Времяпролетный масс-спектрометр с газоразрядной ионизацией «ЛЮМАС-30», Алматы

«Люмас-30» представляет собой новый тип элементного анализатора, предназначенный для прямого анализа монолитных, тонкослойных и порошковых материалов: металлов,

«Люмас-30» представляет собой новый тип элементного анализатора, предназначенный для прямого анализа монолитных, тонкослойных и порошковых материалов: металлов, полупроводников и диэлектриков, а также объектов со смешанной слоистой структурой диэлектрик-металл, металл-полупроводник и диэлектрик-полупроводник (например, коррозионные пленки на поверхности металла).

Путем сочетания газоразрядной системы ионизации и времяпролетного механизма детектирования ионов удалось реализовать высокую эффективность распыления поверхности пробы, высокую скорость регистрации масс-спектров во всем диапазоне регистрируемых масс и высокую чувствительность для большинства элементов.

Принцип действия основан на процессах:

• высокоэффективной атомизации анализируемых образцов в результате катодного распыления в импульсном тлеющем разряде как проводящих, так и непроводящих электрический ток твердотельных материалов;
• импульсной ионизации атомов образца в плазме тлеющего разряда как в период свечения, так и в период послесвечения тлеющего разряда, что позволило достичь близких чувствительностей для широкого круга элементов;
• высокоскоростной (до 5000 спектров/с) регистрации времяпролетных спектров.

Достоинства прибора:

• возможность регистрации большого числа спектров за время распыления одной пробы, что позволяет улучшить отношение сигнал/шум за счет статистического усреднения зарегистрированных спектров;
• прямой анализ твердых проб, включая растворенные в пробах газы с высокоэкономичным расходом рабочего газа и вещества пробы за счет согласования во времени импульсной ионизации с времяпролетной регистрацией масс-спектра, что позволяет существенно снизить пределы обнаружения;
• высокая эффективность распыления и ионизации элементов пробы в импульсном разряде и, как следствие, низкие пределы обнаружения (50-200 ppb);
• большой динамический диапазон определяемых содержаний элементов (до 7 порядков величины), что на 2-3 порядка лучше пределов обнаружения других методов прямого анализа твердых проб;
• высокоэффективное подавление газовых компонент за счет временной дискриминации и использования водорода, как реакционного газа;
• широкий круг анализируемых объектов, включающий в себя, кроме металлов, диэлектрики и полупроводники. Эта возможность обеспечивается использованием коротких (1-80 мкс) импульсов разрядного тока, позволяющих распылять непроводящие и слабопроводящие электрический ток материалы;
• возможность прямого масс-спектрального анализа послойных неоднородностей самых разнообразных объектов (с послойным разрешением около 3 нм);
• возможность прямого масс-спектрального анализа многослойных тонкопленочных покрытий;
• отсутствие растворения в процедуре пробоподготовки.

Анализируемые объекты:

• металлы;
• полупроводниковые материалы;
• диэлектрики;
• объекты со смешанной слоистой структурой диэлектрик-металл, металл-полупроводник и диэлектрик-полупроводник (например, коррозионные пленки на поверхности металла);
• порошковые пробы.

Основные особенности «Люмас-30»

Импульсный разряд
Импульсный тлеющий разряд формируется последовательностью коротких импульсов напряжения и, как и радиочастотный разряд, может быть применён к прямому анализу как проводящих, так и непроводящих проб. Характерная длительность импульсов такого типа разряда лежит в диапазоне от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд. Тлеющий разряд постоянного тока, как правило, потребляет мощность порядка 1-4 Вт, радиочастотный разряд — порядка 20-50 Вт, что дает сигнал примерно той же интенсивности по порядку величины, что и разряд постоянного тока при меньшем потреблении энергии. В импульсном же разряде мгновенная мощность может достигать нескольких киловатт, и скорость распыления пробы в течение импульса примерно на два порядка больше, чем в разряде постоянного тока. Такая большая мощность приводит к увеличению сигнала на 1-4 порядка при использовании импульсного тлеющего разряда по сравнению с разрядом постоянного тока.

Полый катод
Существует два основных типа источников с тлеющим разрядом, применяемых для анализа твердотельных образцов: тлеющий разряд с плоским катодом (разряд Гримма) и тлеющий разряд в полом катоде. По сравнению с разрядом Гримма в разряде с полым катодом реализуются более высокая скорость распыления пробы и ионизация распыленных атомов. Как следствие, разряд в полом катоде отличается более низкими пределами обнаружения. Импульсный разряд в полом катоде позволяет еще более увеличить скорости распыления и ионизации и, кроме того, подавить за счет временной дискриминации газовые компоненты, мешающие определению ряда элементов.

Времяпролетный масс-спектрометр
Из масс-спектральных систем наиболее приспособленным для работы с импульсными источниками ионов является времяпролетный масс-спектрометр, поскольку в данном случае реализуется наибольшая эффективность детектирования ионов.

Несколько примеров элементного анализа, выполненного на «ЛЮМАС-30»

1. АНАЛИЗ ПРИМЕСЕЙ В ЭЛЕКТРОДНОЙ МЕДИ

Градуировка по Государственным Стандартным Образцам меди ГСО № 945 и ГСО № 9410.
Параметры: Pсмеси= 2,5 тор (Состав смеси: Ar - 70%, He - 29%, H - 1%)
Общее количество спектров - 1000000
Время анализа – 5 мин.Спектр стандартного образца меди № 9410 (массы с 61 по 65 вырезаны).

Известная и измеренная концентрация ряда элементов в пробах меди, ppm

Элемент Сертифицированное содержание Содержание, измеренное с помощью анализатора Люмас-30 Ag 7,9 8±1 As 0,4 < 1 Bi 0,8 0,6±0,2 Cd 0,4 < 0,5 Co 0,8 0,7±0,2 Cr 3 2,3±0,3 Fe 1,4 2,1±0,3 Mn 0,6 0,5±0,2 Ni 1,9 1,5±0,3 P 0,7 0,5±0,3 Pb 3,4 3,4±0,5 S 7 10±2 Sb 2,2 2,5±0,4 Se 0,9 < 1,5 Si 0,7 < 1 Sn 0,8 < 0,7 Te 1 1,7±0,7

Как видно из приведенной таблицы, «Люмас-30» позволяет получить правильные результаты при концентрациях различных элементов в меди на уровне ppm.

2. АНАЛИЗ ПРИМЕСЕЙ В СВИНЦЕ
Свинец с примесью оловаВ этом спектре хорошо виден трудноопределяемый в масс-спектрометрии кальций.

Известная и измеренная концентрация ряда элементов в пробах свинца, ppm

Элемент Проба N 4 Проба N 5 Концентрация в пробе Измеренная концентрация Концентрация в пробе Измеренная концентрация Ag 5 4,2±0,6 300 287±20 Cu 80 75±8 40 44±6 Sn 4 4,5±0,8 55 52±7 As 2 3,2±0,7 220 290±25 Sb 5 3,5±0,7 1250 1240±60 Cd 280 220±20 25 23±4 Te 5 5,5±1 80 74±8 Fe 20 20,5±3 17 18±2 Zn 12 13±2 0,4 0,5±0,3 Se 10 10±2 7 9±2

3. АНАЛИЗ СОСТАВА ЗАСТЕКЛОВАННОГО ШЛАКАПример анализа диэлектрической пробы с высоким содержанием свинца, алюминия и кислорода

Элемент Al Fe Cu Pb Содержание, % 24

2

0,3 50

4. АНАЛИЗ ЧУГУНА И СТАЛИСпектр стали 8Х6НФТ. Время анализа 3 мин.

Известная и измеренная концентрация ряда элементов в пробах стали

Элемент 8Х6НФТ плавка №50178 Данные ОАО «ГМЗ», % Концентрация, % Si 0,270 0,3045±0,0545 P 0,026 0,0280±0,0045 S 0,026 0,0160±0,0040 Cr 5,500 4,4900±0,4600 Mn 0,400 0,2140±0,0420 Cu 0,160 0,1860±0,0180

5. АНАЛИЗ СОСТАВА ОБРАЗЦА КРЕМНИЯСпектр кремния

6. АНАЛИЗ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБПирит FeS₂

Приведенные примеры элементного анализа на времяпролетном масс-спектрометре ЛЮМАС-30 демонстрируют его возможности анализа электропроводящих материалов, металлов и металлических сплавов, на примере Cu, Pb, Pb-Sb, Fe, полупроводниковых материалов на примере Si и материалов изоляторов на примере застеклованного шлака. Во всех случаях в масс-спектрах наблюдалось соблюдение изотопных соотношений для химических элементов.

процедура работы

Включение прибора и выход на рабочий режим осуществляется автоматически. Исследуемый образец может помещаться в прибор двумя способами. В одном варианте образец изготовляется в форме диска диаметром 10 мм и толщиной 3-6 мм. Он может быть сплошным или спрессованным в таблетку порошком. Образец укрепляется в качестве дна полого катода, изготовленного из особо чистого Mo, Nb или другого металла. В другом варианте в случае сплошного материала образец вытачивается в качестве полого катода.

В разрядную камеру, где укреплен образец, подается балластный газ Ar или смесь Ar, He и Н. За счет разницы давлений в разрядной камере и зоне дифференциальной откачки образующиеся ионы пробы вместе с балластным газом через отверстие в сэмплере попадают в зону дифференциальной откачки, а затем в ортогональную ионному пучку пролетную трубу с выталкивающими сетками. В качестве детектора используются две микроканальные пластины.

Разработанный интерфейс прибора позволяет оперативно производить замену образцов, используя устройство быстросъёмного держателя образца. После установки образца в течение 5 минут происходит откачка шлюза, после чего прибор готов к измерениям. Оператор выбирает время экспозиции в зависимости от требований к точности замера и переходит в режим измерения.

Полученная информация протоколируется и архивируется.

Для смены образца необходимо перекрыть шлюзовую камеру, извлечь держатель и заменить образец.
Для градуировки прибора используются соответствующие Государственные Стандартные Образцы (ГСО). Режим управления прибором и обработка и протоколирование результатов изображаются на дисплее монитора.

Режим управления и регистрации:

• автоматическая регистрация и обработка спектров со скоростью до 5000 спектров/с;
• автоматическое индицирование пиков по встроенной базе данных;
• графическое отображение состояния вакуумных агрегатов;
• автоматическое поддержание заданного давления в ионном источнике;
• мониторинг уровня давления по трем манометрам одновременно;
• графический контроль амплитуды 8 пиков в реальном масштабе времени;
• системная установка номиналов питания и регистрации спектров.

Режим обработки и протоколирования:

• графический выбор набора контролируемых элементов;
• автоматическая обработка результатов измерения концентраций по известным калибровачным кривым;
• автоматичекое протоколирование и запись результатов эксперимента;
• возможность пополнения базы данных.

области применения
Атомная промышленность:
Элементный и изотопный анализ радионуклидов, продуктов распада, отходов переработки ядерного топлива.

Медицина, физика, светотехника, электроника, научные исследования:
Изотопный анализ при производстве изотопно-чистых материалов.
Микроэлектроника:
Анализ сверхмалых содержаний примесей в полупроводниковых материалах (Si, Ge, AsGa…).
Производство особо чистых материалов:
Элементный анализ содержания примесей при производстве металлов, оптических стекол, оптоволокна, сплавов, напыленных поверхностей.
Металлургия, нефтехимия:
Элементный анализ при производстве сплавов цветных металлов и сталей специального назначения с нормируемым содержанием микропримесей (в том числе газообразных).
Химия, микроэлектроника, оптика:
Химический синтез слоистых структур для производства полупроводниковых, оптоволоконных и каталитических материалов.

рекомендуемый комплект поставки

• масс-спектрометр «Люмас-30»;
• программный комплекс Lumas;
• комплект вспомогательных катодов – 10 шт.;
• запасное кварцевое стекло;
• стандартный образец меди N 9410 (для поверки);
• персональный компьютер (с установленной ОС Windows XP).