二次離子質譜儀原理簡介

1、二次離子質譜儀原理簡介二次離子質譜儀（Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS）又稱離子探針（IonMicroprobe），是一 種利用高能離子束轟擊樣品產生二次離子并進行質譜測定的儀器，可以對固體或薄膜樣品進行高精度的微區(qū) 原位元素和同位素分析。由于地學樣品的復雜性和對精度的苛刻要求，在本領域內一般使用定量精度最高的 大型磁式離子探針。該類型的商業(yè)化儀器目前主要有法國Cameca公司生產的IMS1270-1300系列和澳大利亞 ASI公司的SHRIMP系列。最近十年來，兩家公司相繼升級各自產品，在靈敏度、分辨率及分析精度等方面指 標取得了較大的提升，元素檢出

2、限達到ppm-ppb級，空間分辨率最高可達亞微米級，深度分辨率可達納米級。 目前，大型離子探針可分析元素周期表中除稀有氣體外的幾乎全部元素及其同位素，涉及的研究領域包括地 球早期歷史與古老地殼演化、造山帶構造演化、巖石圈演化與地球深部動力學、天體化學與比較行星學、全 球變化與環(huán)境、超大型礦床形成機制等.因而國內各大研究機構紛紛引進大型離子探針（北京離子探針中心的 SHRIMP II 和 SHRIMP lleMC、中科院地質與地球物理研究所的 Cameca IMS1280、Cameca IMS-1280HR 和Na no SIMS 50 L、中科院廣州地球化學研究所的Cameca IMS1280

3、HR、中核集團核工業(yè)北京地質研究院的 IMS1280HR）,大大提高了國內微區(qū)分析的能力。本實驗室配備了 Cameca公司生產的IMS1280離子探針和其升級型號IMS1280HR。兩臺儀器的基本原理及 設計相同，升級型號IMS1280HR主要在磁場設計上有所改進，具有更高的質量分辨率和傳輸效率該型儀器 從功能上可分為四部分，如圖一所示：一次離子產生及聚焦光路（黃色部分）、二次離子產生及傳輸光路（藍 色部分）、雙聚焦質譜儀（粉色部分）和信號接收系統(tǒng)（紫色部分）.Cameca離子探針可以類比為一臺顯微 鏡，離子源相當于顯微鏡的光源，傳輸光路相當于物鏡，質譜儀相當于濾鏡，而接收器相當于目鏡或照相機

4、。JJ 圖一，IMS1280/HR型離子探針原理示意圖（word完整版）二次離子質譜儀原理簡介一次離子部分包含了兩個離子源分別是可以產生0-和0-以及0+離子的雙等離子體離子源（DuoPlastron 2Source ）和產生C s+離子的熱電離銫離子源（Cs Ion Source）， 一般分別對應地學領域分析中的正電性元素 （如Pb、U、Th、REE、Li、Ca等）和負電性元素（如C、O、S、H等）。兩個離子源由軟件控制選擇，所產 生的離子通過高壓（一般為數千伏特）加速后進入一次離子質量過濾器（PBMF）進行質量篩選，常用的一次 離子有160-、-或133CS+離子.后續(xù)的一次離子光路通過調

5、整離子透鏡Lens2, Lens3和Lens4的電壓可以 獲得兩種照明方式：均勻照明（科勒照明或平行光照明）和高斯照明。一次離子光路原理如圖二所示。均勻照明模式使用離子透鏡Lens2將一次離子束調整為“平行光”，并穿過位于其后的一次束光闌（PBMF_Aperture），再通過離子透鏡Lens4將該光闌成像到樣品表面.在該模式下，離子束的直徑由 PBMF_Aperture的大小決定，由于該光闌受到離子束的剝蝕而逐漸變大，因此實際上這種模式的離子束直徑 是隨時間不斷變化的，對空間分辨率不太敏感的應用可以使用該模式。實驗室的常規(guī)定年就使用了這種照明 模式，由于其離子束密度均勻，在樣品表面留下的剝蝕坑

6、為橢圓形的平底坑。Lens 1Deflector 2P.B.M.RLens 2Deflector 31st Pnmary Aperture (PBMF-Aperture)Primary Faraday cupDeflector 5-Beam PqsLens 4Sampfe -lOto+10 KVCs sourceDeflector 1Lens 3Lens 1Deflector 2P.B.M.RLens 2Deflector 31st Pnmary Aperture (PBMF-Aperture)Primary Faraday cupDeflector 5-Beam PqsLens 4Sampf

7、e -lOto+10 KVCs sourceDeflector 1Lens 3Last Primary Aperture (Lens 4-Aperlure)DuoplasmatronUnrforiri beamGaussian beam craterwithaut Lens 3 activatedwith Lens 3 activated圖二一次離子光路原理示意圖在高真空條件下，帶有數千電子伏特（eV）的高能帶電離子轟擊固體樣品的表面時，部分一次離子注入到固 體內部并與其路徑上的樣品原子發(fā)生彈性或非彈性碰撞.通過碰撞而獲得能量的內部原子又與其周圍的原子再次 進行碰撞并產生能量傳導，這個過程稱為

8、級聯(lián)碰撞。最終，部分樣品內部電子、原子或分子獲得了足夠的能量逃 逸出樣品表面，產生了濺射現(xiàn)象。在濺射出的各種微粒中，有小部分發(fā)生了電離，產生了二次離子。這些二次離 子被樣品表面的+10KV到一10KV的高壓加速，通過離子透鏡聚焦后進入雙聚焦質譜儀進行質量篩選.濺射及加速示 意圖請見圖三。高斯照明模式在PBMF之后使用了三個離子透鏡：Lens2、Lens3和Lens4.其中Lens2與Lens3將離子束匯聚, L4將匯聚后的離子束聚焦到樣品表面，形成束流密度中心高周圍低的高斯分布。這種模式下，在樣品表面產 生的剝蝕坑是接近圓形的V型坑.這種模式下離子束的直徑主要受到L2與L3透鏡電壓的影響，而對

9、光闌的剝蝕 效應很小，因此可以長時間保持離子束直徑不變。實驗室常規(guī)的穩(wěn)定同位素分析以及空間分辨高于10微米的 小束斑定年分析都采用了高斯照明模式.不同元素的二次離子產率相差巨大，而且每種元素在不同基體中的產率也不盡相同，甚至同一元素的同 位素之間在不同的基體中也表現(xiàn)出不固定的產率（基體效應）在實際分析時實測值與理論值會產生較大差 異。因此，要使用離子探針進行高精度的元素、同位素分析,必須使用與被測樣品成分和結構一致的標準物質 進行校正。而標準樣品的稀缺性也成為制約和影響離子探針分析的瓶頸。目前，本實驗室目前已開發(fā)了鋯石 氧同位素標準物質（Penglai）、方解石碳-氧同位素標準物質（OKA）、

10、鋯石Li同位素標準物質（M257）、鋯石 年齡標準物質（Qinghu）等。一次離子丄一次離r圖三，離子探針濺射示意圖二次離子產生后進入離子傳輸光路，該部分相當于顯微鏡的物鏡,通過調節(jié)該“物鏡”的放大倍數，配合 后續(xù)的光闌及狹縫的調整，可在質量分辨率確定的條件下對儀器的傳輸效率進行優(yōu)化，保證分析精度。入口 狹縫是傳輸光路和質譜儀的分界面。離子束通過傳輸光路聚焦后，在入口狹縫處匯聚。調節(jié)入口狹縫的寬度 可控制進入質譜儀的離子束寬度，從而控制質譜儀的質量分辨率。質量分辨率要求越高，入口狹縫所對應的 寬度就越窄，二次離子信號的強度損失也就越多。因此，在滿足分析要求的前提下，盡量使用較低的質量分 辨率.

11、離子探針分析中，樣品表面濺射出的二次離子組成非常復雜，包括了單原子離子、分子離子、多電荷 離子、復雜聚合物離子等，對質量分辨率要求極高。為了兼顧離子探針的質量分辨率和傳輸效率，必須采用 大磁場半徑的設計.該型離子探針的最低質量分辨率為900,而最高可用質量分辨率大于20000。磁式質譜儀主要利用運動離子在磁場中的受力偏轉實現(xiàn)對特定質量電荷比值的離子的選擇。磁式離子探 針一般使用雙聚焦磁式質譜，可以實現(xiàn)速度聚焦和方向聚焦，在二次離子能量分布范圍較大的情況下實現(xiàn)高 質量分辨率和高傳輸效率。雙聚焦質譜儀由靜電分析器和扇形磁場質量分析器組成，當二者的能量色散在焦 平面上相互抵消時即實現(xiàn)了雙聚焦.IMS

12、1280/HR離子探針的靜電場及磁場半徑均為585mm，在質量分辨率 5000的條件下，其傳輸效率90%。（word 完整版）二次離子質譜儀原理簡介 離子經過質譜儀的質量色散后進入離子接收系統(tǒng)。該型儀器的接收系統(tǒng)分為三個部分：具有5 個接收位 置,共 7 個接收器的多接收系統(tǒng);具有三個接收器的單接收系統(tǒng)和微通道板成像系統(tǒng)。多接收系統(tǒng)能夠同時接 收的最大的質量差異為17%，最小質量差異為0.4%，是典型的同位素質譜配置。5個接收位置可在各自軌 道上沿聚焦面移動,根據被測同位素的信號強度可選擇安裝法拉第杯或電子倍增器。最外側的兩個接收位置 還分別額外加裝了一個法拉第杯，增加配置的靈活性，如圖四所示

13、。多接收器分析可以提高效率,并能抵消 一部分因為一次離子或儀器其他參數波動引起的分析誤差,是提高分析精度的最直接手段。實驗室的高精度 穩(wěn)定同位素分析（氧同位素、碳同位素及硫同位素等）都是用多接收器的。目前本實驗室兩臺離子探針采用 了不同的接收杯配置,其中一臺偏重于穩(wěn)定同位素分析，在多接收器中安裝了多個法拉第杯,而另一臺則偏重 微量元素尤其是Pb同位素分析，主要配置為電子倍增器。單接收系統(tǒng)具有一個工作在離子計數模式下的電 子倍增器和高低兩個不同量程的法拉第杯，組成了具有109動態(tài)接收范圍的大量程接收系統(tǒng)。對于質量范圍 超過17%的分析，一般使用單接收系統(tǒng)，例如傳統(tǒng)的U-Pb定年分析，其需要測量的質量數從196270，使 用的是單接收系統(tǒng)中的電子倍增器收集所有信號.使用微通道板成像時，儀器工作在離子顯微鏡模式下，成像的分辨率取決于二次離子光路的設置,而與一 次離子束的直徑