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Secondary Ion Extraction-Transfer
物镜放大系统
二次离子加速 样品
Ion Energy Analyzers
Energy analyzer bends lower energy ions more strongly. The inner and outer electrodes have voltages of opposite polarity. Ions with energies other than required are intercepted.
这显示了质谱类技术的独特之处 —— 极低的探测极限，且可分析同位素
真空泵油蒸气的MS谱
可根据物质的分子量，确定相应的物质种类
两种标准气体成分的MS分析结果
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质谱技术可以将分析精度提高至ppm数量级
MS的主要技术指标
（1）质量分辨本领
R = m / m, 可达 500 ~ 3000
AES/XPS能够分析表面成分
SIMS也是表面成分分析手 段，其特点是什么？
质谱类仪器分析粒子质量的原理
在磁场B之中，质量m、电荷q的荷电粒子将受
到磁场力的作用，其偏转半径 R 与粒子的加速电 压 V（能量qV）之间满足下述关系:
m / q = B2 R 2 / 2V 粒子的（qV）能量越高，其 旋转半径（R）越大
其意义: 若要分辨 m(N2)=28.0061 和 m(CO)=27.9949 则需要 R = 28 / 0.0112 2500
（2）探测极限
根据仪器的不同，可达 1 ppm 量级上下
（3）分析范围
m / q 1, 即包括了从H+开始的所有离子团、同 位素
早期的火花放电质谱 (SSMS, spark source MS)
Secondary Ion Detectຫໍສະໝຸດ Baidurs
SIMS have as many as 3 kinds of detectors:
a Faraday cup an ion
counting electron multiplier and an ion image detector
Faraday Cups
SSMS技术的优缺点
优点：
缺点：
不能分析微区成分 探测极限
（不能成象） 元素分析范围
成分深度分布能力有限
—— 解决的方案：SIMS及类似技术
PHI ADEPT-1010二次离子质谱仪
Atomika 4500 Ultra-Shallow SIMS二次离子质谱仪
SIMS 的原理图
可使用Ar+, Cs+, O2+, O-, Ga+各种离子（一次离子）, 1-20keV 的入射离子能量，溅射出原子和离子（二次离子）。~ 10-9-Torr
的背底真空
SIMS的离子枪——duoplasmatron
Ar is commonly used. And O2 may also be used to enhance ionization efficiency of electropositive elements.
Cu-Ti合金的SIMS
——能量过滤后SIMS具有更高的分辨本领
m = 0.017, R > 3000，远高于没有能量过滤时的情况
Mass Analyzer——magnetic sector
Magnetic sector are more commonly used to analyze m/q values
m / q 称为粒子的荷质比，单位为 amu (atomic mass unit)
磁谱型质谱仪
加速到~ 10keV的气相离子，即可被磁谱仪按其核质比分离 。变动磁场强度，即可对不同m/q进行扫描测量。
某气体的 MS谱
HD
D2
(注意: 其纵坐标 覆盖了5-6个数量
级的对数坐标)
m/m=1200
A Faraday cup is just an electrode from which electrical current is measured when a beam of charged particles (electrons or ions) impinges on it. A deep cup with an electron repeller plate minimizes secondary electron loss.
Electron Multipliers
An electron multiplier has sufficiently high gain to produce a detectable pulse for every ion arrival. It is the most sensitive detectors. It consists of a series of electrodes called dynodes(倍增器), set at different potentials.
SIMS的离子枪——surface ionization source
The source produces Cs+ ions, as Cs atoms vaporize through a porous W plug.
SIMS Primary Ion Column
质量过滤 聚焦 扫描 样品
R (m/q)1/2
电场能量过滤，磁场质量分析，胶片记录
SSMS谱仪的离化源 (spark source)
a. 样品自身间放电
b. 针状电极对样品放电
要求样品导电(或混入导电粉末C或Ag)
不锈钢的SSMS分析结果
对主元素进行了分析
SSMS：UO2中微量杂质的分析
O
对微量元素进行了分析 分析的准确程度达到0.1-1.0ppm数量级
材料学中常用的分析方法
Instrumental Analysis in Materials Science
第三讲
二次离子质谱（或称离子探针）
（火花放电质谱） （辉光放电质谱） （激光离化质谱） （溅射中性粒子质谱……）
SIMS /（SSMS）/（GDMS）/（LIMS）/（SNMS…）
EDX(WDX)提供了微区成分 分析能力
SSMS：从H到U各元素的检测限(ppm)
从H到U，且多数元素 的检测限为ppb量级
SSMS的主要技术指标
（1）质量分辨本领
R = m / m, 可达 104
（2）探测极限
根据仪器的不同，甚至可达 1 ppb 量级
（3）分析范围
m / q = 6 -240 (比较：m(Li)=7, U(m)=238)
