離子源

氣體放電、電子束對氣體原子(或分子)的碰撞，帶電粒子束使工作物質濺射以及表面電離過程都能產生離子，並被引出成束。根據不同的使用條件和用途，目前已研製出多種類型的離子源。使用較廣泛的有弧放電離子源、PIG離子源、雙等離子體離子源和雙彭源這些源都是以氣體放電過程為基礎的，常被籠統地稱為弧源高頻離子源則是由氣體中的高頻放電來產生離子的，也有廣泛的用途。新型重離子源的出現，使重離子的電荷態顯著提高，其中較成熟的有電子迴旋共振離子源(ECR)和電子束離子源(EBIS)。負離子源性能較好的有轉荷型和濺射型兩種。在一定條件下，基於氣體放電過程的各種離子源，都能提供一定的負離子束流。

離子源是一門具有廣泛應用領域的學科，在許多基礎研究領域如原子物理、等離子化學、核物理等研究中，離子源都是十分重要不可缺少的設備。

利用稀薄氣體中的高頻放電現象使氣體電離，一般用來產生低電荷態正離子，有時也從中引出負離子，作為負離子源使用。

在高頻電場中，自由電子與氣體中的原子(或分子)碰撞，並使之電離。帶電粒子倍增的結果，形成無極放電，產生大量等離子體。高頻離子源的放電管一般用派勒克斯玻璃或石英管製作。高頻場可由管外螺線管線圈產生，也可由套在管外的環形電極產生。前者稱為電感耦合，後者稱為電容耦合高頻振蕩器頻率為10～10Hz，輸出功率在數百瓦以上。

從高頻離子源中引出離子可有兩種方式。一種是在放電管頂端插入一根鎢絲作為正極，在放電管尾端裝一帶孔負電極，並把該孔做成管形，從中引出離子流。另一種方式是把正極做成帽形，裝在引出電極附近，而放電區則在它的另一側。不管採用哪種引出方式，金屬電極都要用石英或玻璃包起來，以減少離子在金屬表面的複合。

在高頻放電區域中加有恆定磁場時，由於共振現象可提高放電區域中的離子濃度。有時，還在引出區域加非均勻磁場來改善引出。

在均勻磁場中，由陰極熱發射電子維持氣體放電的離子源。為了減少氣耗，放電區域往往是封閉的。陽極做成筒形，軸線和磁場方向平行。磁場能很好地約束陰極所發射的電子流，在陽極腔中使氣體的原子（或分子）電離，形成等離子體密度很高的弧柱。離子束可以垂直於軸線方向的側向引出，也可以順著軸線方向引出。

在外磁場約束下產生反射放電的離子源，是弧放電離子源的改進。在弧放電離子源中，陽極另一端和陰極對稱的位置上，裝一與陰極等電位的對陰極，使陰極發射的電子流在中空的陽極內反射振蕩，提高了電離效率，改變了放電機制。陰極一般用鎢塊製成，由電子 轟擊加熱，稱間熱陰極離子源。反射放電電壓較高時，可在冷陰極狀態下工作。這時離子源結構更加簡單，稱為冷陰極離子源。對於功率較大的離子源，陰極被放電所加熱，達到電子熱發射溫度，被稱為自熱陰極離子源。

為產生非氣態元素的離子，將該元素饋入離子源的方法有多種。簡單的方法是使用氣體化合物，也可導入該元素的蒸氣。某些固體物質還可鍍在陰極表面或陽極腔壁上，靠放電中的濺射作用將該物質導入放電區。

在非均勻磁場中工作的一種弧放電離子源它的電極系統和磁系統都經過精心安排，使得放電產生的等離子體發生兩次收縮（幾何箍縮和磁箍縮）。由於引出的離子流強度大、亮度高、而主體結構又比較緊湊，使用十分普遍。

大功率的雙等離子體離子源能產生安培級以上的正離子束，是一種有效的強流離子源。正離子被中和以後，就轉化為中性束。從雙等離子體離子源中可以直接引出負離子束，也可以先引出正離子束，再用間接方法得到負離子。

雙等離子體離子源和PIG離子源的綜合。大功率的雙彭源是一種單電荷態的強流離子源，可以引出安培級以上的離子流。

小型裝置也有用來作為多電荷重離子源的。

從外形結構看，雙彭源只是在雙等離子體離子源的陽極外側增設一個對陰極。但從放電原理看，它兩種離子源有很大差別。前三個電極組成類似於雙等離子體離子源的系統，看作是一個電子源。由於對陰極上加有和中間電極相同或更負些的電壓，電子就在中間電極和對陰極之間反射振蕩，改善了電離。

利用正離子束轉荷產生負離子的裝置。正離子束與固體物質表面相互作用，或通過氣體靶俘獲電子就能轉化成負離子束。正離子束可以由小型雙等離子體離子源提供。如果採用高頻離子源，只要把引出電極的孔道加長，就能得到負離子束。

用正離子束去轟擊工作物質，就能得到該種物質的負離子。若用銫離子束去濺射周期表第Ⅳ族以後電子親合力較大的元素，可以得到該元素微安級的負離子束流。若使氫或氬離子束通過一個充有氣態工作物質的孔道，就能得到數微安的該物質負離子束流。

目前離子源技術還在不斷地發展著。環形雙等離子體離子源大型雙彭源已可提供百安級的氫正離子流磁控管型負離子源已得到安培級的氫負離子束。一些小型離子源，則具有低能散、低功耗、低氣耗、長壽命等特色。在產生多電荷重離子束的實驗裝置（如電子迴旋共振離子源、電子束離子源）中，都已得到電荷態很高的重離子。這些新型裝置已逐漸被回旋加速器所採用。而能產生高溫等離子體的利用慣性約束的激光離子源，也產生了高電荷態離子。

採用組合加速方法的重離子加速系統中，前級加速器將電荷態較低的重離子加速到兆電子伏每核子的能量，穿過固體剝離膜或氣體剝離器，將一部分軌道電子剝去，提高電荷態后在主加速器中繼續加速，以得到較高的能量增益。在這種組合加速系統中，前級加速器和剝離器，可以被看成是一種特殊的重離子源系統。

1.電轟擊電離（EI）

一定能量的電子直接作用於樣品分子，使其電離，且效率高，有助於質譜儀獲得高靈敏度和高解析度。有機化合物電離能為10eV左右，50-100eV時，大多數分子電離界面最大。70eV能量時，得到豐富的指紋圖譜，靈敏度接近最大。適當降低電離能，可得到較強的分子離子信號，某些情況有助於定性。

2.化學電離（CI）

電子轟擊的缺陷是分子離子信號變得很弱，甚至檢測不到。化學電離引入大量試劑氣，使樣品分子與電離離子不直接作用，利用活性反應離子實現電離，其反應熱效應可能較低，使分子離子的碎裂少於電子轟擊電離。商用質譜儀一般採用組合EI/CI離子源。試劑氣一般採用甲烷氣，也有N2,CO,Ar或混合氣等。試劑氣的分壓不同會使反應離子的強度發生變化，所以一般源壓為0.5-1.0Torr。

3.大氣壓化學電離（APCI）

在大氣壓下，化學電離反應速率更大，效率更高，能夠產生豐富的離子。通過一定手段將大氣壓力下產生的離子轉移至高真空處（質量分析器中）。早期為Ni63輻射電離離子源，另一種設計是電暈放電電離，允許載氣流速達9L/S。需要採取減少源壁吸附和溶劑分子干擾。

4.二次離子質譜（FAB/LSIMS）

在材料分析上，人們利用高能量初級粒子轟擊表面（塗有樣品的金屬鈀），再對由此產生的二次離子進行質譜分析。主要有快原子轟擊（FAB）和液體二次離子質譜（LSIMS）兩種電離技術，分別採用原子束和離子束作為高能量初級粒子。一般採用液體基質負載樣品（如甘油、硫甘油、間硝基苄醇、二乙醇胺、三乙醇胺或一定比例混合基質等）。主要原理是分子質子化形成MH+離子，其中有些反應會形成干擾。

5.等離子解析質譜（PDMS）

採用放射性同位素（如Cf252）的核裂變碎片作為初級粒子轟擊樣品，將金屬箔（鋁或鎳）塗上樣品從背面轟擊，傳遞能量使樣品解析電離。電離能大大高於FAB/LSIMS，可分析多肽和蛋白質。

6.激光解吸/電離（MALDI）

波長為1250-775的真空紫外光輻射產生光致電離和解吸作用，獲得分子離子和有結構信息的碎片，適於結構複雜、不易氣化的大分子，並引入輔助基質減少過分碎裂。一般採用固體基質，基質樣品比為10000/1。根據分析目的不同使用不同的基質和波長。

7.電噴霧電離（ESI）

電噴霧電離採用強靜電場（3-5KV），形成高度荷電霧狀小液滴，經過反覆的溶劑揮發-液滴裂分后，產生單個多電荷離子，電離過程中，產生多重質子化離子。

ion beam

以近似一致的速度沿幾乎同一方向運動的一群離子。

離子源是用以獲得離子束的裝置。我們知道，在各類離子源中，用得最多的是等離子體離子源，即用電場將離子從一團等離子體中引出來。這類離子源的主要參數由等離子體的密度、溫度和引出系統的質量決定。屬於這類離子源的有：潘寧放電型離子源射頻離子源、微波離子源、雙等離子體源、富立曼離子源等。另一類使用較多的離子源是電子碰撞型離子源，主要用於各種質譜儀器中。此外，離子源還有表面電離源、光致電離離子源、液態金屬離子源等類型。

①離子束流強

即能夠獲得的有用離子束的等效電流強度，用電流單位A或mA表示。

②有用離子百分比

即有用離子束佔總離子束的百分比。一般來說，離子源給出的總離子束包括單電荷離子、多電荷離子、各種分子離子和雜質元素離子等的離子束。

③能散度

由於離子的熱運動和引出地點的不同，使得離子源給出的離子束的能量對要求的單一能量有一定離散，一般希望能散度盡量小，在高精度的離子束應用中尤其是這樣。

④束的聚焦性能

以離子束的截面和張角表示。聚焦不好的離子束在傳輸過程中會使離子大量丟失。獲得良好聚焦特性的離子束的最終障礙是束中離子之間的靜電排斥力，為了克服這一障礙，應儘早使離子獲得較高能量。

⑤離子源的效率

以離子束形式引出的工作物質佔總消耗的工作物質的比例。

⑥工作壽命

離子源一次安裝以後使用的時間。

從離子源獲得的離子束的能量一般從幾百電子伏到幾萬電子伏。因為用高引出電壓方式獲得較高能量的離子束受到擊穿的限制，所以必須使離子在電場和磁場中加速，這類裝置叫做加速器(見粒子加速器) 使用各種加速器可以使離子獲得很高的能量（如幾百吉電子伏），也可以使離子減速，以獲得能量較低的（如幾十電子伏）但流強很高的離子束。

①離子摻雜與離子束改性

從20世紀60年代開始，人們將一定量的硼、磷或其他元素的離子注入到半導體材料中，形成摻雜。摻雜的深度可用改變離子的能量來控制；摻雜的濃度可通過積分離子流強度來控制。離子注入方法的重複性、可靠性比擴散法好。離子注入摻雜在半導體大規模集成電路的生產中已成為重要環節，用離子注入法取代舊的擴散等工藝在有些器件中已成為必然趨勢。

離子注入在金屬材料的改性中獲得的結果十分引人注目。在常用金屬的離子注入改性中，可以提高金屬的硬度、抗腐蝕性能和抗疲勞強度，降低金屬的磨損率。某些絕緣材料如陶器、玻璃、有機材料經離子束照射以後，性質發生重要的變化，獲得新的用途。

離子束照射和摻雜的過程是非熱平衡過程，因此用這種方法可以獲得用一般冶金和化工方法無法得到的新材料。能量較低(50～400keV)的專門用於離子注入的小型加速器“離子注入機”，已成為一種專門設備，體積相當於一台電子顯微鏡或高壓示波器，使用維護都很方便。在類金剛石材料、高溫超導材料、磁性材料、感光材料等的研究中，已廣泛應用離子束，一門新興的冶金學──“離子注入冶金學”正在形成。

②離子束分析

具有一定能量的離子與物質相互作用會使其發射電子、光子、X射線等，還可能發生彈性散射、非彈性散射以及核反應，產生反彈離子、反衝核、γ射線、氫核、氚核、粒子等核反應產物，可以提供有關該物質的組分、結構和狀態等信息。利用這些信息來分析樣品統稱離子束分析。在離子束分析方法中，比較成熟的有背散射分析X射線熒光分析、核反應分析和溝道效應（見溝道效應和阻塞效應）與其他分析相結合的分析方法等。此外，利用低能離子束還可作表面成分分析,如離子散射譜(ZSS)、次級離子質譜(SZMS)等。超靈敏質譜（加速器質譜）、帶電粒子活化分析、離子激發光譜、離子激發俄歇電子譜等正在發展中。用於離子束分析的MV級加速器已有專門的商業化設備。

③離子束加工

較低能量的離子束廣泛用於工業加工，如離子減薄、離子拋光、離子束打孔、離子束刻蝕、離子束濺射金屬膜等。