TOF-SIMS二次离子光学系统仿真研究

刘晓旭，齐国臣，包泽民，Stephen Clement，邱春玲，田　地，龙　涛

（1.吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林长春130022；2.中国地质科学院地质研究所，北京100037）



TOF-SIMS二次离子光学系统仿真研究

刘晓旭1，齐国臣1，包泽民1，Stephen Clement2，邱春玲1，田地1，龙涛2

（1.吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林长春130022；2.中国地质科学院地质研究所，北京100037）

摘要：为实现飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）对二次离子束的提取并提高仪器的调试效率，采用离子光学仿真软件SIMION 8.0对TOF-SIMS二次离子光学系统进行仿真。以稳定同位素铜离子为对象，通过仿真，研究二次离子光学系统中二次离子提取系统透镜电极电压的调整对质量分辨率的影响，确定最佳透镜电极电压组合,并得到稳定同位素铜离子的仿真谱图。仿真研究表明：当初级提取电极电压为800V、单透镜有效电极电压为-4400V时，质量分辨率最高。在TOF-SIMS实验平台上对铜样品靶进行实验测试，实验与仿真结果相吻合，表明设计的二次离子光学系统可用于TOF-SIMS仪器的二次离子束提取，为实验参数的选择提供参考，从而提高仪器调试效率。

关键词：飞行时间二次离子质谱仪；二次离子光学系统；仿真；透镜电极电压；质量分辨率

0　引言

TOF-SIMS是目前前沿的用于表面成分分析的科学装置之一，因具有分辨率高、灵敏度高和分析速度快等特点[1-2]，在地球科学、环境科学、生物医学等方面有广泛应用[3-4]。其原理是利用经过脉冲化的一次离子束轰击样品表面，溅射产生二次离子，根据具有相同初始能量的离子因质荷比不同而在同一飞行时间质量分析器中的飞行时间不同来测定离子质量[2]。二次离子光学系统作为TOF-SIMS的核心部分，主要由二次离子提取系统和飞行时间质量分析器组成。二次离子提取系统作为对二次离子提取、调整和聚焦的装置，其中透镜电极电压对二次离子运动情况和仪器性能的影响很大。因此，二次离子提取系统中透镜电极电压组合的合理选择十分重要。

早期软件资源有限，通过反复试验选择电压[5]，其周期长。随着仿真软件的出现，通过仿真可以高效合理地选择电极电压，为实验提供指导。SIMION作为模拟带电粒子在静电场中运动轨迹的高效仿真软件[6]，已被应用于ICP-MS提取系统建模[7]和空间等离子体探测器数值模拟[8]，但应用SIMION对TOFSIMS二次离子光学系统的仿真研究尚未有过报道。

本文运用SIMION 8.0对国内首次研制的用于同位素分析的TOF-SIMS的二次离子光学系统进行仿真，研究了二次离子提取系统中透镜电极电压的调整对质量分辨率、离子束斑直径变化和传输效率的影响，确定了一组透镜电极电压组合。并在TOF-SIMS实验平台上对仿真进行验证，证明了建立的二次离子光学系统的正确性。

1　二次离子光学系统结构

二次离子光学系统的结构如图1所示，由样品靶、二次离子提取系统、飞行时间质量分析器和检测器等部分组成。其中，二次离子提取系统由初级提取电极、中间级提取电极、地电极、单透镜和微孔组成。初级提取电极和中间级提取电极用于二次离子的提取和调整，地电极用于二次离子束的整形，而单透镜用于二次离子束的聚焦，微孔用于对能量发散和空间发散较大的离子进行过滤筛选。

二次离子由一次离子束轰击样品表面溅射产生，其溅射发散角较大，初始发散能量较高，需要采用二次离子提取系统对二次离子束进行提取、调整和会聚。初级提取电极和样品靶面间形成浸没电场，对二次离子进行提取，由中间级提取电极对二次离子进行调整，而后单透镜对二次离子束进行聚焦，通过微孔再次对二次离子进行筛选。在二次离子提取系统与反射式飞行时间质量分析器之间，放置一对偏转电极，目的是为了让离子束能够完成在飞行时间质量分析器的反射器中的反射运动。二次离子经过在飞行时间质量分析器中的一次反射式飞行后到达检测器系统。

图1　二次离子光学系统结构示意图

2　二次离子光学系统仿真

通过SIMION 8.0不仅可以对二次离子的初始状态进行设置，而且能够记录下二次离子运动过程中的信息。因而，在实验前根据二次离子光学系统的结构通过SIMION 8.0分别建立二次离子提取系统和飞行时间质量分析器仿真模型，由模拟的二次离子运动情况和仿真记录的信息可以合理地选择透镜电极电压。

2.1二次离子提取系统仿真

在SIMION 8.0中建立的二次离子提取系统仿真如图2所示。二次离子的初始状态包括初始位置、初始角度和初始能量分布，三者都是满足高斯分布的随机序列[8]，以稳定同位素铜离子63Cu2+和65Cu2+为例，每次随机总数为10000的铜离子，设样品靶的直径为d，则设置的离子初始位置的范围为±d/2；初始角度范围为±180°，初始能量的范围为0～100eV[1]。图2中绿色线表示静电透镜中的等势线，红色线表示二次离子的运动轨迹。

2.2飞行时间质量分析器仿真

目前常用的飞行时间质量分析器是带有两级电场的单次反射式飞行时间质量分析器，其分辨率高、灵敏度好。二次离子经由二次离子提取系统的收集、调整和聚焦后进入到飞行时间质量分析器中，为完成反射式飞行，在飞行时间质量分析器前端需加偏转装置，极性相反的偏转电极对能够满足离子偏转动作。在SIMION 8.0中建立飞行时间质量分析器仿真模型如图3所示。为研究二次离子提取系统中透镜电压调整对分辨率的影响，将飞行时间质量分析器部分的静电参数均设置为定值[6]。为满足二阶时间聚焦[7]，采用带有两级电场的飞行时间质量分析器，飞行时间质量分析器中的参数设置如表1所示，其中，L1和L2代表两级电场区域的长度，E1和E2代表两级电场强度。为保证离子偏转角度，偏转电极对电压设置如表2所示。

图2　二次离子提取系统在SIMION中的仿真图

图3　飞行时间质量分析器在SIMION中的仿真模型图

表1　飞行时间质量分析器的参数

表2　偏转电极电压

3　结　果

3.1仿真结果

样品靶与二次离子提取系统中的初级提取电极组成一个浸没透镜[8]。通常样品靶上所加直流电压为一固定值，将其设定为2kV。对于特定的二次离子，二次离子提取系统中的浸没透镜和单透镜中的静电参数即透镜电极电压理论上应有特定的组合来保证质量分辨率。因此，用SIMION 8.0对二次离子的运动情况进行模拟，在模拟仿真的过程中，调节透镜电极电压并记录数据，通过对数据的处理和分析来选择透镜电极电压组合。以铜离子为仿真对象，半峰宽质量分辨率随透镜电压组合的变化情况如图4所示。

设二次离子束在离开单透镜后和进入微孔前的束斑直径变化量的绝对值为|Δd|，|Δd|随透镜电压组合的变化情况如图5所示。若二次离子束束斑直径变化量过大，离子运动轨迹将会产生发散角，会引起位置发散和角度发散，为检测带来不良的影响。

图4　质量分辨率随透镜电极电压的变化

由于透镜电极电压的变化影响二次离子的运动情况，所以透镜电极电压的调整会影响传输效率。传输效率随透镜电压组合的变化情况如图6所示。

根据图4、图5和图6，在初级提取电极电压选择800 V、单透镜有效电极电压选择-4 400 V时，质量分辨率最高、离子束斑直径变化量最小、传输效率最高。在该情况下，以稳定同位素铜离子63Cu2+和65Cu2+为仿真对象，所得到的仿真谱图如图7所示，两模拟峰之间的时间间隔约为760 ns，半峰宽分辨率为3815。

图5　|Δd|与透镜电极电压的关系

图6　传输效率随透镜电极电压的变化

图7　仿真谱图

图8　实验结果

3.2实验结果

根据TOF-SIMS二次离子光学系统结构和仿真模型，搭建了实验测试平台。用制作好的铜样品靶在TOF-SIMS实验平台上进行实验，通过示波器观察检测到的稳定同位素铜离子63Cu2+和65Cu2+的信号和二者的分离情况，实验结果如图8所示。可以看出通过实验检测到的63Cu2+和65Cu2+信号，两信号峰之间的时间间隔约为760ns，半峰宽分辨率为3 810。通过对图7和图8的比较，可以看出，仿真结果与实验测得的信号在幅值和时间间隔以及半峰宽分辨率上均相符，仿真与实验均可以对稳定同位素铜离子进行定性分析。

根据仿真中电极电压的选择和实验的记录，仿真与实验采用的电极电压对比如表3所示，偏差不到1%，说明仿真研究能够有效地为实验中电极电压的选择提供参考。

4　结束语

本文通过SIMION软件建立TOF-SIMS二次离子光学系统的仿真模型并模拟二次离子运动情况，由仿真研究了二次离子提取系统中透镜电极电压的调整对分析稳定同位素铜离子时质量分辨率的影响，并为透镜中电极选择了一组最佳电压。将仿真和实验对比，二者吻合，表明本文建立的模型可以为TOF-SIMS仪器二次离子光学系统设计提供参考依据，为实验提供指导并提高调试效率，同时也证实了仿真研究方法的有效性，该方法可以应用于同类仪器的离子光学系统静电参数的选择。

表3　仿真与实验电极电压对比1）

参考文献

[1] MAMYRIN B A. Time-of-flight mass spectrometry（conc epts，achievements and prospects）[J]. International Journal of Mass Spectrometry，2001，206（9）：251-266.

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[3]阿尔弗来德·贝宁豪文，查良镇.飞行时间二次离子质谱——强有力的表面、界面和薄膜分析手段[J].真空，2003（5）：10-14.

[4] CHELGANI S C，HART B. TOF-SIMS studies of surface chemistry of minerals subjected to flotation separation-A review[J]. Minerals Engineering，2014（57）：1-11.

[5] EICEMAN G A. Ion Mobility Spectrometry[M]. 2nd ed. New Mexico：CRC Press，2005：137.

[6] LORINCIK J，FRANZREB K，WILLIAMS P. SIMION modeling of ion optical effects in Cameca ion microanalyzers: simulation of ion transmission losses[J]. Applied Surface Science，2004（231）：921-925.

[7]孙传强，赵学，汪曣. ICP-MS离子提取模型的建立与传输透镜的参数优化[J].真空科学与技术学报，2012，32（10）：928-932.

[8]孔令高，张爱兵，王世金，等.基于SIMION软件的空间等离子体探测器的数值仿真[J].中国空间科学技术，2012（4）：71-76.

（编辑：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

通讯作者：龙涛（1984-），男，山东威海市人，助理研究员，研究方向为质谱仪器研制与应用。

作者简介：刘晓旭（1991-），女，黑龙江齐齐哈尔市人，硕士研究生，专业方向为分析仪器。

基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项（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

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2016）01-0130-04