[发明专利]质谱仪检测器及使用其的系统和方法

说明书

一种用于二次离子质谱仪的离子检测器，该检测器具有：电子发射板，耦接至第一电势并被配置为根据离子的入射而发射电子；闪烁体，耦接至不同于上述第一电势的第二电势，该闪烁体具有后侧和面向电子发射板的前侧，该闪烁体被配置为在电子入射到前侧时从后侧发射光子；光导，耦接至闪烁体的后侧并限制从闪烁体的后侧发射的光子流；以及固态光电倍增器，耦接至光导且具有输出端，该输出端被配置为输出与来自光导的光子入射对应的电信号。SIMS系统包括可移动地布置在质量分析器的焦平面上的多个这种检测器。

技术领域

本公开涉及二次离子质谱仪领域，且更具体地，涉及一种改进的质谱仪检测器以及使用该检测器来扩展此类设备中的粒子检测的动态范围并提高检测精度的系统和方法。

背景技术

二次离子质谱(SIMS)是一种用于通过用聚焦的初级离子束溅射样品表面并收集和分析从样品喷射的二次离子来分析样品组成的技术。这些二次离子的质荷比通过用质量分析器在空间上对其进行分离来间接测量，从而确定样品的元素、同位素或分子组成。通常使用两种方法之一检测二次离子：法拉第杯或电子倍增器。法拉第杯测量击打金属杯的离子电流，并且有时用于高电流二次离子信号。在电子倍增器中，单个离子的撞击开始于电子级联，从而产生被直接记录的电子脉冲。电子倍增器可包括一系列独立的倍增器电极、通道电子倍增器或微通道板。

通常，质谱仪以两种方式操作：计数模式和模拟模式。如图1A所示，取决于检测器的特性，数字模式在高达约1×10⁶离子/秒依然有效。模拟模式在约1×10⁸离子/秒以上时有效。如图1A所示，第一个问题是在约1×10⁶离子/秒到约1×10⁸离子/秒之间存在检测的间隙，因为电流对于数字模式来说太高而不能分离各个事件，但是不足以提供用于估计到达离子的读数。图1A中未显示的另一个问题是数字模式和模拟模式之间的相关性不准确和/或重复。因此，当在数字模式和模拟模式之间切换时，读数中会出现人为的“跳跃(jump)”。从下面可以更全面地理解这些问题。

在脉冲计数模式中，假定每个单独的粒子在检测器输出信号中产生“事件”，其可以被识别和计数。脉冲计数模式具有固有量化的优势，因为假定每个入射粒子都会产生单个检测事件。(重要的是要注意，在这种情况下，我们不试图针对诸如脉冲高度、总电荷等定量特性来表征每个事件)脉冲计数模式的两个局限性是要正确识别(1)每个入射粒子(或其中至少足够的百分比)都需要产生一个超出检测阈值的事件，并且(2)任何两个粒子都需要以一定间隔到达，以便在给定脉冲形状和长度的情况下可以独立检测它们。因此，脉冲计数模式限于检测相对低的离子到达速率。假设离子到达速率由泊松过程描述，并且转换倍增器电极上电子的产生和闪烁体中光子的产生也由统计过程描述。

尽管平均离子到达速率可使得离子脉冲在时间上充分分离以便可独立检测，但离子到达时间的分布表明，在这种情况下，某些百分比将在时间上过于靠近。为此，可以使用计数的最大离子到达速率必须包括一个规范，用于说明由于脉冲堆积而可能遗漏的事件百分比。该百分比应该是这样的，即使没有检测到某些事件，也可以进行真实计数的有效统计估计。

关于模拟模式，SIMS仪器通常使用法拉第杯方法，其中电流与离子的到达速率成比例。然而，在低于约1×10⁸离子/秒的速率下，电流太低而无法测量。在模拟模式中使用电子倍增器是不准确的。这是由于统计了倍增器电极、通道壁中的二次电子发射，和/或闪烁体中的光子发射。除了这些短期变化之外，由于转换倍增器电极的表面条件的变化、闪烁体、PMT光电阴极和倍增电极器的老化等，还将存在长期变化。由于这些和其他原因，当以模拟模式操作时，除非精确地知道每个入射离子的平均脉冲面积百分比，否则不可能使用采集中所有脉冲下的积分面积来测量入射离子通量。因此，使用电子倍增器不可能精确测量由倍增器电极、闪烁体和检测器的特性确定的高于特定值的离子到达速率。

因此，需要一种改进的检测器，其具有更快的检测速度以能够分离入射离子。还需要一种校准每个入射离子的平均脉冲面积的方法，从而能够对离子到达速率进行精确的模拟模式测量。

发明内容