以絕對(duì)值進(jìn)行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和討論。

如圖4A所示，提取電壓在 0～800^V 區(qū)間時(shí)，隨著電壓升高，離子提取量顯著增加，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的變化趨勢(shì)相吻合。然而，當(dāng)電壓在 800～1200V 之間時(shí)，提取效率卻出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，在 800V 時(shí)達(dá)到最優(yōu)。這可能是因?yàn)殂煒悠凡捎?000目砂紙拋光后平整度仍不高，過(guò)高的電壓會(huì)加劇不平整樣品表面與提取電極表面之間產(chǎn)生電場(chǎng)畸變，導(dǎo)致提取效率下降。仿真過(guò)程中設(shè)定為理想樣品平面，提取效率始終維持在恒定水平。

對(duì)中間電極電壓進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如圖4B所示。在 150V 電壓時(shí)，提取效率達(dá)到最優(yōu)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的變化趨勢(shì)基本一致，最優(yōu)電壓僅有少許偏離。

在固定提取電壓和中間電極電壓基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考察了聚焦透鏡電壓的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4C。隨著聚焦透鏡電壓增大，提取效率變化差異極大，在 100V 時(shí)達(dá)到最優(yōu)，與仿真結(jié)果相符。3個(gè)電壓對(duì)提取效率的影響程度從大到小依次為聚焦透鏡電壓 gt; 提取電壓 gt; 中間電極電壓。

2.2 成像視野測(cè)試與增大視野的方法

成像視野決定了TOF-SIMS成像分析中測(cè)試樣品微區(qū)的最大面積，通常TOF-SIMS單次成像分析視野大于 100μm×100μm 。成像視野越大，二次離子發(fā)射點(diǎn)的偏心越大，離子提取效率會(huì)發(fā)生改變，甚至?xí)邮詹坏诫x子。合理設(shè)計(jì)離子提取系統(tǒng)是保證足夠的成像視野的關(guān)鍵。本研究采用實(shí)驗(yàn)室自主編寫(xiě)的一次離子束自動(dòng)掃描程序，控制離子束在 靶的 500μm×500μm 區(qū)域內(nèi)按照 64×64 個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行X-Y掃描，并且實(shí)時(shí)自動(dòng)記錄質(zhì)譜信號(hào)強(qiáng)度，每個(gè)點(diǎn)的質(zhì)譜采集時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為 2s 。從掃描譜圖矩陣中提取每個(gè)像素點(diǎn)的 ¹¹⁵In⁺ 峰高，生成三維熱圖，如圖5A所示。此三維圖像能夠直觀呈現(xiàn)二次離子提取效率隨采樣位置變化的情況，中心區(qū)域的提取效率較高，四周區(qū)域的提取效率相對(duì)較低。在 200μm×200μm 區(qū)域內(nèi)，離子接收效率均大于 50% 。

當(dāng)提取系統(tǒng)各電壓處于固定工作點(diǎn)時(shí)， 200μm×200μm 以外區(qū)域的離子提取效率已經(jīng)降至 50% 以下。采用動(dòng)態(tài)調(diào)整偏轉(zhuǎn)合軸電壓補(bǔ)償離子提取效率的方法增大成像視野。實(shí)驗(yàn)選取 X=0 的Y-Z平面進(jìn)行測(cè)試，在 -250～250μm 區(qū)間內(nèi)，每間隔64個(gè)像素用離子束進(jìn)行濺射，相應(yīng)在Skimmer1處通過(guò)皮安電流計(jì)記錄二次離子流大小，獲得不同中心偏移量與二次離子提取效率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)離子束濺射不同采樣位置，且不改變偏轉(zhuǎn)合軸電壓時(shí)，記錄曲線如圖5B中紅線所示；在未對(duì)偏壓進(jìn)行調(diào)整時(shí)，Y方向兩端到達(dá)Skimmer1的離子提取效率明顯下降，僅在- -100～100μm 區(qū)間內(nèi)效率高于 50% 。改變偏轉(zhuǎn)合軸電壓后提取效率的變化曲線如圖5B中黑線所示。經(jīng)過(guò)偏壓調(diào)整后，可以使 -250～250μm 區(qū)域內(nèi)相對(duì)提取效率均達(dá)到 80% 以上。為實(shí)現(xiàn)電壓自動(dòng)補(bǔ)償，分別記錄中心偏移量和偏轉(zhuǎn)電壓幅值大小的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)果如圖5C所示，可見(jiàn)偏轉(zhuǎn)電壓與中心偏移量之間呈良好的線性關(guān)系。

通過(guò)程序自動(dòng)調(diào)諧偏轉(zhuǎn)電壓可獲得更高的靈敏度以及更大的成像視野。經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整合軸透鏡補(bǔ)償?shù)姆椒?，可將TOF-SIMS的成像視野拓寬至 500μm×500μm ，并且保證了成像區(qū)域內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的準(zhǔn)確性。

2.3離子提取系統(tǒng)的能量窗口

在離子束濺射的過(guò)程中，二次離子能量存在顯著差異。這種能量差異大約在零至幾十 eV 范圍內(nèi)呈現(xiàn)離散分布，離子能量過(guò)低或者過(guò)高都難以被質(zhì)譜接收檢測(cè)。對(duì)于離子提取系統(tǒng)，能量窗口越大，表明該系統(tǒng)能夠有效接受能量發(fā)散范圍更寬的離子，進(jìn)而提高離子收集效率。

為了確定該離子提取系統(tǒng)的能量窗口大小，開(kāi)展了離子提取系統(tǒng)的能量窗口實(shí)驗(yàn)。采用 32pAC₆₀ 源離子槍持續(xù)轟擊 靶表面，改變靶電壓，同時(shí)在Skimmer1處測(cè)量二次離子電流值。將測(cè)量得到的電流值進(jìn)行歸一化處理，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。如圖6所示，隨著靶電壓增大，離子能量逐漸增大，逐漸與離子提取系統(tǒng)的接收下限匹配，離子提取效率相應(yīng)增大，并在 103V 時(shí)達(dá)到最大值。繼續(xù)增大靶電壓，離子動(dòng)能超過(guò)離子提取系統(tǒng)接收上限，離子提取效率快速下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)高度吻合。計(jì)算結(jié)果表明，中心能量為 103eV ，半峰寬（FWHM）即為能量窗口大小，約為 10eV 。對(duì)于常規(guī)的離子濺射，離子能量發(fā)散通常在 10eV 以內(nèi)，表明該離子提取系統(tǒng)的提取效率大于 50% ，滿足應(yīng)用測(cè)試需求。

在仿真曲線中，對(duì)應(yīng)靶電壓 90～94V 處的提取效率有一個(gè)小峰出現(xiàn)，這是由于二次離子束在仿真模擬時(shí)添加了能量發(fā)散與角度發(fā)散，當(dāng)中心角度為 0^° 時(shí)，二次離子束關(guān)于靶面法線對(duì)稱，此時(shí)仿真不會(huì)存在小峰。添加中心角度偏轉(zhuǎn)后，二次離子束被提取后的軌跡帶有傾斜角度，對(duì)應(yīng)靶電壓90＼～94V處束斑中心的離子因漏斗推斥偏轉(zhuǎn)而與前進(jìn)方向形成合方向，恰好從漏斗出口離開(kāi)。當(dāng)電壓繼續(xù)增大2＼～3V時(shí)，離子能量仍不能滿足通過(guò)漏斗的要求，并且離子合方向已不是漏斗中心，導(dǎo)致提取效率下降。

2.4 離子提取系統(tǒng)的景深

在TOF-SIMS分析中，樣品形貌高度差的變化會(huì)改變離子提取場(chǎng)強(qiáng)，從而極大地改變二次離子提取效率。由于樣品表面形貌或粗糙度的變化導(dǎo)致二次離子從產(chǎn)生位置到提取錐的高度發(fā)生變化，可能會(huì)改變離子接收效率。通常采用景深表征離子提取系統(tǒng)對(duì)樣品高度差的容忍能力。將提取效率達(dá)到最高值的75% 作為判別標(biāo)準(zhǔn)，所對(duì)應(yīng)的高度變化范圍即為提取系統(tǒng)的景深。提取系統(tǒng)的景深是TOF-SIMS重要的性能指標(biāo)。本研究開(kāi)展了離子提取系統(tǒng)景深測(cè)量實(shí)驗(yàn)，為確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，采用一次離子束對(duì) 靶表面 900μm×900μm 區(qū)域剝蝕處理 10min ，可有效消除表面雜質(zhì)和氧化物對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響。

如圖7A所示，樣品 靶和提取錐的典型工作距離是 7mm ，設(shè)置為原點(diǎn)。在 -400～200μm 范圍內(nèi)逐漸移動(dòng)提取錐位置，步長(zhǎng)為 50μm ，依次記錄不同高度偏移量下Skimmer1的電流強(qiáng)度，并相對(duì)原點(diǎn)電流做歸一化處理和繪圖。如圖7B所示，高度偏移量在 -300～100μm 區(qū)間內(nèi)，離子提取效率可以達(dá)到 75% 以上。當(dāng)樣品靶高度偏移量超出 -300～100μm 區(qū)間時(shí)，離子提取效率迅速下降，這是因?yàn)榫嚯x過(guò)遠(yuǎn)時(shí)，二次離子難以進(jìn)入錐口；距離過(guò)近時(shí)，離子的聚焦條件改變導(dǎo)致其難以通過(guò) Skimmer1。若以離子提取效率大于 75% 為標(biāo)準(zhǔn)，提取系統(tǒng)的景深為 400μm ，可有效消除樣品表面形貌和高度差引起的信號(hào)波動(dòng)。為了保證TOF-SIMS實(shí)驗(yàn)的高度重復(fù)性，可在每次進(jìn)樣操作時(shí)精確調(diào)控樣品靶高度至光學(xué)成像焦面位置，確保樣品靶高度一致性，進(jìn)而提高質(zhì)譜數(shù)據(jù)的重復(fù)性和穩(wěn)定性。

2.5 膽固醇響應(yīng)測(cè)試

離子提取系統(tǒng)是決定TOF-SIMS靈敏度的主要因素。將 10μL 的 5mg/L 膽固醇溶液以 3200r/min 旋涂于硅片上，獲得膽固醇薄膜，用于TOF-SIMS的靈敏度測(cè)試。每張質(zhì)譜的采集時(shí)間為 60s 。譜圖見(jiàn)圖8，其中插圖為區(qū)域放大圖， m/z 385 處的特征峰為膽固醇的分子離子峰 [M-H]⁺ m/z 369 處的特征峰為[M-OH]⁺ ， m/z200 以下的特征離子來(lái)自 Si_x（H₂O）_y⁺ 的團(tuán)簇峰以及膽固醇的 C_xH_y 碎片峰。其中，[M-OH]的信噪比達(dá)到4453，表明配置低場(chǎng)離子提取系統(tǒng)的二次離子質(zhì)譜具有較高的靈敏度，可以滿足有機(jī)薄膜樣品的分析檢測(cè)要求。

3 結(jié)論

針對(duì)連續(xù)束源TOF-SIMS對(duì)高效離子提取的要求，設(shè)計(jì)并研制了一套低場(chǎng)離子提取系統(tǒng)。利用SIMION軟件構(gòu)建了二次離子提取系統(tǒng)的仿真模型，確定了離子提取錐的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。通過(guò)仿真分析，深入探究了二次離子提取系統(tǒng)中各電極電壓對(duì)系統(tǒng)性能的影響，為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)調(diào)試提供了指導(dǎo)。將研制的低場(chǎng)離子提取系統(tǒng)安裝至TOF-SIMS儀器上，利用 40keV 的 C₆₀ 離子束濺射 靶，開(kāi)展了提取效率、成像視野、能量窗口和景深等性能測(cè)試和功能驗(yàn)證。結(jié)果表明，二次離子提取系統(tǒng)的成像視野可以達(dá)到 500μm×500μm ，能量窗口達(dá)到 10eV ，景深達(dá)到 400μm 。在對(duì) 5mg/L 膽固醇薄膜樣品的測(cè)試中，特征峰[M-OH]*的信噪比達(dá)到了4453。相較于傳統(tǒng)的TOF-SIMS儀器的高場(chǎng)提取方式，本研究設(shè)計(jì)的低場(chǎng)離子提取系統(tǒng)可以很好地與連續(xù)離子束源耦合，而且兼顧了能量窗口、成像視野、景深大小以及離子總接受效率，提升了連續(xù)束源TOF-SIMS的檢測(cè)性能。

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Development of A Low Field Ion Extraction System for Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry

WANG De-Ze ¹ ， WU Chen-Xin2， CHEN Yi2， DU Fu-Xin2， HUA Lei ² ， LI Hai-Yang2， WANG Jian-Hua*1， CHEN Ping*2 1（School of Science， Northeastern University， Shenyang 11Oooo， China） 2（Liaoning Key Laboratory of Mass Spectrometry Technology and Instruments，Dalian Institute of Chemical Physics， Chinese Academy of Sciences， Dalian 116023， China）

AbstractTime-of-flight secondary ion mass spectrometer（TOF-SIMS） is a highly sensitive surface analysis instrument with high spatial resolution. Traditional TOF-SIMS instruments for sample targets use high field extraction methods.Althoughtheioncollection eficiency is high，it is prone to issues such aslow-energyionbeam defocusing，sample morphology sensitivity，and organic molecule ion dissociation.This study aimed to develope an efcient low-field ion extraction system suitable for TOF-SIMS with a continuous beam source.The SIMION simulation software was used to construct a model of the secondary ion optical extraction system.The key factors affecting the extraction eficiency were studied，and the structural parameters of the extraction cone were optimized. Using an indium target as the sample，an experimental test of the performance of the ion extraction system was carried out on the TOF-SIMS instrument.The influences of the voltages of the ion extraction cone and thesingle lens on the ion extraction efficiency were consistent with the simulation results.By adopting the technology of deflection and coaxial dynamic compensation，the imaging field of view of the ion extraction system was increased to 500μm×500μm . The energy window of the ion extraction system reached 10eV ，and the large imaging depth of field of 400μm was achieved. In the test of a 5mg/L cholesterol thin film sample， the signal-tonoise ratio of the characteristic peak [M-OH]⁺ reached 4453. The results showed that this low-field secondary ion extraction system effectively improved the performance of the continuous beam TOF-SIMS instrument.

KeywordsTime-of-flight secondary ion mass spectrometry； Secondary ion extraction system； Simulationoptimization; Extraction efficiency

（Received 2025-02-28;accepted 2025-06-03）

Supported bythe National Natural Science Foundationof China （No.22474139）， the Instrument Development Projectof the Chinese Academyof Sciences （No.ZDKYYQ2021005），and the National Key Researchand Development Programof China （No. 2022YFC3401201）.