1.2 质谱仪与次级柱

IMS-7f-Auto 质谱仪由以下部分组成：

- 匹配传输光学系统：由一组透镜组成，用于使发射的二次束与质谱仪“匹配”，即正确充满质谱仪的两个入口光阑——入口狭缝和视场光阑。

- 双聚焦质谱仪：基本由一个磁铁和一个静电扇形场分析器（ESA）组成，磁铁用于色散两种不同质量离子的轨迹，ESA 用于抵消作为质量色散伴生效应的磁铁能量色散。与磁铁配合，出口狭缝用于滤出窄质量带 [M-ΔM/2, M+ΔM/2]。

- 离子计数检测系统：位于出口狭缝正后方，由一个电子倍增器（EM）和一个法拉第杯（FCs）组成。

- 投影离子光学系统：同样位于出口狭缝正后方，与离子计数检测系统交替使用，用于将样品离子像或出口狭缝平面像投影到微通道板（MCP）器件上。CCD 相机用于在视频监视器上显示这些图像。

次级离子光学系统可被视为质量过滤离子显微镜，因为样品平面像沿整个次级光学系统传输，最终可在 MCP 平面上显示。

次级离子光学系统也可被视为扫描离子显微镜（SIM）的检测装置，因为与一次扫描信号同步的所谓动态传输（DT）偏转装置允许从大至 500 × 500 μm 的溅射区域收集二次离子。

器件标签	功能标签	功能说明
Sample stage	SAMPLE HV	偏置在高压（样品高压 Sample HV）下的样品台。末级透镜最后电极和浸没透镜第一电极也同样偏置在 Sample HV。
Immersion Lens	LIMM	静电浸没透镜，由连接到二次高压的样品平面与接地前板之间的加速空间，以及外侧电极接地的常规单电位透镜（einzel lens）组成。它兼具二次离子加速与离子显微镜物镜的双重作用。
Dynamic transfer DT1	DT-FA DT-FA DT Raster X DT Raster Y	该装置由两对偏转板组成，大致位于浸没透镜瞳孔平面。可在器件上施加与一次扫描同步的快速光栅扫描信号。除快速光栅信号外，该装置还实现了静态居中调节。动态或静态偏转使束流在视场光阑平面内移动。
Stigmator ST2	STIG X STIG Y	受控作为消像散器的 8 极器件。
Transfer lens LTR1	LTR1	与浸没透镜 LIMM 及 LTR2 组合构成匹配传输光学系统的静电透镜。
Deflector DT3	DT CA X DT CA Y	该装置由两对偏转板组成，位于传输透镜 LTR1 和 LTR2 之间。用于校准束流相对于对比光阑 CA 的位置。
Transfer lens LTR2	LTR2	与浸没透镜 LIMM 及 LTR1 组合构成匹配传输光学系统的静电透镜。
Contrast Aperture CA	CA X CA Y	可选择位于可移动杆上的 4 个阑孔之一并使其在次级轴上居中。正常孔径为 400μm、150μm、50μm 和 20μm。孔径越小，显微镜模式下样品表面图像的横向分辨率越好。杆由 2 台步进电机（X 和 Y）驱动。4 个阑孔沿 Y 轴排列。
Entrance Slit	ENT SL X ENT SL W	狭缝宽度在 0 至 1500μm 之间变化。由 2 台步进电机驱动，分别用于 X 方向居中和 W（宽度）调节。高质谱分辨率需要较小的狭缝宽度。
Field Aperture	FA X FA Y	可选择位于可移动杆上的 4 个阑孔之一并定位在次级轴上。正常孔径为 1800μm、750μm、400μm 和 100μm。高质谱分辨率需要较小的孔径。杆由 2 台步进电机（X 和 Y）驱动。4 个阑孔沿 Y 轴排列。
Spectro ESA	ESA1	球形静电分析器。曲率半径为 85 mm。由单一变量控制，该变量为其两个电极电压绝对值的平均值。在能量狭缝平面形成入口狭缝的像。
Energy Slit	ENER SL X ENER SL W	由两个可移动刀口 LE（低能）和 HE（高能）组成的光阑。运动轴为 Ox。两个刀口均由变量 X 和 W 控制：LE 位置 = X，HE 位置 = X + W
Coupling Lens	LCOUP	用于与 ESA 和磁铁配合实现质谱仪消色差的静电透镜。
Deflector DC2	DC2 Y	用于使束流在磁铁管道内居中的偏转器。
Hexapole HC3	HC3	用于微调以最小化质谱仪二阶像差的六极子。
Magnet	Mass	直接由操作员键盘控制的分析磁铁。
Quadrupole	DPR X DPR Y QUAD BBS DEF	具有 4 项实现功能的 4 极多极子：• 束流 X 和 Y 方向居中 • X/Y 消像散器 • 快速束流消隐 BBS
Image Stigmator	STIG X STIG Y	用于改善样品图像（在投影成像模式下）并调节入口狭缝像相对于出口狭缝平行度的 8 极消像散器。
Exit Slit	EXIT SL W	出口狭缝宽度在 0 至 1500μm 之间变化。由一台步进电机用于 W（宽度）调节，一台用于 X 方向居中驱动。高质谱分辨率需要较小的狭缝宽度。
Proj Lens LPR1	LPR1	静电透镜。与 LPR2 组合形成投影变焦系统，允许将样品平面的离子像或出口狭缝平面处的束流截面离子像投影到 MCP 平面上。
Proj Lens LPR2	LPR2	静电透镜。与 LPR1 组合形成投影变焦系统（参见上方 LPR1）。
MCP deflector	D MCP X D MCP Y	用于使束流在 MCP 内居中的 4 极偏转板。
Exit ESA	EXIT ESA	球形静电分析器。加偏压时，它将离子束切换引向检测级。不加偏压时，开孔允许束流直接向前穿行至 MCP 平面。
Switch FC/EM	EM-DY FC-DY	位于 Exit ESA 正后方的 2 极偏转板，允许将束流切换至法拉第杯或 EM 第一打拿极。由于 EM 位于轴线上，对应 EM 的电压接近于零。
EM	EM HV EM THRES PA HV	用于离子计数的电子倍增器
FCs	FDY RPL	法拉第杯用于在法拉第模式下直接测量二次离子电流。法拉第抑制极（FDY RPL）是位于法拉第杯正前方的极板，用于排斥因二次离子轰击法拉第杯而产生的二次电子。
MCP	MCP CP SCINT	由微通道板和荧光屏组成的离子像增强器。

1.2.1 浸没透镜

浸没透镜是匹配传输光学系统的物镜。正如用户指南《基本离子光学：静电透镜》中所述，浸没透镜由样品与最后一个接地电极之间的所有空间构成。

浸没透镜区域的原理图如下图所示。可以看出，位于样品正前方的一次束轨迹部分深度浸入二次提取电场中。

1.2.2 浸没透镜区域内的轨迹与交叉点

1.2.3 匹配传输离子光学系统

二次 SIMS 离子源可表征为样品平面处的发射区域以及角度发射分布图。发射区域主要由一次离子探针决定，而其强度和角分布主要由 SIMS 物理过程决定。

质谱仪入口由一对光阑组成：限制束流面积的入口狭缝（Entrance Slit），以及限制其孔径角的视场光阑（Field Aperture, FA）。

所谓匹配传输离子光学系统是一组 3 个透镜：浸没透镜以及另外两个传输透镜（LTR1 和 LTR2）。该离子光学系统旨在使二次离子源与质谱仪入口相匹配。

粗略地说，IMS 7f-Auto 的匹配传输离子光学系统在视场光阑平面内产生样品像，而角度分布图则成像在入口狭缝平面上；更精确地说，在入口狭缝平面上形成横向能量分布图。成像在入口狭缝平面上的这一束流区域被称为“交叉点”（Cross-over），因为它对应着最小的束流横截面。

除入口狭缝和视场光阑外，紧邻入口狭缝的另一光阑——所谓对比光阑（Contrast Aperture, CA），用于限制横向能量，以便在离子显微镜模式下形成样品像时获得更好的横向分辨率。可选择 4 种不同直径的光阑：400 μ m、150 μ m、50 μ m 和 20 μ m。该 CA 的作用是限制浸没透镜的像差。

在实际操作中，用户必须选择样品像的放大倍数。必须明确的是，样品像与交叉点的各自放大倍率是相互制衡的：增大样品像尺寸会导致交叉点直径减小。根据具体的分析应用，应根据以下考量选择变焦：

- 光学门控（Optical gating）：此时使用视场光阑在样品像中选择待分析的限定区域。

- 传输效率优化：FA 和入口狭缝都是针对给定质谱分辨率确定的。在给定质谱分辨率下，如果 FA 内的束流截面（即样品像）小于 FA，则建议设置传输变焦，使束流完全充满 FA，从而减小其在入口狭缝内的直径，从传输效率的角度看这将更好。

1.2.4 传输离子光学系统中的轨迹：

1.2.5 质量色散与能量聚焦原理

双聚焦质谱仪首先包含一个磁铁，产生按质量色散束流所需的磁场。

二次离子的能量分散可大至数十电子伏特（eV）。如果质谱仪仅由单个磁铁组成，质谱峰将被这种能量分散完全模糊，导致非常差的质谱分辨率。用静电扇形场分析器（ESA）产生的电场来补偿磁铁的能量色散，是双聚焦质谱仪的基本原理。

为了实现能量色散的消除，在 ESA 与磁铁之间加入了一个静电透镜，称为耦合透镜（coupling lens）或质谱透镜（spectrometer lens）。本节下方的图展示了通过这种布局如何获得能量聚焦：3 条轨迹（黄色、红色和蓝色）对应 3 种不同的能量。它们首先被 ESA 色散。然后静电透镜反转它们的色散角，从而使磁铁的能量色散完全抵消 ESA 的色散。

双聚焦质谱仪以 1.5:1 的比例在出口狭缝平面产生入口狭缝的像，并大致在磁铁中心平面产生样品的像