TOF-SIMS二次離子光學(xué)系統(tǒng)仿真研究

劉曉旭，齊國臣，包澤民，Stephen Clement，邱春玲，田　地，龍　濤

（1.吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林長春130022；2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京100037）

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TOF-SIMS二次離子光學(xué)系統(tǒng)仿真研究

劉曉旭1，齊國臣1，包澤民1，Stephen Clement2，邱春玲1，田地1，龍濤2

（1.吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林長春130022；2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，北京100037）

摘要：為實現(xiàn)飛行時間二次離子質(zhì)譜儀（TOF-SIMS）對二次離子束的提取并提高儀器的調(diào)試效率，采用離子光學(xué)仿真軟件SIMION 8.0對TOF-SIMS二次離子光學(xué)系統(tǒng)進行仿真。以穩(wěn)定同位素銅離子為對象，通過仿真，研究二次離子光學(xué)系統(tǒng)中二次離子提取系統(tǒng)透鏡電極電壓的調(diào)整對質(zhì)量分辨率的影響，確定最佳透鏡電極電壓組合,并得到穩(wěn)定同位素銅離子的仿真譜圖。仿真研究表明：當(dāng)初級提取電極電壓為800V、單透鏡有效電極電壓為-4400V時，質(zhì)量分辨率最高。在TOF-SIMS實驗平臺上對銅樣品靶進行實驗測試，實驗與仿真結(jié)果相吻合，表明設(shè)計的二次離子光學(xué)系統(tǒng)可用于TOF-SIMS儀器的二次離子束提取，為實驗參數(shù)的選擇提供參考，從而提高儀器調(diào)試效率。

關(guān)鍵詞：飛行時間二次離子質(zhì)譜儀；二次離子光學(xué)系統(tǒng)；仿真；透鏡電極電壓；質(zhì)量分辨率

0　引言

TOF-SIMS是目前前沿的用于表面成分分析的科學(xué)裝置之一，因具有分辨率高、靈敏度高和分析速度快等特點[1-2]，在地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等方面有廣泛應(yīng)用[3-4]。其原理是利用經(jīng)過脈沖化的一次離子束轟擊樣品表面，濺射產(chǎn)生二次離子，根據(jù)具有相同初始能量的離子因質(zhì)荷比不同而在同一飛行時間質(zhì)量分析器中的飛行時間不同來測定離子質(zhì)量[2]。二次離子光學(xué)系統(tǒng)作為TOF-SIMS的核心部分，主要由二次離子提取系統(tǒng)和飛行時間質(zhì)量分析器組成。二次離子提取系統(tǒng)作為對二次離子提取、調(diào)整和聚焦的裝置，其中透鏡電極電壓對二次離子運動情況和儀器性能的影響很大。因此，二次離子提取系統(tǒng)中透鏡電極電壓組合的合理選擇十分重要。

早期軟件資源有限，通過反復(fù)試驗選擇電壓[5]，其周期長。隨著仿真軟件的出現(xiàn)，通過仿真可以高效合理地選擇電極電壓，為實驗提供指導(dǎo)。SIMION作為模擬帶電粒子在靜電場中運動軌跡的高效仿真軟件[6]，已被應(yīng)用于ICP-MS提取系統(tǒng)建模[7]和空間等離子體探測器數(shù)值模擬[8]，但應(yīng)用SIMION對TOFSIMS二次離子光學(xué)系統(tǒng)的仿真研究尚未有過報道。

本文運用SIMION 8.0對國內(nèi)首次研制的用于同位素分析的TOF-SIMS的二次離子光學(xué)系統(tǒng)進行仿真，研究了二次離子提取系統(tǒng)中透鏡電極電壓的調(diào)整對質(zhì)量分辨率、離子束斑直徑變化和傳輸效率的影響，確定了一組透鏡電極電壓組合。并在TOF-SIMS實驗平臺上對仿真進行驗證，證明了建立的二次離子光學(xué)系統(tǒng)的正確性。

1　二次離子光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

二次離子光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由樣品靶、二次離子提取系統(tǒng)、飛行時間質(zhì)量分析器和檢測器等部分組成。其中，二次離子提取系統(tǒng)由初級提取電極、中間級提取電極、地電極、單透鏡和微孔組成。初級提取電極和中間級提取電極用于二次離子的提取和調(diào)整，地電極用于二次離子束的整形，而單透鏡用于二次離子束的聚焦，微孔用于對能量發(fā)散和空間發(fā)散較大的離子進行過濾篩選。

二次離子由一次離子束轟擊樣品表面濺射產(chǎn)生，其濺射發(fā)散角較大，初始發(fā)散能量較高，需要采用二次離子提取系統(tǒng)對二次離子束進行提取、調(diào)整和會聚。初級提取電極和樣品靶面間形成浸沒電場，對二次離子進行提取，由中間級提取電極對二次離子進行調(diào)整，而后單透鏡對二次離子束進行聚焦，通過微孔再次對二次離子進行篩選。在二次離子提取系統(tǒng)與反射式飛行時間質(zhì)量分析器之間，放置一對偏轉(zhuǎn)電極，目的是為了讓離子束能夠完成在飛行時間質(zhì)量分析器的反射器中的反射運動。二次離子經(jīng)過在飛行時間質(zhì)量分析器中的一次反射式飛行后到達(dá)檢測器系統(tǒng)。

圖1　二次離子光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2　二次離子光學(xué)系統(tǒng)仿真

通過SIMION 8.0不僅可以對二次離子的初始狀態(tài)進行設(shè)置，而且能夠記錄下二次離子運動過程中的信息。因而，在實驗前根據(jù)二次離子光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通過SIMION 8.0分別建立二次離子提取系統(tǒng)和飛行時間質(zhì)量分析器仿真模型，由模擬的二次離子運動情況和仿真記錄的信息可以合理地選擇透鏡電極電壓。

2.1二次離子提取系統(tǒng)仿真

在SIMION 8.0中建立的二次離子提取系統(tǒng)仿真如圖2所示。二次離子的初始狀態(tài)包括初始位置、初始角度和初始能量分布，三者都是滿足高斯分布的隨機序列[8]，以穩(wěn)定同位素銅離子63Cu2+和65Cu2+為例，每次隨機總數(shù)為10000的銅離子，設(shè)樣品靶的直徑為d，則設(shè)置的離子初始位置的范圍為±d/2；初始角度范圍為±180°，初始能量的范圍為0～100eV[1]。圖2中綠色線表示靜電透鏡中的等勢線，紅色線表示二次離子的運動軌跡。

2.2飛行時間質(zhì)量分析器仿真

目前常用的飛行時間質(zhì)量分析器是帶有兩級電場的單次反射式飛行時間質(zhì)量分析器，其分辨率高、靈敏度好。二次離子經(jīng)由二次離子提取系統(tǒng)的收集、調(diào)整和聚焦后進入到飛行時間質(zhì)量分析器中，為完成反射式飛行，在飛行時間質(zhì)量分析器前端需加偏轉(zhuǎn)裝置，極性相反的偏轉(zhuǎn)電極對能夠滿足離子偏轉(zhuǎn)動作。在SIMION 8.0中建立飛行時間質(zhì)量分析器仿真模型如圖3所示。為研究二次離子提取系統(tǒng)中透鏡電壓調(diào)整對分辨率的影響，將飛行時間質(zhì)量分析器部分的靜電參數(shù)均設(shè)置為定值[6]。為滿足二階時間聚焦[7]，采用帶有兩級電場的飛行時間質(zhì)量分析器，飛行時間質(zhì)量分析器中的參數(shù)設(shè)置如表1所示，其中，L1和L2代表兩級電場區(qū)域的長度，E1和E2代表兩級電場強度。為保證離子偏轉(zhuǎn)角度，偏轉(zhuǎn)電極對電壓設(shè)置如表2所示。

圖2　二次離子提取系統(tǒng)在SIMION中的仿真圖

圖3　飛行時間質(zhì)量分析器在SIMION中的仿真模型圖

表1　飛行時間質(zhì)量分析器的參數(shù)

表2　偏轉(zhuǎn)電極電壓

3　結(jié)　果

3.1仿真結(jié)果

樣品靶與二次離子提取系統(tǒng)中的初級提取電極組成一個浸沒透鏡[8]。通常樣品靶上所加直流電壓為一固定值，將其設(shè)定為2kV。對于特定的二次離子，二次離子提取系統(tǒng)中的浸沒透鏡和單透鏡中的靜電參數(shù)即透鏡電極電壓理論上應(yīng)有特定的組合來保證質(zhì)量分辨率。因此，用SIMION 8.0對二次離子的運動情況進行模擬，在模擬仿真的過程中，調(diào)節(jié)透鏡電極電壓并記錄數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的處理和分析來選擇透鏡電極電壓組合。以銅離子為仿真對象，半峰寬質(zhì)量分辨率隨透鏡電壓組合的變化情況如圖4所示。

設(shè)二次離子束在離開單透鏡后和進入微孔前的束斑直徑變化量的絕對值為|Δd|，|Δd|隨透鏡電壓組合的變化情況如圖5所示。若二次離子束束斑直徑變化量過大，離子運動軌跡將會產(chǎn)生發(fā)散角，會引起位置發(fā)散和角度發(fā)散，為檢測帶來不良的影響。

圖4　質(zhì)量分辨率隨透鏡電極電壓的變化

由于透鏡電極電壓的變化影響二次離子的運動情況，所以透鏡電極電壓的調(diào)整會影響傳輸效率。傳輸效率隨透鏡電壓組合的變化情況如圖6所示。

根據(jù)圖4、圖5和圖6，在初級提取電極電壓選擇800 V、單透鏡有效電極電壓選擇-4 400 V時，質(zhì)量分辨率最高、離子束斑直徑變化量最小、傳輸效率最高。在該情況下，以穩(wěn)定同位素銅離子63Cu2+和65Cu2+為仿真對象，所得到的仿真譜圖如圖7所示，兩模擬峰之間的時間間隔約為760 ns，半峰寬分辨率為3815。

圖5　|Δd|與透鏡電極電壓的關(guān)系

圖6　傳輸效率隨透鏡電極電壓的變化

圖7　仿真譜圖

圖8　實驗結(jié)果

3.2實驗結(jié)果

根據(jù)TOF-SIMS二次離子光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和仿真模型，搭建了實驗測試平臺。用制作好的銅樣品靶在TOF-SIMS實驗平臺上進行實驗，通過示波器觀察檢測到的穩(wěn)定同位素銅離子63Cu2+和65Cu2+的信號和二者的分離情況，實驗結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯鐾ㄟ^實驗檢測到的63Cu2+和65Cu2+信號，兩信號峰之間的時間間隔約為760ns，半峰寬分辨率為3 810。通過對圖7和圖8的比較，可以看出，仿真結(jié)果與實驗測得的信號在幅值和時間間隔以及半峰寬分辨率上均相符，仿真與實驗均可以對穩(wěn)定同位素銅離子進行定性分析。

根據(jù)仿真中電極電壓的選擇和實驗的記錄，仿真與實驗采用的電極電壓對比如表3所示，偏差不到1%，說明仿真研究能夠有效地為實驗中電極電壓的選擇提供參考。

4　結(jié)束語

本文通過SIMION軟件建立TOF-SIMS二次離子光學(xué)系統(tǒng)的仿真模型并模擬二次離子運動情況，由仿真研究了二次離子提取系統(tǒng)中透鏡電極電壓的調(diào)整對分析穩(wěn)定同位素銅離子時質(zhì)量分辨率的影響，并為透鏡中電極選擇了一組最佳電壓。將仿真和實驗對比，二者吻合，表明本文建立的模型可以為TOF-SIMS儀器二次離子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計提供參考依據(jù)，為實驗提供指導(dǎo)并提高調(diào)試效率，同時也證實了仿真研究方法的有效性，該方法可以應(yīng)用于同類儀器的離子光學(xué)系統(tǒng)靜電參數(shù)的選擇。

表3　仿真與實驗電極電壓對比1）

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（編輯：李妮）

Simulation research of secondary ion optical system in TOF-SIMS

LIU Xiaoxu1，QI Guochen1，BAO Zemin1，Stephen Clement2，QIU Chunling1，TIAN Di1，LONG Tao2
（1. College of Instrumentation and Electrical Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China；2. Institute of Geology，Chinese Academy of Geological Science，Beijing 100037，China）

Abstract:In order to extract secondary ion beams with TOF-SIMS and improve its commissioning efficiency，this paper has simulated the secondary ion optical system in TOF-SIMS based on ion optical simulation software SIMION 8.0. Taking stable isotopic copper ions as the study objects，this paper simulated what would happen to the mass resolution after the adjustment of electrode voltage in the secondary ion extraction system，determined the best combination of electrode voltage in lens，and obtained the simulation spectrum for stable isotopic copper ion. The study reveals that the highest mass resolution can be achieved when the voltage on the primary extraction electrode is 800V and the voltage on the effective electrode in the einzel lens is-4400V. After that，experiments are conducted to test the copper sample target on a TOF -SIMS experimental platform. The results are consistent with those gained by simulation，which indicates that this system can be used for extracting secondary ion beams in TOF-SIMS and the simulation test can provide a reference selecting experimental parameters to increase the equipment commissioning efficiency.

Keywords:TOF-SIMS；secondary ion optical system；simulation；voltages of electrodes in lens；mass resolution

通訊作者：龍濤（1984-），男，山東威海市人，助理研究員，研究方向為質(zhì)譜儀器研制與應(yīng)用。

作者簡介：劉曉旭（1991-），女，黑龍江齊齊哈爾市人，碩士研究生，專業(yè)方向為分析儀器。

基金項目：國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項（2011YQ050069）

收稿日期：2015-05-20；收到修改稿日期：2015-07-17

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.01.028

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）01-0130-04