二次离子质谱仪原理简介

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1、二次离子质谱仪原理简介二次离子质谱仪（SecondaryIonMassSpectrometry,SIMS）又称离子探针（IonMicroprobe），是一种利用高能离子束轰击样品产生二次离子并进行质谱测定的仪器，可以对固体或薄膜样品进行高精度的微区原位元素和同位素分析。由于地学样品的复杂性和对精度的苛刻要求，在本领域内一般使用定量精度最高的大型磁式离子探针。该类型的商业化仪器目前主要有法国Cameca公司生产的IMS1270-1300系列和澳大利亚ASI公司的SHRIMP系列。最近十年来，两家公司相继升级

2、各自产品，在灵敏度、分辨率及分析精度等方面指标取得了较大的提升，元素检出限达到ppm-ppb级，空间分辨率最高可达亚微米级，深度分辨率可达纳米级。目前，大型离子探针可分析元素周期表中除稀有气体外的几乎全部元素及其同位素，涉及的研究领域包括地球早期历史与古老地壳演化、造山带构造演化、岩石圈演化与地球深部动力学、天体化学与比较行星学、全球变化与环境、超大型矿床形成机制等。因而国内各大研究机构纷纷引进大型离子探针（北京离子探针中心的SHRIMPII和SHRIMPIIe-MC、中科院地质与地球物理研究所的Came

3、caIMS-1280、CamecaIMS-1280HR和NanoSIMS50L、中科院广州地球化学研究所的CamecaIMS-1280HR、中核集团核工业北京地质研究院的IMS-1280HR），大大提高了国内微区分析的能力。本实验室配备了Cameca公司生产的IMS1280离子探针和其升级型号IMS1280HR。两台仪器的基本原理及设计相同，升级型号IMS1280HR主要在磁场设计上有所改进，具有更高的质量分辨率和传输效率。该型仪器从功能上可分为四部分，如图一所示：一次离子产生及聚焦光路（黄色部分）、二次

4、离子产生及传输光路（蓝色部分）、双聚焦质谱仪（粉色部分）和信号接收系统（紫色部分）。Cameca离子探针可以类比为一台显微镜，离子源相当于显微镜的光源，传输光路相当于物镜，质谱仪相当于滤镜，而接收器相当于目镜或照相机。图一，IMS1280/HR型离子探针原理示意图一次离子部分包含了两个离子源分别是可以产生Oー和O2ー以及O+离子的双等离子体离子源（DuoPlastronSource）和产生Cs+离子的热电离铯离子源（CsIonSource），一般分别对应地学领域分析中的正电性元素（如Pb、U、Th、REE

5、、Li、Ca等）和负电性元素（如C、O、S、H等）。两个离子源由软件控制选择，所产生的离子通过高压（一般为数千伏特）加速后进入一次离子质量过滤器（PBMF）进行质量筛选，常用的一次离子有16Oー、16O2ー或133Cs+离子。后续的一次离子光路通过调整离子透镜Lens2,Lens3和Lens4的电压可以获得两种照明方式：均匀照明（科勒照明或平行光照明）和高斯照明。一次离子光路原理如图二所示。均匀照明模式使用离子透镜Lens2将一次离子束调整为“平行光”，并穿过位于其后的一次束光阑（PBMF_Apertur

6、e），再通过离子透镜Lens4将该光阑成像到样品表面。在该模式下，离子束的直径由PBMF_Aperture的大小决定，由于该光阑受到离子束的剥蚀而逐渐变大，因此实际上这种模式的离子束直径是随时间不断变化的，对空间分辨率不太敏感的应用可以使用该模式。实验室的常规定年就使用了这种照明模式，由于其离子束密度均匀，在样品表面留下的剥蚀坑为椭圆形的平底坑。图二一次离子光路原理示意图在高真空条件下，带有数千电子伏特（eV）的高能带电离子轰击固体样品的表面时，部分一次离子注入到固体内部并与其路径上的样品原子发生弹性或非

7、弹性碰撞。通过碰撞而获得能量的内部原子又与其周围的原子再次进行碰撞并产生能量传导，这个过程称为级联碰撞。最终，部分样品内部电子、原子或分子获得了足够的能量逃逸出样品表面，产生了溅射现象。在溅射出的各种微粒中，有小部分发生了电离，产生了二次离子。这些二次离子被样品表面的+10KV到-10KV的高压加速，通过离子透镜聚焦后进入双聚焦质谱仪进行质量筛选。溅射及加速示意图请见图三。高斯照明模式在PBMF之后使用了三个离子透镜：Lens2、Lens3和Lens4。其中Lens2与Lens3将离子束汇聚，L4将汇聚后

8、的离子束聚焦到样品表面，形成束流密度中心高周围低的高斯分布。这种模式下，在样品表面产生的剥蚀坑是接近圆形的V型坑。这种模式下离子束的直径主要受到L2与L3透镜电压的影响，而对光阑的剥蚀效应很小，因此可以长时间保持离子束直径不变。实验室常规的稳定同位素分析以及空间分辨高于10微米的小束斑定年分析都采用了高斯照明模式。不同元素的二次离子产率相差巨大，而且每种元素在不同基体中的产率也不尽相同，甚至同一元素的同位素之间在不同的基体中也