离子源的功能和分类

离子源系统一、介绍离子源系统是一种重要的科学实验装置，用于产生和传输离子束。

离子源系统在物理、化学、生物、材料科学等领域的研究中起着至关重要的作用。

本文将对离子源系统的原理、分类、操作和应用进行全面、详细、完整且深入地探讨。

二、离子源系统的原理离子源系统的核心是离子源，它通过不同的物理原理将中性粒子转变为带电粒子。

常见的离子源有静电离子源、电离离子源、基于离子源的离子化学蒸发源等。

2.1 静电离子源静电离子源是最常见的离子源之一，它利用静电场的作用将中性粒子离子化。

静电离子源可以分为空间电荷限制离子源和离子轰击离子源。

2.1.1 空间电荷限制离子源空间电荷限制离子源是将中性粒子注入到电场中，使其在电场中受到空间电荷力并离子化。

常用的空间电荷限制离子源有电子冲击离子源和电子注入离子源。

2.1.1.1 电子冲击离子源电子冲击离子源利用高能电子和中性粒子碰撞，使中性粒子失去电子从而变为带正电的离子。

电子冲击离子源具有较高的能量转化效率和较高的离子得到率。

2.1.1.2 电子注入离子源电子注入离子源通过电子束将能量输入到中性粒子系统中，使中性粒子失去电子并转化为离子。

2.1.2 离子轰击离子源离子轰击离子源利用离子束轰击中性粒子样品，将其离子化并引出离子源。

离子轰击离子源具有离子化效率高、操作简便等优点。

2.2 电离离子源电离离子源是另一种常见的离子源，它通过电离过程将中性粒子转化为带电离子。

电离离子源可以分为化学离子化和电离蒸发两种方式。

2.2.1 化学离子化化学离子化是使用化学反应将中性粒子离子化，常见的化学离子化方法有化学离子源、电化学离子源等。

2.2.2 电离蒸发电离蒸发是利用高能电子束或激光束的能量将中性粒子蒸发成离子。

电离蒸发具有高效率、高选择性的优点。

三、离子源系统的操作离子源系统的操作涉及到多个步骤，包括前处理、离子源调试、离子束传输和反应室控制等。

3.1 前处理前处理是指在离子源系统操作之前对样品进行处理。

离子源的功能和分类离子源是一种广泛应用于科研、工业和医学等领域的仪器，主要用于产生、加速和传输离子束。

它包含一个用于产生离子束的离子发生器和一个控制系统，用于调控离子束的能量、形状和方向。

离子源的功能主要包括产生离子束、加速离子束和传输离子束。

根据离子源中离子发生的方式和产生的离子种类，离子源可以分为多种不同的分类。

一、离子源的功能1.产生离子束：离子源的最基本功能是产生离子束。

离子源通过不同的方式用电场和热能等形式刺激固体、气体或液体样品，将其原子或分子转化为带正电荷的离子。

常见的离子源包括电子轰击离子源、激光脉冲离子源等。

2.加速离子束：离子束需要经过加速器进行加速，以便在实验或工业应用中达到特定的束流能量。

离子源配备了与加速器连接的加速装置，可通过改变加速电压和加速极性等参数来调节离子束的能量。

3.传输离子束：离子源通常还包含了离子束传输系统，用于保持和控制离子束的形状、方向和稳定性。

离子束传输系统包括导向磁场、聚焦透镜、碰撞细化装置等，可以对离子束进行聚焦、偏转和碰撞等操作，以满足实验或应用的需要。

二、离子源的分类根据离子源中离子发生的方式和产生的离子种类，离子源可以分为以下几种分类：1.电子轰击离子源：电子轰击离子源是利用高能电子束轰击样品表面产生离子的一种方法。

通过设定合适的加速电压和轰击电流，可以得到所需的离子束。

电子轰击离子源常用于表面硅化、氮化、氧化等薄膜沉积和材料改性等应用。

2.电化学离子源：电化学离子源是利用电化学反应产生离子的一种方法。

通过在电解质溶液中施加电压和电流，将溶液中的原子或分子转化为相应的离子。

电化学离子源广泛用于制备金属离子、有机离子和生物分子等。

3.激光脉冲离子源：激光脉冲离子源是利用激光脉冲激发样品产生离子的一种方法。

通过设定合适的激光参数，例如脉冲能量、脉冲宽度和重复频率等，可以实现对样品表面的局部激发，从而产生离子束。

激光脉冲离子源常用于材料表面分析、生物分子解析和制备纳米材料等应用。

离子源的功能和原理3、离子辅助镀膜的薄膜特性：1、镀层与工件表面同时存在物理气相沉积及化学反应，故镀层结合力高。

2、膜层均匀致密、韧性好；3、光谱特性稳定，温漂小4、吸水性减少5、折射率升高6、粗糙度降低7、激光阈值降低8、膜层发雾，光散射增加4、离子源参数、性能比较离子源简介－考夫曼离子源阴极钨丝加热发射热电子；电子与气体原子或分子碰撞；气体电离在放电室形成等离子体；多孔栅极产生加速电场；离子被加速电场引出、加速、获得能量；中和钨丝产生电子；磁场对电子运动进行约束，增加离化率；中和电子对引出离子中和形成等离子体。

考夫曼离子源工作原理（Kaufman Ion Source）离子源简介－考夫曼离子源优点：栅极加速能量大离子可聚束能量调节范围宽结构较为简单缺点：×离子源结构仍复杂×馈入氧、氮等反应气体阴极中毒×更换阴极灯丝困难×不属主流，较少采用离子源简介－射频离子源射频离子源工作原理射频放电将气体电离在放电室形成等离子体多孔栅极产生加速电场；中和钨丝产生电子；离子被加速电场引出、加速、获得能量；中和电子对引出离子中和形成等离子体。

离子源简介－射频离子源特点优点：栅极加速能量大离子可聚束能量调节范围宽适用反应气体离子束辅助主流缺点：×结构复杂，稳定性差×价格昂贵×栅极需经常维护×辐照均匀区较小离子源简介－霍耳离子源阴极钨丝发射热电子向阳极迁移电子与气体原子碰撞使其离化磁场中电子形成霍耳电流产生电场离子被霍耳电场加速引出、加速阴极热电子对引出离子中和形成等离子体。

霍耳离子源工作原理（Hall Ion Source）离子源简介－霍耳离子源特点优点：PowerIon-C-10A 典型参数离子束流：5 A离子能量：20-50 eV无栅极、结构简单、维护简单适用反应气体离子束辅助主流产品离子束流大易于控制等离子体中性以低能大束流工作缺点：×能量较低、调节范围较小×存在较小污染离子源简介－Veeco 霍耳离子源技术指标离子源简介－PowerIon 系列霍耳离子源技术指标离子源简介－霍耳离子源空心阴极型霍耳离子源空心阴极替代灯丝发射热电子有效降低离子源污染离子源简介－APS源工作原理工作原理与霍耳离子源类似La6B阴极发射热电子向阳极迁移(3)电子与原子碰撞使其离化磁场中电子形成霍耳电流产生电场(2)离子被霍耳电流产生电场加速引出、加速离子源简介－APS源特点优点：APS源典型参数离子束流：0.5 mA/cm2离子能量：20-200eV无栅极离子束流大以低能大束流工作以其为核心开发多种机型离子束辅助主流产品缺点：×能量较低、调节范围较小×不适用反应气体×等离子体中性？×使用成本高×存在污染射频rf离子源工作原理：射频放电将气体电离在放电室形成等离子体多孔栅极产生加速电场离子被加速电场引出、加速、获得能量中和钨丝产生电子中和电子对引出离子中和形成等离子体优点：栅极加速能量大离子可聚束能量调节范围宽适用反应气体离子束辅助效果明显缺点结构复杂价格昂贵栅极需经常维护辐照均匀区较小5、离子源价格：适合1m1镀膜机辅助镀膜的离子源价格考夫曼离子源16cm 8万霍尔离子源H10（16cm）5万-6万RF离子源160万。

质谱仪器质谱分析法1 概述质谱分析法是通过对被测样品离子的质荷比的测定来进行分析的一种分析方法。

被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比（m/z）分开而得到质谱，通过样品的质谱和相关信息，可以得到样品的定性定量结果。

从J.J.Thomson制成第一台质谱仪，到现在已有近90年了，早期的质谱仪主要是用来进行同位素测定和无机元素分析，二十世纪四十年代以后开始用于有机物分析，六十年代出现了气相色谱-质谱联用仪，使质谱仪的应用领域大大扩展，开始成为有机物分析的重要仪器。

计算机的应用又使质谱分析法发生了飞跃变化，使其技术更加成熟，使用更加方便。

八十年代以后又出现了一些新的质谱技术，如快原子轰击电离子源，基质辅助激光解吸电离源，电喷雾电离源，大气压化学电离源，以及随之而来的比较成熟的液相色谱-质谱联用仪，感应耦合等离子体质谱仪，富立叶变换质谱仪等。

这些新的电离技术和新的质谱仪使质谱分析又取得了长足进展。

目前质谱分析法已广泛地应用于化学、化工、材料、环境、地质、能源、药物、刑侦、生命科学、运动医学等各个领域。

质谱仪种类非常多，工作原理和应用范围也有很大的不同。

从应用角度，质谱仪可以分为下面几类：1.1. 有机质谱仪：由于应用特点不同又分为：气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）。

在这类仪器中，由于质谱仪工作原理不同，又有气相色谱-四极质谱仪，气相色谱-飞行时间质谱仪，气相色谱-离子阱质谱仪等。

1.1.1.液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）。

同样，有液相色谱-四器极质谱仪，液相色谱-离子阱质谱仪，液相色谱-飞行时间质谱仪，以及各种各样的液相色谱-质谱-质谱联用仪。

1.1.2其他有机质谱仪，主要有：基质辅助激光解吸飞行时间质谱仪（MALDI-TOFMS）富立叶变换质谱仪（FT-MS）1.2. 无机质谱仪，包括：1.2.1 火花源双聚焦质谱仪。

1.2.2 感应耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）。

目前，气相质谱和液相质谱的联用已经越来越普及。

作为质谱仪中的一个重要组成部分—离子源有哪些种类以及各自不同的用途呢？首先对于气相质谱（GS/MS）来说，主要有电子轰击电离源（EI）、化学电离源（CI）和场致电离源（FI）及场解吸电离源（FD）。

EI是利用一定能量的电子与气相中的样品分子相互作用（轰击），使分子失去电子，电离成离子。

当分子离子具有的剩余能量大于其某些化学键的键能时，分子离子便发生碎裂，生成碎片离子。

其优点在于它是非选择性电离，只要样品能气化都能够离子化，且离子化效率高、灵敏度高；能够提供丰富飞结构信息，是化合物的指纹谱；有庞大的标准谱库供检索。

其缺点在于不适用于难挥发、热不稳定的样品，而且只能检测正离子，不检测负离子。

CI是指引入一定的反应气进入离子化室，反应气在具有一定能量的电子流的作用下电离或裂解，生成的离子和反应气分子进一步反应或和样品分子发生离子分子反应，通过质子交换使样品分子电离。

其优点在于可以通过控制反应，根据离子亲和力和电负性选择不用的反应试剂，用于不同化合物的选择性检测。

其缺点在于也不适用于难挥发和热不稳定样品，谱图重复性不如EI图谱，而且反应试剂容易形成较高的本底，影响检测限。

FI和FD是一种软电离方式，由一个电极和一组聚焦透镜组成，形成高达几千伏的强电场，使气态分子的电子被拉出而电离。

其优点在于几乎没有碎片离子，没有本底，图谱很干净。

缺点在于仅适用于扇形磁场质谱和飞行时间质谱仪，我们常见的四级杆质谱和离子肼质谱都不能配置FI和FD源，而且高压容易产生放电效应，操作也更难一些。

EI源是我们最常见的气质离子源。

对于液相质谱（LC/MS）来说，主要有大气压离子源（API）、快原子轰击源（FAB）和基质辅助激光解析电离源（MALDI）三种电离方式。

API主要给出分子量信息，一定条件下可以提供有限的信息结构，它又包括电喷雾电离（ESI）和大气压化学电离（APCI）。

ESI是指样品溶液从毛细管流出时，在电场及辅助气流的作用下喷成雾状的带电液滴，液滴中溶剂被蒸发，使液滴直径变小，发生“库伦爆炸”，把液滴炸碎，此过程不断重复，形成样品离子。

提纲：Anode layer ion source的基本结构和演化正交场放电，为什么是阳极层？阳极层加速原理，溅射的影响，离子束的发射效率与放电模式（低压/高压）的关系。

在DLC中应用的难点短路？在一些电介质薄膜沉积中呢？Physics and engineering of crossed-field discharge devices—Abolmasov正交场放电器件可分为下图所示几个类型，图中每种构型都满足漂移形成闭合路径。

三种主要构型为：圆柱、环形和平面构型。

被约束在漂移路径内的电子行程足够长，增加了对本底气体的离化几率。

电子的漂移运动形成Hall电流，除此之外，电子在垂直磁力线方向的运动形成阳极感受的放电电流，考虑到在强场近似下，。

如果考虑电子的反常输运，。

注意，在沿着磁力线方向上，碰撞会阻碍电子运动；而在垂直于磁力线方向上，迁移需要碰撞，其频率与电子运动能力成正比。

假设，电子的larmor轨道大部分时间内是完整的。

电子的随即运动步长与无磁场时是一致的。

那么，我们可以认为B场为等效气压。

宽束离子源的引出往往是通过包含加速-减速功能的多孔栅极引出的。

栅极引出的离子束可以精确地控制离子能量和剂量，但并不适用于低能离子束应用。

这是因为栅极之间的空间电荷效应d即是栅极间距。

（更高的引出束流意味着更高的电压）无栅极离子源无栅极离子源起源于空间推进器项目。

该种Hall离子推进器分为两类：SPT和TAL，前者和后者的区别在于延长的加速通道和绝缘壁的使用。

由于TAL不需要电子发射器（阴极灯丝）辅助运行，使其更适宜工业应用。

TAL中，如图2(d)，轴向电场建立在阳极和阴极极靴之间，形成环形加速通道。

极靴之间形成径向磁场。

正交场驱使电子沿角向运动，阻止了电子向阳极的直接流动——主要的电位降发生在阳极附近的磁化电子云中（阳极鞘）。

该电位降将离化区的离子加速远离放电通道。

由于无离子鞘，TAL的离子流不受空间电荷限制。

质谱主要的几种电离方式及离子源介绍质谱仪之间分类一般是按质量分析器来分，如通常我们所说的飞行时间质谱或者四级杆质谱等，但同一台质谱仪可以配几种离子源，如通常GC-MS会配电子轰击电离源（EI）和化学电离源（CI），本文就详细说下质谱主要的几种电离方式及离子源。

样品在离子源中电离成离子，比较常用的离子源有与GC串联的电子轰击电离源（EI）和化学电离源（CI），与LC串联质谱常用电喷雾离子化(ESI)、大气压化学电离(APCI)、大气压光电离(APPI)，以及基质辅助光解吸离子化（MALDI）等等。

1、电轰击电离（EI）一定能量的电子直接作用于样品分子，使其电离，且效率高，有助于质谱仪获得高灵敏度和高分辨率。

有机化合物电离能为10eV左右，50-100eV时，大多数分子电离界面最大。

70eV能量时，得到丰富的指纹图谱，灵敏度接近最大。

适当降低电离能，可得到较强的分子离子信号，某些情况有助于定性。

2、化学电离（CI）电子轰击的缺陷是分子离子信号变得很弱，甚至检测不到。

化学电离引入大量试剂气，使样品分子与电离离子不直接作用，利用活性反应离子实现电离，其反应热效应可能较低，使分子离子的碎裂少于电子轰击电离。

商用质谱仪一般采用组合EI/CI离子源。

试剂气一般采用甲烷气，也有N2,CO,Ar或混合气等。

试剂气的分压不同会使反应离子的强度发生变化，所以一般源压为0.5-1.0Torr。

3、大气压化学电离（APCI）在大气压下，化学电离反应速率更大，效率更高，能够产生丰富的离子。

通过一定手段将大气压力下产生的离子转移至高真空处（质量分析器中）。

早期为Ni63辐射电离离子源，另一种设计是电晕放电电离，允许载气流速达9L/S。

需要采取减少源壁吸附和溶剂分子干扰。

4、二次离子质谱（FAB/LSIMS）在材料分析上，人们利用高能量初级粒子轰击表面（涂有样品的金属钯），再对由此产生的二次离子进行质谱分析。

主要有快原子轰击（F AB）和液体二次离子质谱（LSIMS）两种电离技术,分别采用原子束和离子束作为高能量初级粒子。

离子源（Ion Beam Sources）的分类及原理等离子体是指被激发的气体达到一定电离度（＞10-4），气体处于导电状态，这种状态的电离气体是由大量接近于自由运动的带电离子所组成的体系，在整体上是准中性的。

粒子运动与电磁场（外电场和粒子间的自洽场）是不可分割的，这种互相作用的电磁力是长程力，从而使等离子体显示出集体行为的特点，即电离气体中每一带电离子的运动都会影响到其周围带电离子，同时也受到其他带电粒子的约束。

由于电离气体整体行为表现为电中性，也就是电离气体内正负电荷数相等，这种气体状态为等离子体态简称等离子体。

有由于它独特行为与固态、液态、气态都截然不同，故又称之为物质的第四态。

离子源是离子束溅射(IBS)和离子束加工(IBF)设备的关键部件。

R&R公司的宽离子束源目前主要有Kaufman离子源、微波ECR离子源和RF离子源。

其工作原理是利用气体放电产生等离子体，等离子体由电子、离子和中性粒子所组成，并被引出成束，成为离子源。

R&R离子源有两个栅极（或者三个栅极），分别为屏栅和加速栅，两极之间加一电压，电压的正极接屏栅，负端接引出极，因此，在等离子体边界和引出电极之间就形成一个加速离子的电场，当离子从等离子体发射面发射出来以后，被电场加速，通过小孔，形成离子束，再经过中和器中和后直接轰击基板或靶。

中和器的目的是为了避免电荷在基板上聚集而产生对后续离子的排斥作用。

Kaufman离子源kaufman离子源是应用较早的离子源，属于栅格式离子源。

首先从热阴极发射出来的电子经过阴极鞘层被加速而获得相应于等离子与阴极电位差的能量，它与进入电离室的气体原子相碰撞，气体原子被碰撞电离，形成离子及二次电子，电子及离子形成放电室等离子体。

该放电等离子体在发散磁场作用下引向栅网离子光学作用区。

由于离子光学的作用，离子被拔出，并形成离子。

每个小孔形成的离子束经过发散混合及中和形成带能量、中性的宽离子束。