年代學2013-6b

1、高等質譜學高等質譜學陳陳 福福 坤坤質譜儀器的主要構成和分類質譜儀器的主要構成和分類質譜計或質譜儀質譜計或質譜儀 (MS)(mass spectrometer)一類能使物質粒子（原子、分子或分子團）電離一類能使物質粒子（原子、分子或分子團）電離成離子，通過適當?shù)姆€(wěn)定的或者變化的電場和成離子，通過適當?shù)姆€(wěn)定的或者變化的電場和/ /或磁場，按空間位置、時間先后、飛行軌道的穩(wěn)或磁場，按空間位置、時間先后、飛行軌道的穩(wěn)定性的差異，實現(xiàn)具有不同的質荷比的離子分離，定性的差異，實現(xiàn)具有不同的質荷比的離子分離，檢測其強度而進行物質分析的儀器檢測其強度而進行物質分析的儀器 樣品經進樣系統(tǒng)導入或直接送入離子源，

2、中性原樣品經進樣系統(tǒng)導入或直接送入離子源，中性原子被電離成離子，經靜電透鏡匯聚成具有一定能量的子被電離成離子，經靜電透鏡匯聚成具有一定能量的離子束進入質量分析器，按質荷比實現(xiàn)空間（磁分析離子束進入質量分析器，按質荷比實現(xiàn)空間（磁分析器）、時間（飛行時間和射頻場分析器）分子的離子器）、時間（飛行時間和射頻場分析器）分子的離子束流進入離子收集檢測器，獲得以質荷比為橫坐標、束流進入離子收集檢測器，獲得以質荷比為橫坐標、離子束流為縱坐標的二維質譜峰，計算機控制與數(shù)據(jù)離子束流為縱坐標的二維質譜峰，計算機控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采集這些質譜信息，經過優(yōu)選、校正和計算，處理系統(tǒng)采集這些質譜信息，經過優(yōu)選、校正和計

3、算，給出同位素豐度、含量和相對標準偏差等數(shù)據(jù)給出同位素豐度、含量和相對標準偏差等數(shù)據(jù) 真空系統(tǒng)提供進樣系統(tǒng)、離子源、質量分析器和真空系統(tǒng)提供進樣系統(tǒng)、離子源、質量分析器和離子收集檢測器的真空、高真空和超高真空工作環(huán)境離子收集檢測器的真空、高真空和超高真空工作環(huán)境質譜儀器的工作原理質譜儀器的工作原理質譜儀器的主要構成質譜儀器的主要構成離子源離子源系統(tǒng)系統(tǒng)電場分析電場分析系統(tǒng)系統(tǒng)磁場分析磁場分析系統(tǒng)系統(tǒng)離子檢測離子檢測系統(tǒng)系統(tǒng)質量分析質量分析器器/系統(tǒng)系統(tǒng)電學控制和數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)電學控制和數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)進樣進樣系統(tǒng)系統(tǒng)分分析析系系統(tǒng)統(tǒng)儀器結構的性質分類：主要有三大系統(tǒng)儀器結構的性質分類

4、：主要有三大系統(tǒng)1. 分析系統(tǒng)分析系統(tǒng) 包括離子源、質量分析器和檢測器包括離子源、質量分析器和檢測器 真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)2. 3. 電學系統(tǒng)電學系統(tǒng)各司職責，又相互關聯(lián)，共同決定著儀器的性能各司職責，又相互關聯(lián)，共同決定著儀器的性能質譜儀器由進樣系統(tǒng)、離子源、質量分析器、離質譜儀器由進樣系統(tǒng)、離子源、質量分析器、離子收集檢測器、真空系統(tǒng)、電源及監(jiān)控顯示和計子收集檢測器、真空系統(tǒng)、電源及監(jiān)控顯示和計算機控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成算機控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成 分析系統(tǒng)，包括離子源、分析系統(tǒng)，包括離子源、質量分析器和檢測器，質量分析器和檢測器，是質譜儀器最主要的構是質譜儀器最主要的構成，決定著儀器類型、成，

5、決定著儀器類型、性質、分辯率、分析測性質、分辯率、分析測試數(shù)據(jù)質量等等，也是試數(shù)據(jù)質量等等，也是決定儀器更新?lián)Q代的主決定儀器更新?lián)Q代的主要因素要因素分析系統(tǒng)（離子源、質量分析器和檢測器）分析系統(tǒng)（離子源、質量分析器和檢測器）質譜儀器的分類質譜儀器的分類質質譜譜儀儀器器靜靜態(tài)態(tài)儀儀器器動動態(tài)態(tài)儀儀器器單聚焦儀器單聚焦儀器雙聚焦儀器雙聚焦儀器無聚焦儀器無聚焦儀器方向聚焦方向聚焦/角聚焦角聚焦速度聚焦速度聚焦磁式動態(tài)儀器磁式動態(tài)儀器無磁動態(tài)儀器無磁動態(tài)儀器按照分析系統(tǒng)的工作狀態(tài)，可以將按照分析系統(tǒng)的工作狀態(tài)，可以將質譜儀器劃分為兩大類：質譜儀器劃分為兩大類：靜態(tài)靜態(tài)和和動態(tài)動態(tài)質譜儀器質譜儀器靜態(tài)質

6、譜儀器靜態(tài)質譜儀器: : 質量分析器是利用穩(wěn)定的或變化慢的電場質量分析器是利用穩(wěn)定的或變化慢的電場和和/ /或磁場，按空間位置來分離具有不同或磁場，按空間位置來分離具有不同質荷比的離子束質荷比的離子束 靜態(tài)質譜儀器按質量分析器的聚焦系統(tǒng)可靜態(tài)質譜儀器按質量分析器的聚焦系統(tǒng)可以分為以分為無聚焦無聚焦、單聚焦單聚焦和和雙聚焦雙聚焦儀器儀器無聚焦質譜儀器：無聚焦質譜儀器：沒有聚焦作用的質譜儀器沒有聚焦作用的質譜儀器速度聚焦儀器：速度聚焦儀器：質量分析系統(tǒng)能對方向一致的、而質量分析系統(tǒng)能對方向一致的、而速度值存在一定分散的入射離子束按質荷比的不同速度值存在一定分散的入射離子束按質荷比的不同分成不同的離

7、子組分，并使各組分中速度不同的離分成不同的離子組分，并使各組分中速度不同的離子會聚的儀器子會聚的儀器單聚焦質譜儀器：單聚焦質譜儀器：速度聚焦和方向聚焦儀器兩類速度聚焦和方向聚焦儀器兩類方向聚焦儀器：方向聚焦儀器：質量分析系統(tǒng)能對具有一定散角的質量分析系統(tǒng)能對具有一定散角的入射離子束按質荷比的不同分成不同的離子組分，入射離子束按質荷比的不同分成不同的離子組分，并使各組分發(fā)生方向聚焦的儀器。也稱角聚焦儀器并使各組分發(fā)生方向聚焦的儀器。也稱角聚焦儀器雙聚焦質譜儀器：雙聚焦質譜儀器：質量分析系統(tǒng)能對存在方向和質量分析系統(tǒng)能對存在方向和和速度分散的入射離子束進行質荷比分離，并實和速度分散的入射離子束進行

8、質荷比分離，并實現(xiàn)各組分離子的方向和速度聚焦的儀器現(xiàn)各組分離子的方向和速度聚焦的儀器動態(tài)質譜儀器動態(tài)質譜儀器: : 質量分析器是利用純高頻電場，或與穩(wěn)定質量分析器是利用純高頻電場，或與穩(wěn)定的磁場組合，或設置漂移空間，達到分離的磁場組合，或設置漂移空間，達到分離不同質荷比的離子束的目的不同質荷比的離子束的目的可分為可分為磁式磁式和和無磁無磁動態(tài)質譜儀器動態(tài)質譜儀器 按離子飛行軌道的穩(wěn)定性差異，到達分離離子束按離子飛行軌道的穩(wěn)定性差異，到達分離離子束的目的：的目的：四極桿質譜計四極桿質譜計按離子到達接收器的時間差異（先后順序），達按離子到達接收器的時間差異（先后順序），達到分離離子束的目的：到分離

9、離子束的目的：飛行時間質譜計飛行時間質譜計按分析物質性質或狀態(tài)按分析物質性質或狀態(tài)/形態(tài)分類：形態(tài)分類：有機質譜和無機質譜儀器有機質譜和無機質譜儀器氣體質譜和固體質譜儀器氣體質譜和固體質譜儀器離子探針離子探針按離子源類型分類：按離子源類型分類：離子探針、激光探針、離子探針、激光探針、質譜儀器的主要構成介紹質譜儀器的主要構成介紹 1. 進樣系統(tǒng)進樣系統(tǒng) 2. 分析系統(tǒng)分析系統(tǒng) (1) 離子源離子源 (2) 質量分析器（電場和磁場分析器）質量分析器（電場和磁場分析器） (3) 檢測器檢測器/接收器接收器 3. 真空系統(tǒng)真空系統(tǒng) 4. 電學控制和輸出系統(tǒng)電學控制和輸出系統(tǒng)進樣系統(tǒng)進樣系統(tǒng)氣體進樣系統(tǒng)

10、：氣體進樣系統(tǒng)：是一種適合氣體混合物定量和同位是一種適合氣體混合物定量和同位素分析的進樣裝置素分析的進樣裝置可變容積貯氣瓶可變容積貯氣瓶樣品入口樣品入口標準樣品入口標準樣品入口冷指貯氣瓶冷指貯氣瓶至質譜計至質譜計氣體進樣氣體進樣裝置結構裝置結構示意圖解示意圖解為了獲得穩(wěn)定的氣體樣品氣流，有利于離子流的精為了獲得穩(wěn)定的氣體樣品氣流，有利于離子流的精密測定，可通過可變容積貯氣瓶控制容器中的樣品密測定，可通過可變容積貯氣瓶控制容器中的樣品恒定壓力值，經分子漏孔引入離子源恒定壓力值，經分子漏孔引入離子源也可通過樣品入口和標準樣品入口的雙入口系統(tǒng)將也可通過樣品入口和標準樣品入口的雙入口系統(tǒng)將樣品和標準樣

11、品交替引入，在相同條件下進行比較樣品和標準樣品交替引入，在相同條件下進行比較測量校正儀器系統(tǒng)誤差及同位素分餾效應測量校正儀器系統(tǒng)誤差及同位素分餾效應在比較測量時，可利用兩個可變貯氣瓶來平衡樣品在比較測量時，可利用兩個可變貯氣瓶來平衡樣品和標準樣品的離子流，從而獲得標準的測定結果和標準樣品的離子流，從而獲得標準的測定結果 當樣品量較少時，不宜用體積較大的可變容積貯當樣品量較少時，不宜用體積較大的可變容積貯氣瓶進樣，因為可變容積貯氣瓶中的樣品過于稀氣瓶進樣，因為可變容積貯氣瓶中的樣品過于稀薄，不能產生足夠強的離子流，也就不能測得準薄，不能產生足夠強的離子流，也就不能測得準確的比值確的比值 可用體積

12、較小的冷指貯氣瓶進樣，防止樣品揮發(fā)可用體積較小的冷指貯氣瓶進樣，防止樣品揮發(fā)丟失，對揮發(fā)性樣品更加有利。它是為高精密度丟失，對揮發(fā)性樣品更加有利。它是為高精密度同位素比值測量而設計的，在最佳條件下，測量同位素比值測量而設計的，在最佳條件下，測量結果的相對標準偏差可低至結果的相對標準偏差可低至0.001%多道綜合進樣器多道綜合進樣器是非在線分析專用的進樣接口裝置，是非在線分析專用的進樣接口裝置，可裝可裝10-20個樣品瓶和同樣數(shù)量的標準樣品瓶，備個樣品瓶和同樣數(shù)量的標準樣品瓶，備有玻璃瓶和金屬瓶兩種接口，全部閥門開關由微機有玻璃瓶和金屬瓶兩種接口，全部閥門開關由微機鍵盤控制室自動操作。將樣品瓶接

13、到多道綜合進樣鍵盤控制室自動操作。將樣品瓶接到多道綜合進樣器后，進行全自動分析器后，進行全自動分析全自動在線氣體進樣裝置：全自動在線氣體進樣裝置：20世紀世紀90年代，由英國年代，由英國VG公司為公司為PRISM SERIES型穩(wěn)定同位素質譜儀型穩(wěn)定同位素質譜儀研制的全自動在線進樣裝置，是一種包括制樣、進研制的全自動在線進樣裝置，是一種包括制樣、進樣（純化）、分析、數(shù)據(jù)處理的在線聯(lián)機系統(tǒng)樣（純化）、分析、數(shù)據(jù)處理的在線聯(lián)機系統(tǒng) 直接進樣器：直接進樣器：將盛有氣體或液體的樣品毛細管裝在將盛有氣體或液體的樣品毛細管裝在頂端有小洞的石英管內，由進樣桿將石英管送入離頂端有小洞的石英管內，由進樣桿將石英

14、管送入離子源內，真空鎖保證在送樣操作時維持離子源所需子源內，真空鎖保證在送樣操作時維持離子源所需的真空度，調節(jié)燈絲的加熱電流，可使加熱器按設的真空度，調節(jié)燈絲的加熱電流，可使加熱器按設定的升溫程序升溫，樣品在高真空條件下被加熱氣定的升溫程序升溫，樣品在高真空條件下被加熱氣化電離化電離改變進樣器頂端改變進樣器頂端的結構，放置坩的結構，放置坩堝，可引入固體堝，可引入固體樣品，作固體進樣品，作固體進樣器使用樣器使用 色譜質譜聯(lián)用儀進樣系統(tǒng)：色譜質譜聯(lián)用儀進樣系統(tǒng)：樣品由色譜進樣器樣品由色譜進樣器引入色譜儀，經色譜柱分離的各個組分依次通過引入色譜儀，經色譜柱分離的各個組分依次通過接口進入質譜儀的離子源

15、接口進入質譜儀的離子源最常用的是氣相色譜質譜（最常用的是氣相色譜質譜（GC/MS）和液相色）和液相色譜質譜（譜質譜（LC/MS）兩種進樣模式）兩種進樣模式接口是進樣系統(tǒng)的關鍵部分，應滿足如下：接口是進樣系統(tǒng)的關鍵部分，應滿足如下： 不破壞離子源的真空，也不影響色譜柱分離的不破壞離子源的真空，也不影響色譜柱分離的柱效柱效 應能使色譜分離的各組分盡可能多地進入質譜應能使色譜分離的各組分盡可能多地進入質譜儀離子源，而使色譜流動相盡可能不進入儀離子源，而使色譜流動相盡可能不進入 不改變色譜分離的各組分的組成和結構不改變色譜分離的各組分的組成和結構GC/MS進樣系統(tǒng)主要用于氣體有機物的同位素測進樣系統(tǒng)主

16、要用于氣體有機物的同位素測定，由定，由GC分離的有機物，經燃燒爐焚燒后轉變?yōu)榉蛛x的有機物，經燃燒爐焚燒后轉變?yōu)镃和和H氧化物，供質譜儀測定其同位素比和組成氧化物，供質譜儀測定其同位素比和組成 接口接口質譜儀器分析系統(tǒng)質譜儀器分析系統(tǒng) 離子源離子源 質量分析器，包括電場和磁場分析器質量分析器，包括電場和磁場分析器 檢測器檢測器/接收器接收器分析系統(tǒng)是質譜儀器的主體部分，決定著分析系統(tǒng)是質譜儀器的主體部分，決定著質譜儀器的類型和功能，主要包括有：質譜儀器的類型和功能，主要包括有：離子源離子源質質 量量分析器分析器檢測器檢測器M1, M2 Mne1, e2 enM/q離子源離子源 離子源是質譜儀的重

17、要部件，它的功能是將離子源是質譜儀的重要部件，它的功能是將分析樣品物質（原子或分子）電離成帶電的原子分析樣品物質（原子或分子）電離成帶電的原子離子或分子離子，離子經光學透鏡系統(tǒng)被引入、離子或分子離子，離子經光學透鏡系統(tǒng)被引入、加速、聚焦成具有一定能量和幾何形狀的離子束，加速、聚焦成具有一定能量和幾何形狀的離子束，然后導入質量分析器分離后測定其比值然后導入質量分析器分離后測定其比值 離子源應具有電離效率高、聚焦性能好、離離子源應具有電離效率高、聚焦性能好、離子初始能量發(fā)散小、傳輸效率高、離子流穩(wěn)定、子初始能量發(fā)散小、傳輸效率高、離子流穩(wěn)定、質量歧視效應盡可能小等特點質量歧視效應盡可能小等特點 離

18、子源性能的優(yōu)劣與儀器的靈敏度、分辨率離子源性能的優(yōu)劣與儀器的靈敏度、分辨率和測量精度密切相關，直接影響到分析數(shù)據(jù)質量和測量精度密切相關，直接影響到分析數(shù)據(jù)質量離子源產生的離子，可以具有不同質量離子源產生的離子，可以具有不同質量(M)和不同和不同強度強度(I)，也可以具有不同的電荷，也可以具有不同的電荷(q)和不同的初始和不同的初始速度速度(n n0)離子束組分的特征可以由四個參量離子束組分的特征可以由四個參量M、I、q和和n n0來來表示表示速度分散可以通過分析系統(tǒng)的速度聚焦作用來補速度分散可以通過分析系統(tǒng)的速度聚焦作用來補償；離子強度償；離子強度I可以由檢測器測量得到可以由檢測器測量得到質量

19、質量M和電荷和電荷q兩個參量可以表征離子束組分，通兩個參量可以表征離子束組分，通常采用質荷比常采用質荷比離子化方法和離子源類型離子化方法和離子源類型 電子轟擊電離形式的離子源電子轟擊電離形式的離子源 場解吸形式的離子源場解吸形式的離子源 激光射線形式的離子源激光射線形式的離子源 電感耦合離子體電感耦合離子體(ICP)形式的離子源形式的離子源 離子轟擊形式的離子源離子轟擊形式的離子源 固體表面熱電離形式的離子源固體表面熱電離形式的離子源1. 用于有機質或有機物同位素譜分析的離子源用于有機質或有機物同位素譜分析的離子源化學電離離子源化學電離離子源(CI)或大氣壓化學電離離子源或大氣壓化學電離離子源

20、(APCI)電噴霧電離離子源（電噴霧電離離子源（ESI）基質輔助激光解吸電離離子源基質輔助激光解吸電離離子源2. 在同位素分析中發(fā)揮過重要作用的高頻火花離子源在同位素分析中發(fā)揮過重要作用的高頻火花離子源其缺點是離子源不穩(wěn)定，離子流隨時間波動大，難以獲其缺點是離子源不穩(wěn)定，離子流隨時間波動大，難以獲得滿意的測定準確度，目前較少使用得滿意的測定準確度，目前較少使用 其它形式的離子源類型其它形式的離子源類型理想的固體離子源的條件理想的固體離子源的條件 樣品蒸發(fā)時分餾現(xiàn)象不顯著樣品蒸發(fā)時分餾現(xiàn)象不顯著 所有的樣品待測成分的蒸發(fā)率相同，蒸發(fā)相的成分能所有的樣品待測成分的蒸發(fā)率相同，蒸發(fā)相的成分能夠始終反

21、映樣品的成分夠始終反映樣品的成分2. 能以同樣的電離效率電離樣品原子或粒子能以同樣的電離效率電離樣品原子或粒子 蒸發(fā)相中各種粒子的電荷分布不變且所有待測組分的電蒸發(fā)相中各種粒子的電荷分布不變且所有待測組分的電離效率相同，離子相對濃度才能反映樣品中對應的原子離效率相同，離子相對濃度才能反映樣品中對應的原子的相對濃度的相對濃度3. 離子產率高并且穩(wěn)定，即離子流強度強和穩(wěn)定離子產率高并且穩(wěn)定，即離子流強度強和穩(wěn)定 過高的離子流密度則可能導致空間電荷效應過高的離子流密度則可能導致空間電荷效應4. 按恒定的比例引出產生的離子并加速獲得一定的動能，按恒定的比例引出產生的離子并加速獲得一定的動能，高的離子傳

22、輸率高的離子傳輸率5. 具有離子會聚作用，形成具有一定幾何形狀的離子具有離子會聚作用，形成具有一定幾何形狀的離子 束，散角小束，散角小6. 離子能量分散小（能量分布范圍?。╇x子能量分散?。芰糠植挤秶。?. 多電荷、多原子離子和分子離子的產率小多電荷、多原子離子和分子離子的產率小8. 出射的離子束均勻地投射在分析器的入射縫上出射的離子束均勻地投射在分析器的入射縫上9. 記憶效應小，即由離子源部件濺射的離子貢獻小記憶效應小，即由離子源部件濺射的離子貢獻小10. 具有好的高真空系統(tǒng)，避免離子散射和本底干擾具有好的高真空系統(tǒng)，避免離子散射和本底干擾11. 具有可調節(jié)的精確定位的電極位置具有可調節(jié)的

23、精確定位的電極位置12. 離子源部件拆裝和清洗方便，更換樣品快捷離子源部件拆裝和清洗方便，更換樣品快捷離子束能量分布寬度離子束能量分布寬度 D DV D DV數(shù)量級大小決定所要求的質量分析器的類型數(shù)量級大小決定所要求的質量分析器的類型靜電分析器能量限制縫一定時，能量分布寬度越小，離靜電分析器能量限制縫一定時，能量分布寬度越小，離子束的利用率越高，提高了靈敏度子束的利用率越高，提高了靈敏度離子束離子束D DV 10 eV，則需要附加能量聚焦，需要采用雙聚，則需要附加能量聚焦，需要采用雙聚焦質量分析器焦質量分析器電荷分布特征電荷分布特征表示離子源中中性原子、負離子、正離子（包括不同價表示離子源中中

24、性原子、負離子、正離子（包括不同價態(tài)）的相對濃度，即質譜特征（態(tài)）的相對濃度，即質譜特征（m/q值分布）值分布）多電荷離子越少越好，元素分析時分子離子越少越好多電荷離子越少越好，元素分析時分子離子越少越好1. 電子轟擊電離離子源電子轟擊電離離子源電子轟擊電離離子源主要用于氣體樣品的同位素分析電子轟擊電離離子源主要用于氣體樣品的同位素分析由樣品入口將氣樣導入離子源，當由燈絲陰極發(fā)射的電子由樣品入口將氣樣導入離子源，當由燈絲陰極發(fā)射的電子被加速通過電離盒射向陽極時，具有一定能量和幾何形狀被加速通過電離盒射向陽極時，具有一定能量和幾何形狀的電子束不斷轟擊樣品原子或分子，形成包括正離子在內的電子束不斷

25、轟擊樣品原子或分子，形成包括正離子在內的各種產物，正離子被推斥極推出離子源，經加速后進入的各種產物，正離子被推斥極推出離子源，經加速后進入質量分析器質量分析器通過改變燈絲與電離盒之間的電位，就可改變電離電壓通過改變燈絲與電離盒之間的電位，就可改變電離電壓（電子能量），電離電壓通常選用（電子能量），電離電壓通常選用50-100伏，在這一范圍伏，在這一范圍內電子能量的輕微變化對離子流影響較小，有利于獲得穩(wěn)內電子能量的輕微變化對離子流影響較小，有利于獲得穩(wěn)定的離子束流定的離子束流電子轟擊電離離子源示意圖電子轟擊電離離子源示意圖源磁鐵源磁鐵源磁鐵源磁鐵離子束離子束燈絲燈絲陽極陽極推斥極推斥極電離盒電離

26、盒樣品入口樣品入口在電子轟擊電離離子源中，源磁鐵的功能是約束電子沿螺在電子轟擊電離離子源中，源磁鐵的功能是約束電子沿螺線軌跡前進，提高樣品原子或分子與電子束的碰撞機率，線軌跡前進，提高樣品原子或分子與電子束的碰撞機率，提高電離效率，進而提高分析靈敏度提高電離效率，進而提高分析靈敏度特點：結構簡單、操作方便、離子束動能分散小和束流穩(wěn)特點：結構簡單、操作方便、離子束動能分散小和束流穩(wěn)定，易獲得較多的特征譜定，易獲得較多的特征譜2. 場解吸離子源場解吸離子源場解吸離子源常用于有機質譜分析，最近該離子源也廣泛場解吸離子源常用于有機質譜分析，最近該離子源也廣泛用于痕量金屬元素的質譜測定，用作金屬元素分析

27、時，場用于痕量金屬元素的質譜測定，用作金屬元素分析時，場發(fā)射體的準備及樣品涂積與分析有機物的方法相同發(fā)射體的準備及樣品涂積與分析有機物的方法相同將含測定元素的溶液滴加在發(fā)射體表面上，然后將溶液蒸將含測定元素的溶液滴加在發(fā)射體表面上，然后將溶液蒸干，或將金屬元素電沉積在發(fā)射體表面上干，或將金屬元素電沉積在發(fā)射體表面上通過離子源的強電場加熱發(fā)射體實現(xiàn)金屬原子的解吸電離，通過離子源的強電場加熱發(fā)射體實現(xiàn)金屬原子的解吸電離，即使在即使在1400C的高溫下也不會影響發(fā)射體的活性的高溫下也不會影響發(fā)射體的活性若要用更高的溫度來提高分析物的離子流強度，則必須使若要用更高的溫度來提高分析物的離子流強度，則必須

28、使用激光輔助場解吸系統(tǒng)用激光輔助場解吸系統(tǒng)優(yōu)點：可以依次分析有機物和痕量金屬元素優(yōu)點：可以依次分析有機物和痕量金屬元素缺點：測定低豐度同位素的相對標準偏差較大缺點：測定低豐度同位素的相對標準偏差較大(1-2%)3. 激光射線形式的離子源激光射線形式的離子源激光離子源屬于聚焦射線方法的一種激光離子源屬于聚焦射線方法的一種早期利用高強度碳弧為熱源，用反射鏡系統(tǒng)將碳弧的輻射早期利用高強度碳弧為熱源，用反射鏡系統(tǒng)將碳弧的輻射能量聚焦在樣品上，可使被輻射處的溫度達到能量聚焦在樣品上，可使被輻射處的溫度達到4000 K，導，導致樣品蒸發(fā)，用慢電子束碰撞電離蒸氣，稱為弧象離子源，致樣品蒸發(fā)，用慢電子束碰撞電

29、離蒸氣，稱為弧象離子源，但產生的能量有限但產生的能量有限激光離子源利用由激光器產生的，可以會聚成高輻射密度激光離子源利用由激光器產生的，可以會聚成高輻射密度的相干光束，使樣品發(fā)生蒸發(fā)和電離的相干光束，使樣品發(fā)生蒸發(fā)和電離能量強，利用簡單的光學系統(tǒng)，可以被聚焦成很小面積的能量強，利用簡單的光學系統(tǒng)，可以被聚焦成很小面積的激光束，在樣品表面微小區(qū)域激光束，在樣品表面微小區(qū)域(可達微米級可達微米級)內，產生極高的內，產生極高的表面溫度，表面溫度，5000 - 10000 K可以產生熱電子發(fā)射、熱離子發(fā)射、中性原子可以產生熱電子發(fā)射、熱離子發(fā)射、中性原子/分子蒸發(fā)、分子蒸發(fā)、光電離等效應光電離等效應在

30、單脈沖激光照射的時間內，可以產生安培級的電子流和在單脈沖激光照射的時間內，可以產生安培級的電子流和毫安級的離子流，與飛行時間質譜計、雙聚焦質譜計結合，毫安級的離子流，與飛行時間質譜計、雙聚焦質譜計結合，可以檢測熱離子組成可以檢測熱離子組成可以利用輔助的電離措施的結合，如電子轟擊、電弧放電可以利用輔助的電離措施的結合，如電子轟擊、電弧放電等，電離中性的蒸氣，提高電離效率和離子強度等，電離中性的蒸氣，提高電離效率和離子強度激光離子源與雙激光離子源與雙聚焦質譜計組合聚焦質譜計組合W 透明窗透明窗L 透鏡透鏡T 樣品靶樣品靶G 毛玻璃板毛玻璃板S1 加速縫板加速縫板HV 加速電壓加速電壓激光離子源結構

31、激光離子源結構根據(jù)研究對象或性質不同，設計不根據(jù)研究對象或性質不同，設計不同的激光離子源結構，主要分兩類同的激光離子源結構，主要分兩類:直接引出熱離子直接引出熱離子利用低能量輔助電子束碰撞電離中利用低能量輔助電子束碰撞電離中性蒸氣原子或分子性蒸氣原子或分子根據(jù)激光束與樣品表面關系可分為根據(jù)激光束與樣品表面關系可分為:激光束垂直樣品表面入射激光束垂直樣品表面入射激光束與樣品成激光束與樣品成45角入射，可以減角入射，可以減小激光束被等離子體吸收的幾率小激光束被等離子體吸收的幾率激光與固體表面的作用激光與固體表面的作用在激光脈沖時，把焦耳量級能量的激光聚焦到固體表面上，在激光脈沖時，把焦耳量級能量的

32、激光聚焦到固體表面上，除蒸發(fā)出中性粒子外，可以發(fā)射出電子和離子，在固體表面除蒸發(fā)出中性粒子外，可以發(fā)射出電子和離子，在固體表面上形成等離子體（或等離子羽）；蒸氣中的中性粒子主要處上形成等離子體（或等離子羽）；蒸氣中的中性粒子主要處于激態(tài)，能夠利用低能量電子使很大部分粒子產生電離于激態(tài)，能夠利用低能量電子使很大部分粒子產生電離對于無機固體，激光電離過程主要為熱電離過程，電離度主對于無機固體，激光電離過程主要為熱電離過程，電離度主要取決于粒子的電離電位，其次是等離子體內電子與中性離要取決于粒子的電離電位，其次是等離子體內電子與中性離子的相互作用；對于有機固體，激光電離可能主要是化學電子的相互作用；

33、對于有機固體，激光電離可能主要是化學電離過程離過程影響激光能量有效傳遞給固體樣品的因素有：影響激光能量有效傳遞給固體樣品的因素有：固體表面反射性能，由固體的分子性質決定，當存在某固體表面反射性能，由固體的分子性質決定，當存在某種形式的能量耦合時，能量傳遞最佳，光學透明材通常種形式的能量耦合時，能量傳遞最佳，光學透明材通常不吸收能量；固體的熱性能在蒸發(fā)過程起重要作用，熱不吸收能量；固體的熱性能在蒸發(fā)過程起重要作用，熱傳導系數(shù)高的固體可以快速傳遞能量，可以導致無蒸發(fā)傳導系數(shù)高的固體可以快速傳遞能量，可以導致無蒸發(fā)效應效應激光器類型激光器類型應用于質譜分析的激光器可以分為兩類：應用于質譜分析的激光器

34、可以分為兩類：氣體和固體激光器氣體和固體激光器用于蒸發(fā)固體的氣體激光器主要是用于蒸發(fā)固體的氣體激光器主要是CO2激光器，以激光器，以CO2為基質，為基質，加入加入He和和N2作為激活劑，可連續(xù)穩(wěn)定輸出，功率大作為激活劑，可連續(xù)穩(wěn)定輸出，功率大Ar、Kr或或He-Ne激光器所產生的激光束通常功率小，較少用激光器所產生的激光束通常功率小，較少用于固體分析于固體分析用于固體蒸發(fā)的固體激光器類型較多，主要有：用于固體蒸發(fā)的固體激光器類型較多，主要有：紅寶石激光器，紅寶石激光器，工作物質摻工作物質摻Cr+3的的a a型型Al2O3單晶單晶釹玻璃激光器，釹玻璃激光器，有效能量輸出有效能量輸出100焦耳左右

35、焦耳左右釔 鋁 石 榴 石 激 光 器 ，釔 鋁 石 榴 石 激 光 器 ， 工 作 物 質 摻工 作 物 質 摻 N d+ 3的 釔 鋁 石 榴 石的 釔 鋁 石 榴 石(Nd+3:YAG)，可以制成脈沖型或連續(xù)波型激光器，有效能量，可以制成脈沖型或連續(xù)波型激光器，有效能量輸出達輸出達250瓦左右瓦左右Nd: YAG的激光剝蝕系統(tǒng)結構示意圖的激光剝蝕系統(tǒng)結構示意圖Nd: YAG激光剝蝕特征激光剝蝕特征不同波長對不同礦物的剝不同波長對不同礦物的剝蝕效果對比蝕效果對比1064 nm激光系統(tǒng)激光系統(tǒng)剝蝕富鐵石榴石剝蝕富鐵石榴石1064 nm和和266 nm激光系統(tǒng)剝蝕石英激光系統(tǒng)剝蝕石英266 n

36、m和和213 nm激激光系統(tǒng)剝蝕方解石光系統(tǒng)剝蝕方解石266 nm213 nm266 nm1064 nm266 nm和和213 nm激光系統(tǒng)剝蝕激光系統(tǒng)剝蝕方解石的方解石的Sr信號強度信號強度4. 電感耦合等離子體電感耦合等離子體(ICP)離子源離子源1: 冷卻氣入口冷卻氣入口 2: 輔助氣入口輔助氣入口3: 載氣入口載氣入口 4: 炬管炬管 5: 載氣線圈載氣線圈6: 未被刺穿的火球或火焰未被刺穿的火球或火焰7: 已被刺穿的環(huán)狀火焰已被刺穿的環(huán)狀火焰ICP離子源的結構：一支外徑離子源的結構：一支外徑18 mm、長、長100 mm石英管作為石英管作為炬管，在炬管的頂端繞著同心、炬管，在炬管的頂

37、端繞著同心、水冷的銅管激發(fā)線圈水冷的銅管激發(fā)線圈(負載線負載線圈圈)，與射頻電源相連；在外管，與射頻電源相連；在外管內安置一個徑外為內安置一個徑外為14 mm的同的同心內管，內管的前端至負載線心內管，內管的前端至負載線圈為止；在內管的環(huán)形區(qū)內以圈為止；在內管的環(huán)形區(qū)內以切線方向通入切線方向通入Ar氣，產生螺旋氣，產生螺旋形氣流形氣流線圈通電時線圈通電時Ar氣體產生電子云，并從線圈獲得能量，在炬氣體產生電子云，并從線圈獲得能量，在炬管口形成一個強烈的等離子體火球，火球被高速冷卻氣流管口形成一個強烈的等離子體火球，火球被高速冷卻氣流避離管壁；盡管火球中心很熱，并含有很多等離子氣的離避離管壁；盡管火

38、球中心很熱，并含有很多等離子氣的離子，但沒有實用價值，因為很強的溫度梯度會迫使引入氣子，但沒有實用價值，因為很強的溫度梯度會迫使引入氣流的任何樣品原子沿著等離子體的表面移動，不能穿刺等流的任何樣品原子沿著等離子體的表面移動，不能穿刺等離子體獲得高溫而電離離子體獲得高溫而電離實用的實用的ICP源炬管內置有一根中心注射管，其前端為內徑源炬管內置有一根中心注射管，其前端為內徑1.5 mm的毛細管，管內通以樣品載氣，產生的高速氣流會的毛細管，管內通以樣品載氣，產生的高速氣流會“刺穿刺穿”火球底部，形成一個穿透火球的較冷的中心通道火球底部，形成一個穿透火球的較冷的中心通道在通道的周圍是原始火球的殘留體，

39、約在通道的周圍是原始火球的殘留體，約10000 K熱氣環(huán)，構熱氣環(huán)，構成一個單匝，與負載線圈耦合，維持等離子體成一個單匝，與負載線圈耦合，維持等離子體中心通道因熱氣環(huán)的傳導與輻射而加熱，中心溫度接近中心通道因熱氣環(huán)的傳導與輻射而加熱，中心溫度接近8000 K，由注射管引入的樣品載氣就被電離成帶電的正離，由注射管引入的樣品載氣就被電離成帶電的正離子，經離子引出接口，導入質譜儀進行同位素測量子，經離子引出接口，導入質譜儀進行同位素測量 Multicollector ICP- MS接口接口ICP離子源可以產生離子源可以產生8000 K以以上的高溫等離子體，可以上的高溫等離子體，可以100電離親石元素

40、和親鐵元素，電離親石元素和親鐵元素，也可以有效地電離親銅或親硫也可以有效地電離親銅或親硫元素，對大部分元素而言，元素，對大部分元素而言，ICP離子源是理想的電離方法離子源是理想的電離方法產生等離子體處的壓力接近大產生等離子體處的壓力接近大氣壓強，而質量分析器內部具氣壓強，而質量分析器內部具有低壓的真空系統(tǒng)，通常有低壓的真空系統(tǒng)，通常10-5 TorrICP離子源與質量分析器之間的連接，或接口，是離子源與質量分析器之間的連接，或接口，是ICP離離子源很關鍵的組成之一，主要由采樣錐和截取錐構成子源很關鍵的組成之一，主要由采樣錐和截取錐構成ICP-MS接口剖面示意圖接口剖面示意圖通過稱為采樣器通過稱

41、為采樣器(Sampler)裝置，即在金屬圓盤上直徑約為裝置，即在金屬圓盤上直徑約為1mm的小孔，抽取等離子體的小孔，抽取等離子體金屬圓盤通常由導熱性能良好的金屬圓盤通常由導熱性能良好的Ni、Al、Cu或或Pt金屬制成，金屬制成，能夠快速消耗等離子體的熱量能夠快速消耗等離子體的熱量采樣器兩側的壓力降從大氣壓到采樣器兩側的壓力降從大氣壓到0.5-2 Torr之間，真空由旋之間，真空由旋轉泵維持，壓力受泵速（泵容量）和小孔直徑的影響轉泵維持，壓力受泵速（泵容量）和小孔直徑的影響采樣器后的區(qū)域（膨脹區(qū)）的壓力可以影響儀器的靈敏度采樣器后的區(qū)域（膨脹區(qū)）的壓力可以影響儀器的靈敏度通過采樣器的氣體流估計為

42、通過采樣器的氣體流估計為1-2升升/min，通過采樣器短暫時，通過采樣器短暫時間后，氣體達到超音速，使離子具有一定速度飛向質量分間后，氣體達到超音速，使離子具有一定速度飛向質量分析器部分析器部分采樣錐采樣錐位于采樣器之后約位于采樣器之后約1cm處裝配第二個錐體，稱為截取器，處裝配第二個錐體，稱為截取器，其小孔直徑也約為其小孔直徑也約為1mm截取器截取器(Skimmer)用于截取等離子體，使約用于截取等離子體，使約1%樣品通過樣品通過通常也由通常也由Ni、Al、Cu或或Pt金屬制成金屬制成截取區(qū)后的壓力通常降至截取區(qū)后的壓力通常降至10-4 Torr，真空由旋轉泵支持的，真空由旋轉泵支持的渦輪泵

43、來維持渦輪泵來維持在截取區(qū)，等離子體充分膨脹，真實溫度大大地降低，等在截取區(qū)，等離子體充分膨脹，真實溫度大大地降低，等離子體中的離子猶如被凍結似的離子體中的離子猶如被凍結似的在截取器后面，設計一個孔徑較大的開口，其作用是分離在截取器后面，設計一個孔徑較大的開口，其作用是分離不同壓力的區(qū)域，即不同壓力的區(qū)域，即10-4 Torr的采樣接口區(qū)域和的采樣接口區(qū)域和10-6 Torr或更低壓力的分析器和檢測器區(qū)域或更低壓力的分析器和檢測器區(qū)域截取錐截取錐有些質譜干擾產生可能受樣品整體組成的影響，稱為有些質譜干擾產生可能受樣品整體組成的影響，稱為基體基體效應效應，這一干擾對激光剝蝕，這一干擾對激光剝蝕I

44、CP-MS方法尤其重要方法尤其重要ICP-MS也是基于質荷比進行離子分離荷測量的質譜技術，也是基于質荷比進行離子分離荷測量的質譜技術，因此，質譜干擾是制約因此，質譜干擾是制約ICP-MS儀器的分析檢出限的主要儀器的分析檢出限的主要因素，質譜干擾也會影響一個元素的測定準確度或精密度，因素，質譜干擾也會影響一個元素的測定準確度或精密度，干擾主要有：干擾主要有：同質異素疊加干擾同質異素疊加干擾，天然存在的具有相同質量數(shù)的兩個元，天然存在的具有相同質量數(shù)的兩個元素，如素，如87Rb和和87Sr多原子離子干擾多原子離子干擾，兩個或多個在等離子體中具有較高濃度，兩個或多個在等離子體中具有較高濃度的原子的再

45、結合，如的原子的再結合，如ArO+難熔金屬氧化物難熔金屬氧化物，樣品的不完全分解或再等離子體中離子，樣品的不完全分解或再等離子體中離子的再結合，的再結合，BaO+雙電荷離子雙電荷離子碰撞碰撞-反應池反應池它是安裝在它是安裝在ICP-MS的離子抽取接口之后與質量分析器之的離子抽取接口之后與質量分析器之前的一個裝置，能夠讓離子和氣體分子在較低壓下，前的一個裝置，能夠讓離子和氣體分子在較低壓下，10-4-10-1 mbar，進行受控碰撞，對離子束進行化學過濾，選擇，進行受控碰撞，對離子束進行化學過濾，選擇性地排除干擾，提高樣品中分析離子的準確度、精密度和性地排除干擾，提高樣品中分析離子的準確度、精密

46、度和檢測限檢測限5. 離子轟擊電離方法離子轟擊電離方法利用氣體放電或其它方法產生的具有一定能量的一次離子束利用氣體放電或其它方法產生的具有一定能量的一次離子束轟擊真空中的固體表面時，會產生一次離子的散射、中性粒轟擊真空中的固體表面時，會產生一次離子的散射、中性粒子和正、負二次離子的濺射，以及二次電子、子和正、負二次離子的濺射，以及二次電子、X射線和光的射線和光的發(fā)射等一系列物理現(xiàn)象發(fā)射等一系列物理現(xiàn)象這些離子或粒子攜帶著固體這些離子或粒子攜帶著固體表面元素組成特征的信息，表面元素組成特征的信息，通過相應的分析方法可以測通過相應的分析方法可以測量得到固體表面信息，如：量得到固體表面信息，如：散射

47、能譜法散射能譜法濺射質譜法濺射質譜法離子轟擊固體表面離子轟擊固體表面所產生的物理現(xiàn)象所產生的物理現(xiàn)象離子轟擊方法的特點：離子轟擊方法的特點：可以使被轟擊的微小區(qū)域的溫度高達可以使被轟擊的微小區(qū)域的溫度高達10000 K以上，而整個以上，而整個樣品靶區(qū)仍保持室溫狀態(tài)樣品靶區(qū)仍保持室溫狀態(tài)轟擊區(qū)域可以為直徑毫米級、微米級或小于微米級的面積轟擊區(qū)域可以為直徑毫米級、微米級或小于微米級的面積具有進行微區(qū)、微量、表面和逐層分析的能力具有進行微區(qū)、微量、表面和逐層分析的能力可以利用兩種方式獲得固體表面信息：可以利用兩種方式獲得固體表面信息：1. 直接引出濺射二次離子進行分析，即為二次離子質譜法直接引出濺射

48、二次離子進行分析，即為二次離子質譜法 SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry)2. 利用輔助電子束碰撞濺射出來的中性原子，使其電離成為利用輔助電子束碰撞濺射出來的中性原子，使其電離成為 離子進行分析，稱為電離中性粒子質譜法離子進行分析，稱為電離中性粒子質譜法(INMS)IB離子源在離子探針和二次離子質譜對無機混合物的表面離子源在離子探針和二次離子質譜對無機混合物的表面同位素分析中應用較廣泛同位素分析中應用較廣泛Secondary Ion Mass Spetrometry (SIMS)Sensitive High Resolution Ion Micro-Pr

49、obe (SHRIMP)離子轟擊離子轟擊(IB)離子源離子源在離子槍中的中性氣體在離子槍中的中性氣體Ar或或Xe氣壓約為氣壓約為100 Pa，被電子轟擊生，被電子轟擊生成成Ar+或或Xe+，經電子透鏡聚焦并，經電子透鏡聚焦并加速，形成動能可以控制的離子加速，形成動能可以控制的離子束，用該離子束直接轟擊樣品，束，用該離子束直接轟擊樣品，導致樣品物質電離，引出離子束，導致樣品物質電離，引出離子束，進行質譜分析進行質譜分析主要部分有主要部分有:一次離子系統(tǒng)一次離子系統(tǒng)樣品室樣品室二次離子引出系統(tǒng)二次離子引出系統(tǒng)樣品室樣品室一次離子系統(tǒng)一次離子系統(tǒng)二次離子二次離子引出系統(tǒng)引出系統(tǒng)一次離子束系統(tǒng)結構一次

50、離子束系統(tǒng)結構1. 一次離子源一次離子源2. 透鏡聚焦系統(tǒng)透鏡聚焦系統(tǒng)3. 掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng)4. 合軸系統(tǒng)合軸系統(tǒng)一次離子系統(tǒng)的功能一次離子系統(tǒng)的功能根據(jù)不同的分析對象合分根據(jù)不同的分析對象合分析目的，提供種類、能量、析目的，提供種類、能量、方向、密度和直徑大小不方向、密度和直徑大小不同的一次離子束同的一次離子束一次離子源一次離子源一次離子源或稱離子槍，是離子探針中一個極重要的部位，一次離子源或稱離子槍，是離子探針中一個極重要的部位，決定著整個儀器的性能決定著整個儀器的性能通常采用通常采用雙等離子源雙等離子源作為一次離子源作為一次離子源為滿足微區(qū)、高靈敏度分析的需要，所發(fā)射的離子束直徑為滿足微

51、區(qū)、高靈敏度分析的需要，所發(fā)射的離子束直徑小，離子流密度大，即高小，離子流密度大，即高“亮度亮度”的點離子源的點離子源要求離子源發(fā)射的離子束能量寬度窄，才能減小聚焦透鏡要求離子源發(fā)射的離子束能量寬度窄，才能減小聚焦透鏡系統(tǒng)的色差，獲得微小的束斑系統(tǒng)的色差，獲得微小的束斑能夠引出正或負離子能夠引出正或負離子工作狀態(tài)穩(wěn)定，可以發(fā)射具有高穩(wěn)定度的離子流工作狀態(tài)穩(wěn)定，可以發(fā)射具有高穩(wěn)定度的離子流離子源可以使用不同的物質，適用于不同性質樣品的分析離子源可以使用不同的物質，適用于不同性質樣品的分析易損耗部件的壽命長，拆裝清洗方便易損耗部件的壽命長，拆裝清洗方便空心陰極雙等離子源結構空心陰極雙等離子源結構結

52、構示意圖結構示意圖電極供電系統(tǒng)電極供電系統(tǒng)影響一次離子源的參數(shù)主要有：工作氣壓、電弧電流、磁場影響一次離子源的參數(shù)主要有：工作氣壓、電弧電流、磁場強度、引出電壓、中間電極與陽極間的偏轉電阻等強度、引出電壓、中間電極與陽極間的偏轉電阻等雙等離子源是一種能產生正、負離子的等離子發(fā)生器，具有雙等離子源是一種能產生正、負離子的等離子發(fā)生器，具有電離效率高、離子束能量分散和角度分散小、離子流密度大電離效率高、離子束能量分散和角度分散小、離子流密度大和穩(wěn)定等特點；通常有熱絲陰極和空心陰極兩類和穩(wěn)定等特點；通常有熱絲陰極和空心陰極兩類空心陰極雙等離子源使用壽命長，且能由淀積于陰極上的固空心陰極雙等離子源使用

53、壽命長，且能由淀積于陰極上的固體或由氣體產生離子，是目前常用的方法體或由氣體產生離子，是目前常用的方法空心陰極雙等離子源空心陰極雙等離子源主要由空心陰極、中間電極、陽極、引主要由空心陰極、中間電極、陽極、引出電極（吸極）、磁場和氣體輸入裝置組成出電極（吸極）、磁場和氣體輸入裝置組成陰極陰極通常由鉬、鎳或不銹鋼材料制成；通常由鉬、鎳或不銹鋼材料制成；中間極和陽極中間極和陽極兼作磁兼作磁路，由純鐵組成，陽極孔是強等離子體匯聚之處，溫度高，路，由純鐵組成，陽極孔是強等離子體匯聚之處，溫度高，通常由鎢或鉬制成的孔片，樣品束斑大小取決于離子源尺寸，通常由鎢或鉬制成的孔片，樣品束斑大小取決于離子源尺寸，尤

54、其是陽極孔大小；尤其是陽極孔大?。灰鲭姌O引出電極由不銹鋼或鉭材料制成；由不銹鋼或鉭材料制成；磁場磁場線圈或永磁鐵線圈或永磁鐵提供軸向磁場，壓縮等離子體提供軸向磁場，壓縮等離子體氣體輸入裝置由減壓閥和滲漏閥組成流量控制系統(tǒng)，工作氣氣體輸入裝置由減壓閥和滲漏閥組成流量控制系統(tǒng)，工作氣體通常為氧、氬、氮、氙或氖氣體體通常為氧、氬、氮、氙或氖氣體空心陰極雙等離子源工作原理空心陰極雙等離子源工作原理工作前，關閉氣體輸入系統(tǒng)的閥門，對離子源區(qū)抽真空工作前，關閉氣體輸入系統(tǒng)的閥門，對離子源區(qū)抽真空利用氣體輸入系統(tǒng)滲入工作氣體到空心陰極處利用氣體輸入系統(tǒng)滲入工作氣體到空心陰極處在陽極和陰極之間施加電壓，由陰

55、極發(fā)射的電子在陰極和中在陽極和陰極之間施加電壓，由陰極發(fā)射的電子在陰極和中間極之間激起電弧放電間極之間激起電弧放電在放電的作用下，氣體原子或分子被電離成為離子，形成等在放電的作用下，氣體原子或分子被電離成為離子，形成等離子區(qū)離子區(qū)在中間極和陽極的近軸心處間隙在中間極和陽極的近軸心處間隙小，且存在強磁場，電子在磁場小，且存在強磁場，電子在磁場作用下，按螺旋軌道奔向陽極，作用下，按螺旋軌道奔向陽極，增大電子與氣體原子或分子的碰增大電子與氣體原子或分子的碰撞幾率，進一步產生放電和強烈撞幾率，進一步產生放電和強烈電離，從而在中間極和陽極之間電離，從而在中間極和陽極之間形成高濃度的第二等離子區(qū)形成高濃度

56、的第二等離子區(qū)陰極和陽極之間擊穿后，空心陰極和陽極之間擊穿后，空心陰極起著不斷提供連續(xù)放電所陰極起著不斷提供連續(xù)放電所需的電子源的作用，而不定電需的電子源的作用，而不定電位的中間極的電位處于陰極和位的中間極的電位處于陰極和陽極之間，起著自給柵偏壓的陽極之間，起著自給柵偏壓的作用，保證穩(wěn)定的電弧放電作用，保證穩(wěn)定的電弧放電受中間極形狀和磁場的控制，受中間極形狀和磁場的控制，等離子體在第二等離子區(qū)內被等離子體在第二等離子區(qū)內被壓縮，軸心處離子濃度最大壓縮，軸心處離子濃度最大當加上加速電壓把離子吸出時，離子在磁力線的約束下，當加上加速電壓把離子吸出時，離子在磁力線的約束下，非常集中地非常集中地“填入

57、填入”陽極孔中，可以獲得很高密度的離子陽極孔中，可以獲得很高密度的離子流流高密度的離子流通過陽極孔出射后，已無磁場約束，將因空高密度的離子流通過陽極孔出射后，已無磁場約束，將因空間電荷效應產生發(fā)散，通常在陽極孔下方設計澎脹泡，以降間電荷效應產生發(fā)散，通常在陽極孔下方設計澎脹泡，以降低引出離子束的密度，減弱分散低引出離子束的密度，減弱分散引出負離子時，因電子較輕，易受磁場的約束，等離子體軸引出負離子時，因電子較輕，易受磁場的約束，等離子體軸心電子密度較大，而負離子主要分布在邊緣，可使陽極孔和心電子密度較大，而負離子主要分布在邊緣，可使陽極孔和中間極孔的軸心偏離，等離子體邊緣對準陽極中心，提高負中

58、間極孔的軸心偏離，等離子體邊緣對準陽極中心，提高負離子的利用率離子的利用率引出的一次離子流引出的一次離子流密度密度Jp與與離子種類、引出電壓和等離子體離子種類、引出電壓和等離子體邊界與陽極間的偏轉電阻有關邊界與陽極間的偏轉電阻有關1 23 202429peVJmd(A/cm2)e 離子電荷、m 離子質量、0 真空中介電常數(shù)、d 陽極至引出極間的距離一次離子源的特征采用亮度一次離子源的特征采用亮度(100-200 Acm-2球面度球面度-1)、能量寬度能量寬度(10-20 eV)來表征來表征掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng)通常采用兩對正交配置的平行板電極組成，電極掃描系統(tǒng)通常采用兩對正交配置的平行板電極

59、組成，電極上施加可調變的靜電壓、階梯電壓或波形交變電壓，稱為上施加可調變的靜電壓、階梯電壓或波形交變電壓，稱為X、Y掃描偏轉器，控制離子束在樣品上移動或自動掃描，實現(xiàn)掃描偏轉器，控制離子束在樣品上移動或自動掃描，實現(xiàn)對樣品進行點、線、面分析或深度分析對樣品進行點、線、面分析或深度分析XY掃描偏轉器掃描偏轉器當兩對偏轉板施加固定電當兩對偏轉板施加固定電壓時，可以將一次離子束壓時，可以將一次離子束固定在樣品表面的某一點固定在樣品表面的某一點上；調節(jié)偏轉電壓可以實上；調節(jié)偏轉電壓可以實現(xiàn)束斑在樣品表面上任意現(xiàn)束斑在樣品表面上任意移動；施加不同的波形電移動；施加不同的波形電壓，則可以進行不同的方壓，則

60、可以進行不同的方式的掃描式的掃描透鏡聚焦系統(tǒng)透鏡聚焦系統(tǒng)透鏡聚焦系統(tǒng)是采用靜電透鏡高度聚焦一次離子束，在樣透鏡聚焦系統(tǒng)是采用靜電透鏡高度聚焦一次離子束，在樣品表面上形成盡可能小的斑點，可達品表面上形成盡可能小的斑點，可達1-2微米或微米級以下微米或微米級以下合軸系統(tǒng)合軸系統(tǒng)除提高一次離子源性能和完善透鏡系統(tǒng)的聚焦性能外，離除提高一次離子源性能和完善透鏡系統(tǒng)的聚焦性能外，離子束的合軸，或稱對中、準直，可以提高檢測靈敏度和空子束的合軸，或稱對中、準直，可以提高檢測靈敏度和空間分辯本領間分辯本領當一次離子源與透鏡系統(tǒng)、透鏡之間不合軸，將降低一次當一次離子源與透鏡系統(tǒng)、透鏡之間不合軸，將降低一次離子的