SIMS仪器:二次离子侦测器

最为常用的SIMS仪器有多达四种侦测器。其中包括离子计数电子倍增器、法拉第杯以及两种离子成像侦测器。以下图片是这些侦测器的示意图。离子计数电子倍增器是最敏感的侦测器,必须要保护,避免遇到强烈的离子束。当入射离子讯号太高时,法拉第杯侦测器在电磁阀上移动,覆盖电子倍增器。当离子束撞击表面时,电荷交换就会形成高能量的中性物质。这些中性元素会对于离子讯号造成干扰。如果静电分析器置于电子倍增器前方,那么这些中性元素就会从这些离子讯号中消除。四极质谱仪也使用静电分析器或者偏向器,将高能量中性元素对离子讯号造成的干扰减低到最小限度。当分析器不运作时,离子束会穿过静电分析器内的小孔。此路径会到达双微信道板和电阻式阳极编码图像侦测器。投影机透镜会将样品图像聚焦在图像侦测器。

次级离子质谱法仪器:次级离子探测器

电磁活性成分用蓝色显示。离子束轨道(红色表示)会在横向方向被放大。尤其是,图像侦测器较小,穿过静电分析器的路径较窄。这些离子会穿过分析器内更小的孔洞。

电子倍增器

电子倍增器由一系列被称为倍增器电极的电极构成,每个电极都沿着电阻器串连接。电阻器串的训号输出端连接到正的高电压。电阻器串的另一端会进入到电子倍增器外壳和地面。

次级离子质谱法仪器:次级离子探测器

沿着链条,倍增电极的电位在同样的步骤中有所不同。当粒子(电子、离子、高能量中性粒子,或高能量光子)撞击第一个倍增器电极时,就会产生二次电子。二次电子会被加速进入下一个倍增器电极,每个电子会产生更多的二次电子。随之产生二次电子的层迭。倍增器电机加速电势会控制电子增益。

次级离子质谱法仪器:次级离子探测器

电子倍增管也可以是连续的倍增电极材料,而不是离散的倍增电极。这种玻璃材料含有铅,可以提供和离散倍增电极电子倍增管中电阻串同样的传导性。

大部分的SIMS分析会使用足够能力的电子倍增器,在每个离子到达时产生可侦测脉冲。脉冲计数是最敏感的离子侦测方法。侦测器噪声来自于杂散离子和宇宙射线,但这些讯号通常小于1计数/秒。

为了同时侦测正负离子,电子倍增管固定在接地电位。电阻串的输出端必须在较高的正电位运作。这需要输出的脉冲被电容耦合到侦测器电子组件中。侦测器电子组件在一个离子到达后第二个离子被侦测前需要恢复时间(死亡时间)。侦测器的死亡时间会限制可测量的离子到达率在约1e6计数/秒。因此,电子倍增管的动态范围从低于11e6离子计数/秒。

脉冲计数侦测器遵循Poisson统计原则,要求每个离子到达独立于所有的其他离子。这种测定由一段固定时间内的离子计数构成,结果会采取计数值的形式,n。测量的标准偏差等于计数的平方根。第二个方程式表示相对于该讯号的标准偏差。

法拉第杯

次级离子质谱法仪器:次级离子探测器

法拉第杯只是一个电极,从中可以测定电流,以及撞击到它的带电粒子束(电子或者离子)。这个形状有助于减少改变电流测定时二次电子的损失。具有电子反射板的深杯会使二次电子的损失降低到最小限度。

离子成像侦测器

次级离子质谱法仪器:次级离子探测器

离子成像侦测器依赖于微信道板电子倍增管数组。这些板是由大量的小信道电子倍增管构成。SIMS仪器通常使用圆形数组,直径约2000个通道。每个通道的直径都为10 μm。这些信道位于12 μm中心,总数组直径为25 mm

次级离子质谱法仪器:次级离子探测器

每个通道的尺寸为10 x 400 μm。这些信道垂直于数组表面7度。跨越单一信道板的电压可以获得1e5的增量。

次级离子质谱法仪器:次级离子探测器

对于SIMS使用来说,二个微通道板的结合,容易产生1e6的增量。

两种类型的阳极会提供直接可视化图像,或者兼容离子位置数据的计算机。两块微信道板与可视化电子层迭的磷屏幕可以提供方便的方法来监控二次离子束。SIMS分析师称这个结合为双微通道板(DMCP)。当电子被加速进入到磷阳极时,他们就会在每个电子中产生一个以上的光子。因此,阳极就会提供附加的增益。