荷能团簇碰撞沉积装置中飞行时间质谱仪的物理设计

    荷能团簇碰撞(ECI)沉积装置已在我们实验室完成了安装和调试，现已投人使用.用该装置成功地制备了一系列单元素金属膜如钦、钥和复合膜如氮化钦等[h,zl。由于团簇的尺寸是一个重要的沉积参数，因此作为在线测量团簇尺寸分布的飞行时间质谱仪(TOF)是该装置中不可缺少的部分，然而其碰到的问题相当复杂.一方面是由于作为其探测器的双微通道板(DMCP)本身是极精细的电子器件，它极易引起高压打火而损坏，关于它和压环如何固定和设计，文献[[3]作了较深人的论述;另一方面，由于该团簇碰撞沉积装置引出的粒子大多是带电的，因此通过施加脉冲高压来确定时间零点，而不是用脉冲激光在离化人射中性粒子束的同时，给定一时间基准，这就使设计变得复杂。

    1 TOF的原理及物理设计

    TOF是通过测量飞行时间，根据飞行时间和某个物理量(能量或质量)的关系，进而得出所需的物理量.如果人射粒子的质量一定，则可求得人射粒子的能量;如果人射粒子的能量一定，则可求得其质量.我们的TOF是Wiley-Mclaren型的[t91，即采用双电场(加速)单聚焦形式.其实验示意图见图to

    图1中g₁"  g₂"  g₃分别是第一、二、三栅网，L,  s ,  s,  d,  D分别为栅网(其孔径φ = 30mm，透射率T= 90%,   701ines/inch)的有效长度、人射团簇距gz的距离及g₁-g₂"g₂-g₃"  g₃-DMCP之间的距离((L,，、d,  D可称为TOF的结构参数)，双微通道板探测器出来的信号经前放接至示波器或数字化仪和计算机以观察或记录TO F数据。图中省略了X,y偏转系统和离子透镜，其中X偏转电场可对粒子平动速度引起的偏移进行补偿，y偏转电场主要用于校准Y方向的安装偏差，离子透镜对发散的离子束起会聚作用。设g₁-g₂及g₂-g₃间的电压为U_s和U_d，团簇质量和带电量分别为m和q，则总的飞行时间为

此式即为飞行时间质谱定标的公式，在TOF谱仪的结构参数确定的情况下，由Tc可推知对应的m,  T_t主要来自T_D的贡献，且与粒子的质量平方根成正比.由(1)式可知质量分辨率和时间分辨率有以下关系

    为提高质量分辨率，需尽量减小△T_t。我们希望处在不同空间位置的同一质量的粒子能同时到达探测器.现考虑团簇的空间分布引起的飞行时间差△T_t△。。必须指出的是，因实际上人射团簇的人射位置为S'(如图所示)，故对人射粒子的作用电压事实上不是U_s，而是

当然，原则上可进一步考虑二级空间聚焦，但一般不考虑之。若满足(4)式，可提高质量分辨率m/ Δ m。若用单电场(加速)聚焦((d= 0)，可得D=2s'，考虑到T_D主要来自Tn的贡献，这样就引起D小进而使T_t小，因飞行时间太短无法将不同大小的质量分开，故在实际中是不可行的;若用双电场(加速)聚焦，则D不受上述的限制，通过调整s,  d,  U_s和U_d等参数满足上式.我们在实验中设计的s,  d,  D分别为2,  1,  l00cm,  U_d,  U_s分别为2.0, 2.5kV。经这样设计，质量分辨率要好于4000