一種離子流束斑形狀的快速檢測方法

包澤民，劉光達，王培智，龍 濤，田 地，邱春玲，劉敦一

(1.吉林大學儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春 130061；2.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所，北京 100037)

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一種離子流束斑形狀的快速檢測方法

包澤民1，劉光達1，王培智1，龍 濤2，田 地1，邱春玲1，劉敦一2

(1.吉林大學儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春 130061；2.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所，北京 100037)

針對當前質(zhì)譜儀研制及調(diào)試過程中離子束斑形狀檢測方法繁瑣、效率低等問題，提出一種快速、實時的檢測方法。該方法在傳統(tǒng)刀邊法的基礎(chǔ)上，采用多角度切割線包圍成圖原理，即分別在0°、45°、90°、135°方向移動鋒利刀邊“切割”離子束，得出離子流強度變化曲線，最終還原離子束斑形狀及束流核心區(qū)域。通過自行搭建的測試平臺，將該方法得到的束斑形狀與離子轟擊痕跡法的結(jié)果進行對比，結(jié)果表明，采用本方法檢測得到的離子束斑形狀及核心區(qū)域與離子轟擊痕跡法基本一致，但較后者操作簡單、省時高效，可實現(xiàn)實時檢測。

質(zhì)譜儀；離子束斑；束斑形狀；多角度切割線包圍成圖原理

不同種類的質(zhì)譜儀器因其原理不同對離子束斑形狀的要求也不同，如二次離子探針需要一次離子束斑為圓形，雙聚焦磁質(zhì)量分析器則需要束斑形狀為窄帶。質(zhì)譜儀器研發(fā)及調(diào)試過程中需要對離子流束斑形狀進行檢測，以評估離子光學系統(tǒng)[1-2]。離子光學系統(tǒng)中非軸對稱部件、機械加工精度、表面處理水平、裝配精度以及離子束能量差異等都是導致離子束斑形狀發(fā)生變化的因素，如何檢測離子束斑形狀是評估離子光學系統(tǒng)亟待解決的問題之一。

目前離子束斑檢測方法主要有3種：1) 離子轟擊熒光靶板[3]，肉眼能看見離子束斑；2) 傳統(tǒng)刀邊法，即金屬刀邊“切割”離子束，檢測被刀邊阻擋的離子流[4-6]，或在刀邊后檢測未被阻擋的離子流[7-8]；3) 離子轟擊平整的樣品靶，查看轟擊痕跡[2,9-11]。方法1和2是目前常用的方法，其檢測速度快、效率高；方法3雖然在檢測速度上沒有優(yōu)勢，但是能通過痕跡判斷離子束斑形狀及離子束流密度情況，且精度更高。但這3種方法也存在各自的不足：方法1中的熒光板會放大束斑，影響準確性，且易損耗，重復利用性差；方法2雖然易于實現(xiàn)，但不能檢測束斑形狀；方法3需要把轟擊后的樣品靶放在顯微鏡下觀察，這個過程需要開關(guān)分子泵、拆卸腔體，其操作復雜、耗時長，無法實現(xiàn)實時檢測。

針對以上問題，本工作提出多角度切割線包圍成圖法，以二次離子質(zhì)譜儀中一次離子束為測試對象，在不同處理條件下，改變離子束斑形狀，對離子束斑形狀進行檢測，并與離子轟擊痕跡法的結(jié)果進行比較，驗證其準確性。

1 束斑形狀檢測方法

1.1 離子束切割原理

文獻[4]給出的刀邊法原理示意圖示于圖1。平整的刀邊沿著垂直于離子飛行方向運動，慢慢擋住部分直至全部離子，刀邊之后固定有法拉第杯檢測器，用以檢測離子流強度變化。法拉第杯內(nèi)部細而深，內(nèi)表面鍍有防止二次電子濺射的材料，杯前為抑制電極，加50～100 V負電壓用于防止杯內(nèi)二次電子逃逸，也防止離子打在刀邊上產(chǎn)生的二次電子進入杯內(nèi)影響檢測精度，將其與直流放大器結(jié)合可檢測pA級離子流信號。刀邊與腔體相連，再連接到大地，可將打在上面的電荷引走，保證刀片與腔體為等電勢，使空間內(nèi)不存在電場，不影響離子運行軌跡。

圖1 刀邊法原理示意圖Fig.1 Schematic of knife-edge method

刀邊法檢測離子流強度及密度變化曲線示于圖2。由圖2可以看出，刀邊剛剛接觸離子束和快擋住全部離子束時，離子流強度變化慢，而切割離子束中間位置時變化快，這是因為軸心處離子流密度高于遠處，刀邊每移動一定距離遮擋的面積也較兩邊大。操作過程中可根據(jù)實際情況設(shè)定閾值，確定束斑起止位置。

1.2 多角度切割線包圍成圖原理

傳統(tǒng)刀邊法的刀邊從一個方向進入，只能得到離子束在這個方向上的延伸長度。該方法認為離子束斑為圓形，適用于理想軸對稱離子光學系統(tǒng)，但不具備廣泛性。在傳統(tǒng)刀邊法基礎(chǔ)上，分別從0°、45°、90°、135°方向垂直向軸心移動刀邊，對離子束進行切割，多角度切割線相包圍成圖原理示于圖3。其中，離子束截面圖示于圖3a，箭頭為刀邊切割方向，圓圈為離子束等密度曲線，越往中心代表離子流密度越強。如前所述，離子流密度核心區(qū)域不一定在幾何中心，可能存在偏移，沿以上角度“切割”離子束可以得到4個軸向上的束斑的延伸長度，再通過這4條離子流強度變化曲線還原離子束斑形狀。

圖2 刀邊法檢測數(shù)據(jù)及離子束流密度曲線Fig.2 Knife-edge method data and ion beam density curve

圖3 多角度切割線相包圍成圖原理Fig.3 Multi-angle cutting-line image forming principle

離子束斑檢測結(jié)果示于圖3b。刀邊沿4個方向切割離子束，以離子流強度的5%～95%作為閾值(閾值可根據(jù)實際情況設(shè)定)，根據(jù)其強度變化，確定每個方向的線段起止位置，標記為圖中輪廓的8條相交的切割線，4個方向的全部切割線圍成了離子束斑的大致輪廓。

1.3 離子流密度估計

離子流核心位置是離子密度最大的一個區(qū)域，理想情況下應該在束斑的幾何中心，但實際中可能會有一定偏移。根據(jù)沿著4個方向得到的4條離子流強度變化曲線，估計離子流密度分布，可確定束流核心位置。

刀邊切割離子后得到離子流強度變化曲線，離子沿其中某方向(設(shè)α角方向)的線密度(垂直于刀邊移動方向上的離子流密度加和)計算公式如式(1)：

(1)

式中，ρLα(x)并非α方向某一測線上的離子流密度，而是整個方向上的線密度。因為該方向不同位置線密度點對應的面積不同，離子流密度也不同，所以需要對其進一步處理以校準這些因素，從而計算某一測線上的離子流密度值。具體計算公式如式(2)：

(2)

式中，ΔS(x)為α方向上每個線密度點對應的面積，采用多角度切割線相交包圍成圖法可以得到該面積；Mα(x)是α方向上離子流校準系數(shù)，其計算公式如式(3)：

(3)

式中，ρLα+90(x)是垂直于刀邊移動方向(α+90°方向)上的線密度。

ρa(x)并不能完全反映離子流密度，但可以作為在該測線上離子流密度的一種有效估計。

1.4 離子流核心的確定

圖4 某一方向離子流核心區(qū)域邊界點確定Fig.4 Determination of ion beam core area boundary points

某一方向離子流核心區(qū)域邊界確定方法示于圖4，橫軸為刀邊位置，縱軸為離子流密度。設(shè)離子流密度估計曲線與橫軸圍成的總面積為S，假設(shè)m%的離子通過核心區(qū)域，先找到離子流密度最大峰值點，做一條經(jīng)過峰值點與橫軸平行的直線，沿縱軸向下移動該直線，與密度估計曲線在峰前后相交于兩點，過這兩點分別做平行于縱軸的直線，假設(shè)這兩條直線與密度估計曲線、橫軸圍成的部分(陰影部分所示)面積占S的n%。隨著橫線向下移動，n逐漸接近m，當m=n時，記錄兩個交點的刀邊位置，這兩點即為離子束核心區(qū)域的起止位置。

離子核心位置成圖原理示于圖5。將0°、45°、90°、135°方向的起始位置按照圖5還原成圖，得到離子流的核心區(qū)域(黑色部分)，大部分離子光學部件為近軸工作特性，離子分布在距中心較近的范圍內(nèi)。

圖5 離子核心位置成圖原理Fig.5 Principle of ion beam core area image creation

2 實驗設(shè)計

2.1 測試平臺

測試平臺結(jié)構(gòu)示于圖6，采用雙等離子體氧源作為離子源，氧氣通過針閥進入空心陰極，

放電產(chǎn)生離子，被-10 kV電壓抽出，通過四級透鏡、單透鏡組、擋板進入法拉第杯。其中，四級透鏡為偏轉(zhuǎn)和調(diào)整離子束斑形狀的部件[12]，透鏡組用于離子聚焦，檢測點在單透鏡組之后。

離子源陽極板和擋板把整個腔體分隔成3個子腔體，陽極孔和擋板孔使各子腔體間形成差級真空，采用Pfeiffer公司Hipace 300型分子泵抽取，抽速為245 L/s，真空計1、2、3分別監(jiān)測3個子腔體真空度，通過針閥控制O2流量，調(diào)節(jié)離子源放電室氣壓，工作時氧源內(nèi)氣壓為30～53 Pa，后面兩級真空度分別達到10-4Pa和10-5Pa。

2.2 測試方案

將離子轟擊痕跡法與切割線包圍成圖法的檢測結(jié)果作比較，以驗證本方法的準確性，測試方案示于圖7。4個傳動器在4個方向分別帶動刀邊切割離子束，另外一個傳動器固定拋光過的樹脂靶，用于記錄離子束轟擊痕跡，靶表面鍍金，與腔體連接，可把轟擊離子粘附電荷引走，避免電荷堆積影響離子運行軌跡，在顯微鏡下觀察轟擊痕跡。

傳動器為步進電機驅(qū)動，在腔體外操作，攜帶刀邊在腔體內(nèi)做直線運動，分辨率為10 μm。采用吉時利公司6485型皮安表測量放大法拉第杯檢測器信號，傳動器的驅(qū)動電路以及皮安表都基于RS232總線與上位機通信，每移動一次傳動器記錄一個離子流強度值，存儲在硬盤上的數(shù)據(jù)文件中，整個過程實現(xiàn)自動化。刀邊材料為無磁不銹鋼316L，尺寸為12 mm×20 mm 矩形，厚度2 mm，刀口面為60°斜坡，斜坡面背對離子飛行方向，保證用最鋒利處“切割”離子束，加工公差為±0.01 mm，刀口處表面粗糙度為0.8 μm。

圖6 測試平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of testing platform

圖7 離子束斑檢測點測試方案示意圖Fig.7 Diagram of ion beam spot measurement plan

具體測試過程如下：

1) 調(diào)整高純氧進樣氣壓，使離子源內(nèi)氣壓為30～53 Pa，離子源打火，開啟高壓電源，儀器在穩(wěn)定狀態(tài)的工作時間長于2 h，期間微調(diào)針閥，使氣壓穩(wěn)定在36 Pa左右，這樣可以使測試平臺進入平衡狀態(tài)，保證離子流強度穩(wěn)定，位置不會“漂移”。

2) 升起全部刀邊及樹脂靶，將法拉第杯放置在軸線位置，使離子全部打入法拉第杯，等待

離子流趨于穩(wěn)定。

3) 依次按照0°、45°、90°、135°的順序用4個刀邊先后切割離子束，記錄刀邊位置及離子流強度。

4) 升起全部刀邊，用樹脂靶擋住離子束，使離子束轟擊樹脂靶1～3 min，記錄樹脂靶當前位置。

5) 改變四級透鏡電壓，重復步驟2)～4)，記錄不同電壓下數(shù)據(jù)。

6) 將樹脂靶放在高倍顯微鏡下觀察離子轟擊痕跡。

3 實驗結(jié)果

采用4個角度刀邊先后切割離子束得到強度變化曲線，示于圖8?？梢钥吹剑驗樗募壨哥R將離子束斑形狀改變，導致在不同方向離子流強度的變化快慢不同，束斑直徑存在區(qū)別，其中，沿45°方向束斑“壓扁”現(xiàn)象明顯，沿135°方向束斑則被“拉伸”。采用多角度切割線成圖法，可將這4條強度變化曲線還原出離子束斑形狀輪廓。

4個不同方向中心線上離子流相對密度分布直方圖示于圖9。束斑不同，在圖形上的體現(xiàn)是離子流集中程度不同，束斑越小，離子流分布越集中。圖中45°方向離子流集中程度最高，135°方向最低，通過該直方圖可確定每個方向核心區(qū)域起止點位置，最終得到離子束核心區(qū)域形狀。

圖8 沿0°、45°、90°、135°角度檢測到的離子流強度Fig.8 Ion intensity measured in 0°, 45°, 90°, 135° directions

圖9 沿4個方向的離子流密度估計Fig.9 Ion density estimation in 4 different directions

采用多角度切割線成圖法得到離子束斑形狀，示于圖10，其中外輪廓為檢測的離子束斑形狀，深色部分為離子流核心區(qū)域。

圖10 采用多角度切割線成圖法得到的束斑形狀圖Fig.10 Beam spot shape measured by multi-angle cutting-line image forming method

顯微鏡下觀察到的離子束轟擊過的樹脂靶示于圖11。從圖中可以看到，離子在樹脂靶上留下了明顯的轟擊痕跡，由其輪廓形狀可以斷定離子如之前預料被四級透鏡“壓扁”，中間位置處顏色較深，痕跡周圍有變淡的趨勢。

圖11 顯微鏡下離子轟擊樹脂表面的痕跡照片F(xiàn)ig.11 Microscope photograph of marks on resin material surface bombarded by ion beam

對比圖10和圖11，可以看出采用多角度切割線成圖法得到離子束斑形狀與離子轟擊痕跡法得到的結(jié)果基本一致，說明本方法基本可以描述離子束斑形狀與核心區(qū)域。只是刀邊的切割角度不夠精細導致輪廓分辨率較差，但多數(shù)質(zhì)譜儀研制及調(diào)試對分辨率要求并不高，而該方法操作簡單，快速易實現(xiàn)的優(yōu)勢比較明顯，又可省去拆卸腔體所需的復雜操作，以及重新抽真空所帶來的時間浪費，提高了測試效率。

由于實驗條件的限制，本實驗的刀邊只采用了10 μm的分辨率，如果條件允許，可以適當提高分辨率，但很難到達納米水平。文獻[5]采用傳統(tǒng)刀邊法對納米級束斑進行了測量，發(fā)現(xiàn)刀邊加工精度、移動精度等都是重要問題，導致文獻給出的數(shù)據(jù)誤差較大，只進行了束斑直徑的粗略估計。

為驗證方法的穩(wěn)定性，通過改變四級透鏡電壓，使離子束斑形狀發(fā)生改變，再采用該方法分別對其測量，得到的數(shù)據(jù)列于表1。

表1 不同條件下，離子束斑形狀檢測結(jié)果

注：顯微鏡下拍攝的相片會因放大倍數(shù)不同而有所不同

從表1可以看出，在四級透鏡以及其他條件變化時，離子束斑形狀也發(fā)生了變化，相應地采用多角度切割線成圖法得到的束斑形狀也隨之改變。結(jié)果表明，采用多次測量，多角度切割線相圍成圖法與離子轟擊痕跡法得到的束斑形狀基本一致。

4 結(jié)論

采用多角度切割線相圍成圖法對離子束斑形狀進行檢測，并與離子轟擊痕跡法的結(jié)果比較，二者得到的離子束斑輪廓及束流核心區(qū)域基本一致。但多角度切割線相圍成圖法不需要拆開腔體，不必引入其他觀察設(shè)備，能夠做到實時檢測，解決了離子轟擊痕跡法操作復雜、效率低的問題。本方法對其他非質(zhì)譜類儀器設(shè)備中帶電粒子束，如電子、質(zhì)子、附著電子的有機大分子等束斑形狀檢測也有一定地借鑒意義。

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Fast Measurement Method of Ion Beam Spot

BAO Ze-min1, LIU Guang-da1, WANG Pei-zhi1, LONG Tao2, TIAN Di1,QIU Chun-ling1, LIU Dun-yi2

(1.CollegeofInstrumentScience&ElectricalEngineering,JilinUniversity,Changchun130061,China;2.InstituteofGeologyChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100037,China)

In order to solve the difficult problem of ion beam spot measurement and profiling in research and adjustment of mass spectrometers, such as low efficiency, tedious process, difficult operation and so on，a method of fast beam spot shape measurement was proposed. Based on the conventional knife-edge method, a multi-angle cutting-line image forming principle was developed. Through sharp knife edge "cutting" ion beam in 0° , 45° , 90° and 135° directions respectively, ion current intensity curves were obtained. Finally, the image of ion beam spot shape and core area could be formed. Through the self-built experimental platform, the ion beam spot shape and core area of this method were compared with that of ion bombardment imaging method. Experiments show that the results of multi-angle cutting-line image forming method are in close agreement with ion bombardment imaging method one. However, this method is of simple operation, time saving and high efficiency, which can realize real-time detection.

mass spectrometer; beam spot; spot shape; multi-angle cutting-line image forming principle

2014-08-04;

2014-11-13

“國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項”《同位素地質(zhì)學專用TOF-SIMS科學儀器》(2011YQ050069，2011YQ05006906)資助

包澤民(1985—)，男(蒙古族)，遼寧人，博士研究生，從事二次離子質(zhì)譜儀器研發(fā)。E-mail: bzmin2388 @qq.com

龍 濤(1984—)，男(漢族)，山東人，助理研究員，從事質(zhì)譜儀器研發(fā)與應用。E-mail: longtao@bjshrimp.cn

O657.63

A

1004-2997(2015)03-0274-08

10.7538/zpxb.2015.36.03.0274