1.1 离子源与初级柱

IMS 7f-Auto 配备了同轴离子光学初级柱，包含一组用于聚焦和偏转一次离子束的静电离子光学器件、光阑阑孔，以及用于精确测量一次离子电流的法拉第杯。差分抽气级确保分析期间样品处于超高真空（UHV）环境。初级柱完全由计算机控制，配有电机驱动的光阑和自动插板阀。

源室允许同时安装产生 O₂⁺、O⁻、O₂⁻ 离子的高亮度（冷阴极）双等离子体源（Duoplasmatron），以及产生 Cs⁺ 离子的高亮度（热电离）铯微束源。

氧离子束对于优化电正性元素分析的灵敏度特别有效，而铯离子束则能提高电负性元素分析的灵敏度。

源室配备了维恩质量过滤器（Wien filter），用于双等离子体源以去除寄生一次离子种类；而伪维恩滤波器（Pseudo Wien Filter, PWF）用作质量过滤器，以消除铯离子源中产生的杂质元素（如碳和氧）。

双等离子体源是固定的，安装在顶部并与一次离子柱同轴。在源与维恩质量过滤器之间装有加速-减速（accel-decel）引出系统，使得可以使用低至 500eV 撞击能量的 O₂⁺ 一次离子进行分析。

铯微束源是可伸缩的；它在待机室（不用于分析时）和工作位置（与初级柱同轴）之间移动。铯源在待机位置与工作位置之间的传送完全由计算机控制。

双等离子体源室和铯源待机室均通过插板阀与初级柱隔离，并由各自的涡轮分子泵抽气。因此，可以在使用一个离子源进行工作的同时对另一个源进行维护。离子源的切换操作以及源的启动和关闭均完全由计算机控制。

配有气动阀、标签及物理腔室外观的初级柱示意图

1.1.1 可用参数

两个源的引出电极均连接到仪器的地电位，而双等离子体源和铯枪组件（电离器 + 储源器）处于高压。根据极性，产生的正/负离子被加速。该光学系统（引出电极 + 离子源组件）形成一个源交叉点，双等离子体源和铯源的交叉点直径分别约为 500 μm 和 50 μm（参见 CAMECA 离子源用户指南）。借助初级柱的不同光学系统：与偏转器（DP X & Y）和光阑（D0 与 D4）相配合的 L1、WL、L2、L3 和 L4 透镜，该交叉点的像被聚焦到样品表面上。

由于样品表面上一次束斑的直径在 1 至 200 μm 之间可变，因此使用 L1、WL、L2 和 L3 透镜，系统的缩束比应在 0.4 至 500 之间可调。透镜 L4 用于将束流聚焦在样品表面上。初级柱参数如下方示意图所示。

初级柱示意图

参数	调谐标签	功能说明
Duo Source	DUO HV	Cameca 双等离子体源：ACCEL HV 为源相对于地的高压。
	ARC CUR	ARC 为等离子体弧电流。
	COIL CUR	COIL 为双等离子体源线圈电流。
Accel-Decel	DUO ACL	Accel-Decel：用于低能一次束的加速透镜
DP 1	DP 1 (X, Y)	用于使束流在 L1 透镜内居中的 4 极偏转板。
L1	Duo L1	静电透镜，可与 L2 透镜配合使用，在 D0 光阑处形成源的像（仅限 Duo 源）。
DP WL	DP WL (X,Y)	用于使束流在维恩透镜内居中的 4 极偏转板。未使用。
Wien filter	WIEN COIL	质量过滤器，由 2 块静电偏转板（WIEN DY）和一个线圈（WIEN COIL）组成。
	WIEN DY
WL	WIEN LENS	静电透镜，可用于在 D0 光阑处形成源的大致像（仅限 Duo 源）。实际中不使用该透镜，建议改用 L1 和 L2 透镜的组合。
Cs Source	CS HV	Cameca 微束铯源：ACCEL HV 为电离器相对于地的高压。
	IONIZER	IONIZER 为电离器灯丝与电离器之间的电子电流。
	RESERVOIR	RESERVOIR 为储源器灯丝与储源器之间的电子电流。
L2	L2	静电透镜，可用于在 D0 光阑处形成源的像（若使用 Duo 源）。
DP 3a	DP 3a (X,Y)	用于使束流在 D0 光阑内居中的 4 极偏转板。
Aperture D0	D0 (X, Y)	一组 6 个不同孔径的光阑（2000μm、750μm、500μm、400μm、300μm、200μm）。使用 Duo 源时，源的像形成在 D0 光阑处。
DP 3b	DP 3b (X,Y)	用于使束流在 L3 透镜内居中的 4 极偏转板。
L3	L3	用于改变到达样品表面的一次电流的静电透镜。
Aperture D4	D4 (X, Y)	一组 6 个不同孔径的光阑，用于限制离子束孔径角。
DP 4	DP 4 (X,Y)	具有一组实现功能的八极子： 偏转（DP 4）用于使束流在 L4 透镜内居中。 消像散功能，分别在 XY 方向（STIG 90）和 45° 方向（STIG 45）
	STIG 45
	STIG 90
Primary Faraday Cup	DEF FC	偏转（DEF FC）用于使束流在初级法拉第杯内居中
	FCP REP	抑制极（FCP REP）是一块垂直于束流轴的极板，位于初级法拉第杯正前方，用于排斥二次电子。
	GATE Y	GATE Y 参数对应采样率（推荐值为 461 digits）
DPRIM5	Beam Pos (X, Y) Raster D5 S1 Rot Y	具有一组实现功能的 4 极偏转板： 一次束 X&Y 位置（Beam Pos） 一次束扫描系统（Raster） XY 消像散器（D5 S1） 扫描旋转（Rot Y）
L4	L4	用于实现一次束斑聚焦的末级透镜。

1.1.2 维恩过滤器

对于 Duo 源：

维恩过滤器用作质量过滤器，以消除离子源中可能产生的杂质元素，例如 Duo 源中的 Ni。如果与样品中感兴趣的分析元素相比被视为污染物，则必须消除这些杂质。

当双等离子体源使用氧气时，从源中引出的主要离子种类是多原子离子 ¹⁶O₂⁺，但也存在如 NO⁺ 和 ¹⁶O⁺，丰度比 ¹⁶O₂⁺ 低 1 到 2 个数量级。因此，如果需要微细束斑，必须消除 NO⁺ 和 ¹⁶O⁺，因为由于地磁场或杂散磁场，¹⁶O₂⁻ 与其它离子种类的束斑不会聚焦在完全相同的位置。

对于 Cs 源：

在 IMS 7f-Auto 中，伪维恩过滤器（PWF）用作质量过滤器，以消除 Cs 离子源中产生的杂质元素，例如碳和氧（由于同轴配置以及 Cs 源基于碳酸盐药片）。当分析样品中的 C 和 O 污染物种类时，质量过滤当然尤为重要。

由于 IMS 7F-Auto 初级柱空间不足，磁场与静电场不在同一位置。因此，我们称其为伪维恩过滤器（或非标维恩过滤器）。PWF 起到了真正质量过滤器的作用。

下方为伪维恩过滤器的示意图：

Cs 源伪维恩过滤器

1.1.3 初级柱末级

初级柱末级

1.1.4 一次束入射角与着陆问题

源与引出电极之间的所有空间均处于地电位，引出电极与样品平面之间的空间除外。该空间对二次离子是加速区，而对一次离子，若一次电压和二次电压极性相同则是减速空间，若极性相反则是加速空间。由于一次轴不垂直于样品平面，一次离子在该区域的轨迹是弯曲的，如果根据减速或加速电场没有补偿偏转，它就不会落在二次轴上的样品平面处。

该补偿偏转通过偏转器 DPRIM5-X（也标记为 Beam Pos-X）实现。该偏转中心位于末级透镜平面。下图针对一次正离子（+10 kV），展示了两种情况：

- 样品高压 = +9 kV：末段空间为减速场。

- 样品高压 = -9 kV：末段空间为加速场

在这两种情况下，都必须在末级透镜（LPRIM4）之前施加偏转，以迫使一次离子轨迹落在二次轴上的样品平面处。

一次束偏转与着陆（引出电极与样品高压）