Áàçà çíàíèé ñòóäåíòà. Ðåôåðàò, êóðñîâàÿ, êîíòðîëüíàÿ, äèïëîì íà çàêàç

êóðñîâûå,êîíòðîëüíûå,äèïëîìû,ðåôåðàòû

Ìåòîä ÂÈÌÑ — Òåõíîëîãèÿ

Êàëóæñêèé Ôèëèàë

Ìîñêîâñêîãî Ãîñóäàðñòâåííîãî

Òåõíè÷åñêîãî Óíèâåðñèòåòà

èì. Í. Ý. Áàóìàíà

Êàôåäðà Ìàòåðèàëîâåäåíèÿ è Ìàòåðèàëîâ Ýëåêòðîííîé Òåõíèêè

ÊÓÐÑÎÂÀß ÐÀÁÎÒÀ

ïî êóðñó  ÌÈÌ è ÊÝÒ

íà òåìó:

“Âòîðè÷íî-èîííàÿ

   ìàññ-ñïåêòðîìåòðèÿ“

  âûïîëíèë:  ñòóäåíò ãð. ÔÒÌ—81

                                                                                Òèìîôååâ À. Þ.

                                                           ïðîâåðèë:   Ëåäíåâà Ô. È.

ã. Êàëóãà

 1997 ãîä.


Ñîäåðæàíèå

Ââåäåíèå                                                                                                3

Âçàèìîäåéñòâèå èîíîâ ñ âåùåñòâîì                                                  3

Âòîðè÷íî-èîííàÿ ýìèññèÿ                                                                   5

Îáîðóäîâàíèå ÂÈÌÑ.                                                                         8

Ïðèíöèï äåéñòâèÿ óñòàíîâîê.                                                            9

Óñòàíîâêè, íå îáåñïå÷èâàþùèå àíàëèçà ðàñïðåäåëåíèÿ ÷àñòèö ïî ïîâåðõíîñòè     10

Óñòàíîâêè, ïîçâîëÿþùèå ïîëó÷àòü ñâåäåíèÿ î ðàñïðåäåëåíèè                                    11

 ýëåìåíòà ïî ïîâåðõíîñòè, ñî ñêàíèðóþùèì èîííûì çîíäîì 

Óñòàíîâêè ñ ïðÿìûì èçîáðàæåíèåì                                                                               11

Ïîðîã ÷óâñòâèòåëüíîñòè                                                                      12

Àíàëèç ñëåäîâ ýëåìåíòîâ                                                                    14

Èîííîå èçîáðàæåíèå                                                                                      16

Òðåáîâàíèÿ ê ïåðâè÷íîìó èîííîìó ïó÷êó                                                 17

Ìàññ-ñïåêòðîìåòðè÷åñêèé àíàëèç íåéòðàëüíûõ                                      18

ðàñïûëåííûõ ÷àñòèö

Êîëè÷åñòâåííûé àíàëèç                                                                   19

Ãëóáèííûå  ïðîôèëè êîíöåíòðàöèè  ýëåìåíòîâ                       22

Ïðèáîðíûå ôàêòîðû, âëèÿþùèå íà ðàçðåøåíèå                             23

ïî ãëóáèíå ïðè èçìåðåíèè ïðîôèëåé êîíöåíòðàöèè                       

Âëèÿíèå èîííî-ìàòðè÷íûõ ýôôåêòîâ  íà ðàçðåøåíèå                    25

ïî ãëóáèíå ïðè èçìåðåíèè ïðîôèëåé  êîíöåíòðàöèè

Ïðèìåíåíèÿ                                                                                         26

Èññëåäîâàíèå ïîâåðõíîñòè                                                                           26

Ãëóáèííûå ïðîôèëè êîíöåíòðàöèè                                                            27

Ðàñïðåäåëåíèå ÷àñòèö ïî ïîâåðõíîñòè,                                                      27

ìèêðîàíàëèç è îáúåìíûé àíàëèç 

Çàêëþ÷åíèå                                                                                          27

Ñïèñîê ëèòåðàòóðû                                                                                             29
Ââåäåíèå

            Âîçìîæíîñòè ïîëó÷åíèÿ ñâåäåíèé î ñîñòàâå âíåøíåãî àòîìíîãî ñëîÿ òâåðäîãî òåëà çíà÷èòåëüíî ðàñøèðÿëèñü âñâÿçè ñ ðàçðàáîòêîé è óñîâåðøåíñòâîâàíèåì ìåòîäà âòîðè÷íî-èîííîé ìàññ-ñïåêòðîìåòðèè (ÂÈÌÑ) è äðóãèõ ìåòîäîâ. Áîëüøèíñòâî òàêèõ ìåòîäîâ áëèçêè ê òîìó, ÷òîáû àíàëèçèðîâàòü ñàìó ïîâåðõíîñòü, ïîñêîëüêó îñíîâíàÿ èíôîðìàöèÿ î ñîñòàâå ìàòåðèàëà ïîñòóïàåò èç åãî ïðèïîâåðõíîñòíîé îáëàñòè òîëùèíîé ïîðÿäêà 10À, à ÷óâñòâèòåëüíîñòü âñåõ òàêèõ ìåòîäîâ äîñòàòî÷íà äëÿ îáíàðóæåíèÿ ìàëûõ äîëåé ìîíîàòîìíîãî ñëîÿ áîëüøèíñòâà ýëåìåíòîâ.

            Âçàèìîäåéñòâèå áûñòðûõ èîíîâ ñ òâåðäûì òåëîì ïðèâîäèò ê âûáèâàíèþ àòîìîâ è ìîëåêóë ìàòåðèàëà êàê â íåéòðàëüíîì, òàê è â çàðÿæåííîì ñîñòîÿíèè. Íà òàêîì ÿâëåíèè ñðàâíèòåëüíîãî ýôôåêòèâíîãî îáðàçîâàíèÿ çàðÿæåííûõ ÷àñòèö (âòîðè÷íûõ èîíîâ) è íà ïðèíöèïå âûñîêî÷óâñòâèòåëüíûõ ìàññ-ñïåêòðîìåòðè÷åñêèõ èçìåðåíèÿõ è îñíîâàí ìåòîä ÂÈÌÑ. Õîòÿ ó íåãî, êàê ó ëþáîãî äðóãîãî ìåòîäà, èìåþòñÿ ñâîè íåäîñòàòêè, òîëüêî îí îäèí äàåò ñòîëü øèðîêèå âîçìîæíîñòè èññëåäîâàíèÿ è ïîâåðõíîñòè, è îáúåìà òâåðäîãî òåëà â îäíîì ïðèáîðå. Íàèáîëåå âàæíûìè õàðàêòåðíûìè îñîáåííîñòÿìè ìåòîäà, êîòîðûå âûçûâàþò ïîâûøåííûé èíòåðåñ ê íåìó, ÿâëÿþòñÿ î÷åíü íèçêèé ïîðîã ÷óâñòâèòåëüíîñòè äëÿ áîëüøèíñòâà ýëåìåíòîâ (ìåíüøå 10-4 ìîíîàòîìíîãî ñëîÿ), èçìåðåíèå ïðîôèëåé êîíöåíòðàöèè ìàëûõ êîëè÷åñòâ ïðèìåñåé ñ ðàçðåøåíèå ïî ãëóáèíå ìåíüøå 50À, ðàçðåøåíèå ïî ïîâåðõíîñòè ïîðÿäêà ìèêðîìåòðà, âîçìîæíîñòü èçîòîïè÷åñêîãî àíàëèçà è îáíàðóæåíèå ýëåìåíòîâ ñ ìàëûìè àòîìíûìè íîìåðàìè (H, Li, Be è ò. ä.)

Âçàèìîäåéñòâèå èîíîâ ñ âåùåñòâîì

                       

                        Ôèã.1. Âèäû âçàèìîäåéñòâèé èîíîâ ñ òâåðäûì òåëîì [2].


             ýòîì ðàçäåëå ðàññìàòðèâàåòñÿ ïîâåäåíèå èîíîâ âûñîêèõ   ýíåðãèé (1 - 100 êýÂ), ïîïàäàþùèõ íà ïîâåðõíîñòü òâåðäîãî òåëà. Ôèã.1 èëëþñòðèðóåò 10 ðàçíîâèäíîñòåé âçàèìîäåéñòâèÿ  èîíîâ ñ ïîâåðõíîñòüþ [2]. Ïàäàþùèé èîí ìîæåò îáðàòíî ðàññåèâàòüñÿ àòîìîì èëè ãðóïïîé àòîìîâ áîìáàðäèðóåìîãî îáðàçöà (1). Ïðîöåññ îáðàòíîãî ðàññåÿíèÿ îáû÷íî ïðèâîäèò ê îòêëîíåíèþ òðàåêòîðèè èîíà îò ïåðâîíà÷àëüíîãî  íàïðàâëåíèÿ  ïîñëå ñòîëêíîâåíèÿ è ê îáìåíó ýíåðãèåé ìåæäó èîíîì è àòîìîì ìèøåíè. Îáìåí ýíåðãèåé ìîæåò áûòü óïðóãèì è íåóïðóãèì â çàâèñèìîñòè îò òèïà âçàèìîäåéñòâóþùèõ ÷àñòèö è ýíåðãèè èîíà.

            Èìïóëüñ èîíà ìîæåò áûòü äîñòàòî÷íî âåëèê äëÿ òîãî, ÷òîáû   ñìåñòèòü ïîâåðõíîñòíûé àòîì èç ïîëîæåíèÿ, ãäå îí ñëàáî ñâÿçàí ñ êðèñòàëëè÷åñêîé ñòðóêòóðîé îáðàçöà, â ïîëîæåíèå, ãäå ñâÿçü îêàçûâàåòñÿ ñèëüíåå (2). Ýòîò ïðîöåññ íàçûâàåòñÿ àòîìíîé äèñëîêàöèåé. Èîíû ñ áîëåå âûñîêèìè ýíåðãèÿìè ìîãóò âûçûâàòü âíóòðåííèå äèñëîêàöèè â òîëùå îáðàçöà (3). Åñëè ñîóäàðÿþùèåñÿ ñ ïîâåðõíîñòüþ îáðàçöà èîíû ïåðåäàþò íàñòîëüêî  áîëüøîé èìïóëüñ, ÷òî ïîëíîñòüþ îñâîáîæäàþò îò ñâÿçåé îäèí èëè íåñêîëüêî àòîìîâ, ïðîèñõîäèò ôèçè÷åñêîå ðàñïûëåíèå (4).  Èîíû ìîãóò ïðîíèêàòü â êðèñòàëëè÷åñêóþ ðåøåòêó è çàõâàòûâàòüñÿ òàì, èçðàñõîäîâàâ ñâîþ ýíåðãèþ (èîííàÿ èìïëàíòàöèÿ) (5)  .    ðåçóëüòàòå   õèìè÷åñêèõ   ðåàêöèé  èîíîâ   ñ  ïîâåðõíîñòíûìè   àòîìàìè   íà   ïîâåðõíîñòè   îáðàçóþòñÿ   íîâûå  õèìè÷åñêèå  ñîåäèíåíèÿ,  ïðè÷åì   ñàìûé  âåðõíèé   ñëîé  àòîìîâ   ìîæåò  îêàçàòüñÿ  â  ãàçîîáðàçíîì  ñîñòîÿíèè  è  èñïàðèòüñÿ  (õèìè÷åñêîå  ðàñïûëåíèå)   (6).   Áîìáàðäèðóþùèå   ïîëîæèòåëüíûå  èîíû   â  ðåçóëüòàòå  ïðîöåñññà  îæå-íåéòðàëèçàöèè  ìîãóò  ïðèîáðåòàòü  íà  ïîâåðõíîñòè  ýëåêòðîíû è îòðàæàòüñÿ îò íåå â âèäå íåéòðàëüíûõ            àòîìîâ  (7).  Èîíû  ìîãóò  îêàçàòüñÿ  ñâÿçàííûìè  ñ  ïîâåðõíîñòüþ îáðàçöà  (àäñîðáèðîâàííûìè)   (8).   Ïðè    èîííîé   áîìáàðäèðîâêå    ìåòàëëè÷åñêèõ  ïîâåðõíîñòåé  â  îïðåäåëåííûõ   óñëîâèÿõ  âîçìîæíî âîçíèêíîâåíèå   âòîðè÷íîé   ýëåêòðîííîé  çìèññèè   (9).  Íàêîíåö, åñëè ïîâåðõíîñòíûå    àòîìû   âîçáóæäàþòñÿ    äî   èîíèçèðîâàííûõ  ñîñòîÿíèé è ïîêèäàþò   îáðàçåö,  èìååò  ìåñòî   âòîðè÷íàÿ  èîííàÿ ýìèññèÿ (10).

            Çàìåäëÿÿñü, èîí ïåðåäàåò ýíåðãèþ òâåðäîìó òåëó. Ïðè àíàëèçå ïðîöåññîâ ïîòåðè ýíåðãèè óäîáíî ðàçëè÷àòü äâà îñíîâíûõ ìåõàíèçìà:  ñîóäàðåíèÿ ñ ýëåêòðîíàìè è ñîóäàðåíèÿ ñ ÿäðàìè.

            Ïåðâûé  ìåõàíèçì ñîñòîèò â òîì, ÷òî áûñòðûé èîí âçàèìîäåéñòâóåò ñ ýëåêòðîíàìè êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè, â ðåçóëüòàòå  ÷åãî  âîçíèêàþò âîçáóæäåíèå è èîíèçàöèÿ àòîìîâ êðèñòàëëà. Ïîñêîëüêó ïëîòíîñòü ýëåêòðîíîâ â âåùåñòâå ìèøåíè âûñîêà è òàêèå ñòîëêíîâåíèÿ ìíîãî÷èñëåííû, ýòîò ïðîöåññ,

êàê è â ñëó÷àå ïîòåðè ýíåðãèè ýëåêòðîíàìè, ìîæíî ñ÷èòàòü  íåïðåðûâíûì .

              ðàìêàõ  âòîðîãî  ìåõàíèçìà  âçàèìîäåéñòâèå  ïðîèñõîäèò  ìåæäó   ýêðàíèðîâàííûìè çàðÿäàìè ÿäåð ïåðâè÷íîãî èîíà è  àòîìàìè  ìèøåíè. ×àñòîòà òàêèõ ñòîëêíîâåíèé íèæå, ïîýòîìó  èõ ìîæíî   ðàññìàòðèâàòü êàê óïðóãèå  ñòîëêíîâåíèÿ äâóõ  ÷àñòèö. Èîíû  âûñîêèõ  ýíåðãèé  õîðîøî  îïèñûâàþòñÿ  ðåçåðôîðäîâñêèì  ðàññåÿíèåì, èîíû  ñðåäíèõ ýíåðãèé  - ýêðàíèðîâàííûì  êóëîíîâñêèì ðàññåÿíèåì, îäíàêî ïðè ìàëûõ  ýíåðãèÿõ õàðàêòåð  âçàèìîäåéñòâèÿ ñòàíîâèòñÿ áîëåå ñëîæíûì.

            Êðîìå ïåðå÷èñëåííûõ âûøå ìåõàíèçìîâ âêëàä â ýíåðãåòè÷åñêèå ïîòåðè äàåò îáìåí çàðÿäàìè ìåæäó äâèæóùèìñÿ èîíîì  è àòîìîì  ìèøåíè. Ýòîò  ïðîöåññ íàèáîëåå  ýôôåêòèâåí, êîãäà îòíîñèòåëüíàÿ  ñêîðîñòü  èîíà  ñðàâíèìà ñ áîðîâñêîé ñêîðîñòüþ ýëåêòðîíà  ( ~106 ì/ñ) .                                     

            Òàêèì  îáðàçîì,  ïîëíûå  ïîòåðè  ýíåðãèè  -   dÅ/dz  ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå ñóììû òðåõ  ñîñòàâëÿþùèõ -  ÿäåðíîé, ýëåêòðîííîé  è  îáìåííîé.                                           

            Ïðè ìàëûõ ýíåðãèÿõ èîíîâ ïðåîáëàäàåò âçàèìîäåéñòâèå ñ ÿäðàìè, êîòîðîå ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ óãëîâîé ðàñõîäèìîñòè  ïó÷êà. Ïðè âûñîêèõ ýíåðãèÿõ áîëåå ñóùåñòâåííûìè ñòàíîâÿòñÿ ñòîëêíîâåíèÿ ñ ýëåêòðîíàìè. Ñïðàâåäëèâî ñëåäóþùåå ýìïèðè÷åñêîå ïðàâèëî: ïåðåäà÷à ýíåðãèè êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêå îñóùåñòâëÿåòñÿ â îñíîâíîì çà ñ÷åò ÿäåðíûõ ñòîëêíîâåíèé ïðè ýíåðãèÿõ ìåíüøå À êýÂ, ãäå À - àòîìíûé âåñ ïåðâè÷íîãî èîíà.  ïðîìåæóòî÷íîì äèàïàçîíå ýíåðãèé âêëàä ïîòåðü, îáóñëîâëåííûõ îáìåíîì çàðÿäà, ìîæåò âîçðàñòàòü ïðèìåðíî äî 10% îò ïîëíûõ ïîòåðü. Çàâèñèìîñòü ýíåðãåòè÷åñêèõ ïîòåðü îò ýíåðãèè  ïåðâè÷íîãî èîíà ïîêàçàíà íà ôèã.2.


Ôèã.2. Çàâèñèìîñòü ýíåðãåòè÷åñêèõ ïîòåðü èîíà îò ýíåðãèè [2].

Ôèã.3.    Ñõåìàòè÷åñêîå ïðåäñòàâëåíèå âçàèìîäåéñòâèÿ èîíîâ ñ ìèøåíüþ [2].


            Íåóïðóãèå âçàèìîäåéñòâèÿ ñ ýëåêòðîíàìè ìèøåíè âûçûâàþò âòîðè÷íóþ ýëåêòðîííóþ ýìèññèþ, õàðàêòåðèñòè÷åñêîå ðåíòãåíîâñêîå èçëó÷åíèå è èñïóñêàíèå ñâåòîâûõ êâàíòîâ. Óïðóãèå âçàèìîäåéñòâèÿ ïðèâîäÿò ê ñìåùåíèþ àòîìîâ êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè, ïîÿâëåíèþ äåôåêòîâ è ïîâåðõíîñòíîìó ðàñïûëåíèþ. Ýòè ïðîöåññû ñõåìàòè÷åñêè ïðîèëëþñòðèðîâàíû íà ôèã. 3.

            Ýíåðãåòè÷åñêèé ñïåêòð ðàññåÿííûõ òâåðäîòåëüíîé ìèøåíüþ     èîíîâ ñ íà÷àëüíîé  ýíåðãèåé Å0 ñõåìàòè÷åñêè  ïðåäñòàâëåí íà ôèã.4. Çäåñü âèäíû øèðîêèé íèçêîýíåðãåòè÷åñêèé (10 - 30 ýÂ) ãîðá, ñîîòâåòñòâóþùèé èñïóñêàíèþ íåéòðàëüíûõ àòîìîâ     (ðàñïûëåííûå àòîìû), è âûñîêîýíåðãåòè÷åñêèé ãîðá, ðàñïîëîæåííûé âáëèçè ýíåðãèè ïåðâè÷íîãî èîíà Å0 (óïðóãîðàññåÿííûå èîíû).


Âòîðè÷íî-èîííàÿ ýìèññèÿ

            Îñíîâíûå  ôèçè÷åñêèå  è  ïðèáîðíûå   ïàðàìåòðû,  õàðàêòåðèçóþùèå  ìåòîä  ÂÈÌÑ,  îõâàòûâàþòñÿ  ôîðìóëàìè  (1) -  (3). Êîýôôèöèåíò âòîðè÷íîé èîííîé  ýìèññèè SÀ±,  ò. å.  ÷èñëî (ïîëîæèòåëüíûõ  èëè îòðèöàòåëüíûõ)  èîíîâ íà  îäèí ïàäàþùèé  èîí, äëÿ ýëåìåíòà À â ìàòðèöå îáðàçöà äàåòñÿ âûðàæåíèåì

                                                            SÀ±=gÀ±ÑÀS,     (1)

ãäå gÀ± -  îòíîøåíèå  ÷èñëà  âòîðè÷íûõ  èîíîâ  (ïîëîæèòåëüíûõ èëè îòðèöàòåëüíûõ) ýëåìåíòà À ê ïîëíîìó ÷èñëó íåéòðàëüíûõ è  çàðÿæåííûõ  ðàñïûëåííûõ  ÷àñòèö  äàííîãî  ýëåìåíòà, à  ÑÀ  -àòîìíàÿ êîíöåíòðàöèÿ äàííîãî  ýëåìåíòà â  îáðàçöå. Ìíîæèòåëü S -  ïîëíûé êîýôôèöèåíò ðàñïûëåíèÿ ìàòåðèàëà  (÷èñëî àòîìîâ íà îäèí ïåðâè÷íûé èîí).   íåãî  âõîäÿò âñå  ÷àñòèöû, ïîêèäàþùèå  ïîâåðõíîñòü, êàê  íåéòðàëüíûå, òàê  è èîíû.  Âåëè÷èíû gÀ±  è S  ñèëüíî çàâèñÿò îò ñîñòàâà ìàòðèöû îáðàçöà, ïîñêîëüêó îòíîøåíèå gÀ± ñâÿçàíî ñ ýëåêòðîííûìè ñâîéñòâàìè ïîâåðõíîñòè, à S   â áîëüøîé  ñòåïåíè îïðåäåëÿåòñÿ  ýëåìåíòàðíûìè ýíåðãèÿìè ñâÿçè èëè òåïëîòîé àòîìèçàöèè òâåðäîãî òåëà. Ëþáîé òåîðåòè÷åñêèé ñïîñîá ïåðåñ÷åòà  èçìåðåííîãî âûõîäà âòîðè÷íûõ èîíîâ â  àòîìíûå êîíöåíòðàöèè  äîëæåí, äàâàòü  àáñîëþòíîå çíà÷åíèå îòíîøåíèÿ gÀ± èëè  íàáîð åãî  ïðèâåäåííûõ çíà÷åíèé  äëÿ ëþáîé  ìàòðèöû.

           

            Ôèã.4. Ýíåðãåòè÷åñêèé ñïåêòð ýëåêòðîíîâ, ðàññåÿííûõ ïðè ñîóäàðåíèè ñ òâåðäîòåëüíîé                       ìèøåíüþ [2].

            Âòîðè÷íûé èîííûé òîê  iÀ± (÷èñëî  èîíîâ â  ñåêóíäó), èçìåðÿåìûé â ïðèáîðå ÂÈÌÑ, äàåòñÿ âûðàæåíèåì

                                                                    iÀ± =hASA±IP,  (2)

 ãäå iÀ±  - èîííûé òîê äëÿ ìîíîèçîòîïíîãî ýëåìåíòà (äëÿ äàííîãî êîìïîíåíòà ìíîãîèçîòîïíîãî  ýëåìåíòà èîííûé  òîê ðàâåí faiÀ±, ãäå fa,- ñîäåðæàíèå èçîòîïà à â ýëåìåíòå À). Âåëè÷èíà hA -ýôôåêòèâíîñòü ðåãèñòðàöèè èîíîâ äàííîãî èçîòîïà â èñïîëüçóåìîì ïðèáîðå ÂÈÌÑ. Îíà ðàâíà ïðîèçâåäåíèþ ýôôåêòèâíîñòè ïåðåíîñà èîíîâ ÷åðåç ìàññ-àíàëèçàòîð íà ÷óâñòâèòåëüíîñòü èîííîãî äåòåêòîðà. Ìíîæèòåëü hA îáû÷íî ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê êîíñòàíòó, íå çàâèñÿùóþ îò âèäà ýëåìåíòà èëè  ìàññû èçîòîïà, åñëè ýíåðãåòè÷åñêèå ðàñïðåäåëåíèÿ âòîðè÷íûõ  èîíîâ ïðèìåðíî îäèíàêîâû è èìåþò ìàêñèìóì ïðè íåñêîëüêèõ  ýëåêòðîí-âîëüòàõ, òàê ÷òî çàâèñÿùåå îò ìàññû èçìåíåíèå ÷óâñòâèòåëüíîñòè äåòåêòîðà ÷àñòèö ìàëî. Íàêîíåö, IP ïîëíûé òîê  ïåðâè÷íûõ èîíîâ (÷èñëî èîíîâ â ñåêóíäó), ïàäàþùèõ íà îáðàçåö.

            Êîíå÷íî, âåëè÷èíà IP ñâÿçàíà ñ ïëîòíîñòüþ òîêà ïåðâè÷íûõ èîíîâ DP (÷èñëî èîíîâ çà ñåêóíäó íà 1 ñì2) è äèàìåòðîì ïó÷êà d (ñì). Åñëè äëÿ ïðîñòîòû ïðèíÿòü, ÷òî ñå÷åíèå ïó÷êà êðóãëîå, à ïëîòíîñòü DP òîêà ïîñòîÿííà â ïðåäåëàõ ñå÷åíèÿ, òî

                                                                  IP=(0,25p)DPd2.  (3)

            Ïðè  ñóùåñòâóþùèõ  èñòî÷íèêàõ  ïåðâè÷íûõ  èîíîâ,  èñïîëüçóåìûõ â ïðèáîðàõ ÂÈÌÑ, ïëîòíîñòü òîêà íà  îáðàçåö, êàê  ïðàâèëî, íå ïðåâûøàåò 100  ìÀ/ñì2 (â  ñëó÷àå îäíîçàðÿäíûõ  èîíîâ òîê 1 mÀ  ñîîòâåòñòâóåò ïîòîêó 6.2 1015 èîí/ñ).  òàáë. 1 ïðèâîäÿòñÿ òèïè÷íûå çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðîâ, âõîäÿùèõ â ôîðìóëû (1) - (3).



 Òàáëèöà 1.

Òèïè÷íûå çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðîâ

â ôîðìóëàõ (1)- (3) [1].

g˱

10-5¸10-1

S

1¸10

hA

10-5¸10-2

   DP    

10-6¸10-2 mA/cm2

d

10-4¸10-1 cm


            Ñàìîå   âàæíîå   çíà÷åíèå   â   âîïðîñå   î    âîçìîæíîñòÿõ   ÂÈÌÑ êàê   ìåòîäà   àíàëèçà   ïîâåðõíîñòåé   èìååò    âçàèìîñâÿçü   ìåæäó ïàðàìåòðàìè   ïó÷êà   ïåðâè÷íûõ   èîíîâ,  ñêîðîñòüþ   ðàñïûëåíèÿ  ïîâåðõíîñòè  è  ïîðîãîì  ÷óâñòâèòåëüíîñòè  äëÿ  ýëåìåíòîâ.   Èç-çà  îòñóòñòâèÿ  èíôîðìàöèè   î  òàêîé   âçàèìîñâÿçè  ÷àñòî   âîçíèêàþò  íåïðàâèëüíûå   ïðåäñòàâëåíèÿ    î   âîçìîæíîñòÿõ    ìåòîäà.   Ñîîòíîøåíèÿ   ìåæäó   òîêîì   ïåðâè÷íûõ   èîíîâ,   äèàìåòðîì   è   ïëîòíîñòüþ  ïó÷êà, ñêîðîñòüþ ðàñïûëåíèÿ


ïîâåðõíîñòè è ïîðîãîì ÷óâñòâèòåëüíîñòè ïðè òèïè÷íûõ óñëîâèÿõ èëëþñòðèðóþòñÿ ãðàôèêîì, ïðåäñòàâëåííûì íà ôèã.5. Ñêîðîñòü óäàëåíèÿ (÷èñëî ìîíîñëîåâ â ñåêóíäó) àòîìîâ ìèøåíè ïðè çàäàííîé ýíåðãèè èîíîâ ïðîïîðöèîíàëüíà ïëîòíîñòè èõ òîêà DP, à ïîðîã ÷óâñòâèòåëüíîñòè ïðè ðåãèñòðàöèè ìåòîäîì ÂÈÌÑ (ìèíèìàëüíîå êîëè÷åñòâî ýëåìåíòà, êîòîðîå ìîæíî îáíàðóæèòü â îòñóòñòâèå ïåðåêðûâàíèÿ ïèêîâ ìàññ-ñïåêòðà) îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëåí ïîëíîìó òîêó èîíîâ IP. Êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè ìåæäó ïîðîãîì ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÂÈÌÑ è IP îïðåäåëÿåòñÿ èñõîäÿ èç ðåçóëüòàòîâ èçìåðåíèé äëÿ ðÿäà ýëåìåíòîâ â ðàçëè÷íûõ ìàòðèöàõ ïóòåì ïðèáëèæåííîé îöåíêè, îñíîâàííîé íà ýêñïåðèìåíòàëüíûõ çíà÷åíèÿõ äëÿ òèïè÷íûõ ïàð ýëåìåíò - ìàòðèöà. Ïðè ïîñòðîåíèè ãðàôèêà íà ôèã.5 ïðåäïîëàãàëîñü, ÷òî ïëîùàäü çàõâàòà àíàëèçàòîðà, èç êîòîðîé âòîðè÷íûå èîíû îòáèðàþòñÿ â àíàëèçàòîð, íå ìåíüøå ñå÷åíèÿ ïó÷êà ïåðâè÷íûõ èîíîâ. Äàííîå óñëîâèå îáû÷íî âûïîëíÿåòñÿ â ìàññ-ñïåêòðîìåòðèè, åñëè äèàìåòð îáëàñòè, èç êîòîðîé ïîñòóïàþò èîíû, íå ïðåâûøàåò 1 ìì.

                       

            Ôèã. Çàâèñèìîñòü ìåæäó òîêîì ïåðâè÷íûõ èîíîâ, äèàìåòðîì è ïëîòíîñòüþ ïåðâè÷íîãî

                         ïó÷êà, ñêîðîñòüþ óäàëåíèÿ àòîìíûõ ñëîåâ è ïîðîãîì ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÂÈÌÑ[1].

            Ðàñïûëåíèå   èîííûì   ïó÷êîì   -   ðàçðóøàþùèé   ïðîöåññ.  Íî  åñëè òðåáóåòñÿ, ÷òîáû  ïîâåðõíîñòü îñòàâàëàñü  ïðàêòè÷åñêè áåç  èçìåíåíèÿ,  òî  àíàëèç  ìåòîäîì   ÂÈÌÑ  ìîæíî   ïðîâîäèòü  ïðè  î÷åíü  ìàëûõ  ñêîðîñòÿõ ðàñïûëåíèÿ  îáðàçöà (ìåíåå  10-4 ìîíîñëîÿ â ñåêóíäó) . ×òîáû ïðè  ýòîì îáåñïå÷èòü  äîñòàòî÷íóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ìåòîäà ( »10-4  ìîíîñëîÿ), êàê  âèäíî èç ôèã.5,  íåîáõîäèì ïåðâè÷íûé èîííûé ïó÷îê ñ òîêîì 10-10 À  äèàìåòðîì   1  ìì.  Ïðè  ñòîëü  íèçêîé ïëîòíîñòè  òîêà  ïåðâè÷íûõ  èîíîâ  ( 10-5  ìÀ/ñì2) ñêîðîñòü  ïîñòóïëåíèÿ íà  ïîâåðõíîñòü îáðàçöà àòîìîâ  èëè  ìîëåêóë  îñòàòî÷íûõ  ãàçîâ  ìîæåò  ïðåâûñèòü ñêîðîñòü  èõ  ðàñïûëåíèÿ  ïåðâè÷íûì ïó÷êîì.   Ïîýòîìó  èçìåðåíèÿ  ìåòîäîì  ÂÈÌÑ  â  òàêèõ  óñëîâèÿõ  ñëåäóåò ïðîâîäèòü  â ñâåðõâûñîêîì èëè ÷èñòîì (êðèîãåííîì) âàêóóìå.

            Óêàçàííûå  ïðèáîðíûå  óñëîâèÿ  ïðèåìëåìû  íå  âî   âñåõ  ñëó÷àÿõ  àíàëèçà.  Íàïðèìåð, îïðåäåëåíèå   ïðîôèëÿ  êîíöåíòðàöèè  ïðèìåñåé,  ïðèñóòñòâóþùèõ  â  ìàëûõ êîëè÷åñòâàõ  â ïîâåðõíîñòíîé ïëåíêå  òîëùèíîé ñâûøå  5ÎÎ À,  óäîáíî ïðîâîäèòü  ïðè äèàìåòðå ïó÷êà, ðàâíîì 100 ìêì, è  ïðè ñêîðîñòè  ðàñïûëåíèÿ, ïðåâûøàþùåé  10-1  àòîìíûõ  ñëîåâ  â  ñåêóíäó. Åùå  áîëåå âûñîêèå  ïëîòíîñòè èîííîãî òîêà  òðåáóþòñÿ, ÷òîáû  îáåñïå÷èòü ñòàòèñòè÷åñêè  çíà÷èìûå  êîëè÷åñòâà  âòîðè÷íûõ  èîíîâ ñ  åäèíèöû ïëîùàäè  ïîâåðõíîñòè,  íåîáõîäèìûå  ïðè  èññëåäîâàíèè ðàñïðåäåëåíèÿ ïî ïîâåðõíîñòè ñëåäîâ ýëåìåíòîâ ïðè ïîìîùè èîííîãî ìèêðîçîíäà èëè ìàññ-ñïåêòðàëüíîãî ìèêðîñêîïà. Íà  îñíîâàíèè ñêàçàííîãî è äàííûõ ôèã.5 ìû çàêëþ÷àåì, ÷òî íåâîçìîæíî  îáåñïå÷èòü  ïîâåðõíîñòíîå  ðàçðåøåíèå â  íåñêîëüêî ìèêðîìåòðîâ äëÿ ïðèìåñè, ñîäåðæàíèå êîòîðîé ðàâíî »10-4%,  ïðè ñêîðîñòè ðàñïûëåíèÿ ìåíåå 10-3 àòîìíûõ ñëîåâ â ñåêóíäó. Ýòî âçàèìíî èñêëþ÷àþùèå óñëîâèÿ.

            Ìåòîäîì ÂÈÌÑ àíàëèç ïîâåðõíîñòè ìîæíî ïðîâîäèòü â äâóõ  ðàçíûõ ðåæèìàõ: ïðè ìàëîé è áîëüøîé ïëîòíîñòè òîêà, ðàñïûëÿþùåãî îáðàçåö.  ðåæèìå ìàëîé ïëîòíîñòè ðàñïûëÿþùåãî òîêà èçìåíÿåòñÿ ñîñòîÿíèå ëèøü ìàëîé ÷àñòè ïîâåðõíîñòè, áëàãîäàðÿ ÷åìó ïî÷òè âûïîëíÿåòñÿ îñíîâíîå òðåáîâàíèå, ïðåäúÿâëÿåìîå ê ìåòîäàì àíàëèçà ñàìîé ïîâåðõíîñòè.  ðåæèìå æå âûñîêèõ ïëîòíîñòåé òîêîâ è ñîîòâåòñòâóþùèõ áîëüøèõ ñêîðîñòåé  ðàñïûëåíèÿ ïðîâîäèòñÿ èçìåðåíèå ïðîôèëåé ðàñïðåäåëåíèÿ ýëåìåíòîâ ïî ãëóáèíå, ìèêðîàíàëèç è îïðåäåëåíèå ñëåäîâûõ êîëè÷åñòâ ýëåìåíòîâ (<10-4%).  ñîîòâåòñòâèè ñî âñåìè ýòèìè âàðèàíòàìè ñîçäàí ðÿä ïðèáîðîâ ÂÈÌÑ, â êîòîðûõ ïðèìåíÿþòñÿ ðàçíûå ñïîñîáû ñîçäàíèÿ è ôîêóñèðîâêè ïåðâè÷íûõ èîííûõ ïó÷êîâ è ðàçíûå àíàëèçàòîðû âòîðè÷íûõ èîíîâ.

Îáîðóäîâàíèå ÂÈÌÑ.

    Óñòàíîâêà  ÂÈÌÑ  ñîñòîèò  èç   ÷åòûðåõ  îñíîâíûõ   áëîêîâ:  èñòî÷íèêà  ïåðâè÷íûõ  èîíîâ  è   ñèñòåìû  ôîðìèðîâàíèÿ   ïó÷êà,  äåðæàòåëÿ  îáðàçöà   è  âûòÿãèâàþùåé   âòîðè÷íûå  èîíû   ëèíçû,  ìàññ-ñïåêòðîìåòðà   äëÿ   àíàëèçà   âòîðè÷íûõ   ÷àñòèö   ïî   îòíîøåíèþ  ìàññû  ê  çàðÿäó  (m/å)   è  âûñîêî÷óâñòâèòåëüíîé   ñèñòåìû  ðåãèñòðàöèè  èîíîâ.  Äëÿ  ïîëó÷åíèÿ   ïåðâè÷íûõ  èîíîâ   â  áîëüøèíñòâå  óñòàíîâîê   èñïîëüçóþòñÿ   ãàçîðàçðÿäíûå   èëè   ïëàçìåííûå  èñòî÷íèêè.   Ñîâìåñòíî   ñ   ñîîòâåòñòâóþùåé  ñèñòåìîé   ôîðìèðîâàíèÿ  è  òðàíñïîðòèðîâêè   ïó÷êà   ýòè   èñòî÷íèêè    îáåñïå÷èâàþò   øèðîêèå  ïðåäåëû  ñêîðîñòè  ðàñïûëåíèÿ  ïîâåðõíîñòè  - îò  10-5 äî  103 À/ñ. Ðàçäåëåíèå  âòîðè÷íûõ   ÷àñòèö  ïî   m/å  ïðîèçâîäèòñÿ   ëèáî  ìàãíèòíûìè,   ëèáî   êâàäðóïîëüíûìè   àíàëèçàòîðàìè.    Íàèáîëåå   øèðîêî    ðàñïðîñòðàíåííûì    àíàëèçàòîðîì    â    óñòàíîâêàõ   ÂÈÌÑ,  î÷åíü   óäîáíûì   ïðè  àíàëèçå   ñîñòàâà  îáðàçöîâ   è  îáíàðóæåíèè  ìàëûõ  êîëè÷åñòâ  (ñëåäîâ)  ýëåìåíòîâ   â  íèõ,   ÿâëÿåòñÿ  ìàãíèòíûé  ñïåêòðîìåòð  ñ  äâîéíîé  ôîêóñèðîâêîé  (â   êîòîðîì  îñóùåñòâëÿåòñÿ àíàëèç  ïî ýíåðãèè  è ïî  èìïóëüñó), ÷òî  ñâÿçàíî ñ  åãî âûñîêîé   ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ   ê   îòíîñèòåëüíîìó    ñîäåðæàíèþ.   Äëÿ  òàêèõ    ìíîãîñòóïåí÷àòûõ    ìàãíèòíûõ    ñïåêòðîìåòðîâ    ôîíîâûé  ñèãíàë,   âîçíèêàþùèé  èç-çà   õâîñòîâ  îñíîâíûõ   ïèêîâ  ìàòåðèàëà  ìàòðèöû  (ðàññåÿíèå  ñòåíêàìè,  íà  àòîìàõ  ãàçà  è   ò.ä.),  ìîæåò  áûòü  ñâåäåí  ê  óðîâíþ  ìåíåå  10-9  äëÿ îáùåãî  ôîíà è  âñåãî 10-6   äëÿ  ìàññ,  áëèçêèõ  ê  îñíîâíîìó  ïèêó.  Âñå æå  â îòäåëüíûõ  êîíêðåòíûõ   ñëó÷àÿõ   áîëåå   ïðàêòè÷íûì  ìîæåò   îêàçàòüñÿ  ìåíåå  äîðîãîé   êâàäðóïîëüíûé   àíàëèçàòîð.                                                              

Ïðèíöèï äåéñòâèÿ óñòàíîâîê.

 

                       

                        Ôèã.6. Ñõåìà îáû÷íîãî ìåòîäà è ìåòîäà ïðÿìîãî èçîáðàæåíèÿ ïðè

                                                ìàññ- ñïåêòðîìåòðè÷åñêîì àíàëèçå âòîðè÷íûõ èîíîâ[1].

            Ïðè ìàññ-àíàëèçå âòîðè÷íûõ èîíîâ ïðèìåíÿþòñÿ äâà îñíîâíûõ ìåòîäà: îáû÷íûé ìàññ-ñïåêòðîìåòðè÷åñêèé è ìåòîä ïðÿìîãî èçîáðàæåíèÿ. Îíè ñõåìàòè÷åñêè ñîïîñòàâëåíû íà ôèã.6. Ïðè ïåðâîì ìåòîäå àíàëèçàòîð  ñ õîðîøèì ðàçðåøåíèåì ïåðåäàåò íà âûñîêî÷óâñòâèòåëüíûé èîííûé äåòåêòîð çàìåòíóþ ÷àñòü áûñòðûõ âòîðè÷íûõ èîíîâ, èäóùèõ ñ áîëüøîé ïëîùàäè îáðàçöà (» 1 ìì2). Âûäåëåííûå ïî ìàññå âòîðè÷íûå ÷àñòèöû ñîáèðàþòñÿ â òî÷å÷íûé ôîêóñ íà âõîäíîé ùåëè äåòåêòîðà.  ýòîì ñòàòè÷åñêîì ñëó÷àå ïîëó÷àåìàÿ èíôîðìàöèÿ óñðåäíÿåòñÿ ïî ïîâåðõíîñòè îáðàçöà è íåâîçìîæíî óñòàíîâèòü, èç êàêîé òî÷êè (íàïðèìåð îáëàñòè äèàìåòðîì 1 ìêì) ïîâåðõíîñòè ïðèõîäÿò âòîðè÷íûå èîíû. Ïðè ìåòîäå ïðÿìîãî èçîáðàæåíèÿ  â ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè àíàëèçàòîðà ñîçäàåòñÿ ñòèãìàòè÷åñêîå  èîííîå èçîáðàæåíèå ïîâåðõíîñòè è ïóòåì ñîîòâåòñòâóþùåãî äèôðàãìèðîâàíèÿ (èëè ïðåîáðàçîâàíèÿ èçîáðàæåíèÿ  ïðè ïîìîùè ÷óâñòâèòåëüíîé ê ýëåêòðîíàì èëè èîíàì ýìóëüñèè) ëåãêî ìîæíî ïîëó÷èòü èíôîðìàöèþ î òî÷êàõ âûõîäà èîíîâ ñ äàííûìè m/e ñ ïîâåðõíîñòè îáðàçöà. 

            Âñå óñòàíîâêè ñ ïðÿìûì èçîáðàæåíèåì îñíîâàí íà èäåå  ïðèáîðà Êàñòýíà è Ñëîäçÿíà; âñå èíûå ïðèáîðû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé âàðèàíòû îáû÷íîé ìàññ-ñïåêòðîìåòðè÷åñêîé ìåòîäèêè. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ âòîðè÷íî-èîííîãî èçîáðàæåíèÿ ïîâåðõíîñòè  ïðè îáû÷íîì ïîäõîäå íåîáõîäèìî ïðîâîäèòü ïîñëåäîâàòåëüíûé àíàëèç âòîðè÷íûõ ÷àñòèö ïðè ñêàíèðîâàíèè ïîâåðõíîñòè

 ìèøåíè ïåðâè÷íûì èîííûì ïó÷êîì ìàëîãî äèàìåòðà. Ïðè ýòîì äëÿ ïîëó÷åíèÿ èçîáðàæåíèÿ ìèøåíè íà ýêðàíå ýëåêòðîííî-ëó÷åâîé òðóáêè (ÝËÒ) ïðîùå ýëåêòðè÷åñêè ñêàíèðîâàòü ïåðâè÷íûé ïó÷îê, íåæåëè ìåõàíè÷åñêè ïåðåìåùàòü ñàì îáðàçåö. Ýëåêòðîííûé ëó÷ â ÝËÒ ñèíõðîíèçèðîâàí ñ ïåðâè÷íûì èîííûì ïó÷êîì, è óñèëåííûì ñèãíàëîì âòîðè÷íî-èîííîãî äåòåêòîðà ìîäóëèðóþòñÿ èíòåíñèâíîñòü  ýëåêòðîííîãî ëó÷à â ÝËÒ. Ïîëó÷àåìîå ïðè òàêîì ìåòîäå óâåëè÷åíèå èçîáðàæåíèÿ ðàâíî îòíîøåíèþ äëèíû ñòðîêè íà ýêðàíå ÝËÒ ê ðàññòîÿíèþ íà ïîâåðõíîñòè îáðàçöà, ïðîáåãàåìîìó ïåðâè÷íûì èîííûì ïó÷êîì â ïðîöåññå ñêàíèðîâàíèÿ.

            Âñå óñòàíîâêè ÂÈÌÑ ïîçâîëÿþò îñóùåñòâëÿòü àíàëèç ïîâåðõíîñòè è ðàñïðåäåëåíèÿ êîíöåíòðàöèè ýëåìåíòà ïî ãëóáèíå. Îíè ðàçëè÷àþòñÿ â òàêèõ âàæíûõ îòíîøåíèÿõ, êàê ïîðîã ÷óâñòâèòåëüíîñòè ïðè äåòåêòèðîâàíèè, ðàçðåøåíèå ïî ìàññàì, ïëîòíîñòè òîêà ïåðâè÷íîãî ïó÷êà, âàêóóìíûå óñëîâèÿ â îêðåñòíîñòè ìèøåíè, à òàêæå  âîçìîæíîñòü ïðîâåäåíèÿ àíàëèçà ðàñïðåäåëåíèÿ ýëåìåíòîâ  ïî ïîâåðõíîñòè, èëè òîïîãðàôè÷åñêîãî (x-y) àíàëèçà, ïóòåì ñêàíèðîâàíèÿ çîíäîì èëè ôîðìèðîâàíèÿ èçîáðàæåíèÿ. Ê óñòðîéñòâàì äëÿ òîïîãðàôè÷åñêîãî àíàëèçà îòíîñÿò ëèøü òå, êîòîðûå ïîçâîëÿþò ïîëó÷èòü ðàçðåøåíèå ïî ïîâåðõíîñòè íå õóæå 10 ìêì. Âñå ñóùåñòâóþùèå óñòàíîâêè ÂÈÌÑ ìîæíî ðàçäåëèòü íà òðè ãðóïïû â ñîîòâåòñòâèè ñ ïðèíöèïîì èõ óñòðîéñòâà è ïðèãîäíîñòüþ äëÿ ìèêðîàíàëèçà:

·      íå ïîçâîëÿþùèå îñóùåñòâëÿòü àíàëèç ðàñïðåäåëåíèÿ ýëåìåíòîâ ïî ïîâåðõíîñòè;

·      äàþùèå ñâåäåíèÿ î ðàñïðåäåëåíèè ïî ïîâåðõíîñòè ñ ïîìîùüþ ñêàíèðóþùåãî èîííîãî çîíäà;

·      äàþùèå ñâåäåíèÿ î ðàñïðåäåëåíèè ïî ïîâåðõíîñòè ìåòîäîì ïðÿìîãî èçîáðàæåíèÿ.

Óñòàíîâêè, íå îáåñïå÷èâàþùèå àíàëèçà ðàñïðåäåëåíèÿ ÷àñòèö ïî ïîâåðõíîñòè

            Ðÿä âòîðè÷íî-èîííûõ ìàññ-ñïåêòðîìåòðîâ áûë ñêîíñòðóèðîâàí äëÿ ðåøåíèÿ ÷àñòíûõ àíàëèòè÷åñêèõ ïðîáëåì èëè èññëåäîâàíèÿ ðàçëè÷íûõ çàêîíîìåðíîñòåé âòîðè÷íîé èîííîé ýìèññèè.

            Èñïîëüçîâàííûå íà ðàííåé ñòàäèè èññëåäîâàíèé ýòîãî ÿâëåíèÿ àíàëèçàòîðû ñ îäíîêðàòíîé ôîêóñèðîâêîé (ñåêòîðíûå ìàãíèòû) èìåëè âåñüìà îãðàíè÷åííîå ðàçðåøåíèå ïî ìàññàì è íèçêóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü, ÷òî áûëî îáóñëîâëåíî áîëüøèì ðàçáðîñîì íà÷àëüíûõ ýíåðãèé âòîðè÷íûõ èîíîâ.             

              íàñòîÿùåå  âðåìÿ  áîëüøîå    âíèìàíèå    óäåëÿåòñÿ    êâàäðóïîëüíûì   àíàëèçàòîðàì, ïîñêîëüêó  îíè, áóäó÷è  ïðîñòû è  íåäîðîãè, ïîçâîëÿþò  ïîëó÷àòü  ñâåäåíèÿ  î  ïîâåðõíîñòè è  ïðîôèëå êîíöåíòðàöèè  ïðèìåñè  ïî÷òè âî  âñåõ ñëó÷àÿõ,  êîãäà íå  òðåáóåòñÿ èíôîðìàöèè  î  ðàñïðåäåëåíèè  ïî  ïîâåðõíîñòè  èëè  î÷åíü  ìàëûõ êîëè÷åñòâàõ ïðèìåñè. Äîáèòüñÿ ñíèæåíèÿ ôîíà ïðè ðàáîòå  ñ  êâàäðóïîëüíûì  ôèëüòðîì  ìàññ  ìîæíî çà  ñ÷åò ïðåäâàðèòåëüíîé ñåëåêöèè  âòîðè÷íûõ èîíîâ  ïëîñêîïàðàëëåëüíûì ýëåêòðîñòàòè÷åñêèì àíàëèçàòîðîì ñ ìàëîé äèàôðàãìîé, à  òàêæå âíåàêñèàëüíîãî ðàñïîëîæåíèÿ èîííîãî äåòåêòîðà.

                              

Óñòàíîâêè, ïîçâîëÿþùèå ïîëó÷àòü ñâåäåíèÿ î ðàñïðåäåëåíèè ýëåìåíòà ïî ïîâåðõíîñòè, ñî ñêàíèðóþùèì èîííûì çîíäîì 

            Óñòàíîâêè  ÂÈÌÑ, îòíîñÿùèåñÿ ê ýòîé êàòåãîðèè, îáû÷íî íàçûâàþò èîííûìè çîíäàìè.  ýòèõ óñòàíîâêàõ ïåðâè÷íûé ïó÷îê àíàëèçèðóåòñÿ  ïî ìàññàì è ìîæåò áûòü ñôîêóñèðîâàí â ïÿòíî äèàìåòðîì îò 2 è ìåíåå äî 300 ìêì. Ìàññ-ñïåêòðîìåòð ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé óñòðîéñòâî ñ äâîéíîé ôîêóñèðîâêîé è õîðîøèì ïðîïóñêàíèåì ÷àñòèö, ïîçâîëÿþùåå äàâàòü ñòèãìàòè÷åñêîå èçîáðàæåíèå ïðè ñðåäíåì ðàçðåøåíèè ïî ìàññàì. Ñõåìà òàêîãî ïðèáîðà ïðèâåäåíà íà ôèã.7.

                                               Ôèã.7. Ñõåìà èîííîãî ìèêðîçîíäà[4].

Óñòàíîâêè ñ ïðÿìûì èçîáðàæåíèåì

            Ïåðâîé óñòàíîâêîé ÂÈÌÑ, êîòîðàÿ ïîçâîëèëà ïîëó÷èòü èçîáðàæåíèå îáúåêòà â ëó÷àõ âûäåëåííûõ ïî m/å èîíîâ è âèçóàëüíî íàáëþäàòü ðàñïðåäåëåíèå ýëåìåíòà ïî ïîâåðõíîñòè, áûë ìàññ-ñïåêòðàëüíûé ìèêðîñêîï, åãî ñõåìà ïðåäñòàâëåíà íà ôèã.8. Óíèêàëüíàÿ îñîáåííîñòü ìàññ-ñïåêòðàëüíîãî ìèêðîñêîïà - âîçìîæíîñòü íàáëþäàòü çà èíòåíñèâíîñòüþ âòîðè÷íûõ èîíîâ ñî ñïåöèàëüíî âûäåëåííîãî ìèêðîó÷àñòêà ïîâåðõíîñòè íåçàâèñèìî îò ðàçìåðîâ è ìåñòîïîëîæåíèÿ ïåðâè÷íîãî ïó÷êà, ïîêà õîòÿ áû ÷àñòü åãî ïîïàäàåò íà èíòåðåñóþùèé íàñ ó÷àñòîê ïîâåðõíîñòè. Ýòà âîçìîæíîñòü ÿâëÿåòñÿ öåííîé â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ àíàëèçà ìåòîäîì ÂÈÌÑ ðàñïðåäåëåíèÿ ýëåìåíòîâ ïî ïîâåðõíîñòè è â îáúåìå. Íèæå áóäóò ðàññìîòðåíû íåêîòîðûå èç íàèáîëåå âàæíûõ ïðåèìóùåñòâ, à òàêæå è íåäîñòàòêîâ, ñâîéñòâåííûõ ðàçëè÷íûì òèïàì ïðèáîðîâ.

                                   Ôèã.8. Ñõåìà ìàññ-ñïåêòðàëüíîãî èîííîãî ìèêðîñêîïà[4].

Ïîðîã ÷óâñòâèòåëüíîñòè

            Ìèíèìàëüíî îáíàðóæèìûé óðîâåíü ñîäåðæàíèÿ ýëåìåíòà â äàííîé ìàòðèöå çàâèñèò îò ñâîéñòâ ñàìîãî ýëåìåíòà, õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà ìàòðèöû, â êîòîðîé îí ïðèñóòñòâóåò, ñîðòà ïåðâè÷íûõ èîíîâ, èõ òîêà, ïîïàäàþùåãî íà îáðàçåö, òåëåñíîãî óãëà  îòáîðà  ÷àñòèö  è  ýôôåêòèâíîñòè  ïðîõîæäåíèÿ  âòîðè÷íûõ èîíîâ  ÷åðåç àíàëèçàòîð, åãî îáùåãî ôîíà, à òàêæå ôîíà  è ýôôåêòèâíîñòè äåòåêòîðà.  Âñå ïåðå÷èñëåííûå  ôàêòîðû, êðîìå  äâóõ ïåðâûõ,  îïðåäåëÿþòñÿ  êîíñòðóêöèåé  ïðèáîðà  è,   ñëåäîâàòåëüíî,  ìîãóò  áûòü  îïòèìèçèðîâàíû  ñ   öåëüþ  äîñòèæåíèÿ   íàèáîëåå  âûñîêîé  ÷óâñòâèòåëüíîñòè.   Ïîñêîëüêó  ðàñïûëåíèå   ÿâëÿåòñÿ  ðàçðóøàþùèì ïðîöåññîì,   äëÿ  ìèíèìèçàöèè   êîëè÷åñòâà  ïîòðåáëÿåìîãî  ìàòåðèàëà    íåîáõîäèìû âûñîêîýôôåêòèâíûå àíàëèçàòîðû   è  âûñîêàÿ  ÷óâñòâèòåëüíîñòü.  Ââèäó  òîãî  ÷òî  ðàçëè÷íûå  êîíñòðóêöèè   óñòàíîâîê  ÂÈÌÑ   ïðåäíàçíà÷åíû  ëèáî   äëÿ  âûÿâëåíèÿ  òåõ  èëè  èíûõ  îòäåëüíûõ  îñîáåííîñòåé,  ëèáî  äëÿ îáåñïå÷åíèÿ  íàèáîëüøèõ  óäîáñòâ  èçìåðåíèé,  îíè  âåñüìà  ñèëüíî ðàçëè÷àþòñÿ  ïî ÷óâñòâèòåëüíîñòè.  Óäîáíîé ìåðîé  ÷óâñòâèòåëüíîñòè ìîæåò  ñëóæèòü  îòíîøåíèå  ÷èñëà  ðåãèñòðèðóåìûõ  âòîðè÷íûõ   èîíîâ  ê  ÷èñëó ïåðâè÷íûõ ïðè íåêèõ  ñòàíäàðòíûõ óñëîâèÿõ:  îáðàçåö, ñîðò  ïåðâè÷íûõ   ÷àñòèö    è   íåêîòîðîå    ìèíèìàëüíîå   ðàçðåøåíèå  ïî   ìàññå. Óñòàíîâêè   ÂÈÌÑ,    ïîçâîëÿþùèå   ðåãèñòðèðîâàòü »106  èîí/ñ  õàðàêòåðíîãî  ýëåìåíòà  èç  îêñèäíîé  ìàòðèöû (íàïðèìåð, èîíû Fe+ èç  îáðàçöà Fe2O3)  ïðè òîêå  ïåðâè÷íîãî ïó÷êà  10-9  À, êëàññèôèöèðóþòñÿ  êàê èìåþùèå  ÷óâñòâèòåëüíîñòü, äîñòàòî÷íóþ  äëÿ  îáíàðóæåíèÿ  ñëåäîâ  ýëåìåíòîâ è  äëÿ ìèêðîàíàëèçà ïîâåðõíîñòè.                                            

            Õèìè÷åñêèé  ñîñòàâ   ìàòðèöû  îáðàçöà   îêàçûâàåò  íåïîñðåäñòâåííîå  âëèÿíèå íà  ïîðîã ÷óâñòâèòåëüíîñòè  äëÿ òåõ  èëè èíûõ  ýëåìåíòîâ  è  ÿâëÿåòñÿ  îñíîâíûì   èñòî÷íèêîì íåêîíòðîëèðóåìûõ  èçìåíåíèé  ýòîé  âåëè÷èíû.  Ìàòðèöà  âëèÿåò  íà  ïîðîã ÷óâñòâèòåëüíîñòè  äâîÿêèì  îáðàçîì:  îò  íåå  çàâèñèò  êîýôôèöèåíò SA±  èç-çà ðàçëè÷èé â ýëåêòðîííûõ ñâîéñòâàõ ìàòåðèàëîâ, è  îíà ìîæåò   äàâàòü   íåæåëàòåëüíûå   ìîëåêóëÿðíûå   è  ìíîãîçàðÿäíûå èîíû, êîòîðûå îêàæóòñÿ  â ìàññ-ñïåêòðå  â äèàïàçîíå  ìàññ, èíòåðåñóþùåì èññëåäîâàòåëÿ. Íî  ÷èñëî ìîëåêóëÿðíûõ  èîíîâ  áûñòðî  óìåíüøàåòñÿ  ñ  ðîñòîì  ÷èñëà àòîìîâ, âõîäÿùèõ â ñîñòàâ ìîëåêóëû, è â  áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ  ïðè êîíöåíòðàöèÿõ  ýëåìåíòà,  íå  ïðåâûøàþùèõ  10-4, îñîáûõ  ñëîæíîñòåé â ñâÿçè ñ íàëîæåíèÿìè ïèêîâ íå âîçíèêàåò.

            


Ôèã.9.   Ó÷àñòîê ìàññ-ñïåêòðà âòîðè÷íûõ èîíîâ 

                ôëþîðàïàòèòà âáëèçè ìàññû 43 ïðè ðàçíîì             ðàçðåøåíèè ïî ìàññàì: à-300; á-1000; â-3000[1].


            Ïåðåêðûòèå   ïèêîâ  îò   àòîìàðíûõ  è   ìîëåêóëÿðíûõ  èîíîâ ìîæíî  âûÿâèòü  äâóìÿ ñïîñîáàìè:  ïóòåì àíàëèçà  áûñòðûõ âòîðè÷íûõ èîíîâ  èëè  ïðèìåíåíèåì àíàëèçàòîðîâ  ïî  m/å  ñ  ðàçðåøåíèåì  Ì/DÌ  >  3000.     ïåðâîì ñëó÷àå  êîýôôèöèåíò  èîííîé  ýìèññèè  óìåíüøàåòñÿ  ïðèìåðíî âî ñòîëüêî  æå  ðàç,  âî  ñêîëüêî êîýôôèöèåíò  âûáèâàíèÿ ìîëåêóëÿðíûõ  èîíîâ  óìåíüøàåòñÿ  ïî ñðàâíåíèþ  ñ àòîìàðíûìè.   íåêîòîðûõ  ñëó÷àÿõ ýòîò  ìåòîä âïîëíå  ïðèåìëåì; íî  ïðè ðåøåíèè


ìíîãî÷èñëåííûõ  çàäà÷  îáíàðóæåíèÿ  ñëåäîâ  ïðèìåñåé  èëè ìèêðîàíàëèçà  ïîâåðõíîñòè  íåäîïóñòèìî  áîëüøîå  ñíèæåíèå  ÷óâñòâèòåëüíîñòè õàðàêòåðíîå äëÿ ýòîãî ìåòîäà. Âòîðîé ñïîñîá     ÿâëÿåòñÿ áîëåå ïðÿìûì è ñ òî÷êè çðåíèÿ àíàëèçà áîëåå ïðåäïî÷òèòåëåí. ×òîáû âûÿâèòü ñëîæíóþ ñòðóêòóðó îòäåëüíûõ ïèêîâ â ìàññ-ñïåêòðàõ  èñïîëüçóþò äëÿ ÂÈÌÑ ïðèáîðû ñ âûñîêèì ðàçðåøåíèåì ïî ìàññå. Íà ôèã.9,  ïðåäñòàâëåíà ôîðìà ïèêà ñ ìàññîé 43 àò. åä. ïðè ðàçíûõ ðàçðåøåíèÿõ àíàëèçàòîðà. Âûñîêîå ðàçðåøåíèå î÷åíü âàæíî äëÿ óìåíüøåíèÿ èëè èñêëþ÷åíèÿ â èäåíòèôèêàöèè ïèêîâ m/å, îñîáåííî åñëè îñíîâíîé öåëüþ ÿâëÿåòñÿ îáíàðóæåíèå ñëåäîâ ýëåìåíòîâ íà óðîâíå àòîìíûõ êîíöåíòðàöèé, íå ïðåâûøàþùèõ 10-5.

            Âîïðîñ î ïîðîãå ÷óâñòâèòåëüíîñòè ìåòîäà ÂÈÌÑ äëÿ ðàçëè÷íûõ ýëåìåíòîâ èññëåäîâàëñÿ ìíîãèìè àâòîðàìè  êàê òåîðåòè÷åñêè, òàê è íà îñíîâå ðåçóëüòàòîâ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èçìåðåíèé. Ïðè ýòîì áûëè ïîëó÷åíû ñëåäóþùèå ïðèìåðíûå çíà÷åíèÿ, ïîäòâåðäèâøèåñÿ â íåêîòîðûõ ñòðîãî îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ: ìåíåå 10-7 ìîíîàòîìíîãî ñëîÿ, àòîìíàÿ êîíöåíòðàöèÿ 10-9 è ìåíåå 10-18 ã ýëåìåíòà. Íî ýòè çíà÷åíèÿ õàðàêòåðíû ëèøü äëÿ íåêîòîðûõ ÷àñòíûõ ñëó÷àåâ è íå ÿâëÿþòñÿ íîðìîé íà ïðàêòèêå. Îáû÷íî ìû èìååì äåëî ñî ñëîæíûìè ñïåêòðàìè ñ ìíîãîêðàòíûìè íàëîæåíèÿìè ëèíèé, â ñèëó ÷åãî ïîðîã ÷óâñòâèòåëüíîñòè îêàçûâàåòñÿ ñèëüíî çàâèñÿùèì îò ïðèðîäû ìàòðèöû îáðàçöà. Ïîýòîìó, óêàçûâàÿ ïîðîã ÷óâñòâèòåëüíîñòè, íåîáõîäèìî óêàçûâàòü è ñîîòâåòñòâóþùèå äîïîëíèòåëüíûå ôàêòîðû, â ÷àñòíîñòè òèï ìàòðèöû, è íå ñëåäóåò äåëàòü îãóëüíûå óòâåðæäåíèÿ îòíîñèòåëüíî òîãî èëè èíîãî ýëåìåíòà.

            Åñëè ïðåíåáðå÷ü âîçìîæíûì ïåðåêðûòèåì ïèêîâ, òî ïîðîã ÷óâñòâèòåëüíîñòè äëÿ íåêîòîðîãî ýëåìåíòà â ìàòðèöå îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëåí òîêó ïåðâè÷íûõ èîíîâ IP, ïîïàäàþùåìó íà îáðàçåö. Íà ôèã.5  è 10 ïîêàçàíî, êàê


Ôèã.10. Çàâèñèìîñòü ïîðîãà ÷óâñòâèòåëüíîñòè     òèïè÷íîãî ïðèáîðà ÂÈÌÑ îò äèàìåòðà              ïåðâè÷íîãî èîííîãî ïó÷êà[1].


èçìåíÿåòñÿ ïîðîã ÷óâñòâèòåëüíîñòè â çàâèñèìîñòè îò ðàçëè÷íûõ ïàðàìåòðîâ, âëèÿþùèõ íà òîê ïåðâè÷íûõ èîíîâ. Ïðèâåäåííûå çäåñü çíà÷åíèÿ ïîðîãà ÷óâñòâèòåëüíîñòè îñíîâàíû íà ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ, ïîëó÷åííûõ â òèïè÷íûõ äëÿ àíàëèçà óñëîâèÿõ, êîãäà ïåðâè÷íûìè ÷àñòèöàìè ñëóæàò èîíû Î2+. Îáëàñòü ñ ïðîñòîé øòðèõîâêîé íà ôèã.10 âáëèçè ëèíèè 5 ìÀ/ñì2 ñîîòâåòñòâóåò äèàïàçîíó ïëîòíîñòåé òîêîâ ïåðâè÷íûõ ÷àñòèö, îáû÷íî ïðèìåíÿåìûõ â óñòàíîâêàõ  òèïà èîííîãî ìèêðîçîíäà èëè ìàññ-ñïåêòðàëüíîãî ìèêðîñêîïà. Îáëàñòü ñ äâîéíîé øòðèõîâêîé îòâå÷àåò óñëîâèÿì, ïðè êîòîðûõ ñóùåñòâåííî íàëîæåíèå ëèíèé ñëîæíûõ ìîëåêóëÿðíûõ èîíîâ, è íåîáõîäèìî ïîçàáîòèòüñÿ îá èäåíòèôèêàöèè ïèêîâ ïî m/å. Èñòèííîå ïîëîæåíèå èëè âûñîòà ýòîé îáëàñòè çàâèñèò êàê îò ìàòðèöû îáðàçöà, òàê è îò ðàçðåøåíèÿ ïî ìàññàì è ÷óâñòâèòåëüíîñòè ìàññ-àíàëèçàòîðà. Äëÿ


ìèêðîàíàëèçà ïîâåðõíîñòè, ò.å. èññëåäîâàíèÿ îáëàñòåé äèàìåòðîì <3 ìêì, ìåòîäàìè èîííîãî çîíäà èëè ìàññ-ñïåêòðàëüíîãî ìèêðîñêîïà ìèíèìàëüíî äåòåêòèðóåìûé óðîâåíü ñèãíàëà âûøå óðîâíÿ, ïðè êîòîðîì ñòàíîâèòñÿ âàæíûì ïåðåêðûâàíèå ïèêîâ ìîëåêóëÿðíûõ èîíîâ (ôèã. 10); ñëåäîâàòåëüíî, åñëè òðåáóåòñÿ îñóùåñòâèòü òîëüêî îáùèé àíàëèç ìàëûõ ó÷àñòêîâ  òâåðäîãî òåëà, òî  âûñîêîå ðàçðåøåíèå  ïî ìàññàì  íå îáÿçàòåëüíî.  Åñëè æå  èíòåðåñîâàòüñÿ  ñëåäàìè  ýëåìåíòîâ â  ñëîæíûõ ìàòðèöàõ,  òî íåîáõîäèìî  èìåòü  ìàññ-àíàëèçàòîð   ñ  âûñîêèì   ðàçðåøåíèåì  ïî ìàññàì.       

Àíàëèç ñëåäîâ ýëåìåíòîâ                                    

            Ïðåäïîëàãàåìûé   ïîðîã   ÷óâñòâèòåëüíîñòè   ìåòîäà   ÂÈÌÑ äëÿ  ìíîãèõ  ýëåìåíòîâ  áëèçîê  ê  10-9.  Íî äëÿ  îáåñïå÷åíèÿ îáùåãî  ïîðîãà  ÷óâñòâèòåëüíîñòè  òàêîãî  ïîðÿäêà  íà  ïðàêòèêå íåîáõîäèìî èñïîëüçîâàòü (êàê âèäíî èç ñêàçàííîãî âûøå)  ìàññ-àïàëèçàòîðû  ñ  âûñîêèì  ðàçðåøåíèåì  è  âûñîêîé  ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ  ê  îòíîñèòåëüíîìó  ñîäåðæàíèþ  è, êðîìå  òîãî, êîíòðîëèðîâàòü ðÿä ýôôåêòîâ, î êîòîðûõ ãîâîðèòñÿ íèæå.           

            Áîëüøàÿ  ÷àñòü  âòîðè÷íûõ  èîíîâ  âûõîäèò èç  íåñêîëüêèõ íàðóæíûõ  àòîìíûõ  ñëîåâ  òâåðäîãî  òåëà,  à   ïîýòîìó  âåùåñòâî,  àäñîðáèðîâàííîå íà  ïîâåðõíîñòè, âûñòóïàåò  â ñïåêòðå  êàê âàæíûé  êîìïîíåíò  òâåðäîãî  òåëà  èëè  åãî   ïîâåðõíîñòè.  Ñðåäà,  îêðóæàþùàÿ  îáðàçåö,   îáû÷íî  ñîäåðæèò   ìîëåêóëû  óãëåâîäîðîäîâ, Í2, N2, Î2,  Í2Î, ÑÎ2  è ÑÎ.  Ïîýòîìó îáíàðóæåíèå  â ìàòðèöå  ñëåäîâ  òàêèõ  ýëåìåíòîâ, êàê  Ñ, N,  Í è  Î, îêàçûâàåòñÿ  âåñüìà  ñëîæíûì  â  òîì  ñëó÷àå,  åñëè  íå  ïðèíÿòû ñïåöèàëüíûå  ìåðû  äëÿ  ñâåäåíèÿ  ê  ìèíèìóìó èõ  âëèÿíèÿ. Ìåðû  ýòè òàêîâû:  ïðîâåäåíèå  èçìåðåíèé  â  ñâåðõâûñîêîì  âàêóóìå,  ñâîáîäíîì  îò  óãëåâîäîðîäîâ,  ïðèìåíåíèå   êðèîãåííîé  è   ãåòòåðíîé  îòêà÷êè  îáúåìà  âáëèçè  îáðàçöà  è ðàáîòà  ïðè âûñîêèõ  ïëîòíîñòÿõ òîêà ïåðâè÷íûõ èîíîâ, ïðè êîòîðûõ ñêîðîñòü óäàëåíèÿ ïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ â ðåçóëüòàòå ðàñïûëåíèÿ íàìíîãî áîëüøå ñêîðîñòè ïîñòóïëåíèÿ ÷àñòèö çàãðÿçíåíèé. Ïðè äàâëåíèè 10-8 ìì ðò. ñò. ñêîðîñòü ïðèõîäà íà ìèøåíü àòîìîâ èëè ìîëåêóë îñòàòî÷íûõ ãàçîâ ïðèáëèçèòåëüíî ðàâíà ñêîðîñòè ïîñòóïëåíèÿ èîíîâ ïåðâè÷íîãî ïó÷êà ñ ïëîòíîñòüþ òîêà - 10 ìÀ/ñì2.

            Èñòî÷íèêàìè çàãðÿçíåíèé ñëóæàò òàêæå ïîâåðõíîñòè , ðàñïîëîæåííûå âáëèçè ìèøåíè, íà êîòîðûå ïîïàäàåò çíà÷èòåëüíîå êîëè÷åñòâî ðàñïûëåííîãî âåùåñòâà. ×àñòü ýòîãî âåùåñòâà â  ðåçóëüòàòå èñïàðåíèÿ èëè ðàñïûëåííàÿ âòîðè÷íûìè è îòðàæåííûìè èîíàìè ìîæåò âîçâðàùàòüñÿ íà ìèøåíü. Ýòî òàê íàçûâàåìûé “ýôôåêò ïàìÿòè”, è åãî çíà÷åíèå â êîíêðåòíîì àíàëèçå çàâèñèò îò ïðåäûñòîðèè îáðàçöà. Äàííûé ýôôåêò íàèáîëåå çíà÷èòåëåí â ïðèáîðàõ, ãäå èñïîëüçóþòñÿ áîëüøèå òîêè ïåðâè÷íûõ èîíîâ, à âûòÿãèâàþùèå ëèíçû ðàñïîëîæåíû âáëèçè ïîâåðõíîñòè èçó÷àåìîãî îáðàçöà.


Ôèã.11. Êîìïîíåíòû ñôîêóñèðîâàííîãî èîííîãî ïó÷êà, ñâÿçàííûå ñ ðàññåÿííûìè èîíàìè                 è íåéòðàëüíûìè àòîìàìè[1].


   ×òîáû ïðåäóïðåäèòü âíåäðåíèå â îáðàçåö òîãî ýëåìåíòà, ñîäåðæàíèå êîòîðîãî îïðåäåëÿåòñÿ, îñîáåííî âàæíà õèìè÷åñêàÿ ÷èñòîòà ïåðâè÷íîãî èîííîãî ïó÷êà. Ïðè òèïè÷íûõ óñëîâèÿõ (ñêîðîñòü ðàñïûëåíèÿ îáðàçöà, ïðîáåë è ðàçáðîñ ïî ïðîáåãàì ïåðâè÷íûõ èîíîâ) è â ïðåäïîëîæåíèè, ÷òî ðàñïûëåíèå ïðîäîëæàåòñÿ äîñòàòî÷íî, äîëãî, äëÿ òîãî ÷òîáû âîçäåéñòâîâàòü íà óæå ëåãèðîâàííóþ çîíó, à îñíîâíûì èñòî÷íèêîì èîíîâ ïðèìåñè ÿâëÿåòñÿ îáðàòíîå ðàñïûëåíèå ðàíåå âíåäðåííûõ ÷àñòèö, ïðèñóòñòâèå â ïåðâè÷íîì èîííîì ïó÷êå 10-6 çàãðÿçíåíèé äîëæíî ïðîÿâèòüñÿ êàê îáúåìíàÿ ïðèìåñü ñ àòîìíîé êîíöåíòðàöèåé ~10-7. ×òîáû ãàðàíòèðîâàòü ÷èñòîòó ïåðâè÷íîãî èîííîãî ïó÷êà è èñêëþ÷èòü âîçìîæíîñòü îñëîæíåíèé íà óðîâíå ñëåäîâ ýëåìåíòîâ, æåëàòåëüíî îñóùåñòâëÿòü ñåïàðàöèþ ïó÷êà ïåðâè÷íûõ èîíîâ ïî ìàññå.

            ×òîáû óìåíüøèòü âëèÿíèå çàãðÿçíåíèÿ ïîâåðõíîñòè îñòàòî÷íûìè ãàçàìè, ïðè àíàëèçå îáúåìíîãî ñîñòàâà òâåðäîãî òåëà îáû÷íî ïîëüçóþòñÿ ïåðâè÷íûìè èîííûìè ïó÷êàìè ñ âûñîêîé ïëîòíîñòüþ òîêà. Ïðè ýòîì îáëàñòü


ìàëîé ïëîòíîñòè òîêà, ò.å. ïåðèôåðèéíàÿ ÷àñòü ïó÷êà, äàåò îñíîâíîé âêëàä âî âòîðè÷íî-èîííûé ñèãíàë òîãî ýëåìåíòà, êîòîðûé ïðèñóòñòâóåò îäíîâðåìåííî  êàê  â  îñòàòî÷íîì ãàçå, òàê è â òâåðäîì òåëå â âèäå ìèêðîïðèìåñè.  Ê ïîäîáíîìó ýôôåêòó ìîæåò ïðèâåñòè íå òîëüêî çàãðÿçíåíèå àòîìàìè îñòàòî÷íûõ ãàçîâ (îáû÷íî íàèáîëåå ñóùåñòâåííîå), íî è ëþáûå èíûå èñòî÷íèêè ïîâåðõíîñòíûõ çàãðÿçíåíèé, äåéñòâóþùèå âî âðåìÿ èçìåðåíèé. Äëÿ óñòàíîâîê ÂÈÌÑ, îñíîâàííûõ íà îáû÷íîé ìåòîäèêå ìàññ-ñïåêòðîìåòðèè, óêàçàííàÿ ïðîáëåìà áîëåå âàæíà, ÷åì äëÿ ìàññ-ñïåêòðàëüíûõ ìèêðîñêîïîâ.  ïîñëåäíåì ñëó÷àå ìîæíî â ïëîñêîñòè èçîáðàæåíèÿ ïîìåñòèòü âûðåçàþùóþ äèàôðàãìó òàê, ÷òîáû îòáèðàòü ëèøü èîíû, âûõîäÿùèå èç ñðåäíåé, ýôôåêòèâíî ðàñïûëÿåìîé ÷àñòè ìèøåíè, ãäå ðàâíîâåñíàÿ ïîâåðõíîñòíàÿ êîíöåíòðàöèÿ àäñîðáèðîâàííûõ çàãðÿçíåíèé ìèíèìàëüíà.

            Äðóãîé ýôôåêò, â èçâåñòíîé ìåðå àíàëîãè÷íûé ðàññìîòðåííîìó âûøå ýôôåêòó ïåðèôåðèéíîé îáëàñòè ïó÷êà, ïîÿñíÿåòñÿ ñõåìîé, ïðåäñòàâëåííîé íà ôèã.11. Îí ñâÿçàí ñ îáëó÷åíèåì áîëüøîé ïëîùàäè îáðàçöà áûñòðûìè íåéòðàëüíûìè àòîìàìè,  îáðàçóþùèìèñÿ  â ðåçóëüòàòå ïåðåçàðÿäêå ïðè ñòîëêíîâåíèÿõ ïåðâè÷íûõ èîíîâ ñ àòîìàìè, à òàêæå ðàññåÿííûìè èîíàìè, âîçíèêàþùèìè ïðè ôîêóñèðîâêå ïåðâè÷íîãî èîííîãî ïó÷êà íà ìèøåíü. Ðàçìåð îáëó÷àåìîé ýòèìè ÷àñòèöàìè îáëàñòè îïðåäåëÿåòñÿ îãðàíè÷èâàþùèìè äèàôðàãìàìè íà ïóòè èîííîãî ïó÷êà è   îáû÷íî ïðåâûøàåò 250 ìêì. Ðîëü ýòîãî ýôôåêòà çàâèñèò îò äàâëåíèÿ îñòàòî÷íûõ ãàçîâ, êîíñòðóêöèè ëèíç, ðàñïîëîæåíèÿ è  ðàçìåðîâ äèàôðàãì è ãåîìåòðè÷åñêîãî óñòðîéñòâà ýëåêòðîäîâ êîëîííû. Òàêàÿ íåñôîêóñèðîâàííàÿ ÷àñòü îáëó÷àþùåãî ìèøåíü ïîòîêà íåïîñðåäñòâåííî íå çàâèñèò îò ñôîêóñèðîâàííîãî èîííîãî òîêà, ïîñòóïàþùåãî íà îáðàçåö, íî â îñíîâíîé ñâîåé ÷àñòè îïðåäåëÿåòñÿ ïîëíûì ïîòîêîì èîíîâ â êîëîííå.                  

             ìèêðîçîíäîâîì âàðèàíòå ìåòîäà ÂÈÌÑ ýòè ýôôåêòû ãîðàçäî áîëåå ñåðüåçíû, íåæåëè â ìàññ-ñïåêòðàëüíûõ ìèêðîñêîïàõ. Íî ê ñóùåñòâåííûì îøèáêàì ïðè àíàëèçå ñ ïðèìåíåíèåì ìèêðîçîíäà îíè ïðèâîäÿò òîëüêî â òîì ñëó÷àå, êîãäà áîëüøàÿ ïëîùàäü, îáëó÷àåìàÿ íåñôîêóñèðîâàííîé ÷àñòüþ ïó÷êà, çàìåò íî îòëè÷àåòñÿ ïî ñîñòàâó îò àíàëèçèðóåìîé òî÷êè. Ïðè äèàìåòðå  ïó÷êà, ðàâíîì íåñêîëüêèì ìèêðîìåòðàì, íåñôîêóñèðîâàííûé êîìïîíåíò ìîæåò îáëó÷àòü áîëüøóþ ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè îáðàçöà è ñîñòàâëÿòü  áîëåå 1%  èîííîãî ïîòîêà.  Îñîáåííî íåáëàãîïðèÿòíûå óñëîâèÿ âîçíèêàþò, åñëè äåòàëè êîëîííû ôîðìèðîâàíèÿ ïåðâè÷íîãî ïó÷êà (èîííûé èñòî÷íèê, ëèíçû, îòðàæàòåëü, äèàôðàãìû)  ðàçìåùåíû  íà  îäíîé  îñè, ïåðåñåêàþùåéñÿ  ñ îñüþ  àíàëèçàòîðà  âòîðè÷íûõ  ÷àñòèö.   Ýòîò  ýôôåêò   ìîæíî  ñèëüíî  îñëàáèòü, åñëè îòêëîíèòü ïåðâè÷íûé ïó÷îê îò îñè ïðèáîðà è  äèàôðàãìèðîâàòü åãî âáëèçè ñàìîãî îáðàçöà.                    

            Äðóãîé  ìåòîä,   ïðèãîäíûé  ïðè  îáúåìíîì  àíàëèçå â  óñëîâèÿõ, êîãäà  ïîâåðõíîñòü îáðàçöà  íåîäíîðîäíà  ïî ñîñòàâó  èëè çàãðÿçíåíà  ýëåìåíòàìè, ïðèñóòñòâèå êîòîðûõ â  îáúåìå è  èññëåäóåòñÿ, çàêëþ÷àåòñÿ  â íàíåñåíèè  íà ïîâåðõíîñòü  ïëåíêè ñëîÿ  âûñîêî÷èñòîãî óãëåðîäà  (èëè äðóãîãî ýëåìåíòà,  îòñóòñòâóþùåãî â  îáúåìå è  íå ïðåäñòàâëÿþùåãî èíòåðåñà â ïðîâîäèìîþ àíàëèçå) òîëùèíîé  200 -  500 À.   àíàëèçèðóåìîé  òî÷êå ýòîò  ñëîé ìîæåò  áûòü ëåãêî  óäàëåí ïåðâè÷íûì  ïó÷êîì  áîëüøîé ïëîòíîñòè.   òî  æå âðåìÿ  “õâîñò” ìàëîé  ïëîòíîñòè òîêà  íà êðàÿõ  ïó÷êà è  íåñôîêóñèðîâàííûå êîìïîíåíòû ïåðâè÷íîãî ïó÷êà áóäóò ïîïàäàòü  íà ïîâåðõíîñòü  èç ÷èñòîãî  óãëåðîäà, è, ñëåäîâàòåëüíî,  îáëàñòè ïîâåðõíîñòè,  îòëè÷íûå îò  öåíòðàëüíîé, íå äàäóò êàêîãî-ëèáî âêëàäà â ñèãíàë.

         

Èîííîå èçîáðàæåíèå 

            Âòîðè÷íî-èîííîå   èçîáðàæåíèå,  äàþùåå   äâóìåðíóþ  êàðòèíó  ðàçìåùåíèÿ ýëåìåíòà  ïî ïîâåðõíîñòè,  ìîæåò áûòü  ïîëó÷åíî ëèáî  ìåòîäîì ìàññ-ñïåêòðàëüíîãî  ìèêðîñêîïà, ëèáî ìåòîäîì ñêàíèðóþùåãî  ìèêðîçîíäà.  ìàññ-ñïåêòðàëüíûõ ìèêðîñêîïàõ ðàçðåøåíèå ïî ïîâåðõíîñòè íå çàâèñèò îò ðàçìåðîâ ïåðâè÷íîãî èîííîãî ïó÷êà; îíî îïðåäåëÿåòñÿ àáåððàöèÿìè îïòèêè àíàëèçàòîðà âòîðè÷íûõ èîíîâ è   õðîìàòè÷åñêèìè àáåððàöèÿìè, îáóñëîâëåííûìè ðàçáðîñîì âòîðè÷íûõ èîíîâ ïî ýíåðãèÿì. Åñëè óëó÷øàòü ðàçðåøåíèå ââåäåíèåì ôèëüòðà ýíåðãèé, òî  ñíèæàåòñÿ “ñâåòîñèëà”  ïðèáîðà (÷èñëî ðåãèñòðèðóåìûõ âòîðè÷íûõ èîíîâ, ïðèõîäÿùèõñÿ íà îäíó ïåðâè÷íóþ ÷àñòèöó).  ìàññ-ñïåêòðàëúíûõ ìèêðîñêîïàõ äîñòèãíóòî ïîâåðõíîñòíîå ðàçðåøåíèå ~1 ìêì.        

             ïðèáîðàõ ñî ñêàíèðóþùèì ìèêðîçîíäîì ïîâåðõíîñòíîå   ðàçðåøåíèå îãðàíè÷åíî äèàìåòðîì ïåðâè÷íîãî ïó÷êà, à ïîòîìó  îïðåäåëÿåòñÿ êà÷åñòâîì ñèñòåìû, ôîêóñèðóþùåé ïåðâè÷íûé ïó÷îê. Ïðè âûñîêîé ñòåïåíè ôîêóñèðîâêè (ïó÷êè äèàìåòðîì ìåíåå 1  ìêì) çíà÷èòåëüíûé  âêëàä â  ïîëíûé ïîòîê  ïåðâè÷íûõ ÷àñòèö,  ïàäàþùèõ  íà  îáðàçåö,  ìîæåò  ñîñòàâèòü íåñôîêóñèðîâàííûé  êîìïîíåíò  è,  ñëåäîâàòåëüíî, äîëæíû áûòü  ïðèíÿòû ìåðû  äëÿ åãî  óñòðàíåíèÿ. Ñâåòîñèëà  ïðèáîðà òàêîãî  òèïà  îñòàåòñÿ  ïîñòîÿííîé  ïðè ëþáîì  ïîâåðõíîñòíîì ðàçðåøåíèè,  òàê  êàê  îíà  îïðåäåëÿåòñÿ   àíàëèçàòîðîì  âòîðè÷íûõ  èîíîâ, à íå  ðàçìåðàìè ïåðâè÷íîãî  ïó÷êà.   ìèêðîçîíäîâûõ ïðèáîðàõ áûëî äîñòèãíóòî ðàçðåøåíèå 1 - 2 ìêì. Ïðåäåëüíîå  ðàçðåøåíèå,  êîòîðîå ìîæíî  íàäåÿòüñÿ ïîëó÷èòü  â ïðèáîðàõ  ñ  âòîðè÷íîé  èîííîé  ýìèññèåé,  -  ïîðÿäêà  100  À.  Ýòî  îæèäàåìîå çíà÷åíèå -  ôèçè÷åñêèé ïðåäåë,  îáóñëîâëåííûé õàðàêòåðèñòèêàìè êàñêàäîâ  ñòîëêíîâåíèé, ïåðåìåøèâàíèåì  â ïðèïîâåðõíîñòíûõ ñëîÿõ, âûçûâàåìûì ïåðâè÷íûìè  èîíàìè, è  ñðåäíåé ãëóáèíîé âûõîäà âòîðè÷íûõ èîíîâ. Îäíàêî ïðàêòè÷åñêè èç-çà îãðàíè÷åííîé âûõîäíîé èíòåíñèâíîñòè èñòî÷íèêà ïåðâè÷íûõ èîíîâ è íåäîñòàòî÷íî âûñîêîãî êà÷åñòâà îïòèêè ýëåêòðîñòàòè÷åñêèõ ëèíç íèæíèé ïðåäåë ðàçìåðîâ èîííîãî ïó÷êà îêàçûâàåòñÿ  ~ 1000 À.          

            Ïðè îäèíàêîâîì ïîâåðõíîñòíîì ðàçðåøåíèè è ïðè îäèíàêîâûõ ïëîòíîñòÿõ ïåðâè÷íîãî òîêà ìàññ-ñïåêòðàëüíûé ìèêðîñêîï òðåáóåò äëÿ ïîëó÷åíèÿ èîííîãî èçîáðàæåíèÿ áîëüøîé ïëîùàäè (íàïðèìåð, 200 Õ 200 ìêì2) ìåíüøå âðåìåíè, ÷åì ñêàíèðóþùèé ìèêðîçîíä. Äåëî â òîì, ÷òî â ìèêðîñêîïå èíôîðìàöèÿ ñîáèðàåòñÿ îäíîâðåìåííî îò âñåõ òî÷åê ïîâåðõíîñòè, à íå ïîñëåäîâàòåëüíî îò òî÷êè ê òî÷êå. Íî åñëè èíòåðåñîâàòüñÿ ìàëûìè ó÷àñòêàìè (20 Õ 20 ìêì2), òî âðåìÿ ôîðìèðîâàíèÿ èçîáðàæåíèÿ, ïîëó÷àåìîãî ïðè ïîìîùè ìèêðîçîíäà, îêàçûâàåòñÿ òàêèì æå, êàê è â ìàññ-ñïåêòðàëüíîì ìèêðîñêîïå, èëè äàæå ìåíüøèì. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ áîëüøèì óñèëåíèåì â ðåãèñòðèðóþùåé ñèñòåìå ìèêðîçîíäîâûõ óñòðîéñòâ (ýëåêòðîííûé óìíîæèòåëü è ÝËÒ ñ ìîäóëÿöèåé ÿðêîñòè) è ñðàâíèòåëüíî íèçêîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ ôîòîýìóëüñèé, ïðèìåíÿåìûõ äëÿ ðåãèñòðàöèè èçîáðàæåíèé.      

            Ïðè àíàëèçå ìàëûõ ïëîùàäåé ñêàíèðóþùèé ìèêðîçîíä äàåò åùå äâà ïðåèìóùåñòâà: ìåíüøå ó÷àñòîê ïîâåðõíîñòè, èñïûòûâàþùèé âîçìóùåíèå, à èçîáðàæåíèå, ïîëó÷àåìîå íà ýêðàíå ÝËÒ, ñðàçó æå ïðèãîäíî äëÿ àíàëèçà.

Òðåáîâàíèÿ ê ïåðâè÷íîìó èîííîìó ïó÷êó               

            Ïåðâè÷íûé èîííûé ïó÷îê èãðàåò î÷åíü âàæíóþ ðîëü â ïðèáîðàõ ÂÈÌÑ; ïîýòîìó öåëåñîîáðàçíî îñòàíîâèòüñÿ íà íåêîòîðûõ æåëàåìûõ õàðàêòåðèñòèêàõ ïó÷êà è ñèñòåìû åãî ôîðìèðîâàíèÿ, î êîòîðûõ ðàíåå íå ãîâîðèëîñü. Ýòà ñèñòåìà äîëæíà ñîçäàâàòü ñôîêóñèðîâàííûé è ñòàáèëüíûé ïó÷îê èîíîâ èíåðòíîãî       ãàçà (íàïðèìåð, Àã+), à òàêæå ïîëîæèòåëüíûõ è îòðèöàòåëüíûõ èîíîâ õèìè÷åñêè àêòèâíîãî ãàçà (íàïðèìåð, Î2+ è Î-). Èîíû àêòèâíûõ ãàçîâ íóæíû ïðè îáúåìíîì àíàëèçå òâåðäîãî òåëà, à ïðè îáëó÷åíèè îòðèöàòåëüíûìè èîíàìè ñíèæàåòñÿ  ðîëü çàðÿäêè ïîâåðõíîñòè.                               

            Íàêîïëåíèå çàðÿäà íà ïîâåðõíîñòè çàâèñèò îò ðîäà ïåðâè÷íûõ èîíîâ, èõ çàðÿäà, ýíåðãèè è ïëîòíîñòè òîêà, ðàçìåðîâ îáëó÷àåìîé îáëàñòè, à òàêæå ïðîâîäèìîñòè è òîëùèíû ñëîÿ äèýëåêòðèêà. Ëîêàëüíûå èçìåíåíèÿ ïîòåíöèàëà ïîâåðõíîñòè ìîãóò âûçûâàòü ðÿä íåæåëàòåëüíûõ ýôôåêòîâ: ñìåùåíèå ïó÷êà, ìèãðàöèþ ýëåìåíòîâ â èìïëàíòèðîâàííîé çîíå, à òàêæå èçìåíåíèå ýíåðãèè âòîðè÷íûõ èîíîâ è óìåíüøåíèå ýôôåêòèâíîñòè èõ ñîáèðàíèÿ âñëåäñòâèå èñêàæåíèÿ âûòÿãèâàþùåãî èîíû ïîëÿ â íåïîñðåäñòâåííîé áëèçîñòè îò ïîâåðõíîñòè îáðàçöà. Ðàñ÷åò âëèÿíèÿ çàðÿäêè ïîâåðõíîñòè íà òðàåêòîðèè âòîðè÷íûõ èîíîâ, âûáèâàåìûõ èç äèýëåêòðèêîâ.

             ÂÈÌÑ ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî ñïîñîáîâ óìåíüøåíèÿ îáðàçîâàíèÿ ïîëîæèòåëüíîãî çàðÿäà íà ïîâåðõíîñòè: îáëó÷åíèå åå øèðîêèì ïîòîêîì ýëåêòðîíîâ, êîòîðûå ýìèòèðóþòñÿ ðàñïîëîæåííûì íåïîäàëåêó òåðìîêàòîäîì, îáëó÷åíèå ïó÷êàìè îòðèöàòåëüíûõ èîíîâ, ïîâûøåíèå äàâëåíèÿ êèñëîðîäà        âáëèçè îáðàçöà äî 10-4 ìì ðò. ñò. Ïðè èññëåäîâàíèè îáúåìà äèýëåêòðèêîâ (â îòëè÷èå îò òîíêèõ äèýëåêòðè÷åñêèõ ïëåíîê íà ïðîâîäíèêå) äëÿ ýôôåêòèâíîãî îòáîðà âòîðè÷íûõ èîíîâ â àíàëèçàòîð íåîáõîäèìî ñîçäàòü ìåæäó îáðàçöîì è ýëåêòðîäîì, âûòÿãèâàþùèì âòîðè÷íûå èîíû, íàäëåæàùèé ãðàäèåíò ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ. Ñ ýòîé öåëüþ íà ïîâåðõíîñòü äèýëåêòðèêà íàíîñÿò ïðîâîäÿùóþ ïëåíêó èëè íàêëàäûâàþò ìåòàëëè÷åñêóþ ñåòêó.                                  

            Ãàçîðàçðÿäíûå èñòî÷íèêè, èñïîëüçóåìûå îáû÷íî äëÿ ïîëó÷åíèÿ ïåðâè÷íûõ èîíîâ, ñèëüíî ïîâûøàþò äàâëåíèå ãàçîâ â îáúåìå ïðèáîðà; ïîýòîìó êðàéíå æåëàòåëüíî ïðåäóñìîòðåòü     äèôôåðåíöèàëüíóþ îòêà÷êó ñèñòåìû ôîðìèðîâàíèÿ ïó÷êà. Ñåïàðàöèÿ ïåðâè÷íûõ èîíîâ ïî ìàññàì âàæíà äëÿ  î÷èñòêè ïó÷êà, íî íå òîëüêî îò èíîðîäíûõ ýëåìåíòîâ, à è îò  ìîëåêóëÿðíûõ ÷àñòèö, ÷òî íåîáõîäèìî  äëÿ îïðåäåëåíèÿ  õàðàêòåðèñòèê êàñêàäîâ ñòîëêíîâåíèé è èõ âëèÿíèÿ  íà ðàçðåøåíèå  ïî ãëóáèíå  è ïåðåìåøèâàíèå  àòîìîâ  â ïðèïîâåðõíîñòíîì  ñëîå. Êðîìå òîãî,  ñèñòåìà ôîðìèðîâàíèÿ  ïåðâè÷íîãî ïó÷êà  äîëæíà ïîçâîëÿòü ðàçâåðòûâàòü åãî â  ðàñòð äëÿ  îäíîðîäíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ïåðâè÷íîãî ïîòîêà ïî ïîâåðõíîñòè, ÷òî íåîáõîäèìî  ïðè èçó÷åíèè  ïðîôèëåé  êîíöåíòðàöèè  ïðèìåñè.  Íàêîíåö,  ïðè  àíàëèçå ìèêðîîáëàñòåé  æåëàòåëüíî  èìåòü  âîçìîæíîñòü  âèçóàëüíî íàáëþäàòü  çà  ïîâåðõíîñòüþ  îáðàçöà  âáëèçè   ìåñòà  ïîïàäàíèÿ èîííîãî ïó÷êà  ïîñðåäñòâîì âûñîêîêà÷åñòâåííîé  îïòè÷åñêîé ñèñòåìû ñ áîëüøèì óâåëè÷åíèåì.

                                

Ìàññ-ñïåêòðîìåòðè÷åñêèé àíàëèç íåéòðàëüíûõ ðàñïûëåííûõ ÷àñòèö

            Ïðè ðàñïûëåíèè áîëüøèíñòâà ìàòåðèàëîâ äîëÿ ÷àñòèö, âûõîäÿùèõ  èç  ìèøåíè  â  âèäå íåéòðàëüíûõ  àòîìîâ, çíà÷èòåëüíî âûøå, ÷åì âûõîäÿùèõ â âèäå  èîíîâ. Ïîýòîìó  åñòåñòâåííûì ðàçâèòèåì è äîïîëíåíèåì ÂÈÌÑ ÿâëÿåòñÿ ìåòîä èîíèçàöèè è ïîñëåäóþùåãî àíàëèçà âûáèòûõ íåéòðàëüíûõ ÷àñòèö. Òàêîé ìåòîä ïîëó÷èë íàçâàíèå ìàññ-ñïåêòðîìåòðèè èîíèçîâàííûõ íåéòðàëüíûõ àòîìîâ. Îäíèì èç åãî ïðåèìóùåñòâ ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî íåéòðàëüíûå ÷àñòèöû ìîæíî èîíèçîâàòü çà ñ÷åò òàêîãî ïðîöåññà, êîòîðûé, íå çàâèñèò íè îò ìàòðèöû, íè îò ñâîéñòâ ïîâåðõíîñòè îáðàçöà. Îñíîâíûå æå íåäîñòàòêè ìàññ-ñïåêòðîìåòðèè        èîíèçîâàííûõ íåéòðàëüíûõ àòîìîâ - òî, ÷òî èîíèçóþòñÿ âñå      ÷àñòèöû, ïðèñóòñòâóþùèå â ãàçîâîé ñðåäå ïðèáîðà, à ýôôåêòèâíîñòü  îòáîðà  èîíèçîâàííûõ  ÷àñòèö â  àíàëèçàòîð çíà÷èòåëüíî ìåíüøå, ÷åì â ÂÈÌÑ. Åñëè äîëÿ èîíîâ ñðåäè âûáèòûõ âòîðè÷íûõ   ÷àñòèö gA±  ïðåâûøàåò  10-4  (÷òî âûïîëíÿåòñÿ  äëÿ áîëüøèíñòâà  ýëåìåíòîâ  è  ìàòðèö), òî  ìàññ-ñïåêòðîìåòðèÿ èîíèçîâàííûõ  íåéòðàëüíûõ  àòîìîâ  íå  ìîæåò  êîíêóðèðîâàòü  ñ  ÂÈÌÑ ïî  àáñîëþòíîé  ÷óâñòâèòåëüíîñòè SA±.

            Íåéòðàëüíûå  ÷àñòèöû,  âûáèòûå  èç  ìèøåíè  ãàçîâûìè  èîíàìè  èç ðàçðÿäà,  èîíèçóþòñÿ âñëåä  çà òåì  ýëåêòðîííûì óäàðîì; ïóòåì ïåðåçàðÿäêè èëè çà ñ÷åò ïåííèíãîâñêîãî ïðîöåññà  ãàçîðàçðÿäíîé ïëàçìå.  ×óâñòâèòåëüíîñòü ìåòîäà  è öåëåñîîáðàçíîñòü åãî  ïðèìåíåíèÿ  çàâèñÿò  îò  ýôôåêòèâíîñòè  îòáîðà îáðàçîâàâøèõñÿ èîíîâ è îò òîãî, îïòèìèçîâàíû  ëè óñëîâèÿ  ðàçðÿäà òàê,  ÷òîáû  âåðîÿòíîñòü  èîíèçàöèè  àíàëèçèðóåìûõ  íåéòðàëüíûõ  ÷àñòèö áûëà áîëüøå âåðîÿòíîñòè èîíèçàöèè âñåõ äðóãèõ ÷àñòèö ãàçîâîãî ðàçðÿäà.

            Èññëåäîâàíèå ðàñïûëåíèÿ è èîíèçàöèè íåéòðàëüíûõ àòîìîâ â    âûñîêî÷àñòîòíîì ðàçðÿäå â èíåðòíûõ ãàçàõ ïîêàçàëî, ÷òî òàêîé ìåòîä èìååò ïðàêòè÷åñêóþ öåííîñòü. Ðàçáðîñ ïî ýíåðãèÿì, èîíîâ, îòáèðàåìûõ èç èñòî÷íèêà ñ âûñîêî÷àñòîòíûì òëåþùèì ðàçðÿäîì, íå ïðåâûøàåò 1 ýÂ, è äëÿ èõ ðàçäåëåíèÿ ïî       ìàññàì ýôôåêòèâíî èñïîëüçîâàòü êâàäðóïîëüíûé àíàëèçàòîð áåç ïðåäâàðèòåëüíîãî ôèëüòðà ýíåðãèé. Óñòàíîâëåíî, ÷òî íåéòðàëüíûå àòîìû èîíèçóþòñÿ â îñíîâíîì çà ñ÷åò ïåííèíãîâñêîãî ìåõàíèçìà. Ýôôåêòèâíîñòü èîíèçàöèè íåéòðàëüíûõ ÷àñòèö â ýòîì ñëó÷àå ëèøü ñëàáî çàâèñèò îò ïðèðîäû ÷àñòèö è ñîâñåì íå çàâèñèò (â ïðîòèâîïîëîæíîñòü ìåòîäó ÂÈÌÑ) îò òèïà ìàòðèöû è óñëîâèé íà ïîâåðõíîñòè îáðàçöà. Ñëåäîâàòåëüíî, îòíîñèòåëüíûå èîííûå ñèãíàëû ñ äîñòàòî÷íî õîðîøèì ïðèáëèæåíèåì ðàâíû îòíîñèòåëüíûì êîíöåíòðàöèÿì ñîîòâåòñòâóþùèõ ýëåìåíòîâ â ìàòðèöå. Ïðè èñïîëüçîâàíèè îáðàçöîâ  ñ  áîëüøîé  ïîâåðõíîñòüþ  (  ~10  ñì2) â  ýòîì ïðèáîðå óäàëîñü ðåãèñòðèðîâàòü àòîìíûå êîíöåíòðàöèè ýëåìåíòîâ íà óðîâíå  10-6.  Òèïè÷íûå  çíà÷åíèÿ  ñêîðîñòåé ðàñïûëåíèÿ ëåæàò â èíòåðâàëå îò 10-2 äî 10 ìîíîàòîìíûõ ñëîåâ  â ñåêóíäó, ïðè÷åì ñ ðàâíûì óñïåõîì ìîãóò àíàëèçèðîâàòüñÿ êàê ïðîâîäíèêè, òàê  è äèýëåêòðèêè.  Òàêèì îáðàçîì,  íå äàâàÿ  ñâåäåíèé î ðàñïðåäåëåíèè  âåùåñòâà  ïî  ïîâåðõíîñòè,  ìåòîä  ìàññ-ñïåêòðîìåòðèè  òëåþùåãî  ðàçðÿäà  ïîçâîëÿåò îïðåäåëÿòü  õèìè÷åñêèé ñîñòàâ ïîâåðõíîñòè è  îáúåìà, à  òàêæå äàåò  âîçìîæíîñòü èçìåðÿòü ðàñïðåäåëåíèå  ýëåìåíòà  ïî  ãëóáèíå.  Ìåòîä èìååò  ðÿä ïðèâëåêàòåëüíûõ  îñîáåííîñòåé,  êîòîðûå  äåëàþò   öåëåñîîáðàçíûì  åãî  äàëüíåéøåå ðàçâèòèå.                                         

Êîëè÷åñòâåííûé àíàëèç

            Êîýôôèöèåíò  âòîðè÷íîé  èîííîé  ýìèññèè SA±  çàâèñèò  îò öåëîãî ðÿäà ôàêòîðîâ, òàêèõ,  êàê ñîñòîÿíèå  ïîâåðõíîñòè îáðàçöà, ïðèðîäà  åãî  ìàòðèöû,  è  ðàçëè÷íûõ ýôôåêòîâ,  âûçûâàåìûõ ïåðâè÷íûì ïó÷êîì.  Ñëåäîâàòåëüíî, ñîïîñòàâëåíèå   èíòåíñèâíîñòåé  âòîðè÷íûõ   èîíîâ  äàííîãî   ýëåìåíòà èç ðàçëè÷íûõ  òî÷åê ïîâåðõíîñòè  îáðàçöà íå  âñåãäà íåïîñðåäñòâåííî  îòðàæàåò  ðàñïðåäåëåíèå  ýòîãî  ýëåìåíòà   ïî  ïîâåðõíîñòè. Ïðè  îöåíêå òàêîãî  ðîäà äàííûõ  è îñîáåííî  ïðè èíòåðïðåòàöèè èîííîãî èçîáðàæåíèÿ ïîâåðõíîñòè íåîáõîäèìî ñîáëþäàòü îñòîðîæíîñòü.

            Ýòè èçìåíåíèÿ âûçâàíû ýôôåêòàìè, çàâèñÿùèìè îò õèìè÷åñêîé ïðèðîäû è êðèñòàëëè÷åñêîé ñòðóêòóðû ìàòåðèàëà, à òàêæå îò îòíîñèòåëüíîé îðèåíòàöèè çåðåí íà ïîâåðõíîñòè. Ê òàêèì ýôôåêòàì îòíîñÿòñÿ êàíàëèðîâàíèå ïåðâè÷íûõ èîíîâ, èíäóöèðîâàííàÿ  îáëó÷åíèåì  ðåêðèñòàëëèçàöèÿ, ðàçëè÷èÿ â êîíöåíòðàöèè âíåäðåííîãî êèñëîðîäà è ðàçëè÷èÿ â óãëîâîì ðàñïðåäåëåíèè âòîðè÷íûõ èîíîâ, âûáèòûõ èç ïî-ðàçíîìó îðèåíòèðîâàííûõ çåðåí ñïëàâà. Îòíîñèòåëüíûå èçìåíåíèÿ èíòåíñèâíîñòè èîíîâ ïðè ïåðåõîäå îò îäíîãî çåðíà ê äðóãîìó ïðèáëèçèòåëüíî îäèíàêîâû äëÿ âñåõ ýëåìåíòîâ. Åñëè èçìåðÿåìûå èíòåíñèâíîñòè â êàæäîé òî÷êå îòíåñòè ê èíòåíñèâíîñòè èîíîâ îñíîâíîãî ýëåìåíòà, òî ðàçíèöà ìåæäó çåðíàìè ñãëàæèâàåòñÿ èëè ñîâñåì èñ÷åçàåò. Íàáëþäåíèÿ òàêîãî ðîäà  ïîêàçûâàþò,  ÷òî ëþáûå  êîëè÷åñòâåííûå îöåíêè  ñëåäóåò îñíîâûâàòü íå  íà  àáñîëþòíûõ  çíà÷åíèÿõ  êîýôôèöèåíòà SA±, à  íà îòíîñèòåëüíûõ   çíà÷åíèÿõ  âûõîäà   ðàçëè÷íûõ  èîíîâ   èç  àíàëèçèðóåìîé òî÷êè.                                                      

            Òî÷íîñòü  è  âîñïðîèçâîäèìîñòü ðåçóëüòàòîâ  èçìåðåíèé îòíîñèòåëüíûõ  êîýôôèöèåíòîâ  èîííîé  ýìèññèè  â  ÂÈÌÑ  îêàçûâàåòñÿ  âåñüìà   óäîâëåòâîðèòåëüíîé  (â   êîíòðîëèðóåìûõ  óñëîâèÿõ (5%).  Åñëè  íåîáõîäèìàÿ  òî÷íîñòü  íå îáåñïå÷èâàåòñÿ,  òî íåò ñìûñëà è ãîâîðèòü î êîëè÷åñòâåííîì  àíàëèçå.   Ïðèíèìàÿ âî âíèìàíèå ñëîæíîñòü ÿâëåíèÿ âòîðè÷íîé èîííîé ýìèññèè è ñóùåñòâåííûå ðàçëè÷èÿ ïðèáîðîâ ÂÈÌÑ, òðóäíî ñîçäàòü ÷èñòî òåîðåòè÷åñêóþ ìîäåëü, ïðèãîäíóþ äëÿ ëþáûõ óñòàíîâîê, îáðàçöîâ è óñëîâèé àíàëèçà. Íàïðèìåð, ïðèáîðû   ÂÈÌÑ íå ñîáèðàþò âñå âòîðè÷íûå èîíû è íå îáåñïå÷èâàþò ïðîõîæäåíèÿ ÷åðåç àíàëèçàòîð âñåãäà îäíîé è òîé æå äîëè èîíîâ. Ýòî ñâÿçàíî ñ çàâèñèìîñòüþ ïðîïóñêàíèÿ àíàëèçàòîðà îò íà÷àëüíîé ýíåðãèè ÷àñòèö. Îêàçûâàåòñÿ ñëèøêîì ìíîãî ïåðåìåííûõ äëÿ òîãî, ÷òîáû ìîæíî áûëî ïðàâèëüíî ðàññ÷èòàòü âñå ÷èñòî òåîðåòè÷åñêè. Ïîýòîìó ëþáîé ìåòîä êîëè÷åñòâåííûõ îöåíîê äîëæåí ñîäåðæàòü ìèíèìóì ïåðåìåííûõ ïàðàìåòðîâ è áûòü ïðèãîäíûì äëÿ êàæäîãî ïðèáîðà ÂÈÌÑ. Òàêîé ìåòîä îáÿçàòåëüíî áóäåò ýìïèðè÷åñêèì èëè ïîëóýìïèðè÷åñêèì ïî ñâîåìó     õàðàêòåðó è ïîòðåáóåò ýòàëîíîâ äëÿ îïðåäåëåíèÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòè ê òîìó èëè èíîìó ýëåìåíòó.                            

            ×òîáû óñïåøíî ïðîâîäèòü êîëè÷åñòâåííûé àíàëèç ìåòîäîì, îñíîâàííûì íà ãðàäóèðîâêå ïî ýòàëîíó (äà è âîîáùå ëþáûì ìåòîäîì), âàæíî ñòàíäàðòèçèðîâàòü ðàáî÷èå ïàðàìåòðû ïðèáîðà: ñîðò ïåðâè÷íûõ èîíîâ, èõ òîê, ïëîòíîñòü òîêà è ýíåðãèþ, îêðóæåíèå îáðàçöà, ýôôåêòèâíîñòü äåòåêòèðîâàíèÿ è ýíåðãåòè÷åñêóþ ïîëîñó ïðîïóñêàíèÿ àíàëèçàòîðà âòîðè÷íûõ èîíîâ. Òîëüêî òîãäà, êîãäà ýòè óñëîâèÿ ôèêñèðîâàíû, ïðèîáðåòàþò êàêîé-òî ñìûñë ðåçóëüòàòû àíàëèçà ñ èñïîëüçîâàíèåì êîýôôèöèåíòîâ îòíîñèòåëüíîé   ÷óâñòâèòåëüíîñòè   ê   ýëåìåíòàì,   ïîëó÷åííûõ  äëÿ  ýòàëîíîâ  áëèçêîãî  ê  îáðàçöó  ñîñòàâà.  Åñëè  ñêîìáèíèðîâàòü  ðàâåíñòâà  (1) è  (2)  è ïîäåëèòü  ðåçóëüòàò íà  òàêîå æå  ñîîòíîøåíèå   äëÿ   ýòàëîííîãî   ýëåìåíòà,  ÷òîáû   èñêëþ÷èòü  êîíñòàíòû, òî ìû ïîëó÷èì                                             

                   

                  (4)

                                                         

 ãäå  iA± è iA± -  ñèãíàëû âòîðè÷íûõ  èîíîâ, à  ÑA è  Ñýò- àòîìíûå êîíöåíòðàöèè   ýëåìåíòà   À  è   ýòàëîííîãî  ýëåìåíòà   â  ìàòðèöå. Ïîëüçóÿñü   êîýôôèöèåíòàìè   îòíîñèòåëüíîé   ÷óâñòâèòåëüíîñòè   jÀ, íàéäåííûìè  òàêèì   îáðàçîì,  ìîæíî   ïî  èçìåðåííûì   èîííûì  ñèãíàëàì   äëÿ   àíàëèçèðóåìîãî   îáðàçöà    âû÷èñëèòü   îòíîñèòåëüíóþ àòîìíóþ  êîíöåíòðàöèþ  ýëåìåíòà  â  íåì:  (iA± /iA±) jÀ = ÑAýò.  Âñå   îòíîñèòåëüíûå   àòîìíûå   êîíöåíòðàöèè    ìîæíî   íîðìèðîâàòü ê  100%,  è  òîãäà  ìû  ïîëó÷èì  ñîñòàâ  ìàòðèöû  â   àòîìíûõ  ïðîöåíòàõ   ïðè   óñëîâèè,   ÷òî   ïîðîã   ÷óâñòâèòåëüíîñòè  óñòàíîâêè ÂÈÌÑ  äîñòàòî÷åí  äëÿ  ðåãèñòðàöèè  âñåõ  îñíîâíûõ  êîìïîíåíòîâ îáðàçöà.  Ìåòîä,  îïèñàííûé  âûøå,  â ðàçëè÷íûõ  âàðèàíòàõ ïðèìåíÿëñÿ  äëÿ  îáúåìíîãî  àíàëèçà  ðàçëè÷íûõ  ìàòðèö.    îáùåì   òî÷íîñòü  òàêîãî   êîëè÷åñòâåííîãî  àíàëèçà   äîëæíà  ñîñòàâëÿòü   10%.   Íî   ïðè  òàêîì   ìåòîäå  ïðåäúÿâëÿþòñÿ   âåñüìà  æåñòêèå  òðåáîâàíèÿ  ê  ýòàëîíàì  è  ê  îäíîðîäíîñòè èññëåäóåìîãî îáðàçöà.  Òî÷íîñòü  ïîäîáíûõ  èçìåðåíèé, åñòåñòâåííî,  íå âûøå, ÷åì òî÷íîñòü ýòàëîíà èëè îäíîðîäíîñòü îáðàçöà.               

            Ñîçäàòü  ýòàëîíû  äëÿ  ëþáûõ  ìàòðèö,  êàêèå   òîëüêî  ìîãóò âñòðåòèòüñÿ,   íåâîçìîæíî.   Ïîýòîìó   íåîáõîäèìû  ýìïèðè÷åñêèå ñïîñîáû,  êîòîðûå  ïîçâîëÿëè áû  ïî äàííûì  äëÿ íåñêîëüêèõ ýòàëîííûõ   îáðàçöîâ   îïðåäåëÿòü   êîýôôèöèåíòû  ÷óâñòâèòåëüíîñòè jÀ äëÿ  ëþáîé  ìàòðèöû.  Âåëè÷èíà jÀ áóäåò çàâèñåòü  îò ïàðàìåòðà  eS õàðàêòåðèçóþùåãî   ýëåêòðîííûå   ñâîéñòâà  ýìèòèðóþùåé  èîíû  ïîâåðõíîñòè.  Îáùèé  õàðàêòåð  çàâèñèìîñòè  jÀ(eS)  ïîêàçàí íà  ôèã. 12. Ïðîñòåéøèé  ñïîñîá  îöåíêè eS, ñîñòîèò â íàõîæäåíèè eS = k(j1/j2), ãäå k  - ïðîèçâîëüíàÿ ïîñòîÿííàÿ, à j1 è j2 - êîýôôèöèåíòû îòíîñèòåëüíîé  ÷óâñòâèòåëüíîñòè  äëÿ  ýëåìåíòîâ 1  è 2,  òàê ÷òî  îòíîøåíèå j1 ê j2  çàâèñèò  îò   ìàòðèöû.  Èíôîðìàöèþ   îá  eS ñîäåðæàùóþñÿ  â  ñïåêòðàõ  âòîðè÷íûõ  èîíîâ,  äàþò òàêæå  îòíîøåíèÿ âòîðè÷íûõ  èîíîâ   Ì2++,   ÌÎ++,  ÌN++.   Ñòàíäàðòèçèðîâàâ  óñëîâèÿ ôóíêöèîíèðîâàíèÿ  óñòàíîâêè  è  ñîáðàâ  ýêñïåðèìåíòàëüíûå  äàííûå  òèïà  ïîêàçàííûõ íà  ôèã. 12 äëÿ ýòàëîííûõ  îáðàçöîâ, óæå  ìîæíî  èçâëåêàòü  èç ñèãíàëîâ  âòîðè÷íûõ èîíîâ  äîñòàòî÷íî òî÷íóþ êîëè÷åñòâåííóþ èíôîðìàöèþ ïî÷òè ïðè ëþáîé ìàòðèöå (åñëè òîëüêî äëÿ íåå èçâåñòíà âåëè÷èíà eS).ú


Ôèã.12. Çàâèñèìîñòü êîýôôèöèåíòîâ jÀ îòíîñèòåëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ê ðàçíûì ýëåìåíòàì îò òèïà ïîâåðõíîñòè îáðàçöà[1].


            Ïðè îïðåäåëåíèè âåëè÷èíû eS, ñëåäóåò îòäàâàòü ïðåäïî÷òåíèå òåì ñïîñîáàì, êîòîðûå îñíîâàíû èñêëþ÷èòåëüíî íà èíôîðìàöèè, ñîäåðæàùåéñÿ â ñïåêòðàõ âòîðè÷íûõ èîíîâ èëè îòíîøåíèÿõ âåëè÷èí ïèêîâ ýòèõ èîíîâ â ñïåêòðå äëÿ íåèçâåñòíîãî îáðàçöà, ò.å. èíôîðìàöèè òèïà îòíîøåíèé èíòåíñèâíîñòåé èîíîâ Ì2++, ÌÎ++, ÌN++ (èäè ëþáûõ äðóãèõ), çàâèñÿùèõ îò eS,  íî íå çàâèñÿùèõ îò êîíöåíòðàöèè ýëåìåíòîâ. Êðîìå òîãî, âåëè÷èíó eS, ìîæíî ðàññ÷èòàòü èñõîäÿ èç îòíîøåíèé èîííûõ ñèãíàëîâ è êîíöåíòðàöèé äâóõ èëè áîëåå êîìïîíåíòîâ, äëÿ êîòîðûõ  jÀ/jÀ’  çàâèñèò îò ìàòðèöû. Ïîäîáíûé ìåòîä ïðèãîäåí ïðè îáíàðóæåíèè ñëåäîâ ýëåìåíòîâ â õîðîøî èçâåñòíîé ìàòðèöå. È íàêîíåö, ìîæíî ïðîñòî âûáðàòü âåëè÷èíó eS  ðóêîâîäñòâóÿñü èñêëþ÷èòåëüíî àíàëèòè÷åñêèì îïûòîì è èíòóèöèåé. Òàêîé ñïîñîá íå òàê óæ ïëîõ, êàê ìîãëî áû ïîêàçàòüñÿ. Ïî êðàéíåé ìåðå èñêëþ÷àþòñÿ ãðóáûå îøèáêè (ôèã. 12).


            Åäèíñòâåííûé íàáîð êîýôôèöèåíòîâ ÷óâñòâèòåëüíîñòè ïîçâîëÿåò îïðåäåëÿòü êîíöåíòðàöèè ñ îøèáêîé íå áîëåå ÷åì â 2 ðàçà  äëÿ áîëüøèíñòâà  ýëåìåíòîâ â  ðÿäå âåñüìà ðàçëè÷àþùèõñÿ ìàòðèö.  Ëþáàÿ  ìîäåëü,  êîòîðàÿ  ââîäèò  â  êîýôôèöèåíòû  îòíîñèòåëüíîé  ÷óâñòâèòåëüíîñòè  ïîïðàâêó  íà  âëèÿíèå  ìàòðèöû,  ìîæåò   ëèøü   óëó÷øèòü   ðåçóëüòàòû.   Ïðèâëåêàòåëüíûå   ñòîðîíû  îïèñàííîãî  âûøå  ïîäõîäà   òàêîâû:  ïðîñòàÿ   ìîäåëü,  êîòîðóþ  ìîæíî  èñïîëüçîâàòü  â  ëþáîì  ïðèáîðå  íåçàâèñèìî   îò  êàêèõ- ëèáî  òåîðåòè÷åñêèõ  èëè  ôèçè÷åñêèõ  êîíñòàíò è  êîòîðàÿ îñíîâûâàåòñÿ  èñêëþ÷èòåëüíî  íà  ýòàëîíàõ  è  èçìåðåíèÿõ  â  äàííîì ïðèáîðå.                                                       

            Âûøå  îñíîâíîé  óïîð  ìû  äåëàëè  íà àíàëèç  îáúåìíîãî ñîñòàâà  òâåðäûõ  òåë,  à íå  òîíêèõ ïîâåðõíîñòíûõ  ñëîåâ. Ïîñêîëüêó îáúåìíûé  ñîñòàâ  òâåðäûõ   ìèøåíåé  ìîæíî   çàäàòü  äîñòàòî÷íî òî÷íî,  îíè  è  ñëóæàò  ýòàëîíàìè  äëÿ  ïðîâåðêè êîëè÷åñòâåííûõ  ìîäåëåé.  Äëÿ  ïîâåðõíîñòíûõ  ïëåíîê òîëùèíîé  ìåíåå 50  À ýòàëîíû  ëèáî  âîîáùå  íåâîçìîæíî,  ëèáî î÷åíü  òðóäíî èçãîòîâèòü.

Ñëåäîâàòåëüíî,  êîëè÷åñòâåííûå  äàííûå  äëÿ  âíåøíèõ 50  À ìîæíî  ïîëó÷èòü ëèøü  òàê æå,  êàê è  â ñëó÷àå  îáúåìíîãî îáðàçöà, êîãäà íåò ýòàëîíà.                                            

Ãëóáèííûå  ïðîôèëè êîíöåíòðàöèè  ýëåìåíòîâ

                  

            Ïðè  èññëåäîâàíèè ðàñïðåäåëåíèÿ  òîãî èëè  èíîãî ýëåìåíòà  ïî  ñëîÿì, ïàðàëëåëüíûì  ïîâåðõíîñòè îáðàçöà,  äëÿ îáíàæåíèÿ  ãëóáîêîëåæàùèõ ñëîåâ òâåðäîãî òåëà in situ  â áîëüøèíñòâå ìåòîäîâ àíàëèçà ïîâåðõíîñòè (íå  òîëüêî ÂÈÌÑ)  ïðèìåíÿþò ðàñïûëåíèå èîíàìè.  Ïðè ýòîì  ðàçðåøåíèå ïî  ãëóáèíå, îáåñïå÷èâàåìîå  âûáðàííûì  ìåòîäîì àíàëèçà  ïîâåðõíîñòè, îêàçûâàåòñÿ íå  î÷åíü ñóùåñòâåííûì,  ïîñêîëüêó ðàçðåøåíèå  áóäåò îïðåäåëÿòüñÿ  â îñíîâíîì  ïåðåìåøèâàíèåì â  ïðèïîâåðõíîñòíûõ ñëîÿõ è  äðóãèìè  ïðîöåññàìè,  ñîïðîâîæäàþùèìè   òðàâëåíèå  ïîâåðõíîñòè.                                                     

            Ðàçðåøåíèå  ïî ãëóáèíå,  îáåñïå÷èâàåìîå ïðè  äàííîì ìåòîäå îïðåäåëåíèÿ  ïðîôèëåé  êîíöåíòðàöèè,   ìîæíî  õàðàêòåðèçîâàòü òåì óøèðåíèåì  ïðîôèëÿ òîíêîãî  ïîâåðõíîñòíîãî ñëîÿ  èëè ðåçêîé  ãðàíèöû  ðàçäåëà  ìåæäó  äâóìÿ  ðàçëè÷íûìè  ìàòåðèàëàìè, êîòîðîå  îáóñëîâëåíî ñàìèì  ïðîöåññîì èçìåðåíèÿ.  Åñëè òîëùèíà  ñëîÿ  (èëè ãëóáèíà  çàëåãàíèÿ ãðàíèöû  ðàçäåëà) ïðåâûøàåò ïðèìåðíî  2RP òî  èç-çà  ðàçëè÷íûõ  ôàêòîðîâ,  âûçûâàþùèõ óøèðåíèå  èçìåðÿåìîãî ïðîôèëÿ  êîíöåíòðàöèè (ïðèáîðíûõ  è èîííî-ìàòðè÷íûõ ýôôåêòîâ), ðàñïðåäåëåíèå  äëÿ òîíêîãî  ñëîÿ îêàçûâàåòñÿ  áëèçêèì  ê  íîðìàëüíîìó ðàñïðåäåëåíèþ  ñî ñðåäíåêâàäðàòè÷íûì  îòêëîíåíèåì  sR.  Çà  ðàçðåøåíèå  ïî  ãëóáèíå ìîæíî ïðèíÿòü âåëè÷èíó sR äëÿ ýòîãî  ðàñïðåäåëåíèÿ. Åñëè  ñëîé òîëñòûé,  òî  ñðåäíåêâàäðàòè÷íîå îòêëîíåíèå  sÌ ýêñïåðèìåíòàëüíî íàáëþäàåìîãî (èçìåðåííîãî) ïðîôèëÿ  ñâÿçàíî ñ  sR è sÒ ñîîòíîøåíèåì  s2Ì =  s2R+s2Ò , ãäå  sÒ -  ñðåäíåêâàäðàòè÷íîå îòêëîíåíèå èñòèííîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ñëîÿ. Ïðè sÌ >>sÒ , íàïðèìåð â ñëó÷àå òîíêîãî ñëîÿ, âåëè÷èíà sR ïðèáëèçèòåëüíî ðàâíà ðàçðåøåíèþ sR ìåòîäà ïî ãëóáèíå.                            

            Åñëè  ïðèíÿòü,  ÷òî èçìåðåííûé  ïðîôèëü òîíêîãî  ñëîÿ îïèñûâàåòñÿ  íîðìàëüíûì  ðàñïðåäåëåíèåì,  òî  ìîæíî  ðàññìîòðåòü è  ñëó÷àé óøèðåíèÿ ãðàíèöû  ðàçäåëà, è  åãî ñâÿçü  ñ ðàçðåøåíèåì  ïî ãëóáèíå. Ýòî  ðàçðåøåíèå ìîæíî  âû÷èñëèòü ïî  ïðîôèëþ ñòóïåí÷àòîãî  èçìåíåíèÿ  êîíöåíòðàöèè  (øèðèíà  ñòóïåíè  >> sR),  êîãäà ôîðìà èñòèííîãî  êðàÿ ñòóïåíè  ïîõîæà íà  êðèâóþ èíòåãðàëüíîãî  íîðìàëüíîãî  ðàñïðåäåëåíèÿ   ñî  ñðåäíåêâàäðàòè÷íûì  îòêëîíåíèåì st.  Åñëè êîíöåíòðàöèÿ  èçìåíÿåòñÿ ðåçêî  (st~0),  òî ðàçðåøåíèþ ïî ãëóáèíå sR ñîîòâåòñòâóåò âåëè÷èíà  sm, ïîëîâèíà  ðàññòîÿíèÿ  ìåæäó  ãëóáèíàìè,  îòâå÷àþùèìè  84   è  16%  èçìåðåííîé íà îïûòå  âûñîòû ñòóïåíè.   ñëó÷àå  ãðàíè÷íîé îáëàñòè ñî çíà÷èòåëüíîé  ñîáñòâåííîé øèðèíîé  (ò. å.  ñî çíà÷èòåëüíûì st) ðàçðåøåíèå ïî ãëóáèíà äàåòñÿ ôîðìóëîé   sR =(s2m -s2t)1/2,  ïðè÷åì íóæíî  ó÷èòûâàòü îøèáêè  â âåëè÷èíàõ  sm è st. Ñëó÷àé ïðîôèëÿ ñëîÿ ñ  ñóùåñòâåííûì sT ìîæíî ðàññ÷èòàòü àíàëîãè÷íî.                                               

            Âñå  ñêàçàííîå  â  äàííîì  ðàçäåëå  êàñàåòñÿ  ñàìûõ îñíîâíûõ  ôèçè÷åñêèõ  èëè  ïðèáîðíûõ  ýôôåêòîâ, ñâÿçàííûõ  ñ òðàâëåíèåì  ïîâåðõíîñòè   èîííûì  ïó÷êîì   è  ïðîáëåìîé   ðàñïûëåíèÿ  èîíàìè  áåç  èñêàæåíèÿ  ïðîôèëÿ  êîíöåíòðàöèè.  Ïîýòîìó  ìíîãîå  èç ñêàçàííîãî  îòíîñèòñÿ  ê  ëþáîìó  èç  ìåòîäîâ  àíàëèçà  ïîâåðõíîñòè  ñ èñïîëüçîâàíèåì èîííîãî òðàâëåíèÿ.                            

            Èçìåðåíèå  ïðîôèëåé  ìåòîäîì   ÂÈÌÑ  ñâîäèòñÿ   ê  ðåãèñòðàöèè  ñèãíàëà  âòîðè÷íûõ  èîíîâ  èíòåðåñóþùåãî  íàñ  ýëåìåíòà êàê  ôóíêöèè   âðåìåíè  ðàñïûëåíèÿ.     ñëó÷àå   îäíîðîäíîé  ìàòðèöû  ýòî  âðåìÿ,  âûïîëíèâ  ñîîòâåòñòâóþùèå   ãðàäóèðîâî÷íûå  èçìåðåíèÿ  (ðàñïûëåíèå  ïëåíêè  èçâåñòíîé  òîëùèíû,  èçìåðåíèÿ  ãëóáèíû  êðàòåðà,  êîýôôèöèåíòîâ  ðàñïûëåíèÿ  è  ò.ä.),  ìîæíî  ïåðåñ÷èòàòü  â  ãëóáèíó  çàëåãàíèÿ  ýëåìåíòà.  Èçìåíåíèå èíòåíñèâíîñòè  âòîðè÷íûõ  èîíîâ íå  âñåãäà îòðàæàåò  îòíîñèòåëüíîå èçìåíåíèå êîíöåíòðàöèè ýëåìåíòà; ïîýòîìó   íóæíà   îñòîðîæíîñòü   ïðè   èíòåðïðåòàöèè   ãëóáèííûõ  ïðîôèëåé, îñîáåííî âáëèçè  ñàìîé ïîâåðõíîñòè,  ò. å.  êîãäà ãëóáèíà ìåíüøå RP+2DRP,  à òàêæå  ïëåíîê, ñîñòîÿùèõ  èç  ðàçëè÷àþùèõñÿ ïî  ñîñòàâó ñëîåâ,  èëè ìàòðèö  ñ íåîäíîðîäíûì  ðàñïðåäåëåíèåì  ñëåäîâ  ýëåìåíòîâ,  êîòîðûå  ñïîñîáíû  äàæå  ïðè  ìàëîé  êîíöåíòðàöèè  ñèëüíî ïîâëèÿòü  íà âòîðè÷íî-ýìèññèîííûå   ñâîéñòâà  îáðàçöà.     ïîñëåäíåì   ñëó÷àå  äëÿ  ïîëó÷åíèÿ  ðåçóëüòàòîâ,   îòðàæàþùèõ  ðåàëüíóþ   ñèòóàöèþ,  ñëåäóåò  îáðàáîòàòü  èçìåðåííûå  ïðîôèëè  òàê,  êàê   ýòî  äåëàåòñÿ  ïðè   êîëè÷åñòâåííîé   èíòåðïðåòàöèè   èíòåíñèâíîñòè   âòîðè÷íûõ  èîíîâ.  Åñëè ýòî  íåâîçìîæíî, íóæíî  ïîïûòàòüñÿ ïî  êðàéíåé  ìåðå  ïðîãðàäóèðîâàòü  èíòåíñèâíîñòü   âòîðè÷íûõ  èîíîâ èçó÷àåìîãî ýëåìåíòà ïî îäíîìó èëè íåñêîëüêèì ýëåìåíòàì, ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåííûì â ïëåíêå.  îáùåì àáñîëþòíàÿ èíòåíñèâíîñòü âòîðè÷íûõ èîíîâ äàåò ïðÿìóþ èíôîðìàöèþ î

ðàñïðåäåëåíèè ýëåìåíòà ïî ãëóáèíå ëèøü ïðè ìàëûõ êîíöåíòðàöèÿõ ïðèìåñè â àìîðôíîé èëè ìîíîêðèñòàëëè÷åñêîé ìàòðèöå ñ ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåííûìè îñíîâíûìè êîìïîíåíòàìè è ëèøü ïðè ãëóáèíàõ ïîä ïîâåðõíîñòüþ, ïðåâûøàþùèõ 50 À.

            Ïðèãîäíîñòü ìåòîäà ÂÈÌÑ äëÿ îïðåäåëåíèÿ ãëóáèííîãî ïðîôèëÿ íàðÿäó ñ åãî âûñîêîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ ê áîëüøèíñòâó ýëåìåíòîâ äåëàåò åãî âåñüìà ïðèâëåêàòåëüíûì êàê ìåòîä èçó÷åíèÿ òîíêèõ ïëåíîê, èîííîé èìïëàíòàöèè è äèôôóçèè. Ôàêòîðû, ñóùåñòâåííûå ïðè ïðîâåäåíèè ãëóáèííîãî àíàëèçà ìåòîäîì ÂÈÌÑ,  ìîãóò áûòü  ðàçäåëåíû íà äâå ãðóïïû: ïðèáîðíûå è îáóñëîâëåííûå îñîáåííîñòÿìè ñî÷åòàíèÿ èîí - ìàòðèöà.

                                        

Ïðèáîðíûå ôàêòîðû, âëèÿþùèå íà ðàçðåøåíèå  ïî ãëóáèíå ïðè èçìåðåíèè ïðîôèëåé êîíöåíòðàöèè                       

            Ïîëó÷èòü  ïðè  ìåòîäå  ÂÈÌÑ  íàäåæíûå  ñâåäåíèÿ  î ãëóáèííîì  ïðîôèëå  ìîæíî  ëèøü â  òîì ñëó÷àå,  åñëè ïîääåðæèâàåòñÿ  ïîñòîÿííàÿ èíòåíñèâíîñòü òîêà ïåðâè÷íûõ èîíîâ è îáåñïå÷èâàåòñÿ îäíîðîäíîñòü ïëîòíîñòè òîêà ïó÷êà â òîé ÷àñòè ïîâåðõíîñòè, èç  êîòîðîé â  ìàññ-àíàëèçàòîð îòáèðàþòñÿ  âòîðè÷íûå ÷àñòèöû.      ñòàöèîíàðíîì    ñôîêóñèðîâàííîì     èîííîì    ïó÷êå     ïëîòíîñòü    òîêà,   ïàäàþùåãî   íà   îáðàçåö,   íå   ïîñòîÿííà    ïî   ñå÷åíèþ    ïó÷êà,   à ñëåäîâàòåëüíî,    è    ðàñïûëåíèå    ïîâåðõíîñòè    â    ýòèõ    óñëîâèÿõ   íå ìîæåò   áûòü   ðàâíîìåðíûì.    Åñëè   çîíà,    èç   êîòîðîé    ïîñòóïàåò   èíôîðìàöèÿ,    îõâàòûâàåò    âñå    ñå÷åíèå    ïåðâè÷íîãî   ïó÷êà,    òî   âêëàä â   ñèãíàë   èîíîâ   ñ   êðàåâ   êðàòåðà    áóäåò   èñêàæàòü    ïðîôèëü   êîíöåíòðàöèè ýëåìåíòà â ïðèïîâåðõíîñòíîì ñëîå (ôèã. 13).                        

            Îøèáêè    òàêîãî    ðîäà    óñòðàíÿþòñÿ    â    ÂÈÌÑ    ðàçíûìè    ñïîñîáàìè    â    çàâèñèìîñòè    îò    êîíñòðóêöèè    ïðèáîðà.        óñòðîéñòâàõ, â     êîòîðûõ    íå     ïðåäóñìîòðåíà    âîçìîæíîñòü     îïðåäåëÿòü    ðàñïðåäåëåíèå    ýëåìåíòà    ïî    ïîâåðõíîñòè,    îáû÷íî    ðàñôîêóñèðóþò   ïó÷îê òàê,  ÷òîáû  åãî  ñå÷åíèå áûëî áîëüøå àíàëèçèðóåìîé îáëàñòè èëè   âûðåçàþò  ïðè ïîìîùè äèàôðàãìû èç ðàñôîêóñèðîâàííîãî ïó÷êà     îïðåäåëåííûé     ó÷àñòîê     ñ    îäíîðîäíîé     ïëîòíîñòüþ    òîêà. Èíîãäà íà ïîâåðõíîñòè ìèøåíè ïîìåùàþò òîíêóþ ìàñêó èç                         

ìàòåðèàëà, íå äàþùåãî âòîðè÷íûõ èîíîâ, áëèçêèõ ê àíàëèçèðóåìûì,  êîòîðàÿ îãðàíè÷èâàåò âòîðè÷íóþ  èîííóþ ýìèññèþ èç îáëàñòåé íåîäíîðîäíîé ïëîòíîñòè ïåðâè÷íîãî ïó÷êà.                 

           

                Ôèã.13. Ïåðåìåííûé ïðîôèëü êîíöåíòðàöèè â ïðèïîâåðõíîñòíîì ñëîå ñ óêàçàíèåì                                              ðàçëè÷íûõ ïðèáîðíûõ ôàêòîðîâ, êîòîðûå ïðèâîäÿò ê èñêàæåíèþ ïðîôèëÿ ïî

                              ñðàâíåíèþ ñ èñòèííûì ðàñïðåäåëåíèåì[1].

            Íàèáîëåå óäîâëåòâîðèòåëüíûé ñïîñîá ðåøåíèÿ ïðîáëåìû - ýëåêòðè÷åñêè ðàçâåðòûâàòü ñôîêóñèðîâàííûé èîííûé ïó÷îê â ðàñòð ïî äîñòàòî÷íî áîëüøîé ïëîùàäè ïîâåðõíîñòè ìèøåíè òàê, ÷òîáû îáåñïå÷èòü â åå íåéòðàëüíîé ÷àñòè îäíîðîäíóþ ïëîòíîñòü òîêà. Ïðè ýòîì íóæíî óäåëèòü îñîáîå âíèìàíèå ñèñòåìå ðàçâåðòêè ïó÷êà: íàïðÿæåíèå ñòðî÷íîé è êàäðîâîé ðàçâåðòêè äîëæíî èçìåíÿòüñÿ ëèíåéíî ñî âðåìåíåì, îáðàòíûé õîä ïó÷êà äîëæåí áëàíêèðîâàòüñÿ  èëè õàîòèçèðîâàòüñÿ, à ñêîðîñòü ðàçâåðòêè äîëæíà áûòü ñîãëàñîâàíà ñ ðàçìåðàìè ïó÷êà, ÷òîáû ñîñåäíèå ñòðîêè ðàñòðà ïåðåêðûâàëèñü.

            ×òîáû ïîëíîñòüþ èñïîëüçîâàòü äîñòîèíñòâà ýòîãî ìåòîäà, íåîáõîäèìî îãðàíè÷èòü çîíó îòáîðà âòîðè÷íûõ èîíîâ îáëàñòüþ  îäíîðîäíîé ïëîòíîñòè ïó÷êà. Îñóùåñòâèòü ýòî ñðàâíèòåëüíî ïðîñòî â óñòàíîâêàõ ÂÈÌÑ, êîòîðûå ïîçâîëÿþò ïîëó÷àòü  ñâåäåíèÿ î ðàñïðåäåëåíèè âåùåñòâà ïî ïîâåðõíîñòè.   ñêàíèðóþùåé ìèêðîçîíäîâîé óñòàíîâêå,  ãäå  ïåðâè÷íûé  èîííûé ïó÷îê  ìàëîãî äèàìåòðà ðàçâîðà÷èâàåòñÿ â ðàñòð ïî ïîâåðõíîñòè,  ìîæíî ðàáîòàòü  â ðåæèìå,  â êîòîðîì  ñèñòåìà äåòåêòèðîâàíèÿ  ðåãèñòðèðóåò âòîðè÷íûå  èîíû  ëèøü  ïðè  ïðîõîæäåíèè ëó÷îì  âûäåëåííîãî “îêíà”.                    

            Äàæå òîãäà, êîãäà çîíà, èç êîòîðîé  ñîáèðàåòñÿ èíôîðìàöèÿ, îãðàíè÷åíà  îáëàñòüþ  îäíîðîäíîé  ïëîòíîñòè òîêà,  èìååòñÿ åùå ðÿä   ïðèáîðíûõ  ýôôåêòîâ,   ïðèâîäÿùèõ  ê   èñêàæåíèþ  ôîðìû ïðîôèëåé êîíöåíòðàöèè. Ê ïðèìåðó, ýôôåêò  îáðàòíîãî  îñàæäåíèÿ íà ìèøåíü  ðàíåå  ðàñïûëåííîãî  âåùåñòâà:  ìàòåðèàë, ðàñïûëåííûé ñ êðàåâ êðàòåðà, îñåäàåò íà åãî äíå (â òîì ÷èñëå  íà ïîâåðõíîñòè àíàëèçèðóåìîé çîíû) è çàòåì  âíîâü ðàñïûëÿåòñÿ  (ôèã. 13). Òàêîé  ýôôåêò  îáû÷íî ñóùåñòâåíåí  ëèøü ïðè  èçìåðåíèè “õâîñòîâ” ïðîôèëåé  ñ  ìàëîé  êîíöåíòðàöèåé  è ñèëüíî  îñëàáëÿåòñÿ, åñëè  óâåëè÷èòü êðóòèçíó  ñòåíîê êðàòåðà.  Ê àíàëîãè÷íûì èñêàæåíèÿì  ïðîôèëåé  êîíöåíòðàöèè  ïðèâîäÿò  àäñîðáöèÿ  îñòàòî÷íûõ   ãàçîâ,  èëè  ýôôåêòû  ïàìÿòè óñòàíîâêè.   Äîáàâèì, ÷òî ëþáîé ôàêòîð,  âëèÿþùèé  íà  àíàëèç ñëåäîâ  ýëåìåíòîâ ìåòîäîì ÂÈÌÑ (íàëîæåíèå ïèêîâ ìîëåêóëÿðíûõ èîíîâ, õèìè÷åñêàÿ ÷èñòîòà ïåðâè÷íîãî  èîííîãî  ïó÷êà,  âëèÿíèå  íåñôîêóñèðîâàííîãî êîìïîíåíòà  è  ïåðèôåðèéíûõ ÷àñòåé  ïó÷êà), òàêæå  ìîæåò èñêàçèòü ïðîôèëü â îáëàñòè ìàëûõ êîíöåíòðàöèé.

Âëèÿíèå èîííî-ìàòðè÷íûõ ýôôåêòîâ  íà ðàçðåøåíèå ïî ãëóáèíå ïðè èçìåðåíèè ïðîôèëåé  êîíöåíòðàöèè

            Ðÿä ýôôåêòîâ, âûçûâàþùèõ îøèáêè ïðè èçìåðåíèè ïðîôèëåé êîíöåíòðàöèè, ñâÿçàí ñ õàðàêòåðèñòèêàìè êàñêàäà ñòîëêíîâåíèé, ñîçäàâàåìîãî â òâåðäîì òåëå ïåðâè÷íûì èîíîì. Äâà òàêèõ ýôôåêòà - âëèÿíèå ñðåäíåé ãëóáèíû âûõîäà âòîðè÷íûõ èîíîâ è ïåðåìåøèâàíèå àòîìîâ â ïîâåðõíîñòíîì ñëîå.  áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ ðàñïðåäåëåíèå àíàëèçèðóåìûõ ÷àñòèö ïðîñòèðàåòñÿ íà ãëóáèíó ñâûøå 100 À.  ýòèõ óñëîâèÿõ àòîìíûå ïåðåìåùåíèÿ â ïðèïîâåðõíîñòíîì ñëîå, âíåäðåíèå àòîìîâ îòäà÷è è èíûå ñâÿçàííûå ñ ìàòðèöåé ýôôåêòû âíîñÿò â èñêàæåíèå ïðîôèëåé êîíöåíòðàöèè çíà÷èòåëüíî áîëüøèé âêëàä, ÷åì ãëóáèíà âûõîäà âòîðè÷íûõ ÷àñòèö.                                  

            Îñíîâíûìè    ïàðàìåòðàìè,    îïðåäåëÿþùèìè    îòíîñèòåëüíûå  ïðîáåãè  ÷àñòèö  â äàííîé  ïëåíêå, ÿâëÿþòñÿ  ýíåðãèÿ ïåðâè÷íûõ  èîíîâ,  àòîìíûé  íîìåð  Z è ìàññà  À áîìáàðäèðóþùèõ  ÷àñòèö è  àòîìîâ  ìèøåíè. Òàêèì  îáðàçîì, èçìåðÿåìûé  ïðîôèëü êîíöåíòðàöèè äîëæåí çàâèñåòü îò Z è  À ïåðâè÷íûõ  èîíîâ òàê  æå, êàê  îò èõ ýíåðãèè.  Åùå îäèí  ïàðàìåòð, âëèÿþùèé  íà åãî  ôîðìó, - óãîë ïàäåíèÿ, ò. å. óãîë ìåæäó ïåðâè÷íûì  èîííûì ïó÷êîì  è ïîâåðõíîñòüþ ìèøåíè  (îáû÷íî ýòîò  óãîë îòñ÷èòûâàþò  îò íîðìàëè  ê  ïîâåðõíîñòè).  Óâåëè÷åíèå  óãëà  ïàäåíèÿ ïðèâîäèò  ê óìåíüøåíèþ  ñðåäíåé   ãëóáèíû  ïðîíèêíîâåíèÿ   ÷àñòèö  îòíîñèòåëüíî  ïîâåðõíîñòè  îáðàçöà  è, ñëåäîâàòåëüíî,  ýêâèâàëåíòíî óìåíüøåíèþ ýíåðãèè ïåðâè÷íûõ èîíîâ.

            Êðîìå  òîãî,  óøèðåíèå  èëè  óìåíüøåíèå  êðóòèçíû, ïðîôèëÿ  êîíöåíòðàöèè  ìîæåò  ïðîèñõîäèòü  èç-çà   äèôôóçèè  ýëåìåíòîâ,  âûçûâàåìîé   èëè   óñèëèâàåìîé   ðàäèàöèîííûìè   ïîâðåæäåíèÿìè  â òâåðäîì  òåëå, ëîêàëüíûì  ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû  â îáëó÷àåìîé  îáëàñòè  è  ñèëüíûì  ýëåêòðè÷åñêèì  ïîëåì,  âîçíèêàþùèì â  ðåçóëüòàòå  çàðÿäêè  ïîâåðõíîñòè  ïåðâè÷íûì  ïó÷êîì.    îáùåì ñëó÷àå  ðîëü  âñåõ  ýòèê ôàêòîðîâ  ïðåäñêàçàòü òðóäíî.  ×òî æå  êàñàåòñÿ  íàïðÿæåííîñòè  ïîëÿ,  òî  â  ïëåíêå òîëùèíîé  1000 À  ïðè çàðÿäêå ïîâåðõíîñòè äî 10  îíà ìîæåò äîñòèãàòü  106 Â/ñì.

            Îäíîé  îäíîðîäíîñòè  ïëîòíîñòè  ïåðâè÷íîãî èîííîãî  òîêà ïî ïîâåðõíîñòè  íåäîñòàòî÷íî  äëÿ  òîãî, ÷òîáû  òðàâëåíèå îáðàçöà ïðîòåêàëî  ðàâíîìåðíî.  Ñêîðîñòü òðàâëåíèÿ  îïðåäåëÿåòñÿ òîïîãðàôèåé  ïîâåðõíîñòè,  ÷èñòîòîé  è îäíîðîäíîñòüþ  îáðàçöà, ÷òî â ñâîþ î÷åðåäü çàâèñèò îò  åãî ñîñòàâà,  ôèçè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ è  êðèñòàëëîãðàôè÷åñêîé  îðèåíòàöèè.  Êàê ïðàâèëî,  ïðè êîíòðîëèðóåìûõ  óñëîâèÿõ ðàáîòû  óñòàíîâêè  è  ñîñòîÿíèÿ  îáðàçöà óøèðåíèå  ïðîôèëÿ, ñâÿçàííîå  ñ ïðîöåññîì  èîííîãî òðàâëåíèÿ,  íå ïðåâûøàåò  10% èññëåäóåìîé ãëóáèíû.

            Âíåäðåííûå ïåðâè÷íûå èîíû è âûçâàííûå èìè ïîâðåæäåíèÿ ðåøåòêè ìèøåíè ìîãóò ïîâëèÿòü íà ôîðìó ïðîôèëÿ êîíöåíòðàöèè, îêàçàâ âëèÿíèå íà êîýôôèöèåíò ðàñïûëåíèÿ è âåðîÿòíîñòü èîíèçàöèè ðàñïûëåííûõ ÷àñòèö. Íî åñëè èîííîå òðàâëåíèå îñóùåñòâëÿåòñÿ ÷àñòèöàìè ñ ýíåðãèåé 100 ýÂ/àò. åä. ìàññû, òî èçìåíåíèÿ ìàòðèöû âñëåäñòâèå âíåäðåíèÿ èîíîâ îãðàíè÷åíû ïîâåðõíîñòíûì ñëîåì òîëùèíîé 100 À. Çà åãî ïðåäåëàìè êîíöåíòðàöèÿ âíåäðåííûõ èîíîâ îñòàåòñÿ ïîñòîÿííîé è ñîõðàíÿåòñÿ ñòàáèëüíîå ñîñòîÿíèå ìàòðèöû.

Ïðèìåíåíèÿ

            Ïðèëîæåíèÿ ÂÈÌÑ ìîæíî ðàçáèòü íà ïÿòü øèðîêèõ (÷àñòè÷íî ïåðåêðûâàþùèõñÿ) îáëàñòåé: èññëåäîâàíèå ïîâåðõíîñòè, ãëóáèííûå ïðîôèëè êîíöåíòðàöèè, ðàñïðåäåëåíèå ïî ïîâåðõíîñòè, ìèêðîàíàëèç è àíàëèç îáúåìà òâåðäîãî òåëà.

Èññëåäîâàíèå ïîâåðõíîñòè

              îáëàñòè  àíàëèçà  ïîâåðõíîñòè  ÂÈÌÑ  ïðèìåíÿåòñÿ   â  îñíîâíîì  äëÿ  èäåíòèôèêàöèè  ïîâåðõíîñòíûõ   àòîìîâ  è   ìîëåêóë  è  äëÿ  èçó÷åíèÿ  äèíàìèêè  ïîâåðõíîñòíûõ  ÿâëåíèé.  Êðîìå òîãî,  äèíàìèêó ïîâåðõíîñòíûõ  ïðîöåññîâ  ìîæíî  èçó÷àòü,  íå  âíîñÿ  çàìåòíûõ  âîçìóùåíèé,   ïîñêîëüêó  äëÿ   ïîëíîãî  àíàëèçà   äîñòàòî÷íî  óäàëèòü âñåãî ëèøü 10-6 âíåøíåãî àòîìíîãî ñëîÿ âåùåñòâà.  Ìåòîäîì   ÂÈÌÑ  èññëåäóþòñÿ   òàêèå  ïîâåðõíîñòíûå   ÿâëåíèÿ,  êàê  êàòàëèç,  êîððîçèÿ,  àäñîðáöèÿ  è  äèôôóçèÿ.

              ïðèáîðàõ  ÂÈÌÑ,  â  êîòîðûõ  ïðåäóñìîòðåíî   âñå  íåîáõîäèìîå  äëÿ  íàïóñêà  ãàçà  è  íàãðåâàíèÿ  îáðàçöîâ,   ìîæíî  èçó÷àòü ïîâåðõíîñòíûå  ïðîöåññû  in situ.  Èíôîðìàöèÿ,   ñîäåðæàùàÿñÿ  â ìàññ-ñïåêòðàõ   ïîëîæèòåëüíûõ   è   îòðèöàòåëüíûõ   âòîðè÷íûõ  èîíîâ,  äàåò  íåêîòîðîå  ïðåäñòàâëåíèå  î   õàðàêòåðå  ïîâåðõíîñòíîé ñâÿçè   è   ìåõàíèçìàõ  âçàèìîäåéñòâèÿ   ìåæäó  ãàçîì   è  ïîâåðõíîñòüþ.   Ê   õîðîøî   äîêóìåíòèðîâàííûì  ïðèìåíåíèÿì ÂÈÌÑ  ïðè  èçó÷åíèè   êàòàëèçà  îòíîñÿòñÿ   èññëåäîâàíèÿ  ðàçëîæåíèÿ  è  ñèíòåçà  àììèàêà íà  æåëåçå  è  ñîñòàâà ïîâåðõíîñòíîãî  ñëîÿ  ñåðåáðà,  èñïîëüçóåìîãî  â  êà÷åñòâå  êàòàëèçàòîðà ïðè  îêèñëåíèè  ýòèëåíà.  Êàòàëèòè÷åñêèå   ïðîöåññû  îòëè÷àþòñÿ  îò  ðåàêöèé  îêèñëåíèÿ  èëè  êîððîçèè  ìåòàëëîâ  òåì,  ÷òî àêòèâíàÿ  çîíà  êàòàëèòè÷åñêèõ  ðåàêöèé  ïî  ðàçìåðàì   -  ïîðÿäêà ìîíîàòîìíîãî  ñëîÿ,  òîãäà  êàê  ïðè  îêèñëåíèè  îíà óâåëè÷èâàåòñÿ èç-çà  äåéñòâèÿ  õèìè÷åñêèõ   ñìåùàþùèõ  ñèë,   íàïðàâëåííûõ  ïåðïåíäèêóëÿðíî   ãðàíèöå   ðàçäåëà   ìåæäó   àäñîðáèðîâàííûì   ñëîåì è  ìåòàëëîì.  Ïðåäìåòîì   ðÿäà  èññëåäîâàíèé,   ïðîâåäåííûõ  ìåòîäèêó  ÂÈÌÑ,  áûëè  íà÷àëüíûå  ôàçû  ãàçîâîé  êîððîçèè   è  îáðàçîâàíèÿ  ïîâåðõíîñòíûõ  ñîåäèíåíèé.

            Èçâëå÷åíèå êîëè÷åñòâåííîé èíôîðìàöèè î ïîâåðõíîñòíîì ñëîå èëè çîíå ðåàêöèè íà ïîâåðõíîñòè ñîïðÿæåíî ñ èçâåñòíûìè òðóäíîñòÿìè. Íî êàê ïîêàçàíî âûøå, ïðîöåññû íà ïîâåðõíîñòè ÷àñòî ìîæíî èçó÷àòü è áåç ïðèâåäåíèÿ ïîëó÷åííûõ äàííûõ ê àòîìíûì êîíöåíòðàöèÿì ÷àñòèö. Òèï âòîðè÷íûõ èîíîâ è èçìåíåíèå èõ òîêîâ â çàâèñèìîñòè îò âðåìåíè, òåìïåðàòóðû è äàâëåíèÿ ãàçà äàþò äîñòàòî÷íóþ èíôîðìàöèþ äëÿ òîãî, ÷òîáû  ñóäèòü  î  ìíîãèõ  ïðîöåññàõ,  ïðîòåêàþùèõ  íà  ïîâåðõíîñòè îáðàçöà.  Âî   ìíîãèõ  ñëó÷àÿõ   âûñîêàÿ  ÷óâñòâèòåëüíîñòü   è  øèðîêèå  âîçìîæíîñòè   ìåòîäà   ÂÈÌÑ   êîìïåíñèðóþò   íåäîñòàòî÷íóþ   êîëè÷åñòâåííóþ  òî÷íîñòü,  ïîçâîëÿÿ  èçâëåêàòü  êà÷åñòâåííûå  èëè  ïîëóêîëè÷åñòâåííûå   ñâåäåíèÿ   (îñîáåííî   â   ïëàíå  êà÷åñòâåííîãî  êîíòðîëÿ ïðè  ïðèãîòîâëåíèè è  îáðàáîòêå ïîâåðõíîñòè ), êîòîðûå íåâîçìîæíî ïîëó÷èòü äðóãèìè ìåòîäàìè.                   

Ãëóáèííûå ïðîôèëè êîíöåíòðàöèè                                

            ÂÈÌÑ   -   îäèí  èç   ñàìûõ  ýôôåêòèâíûõ   ìåòîäîâ  äèàãíîñòèêè  ïîâåðõíîñòè   ñðåäè   ïðèìåíÿåìûõ   äëÿ   èçìåðåíèÿ  ðàñïðåäåëåíèÿ  êîíöåíòðàöèè  ýëåìåíòîâ  ïî   ãëóáèíå  îáðàçöà.   Ïðåäåë  ðàçðåøåíèÿ  ïî  ãëóáèíå  ïðè  òàêîì  ìåòîäå  íå ïðåâûøàåò  50 À,  à ïîðîã ÷óâñòâèòåëüíîñòè  ìåíüøå  1017 àòîì/ñì2.

             íàñòîÿùåå âðåìÿ äëÿ èçìåíåíèÿ ñâîéñòâ ïðèïîâåðõíîñòíîãî ñëîÿ òâåðäîãî òåëà øèðîêî ïîëüçóþòñÿ ìåòîäàì èîííîãî âíåäðåíèÿ (èìïëàíòàöèè). Ðàñïðåäåëåíèå âíåäðåííûõ ÷àñòèö ïî ãëóáèíå îïðåäåëÿþò ðàçíûìè ìåòîäàìè (ðàäèîàêòèâíûå èçîòîïû, èçìåðåíèå ýëåêòðîïðîâîäèìîñòè, ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è, âîçíèêàþùèå ïðè áîìáàðäèðîâêå òÿæåëûìè èîíàìè). Íî ïðèìåíåíèå ïîäîáíûõ ìåòîäîâ ñîïðÿæåíî ñ áîëüøèìè òðóäíîñòÿìè è âîçìîæíî äàëåêî íå ïðè âñåõ ñî÷åòàíèÿõ ëåãèðóþùèé èîí - ìàòðèöà. Ìåòîä ÂÈÌÑ æå ñâîáîäåí îò òàêèõ îãðàíè÷åíèé è ïîòîìó íàèáîëåå óäîáåí ïðè îïðåäåëåíèè ïðîôèëåé êîíöåíòðàöèè âíåäðåííûõ ÷àñòèö.

Ðàñïðåäåëåíèå ÷àñòèö ïî ïîâåðõíîñòè,   ìèêðîàíàëèç è îáúåìíûé àíàëèç 

            Ðåíòãåíîâñêèé   ìèêðîàíàëèç  îòêðûë  ïóòü äëÿ  äèàãíîñòèêè òâåðäûõ  òåë  è  äî  ñåãîäíÿøíåãî äíÿ  îñòàåòñÿ âàæíåéøèì  ìåòîäîì òàêîãî  àíàëèçà.   Ñîçäàíèå   ïðèáîðîâ   ÂÈÌÑ   òèïà  ìàññ-ñïåêòðàëüíàãî  ìèêðîñêîïà   è  ðàñòðîâîãî  ìèêðîçîíäà   ðàñøèðèëî âîçìîæíîñòè  ìèêðîàíàëèçà  òâåðäîãî  òåëà,  ïîçâîëèâ  äîñòè÷ü áîëüøåé  ÷óâñòâèòåëüíîñòè,  ïðîâîäèòü  èçîòîïè÷åñêèé  è  ïîâåðõíîñòíûé  àíàëèç  è  îáíàðóæèâàòü ïðèñóòñòâèå  ýëåìåíòîâ ñ  ìàëûìè Z.

            Ìàññ-ñïåêòðàëüíûå  ìèêðîñêîïû  äàþò  êà÷åñòâåííóþ,  à   ïðè  íåêîòîðûõ óñëîâèÿõ è êîëè÷åñòâåííóþ èíôîðìàöèþ î ðàñïðåäåëåíèè ýëåìåíòîâ ïî ïîâåðõíîñòè îáðàçöà.       Îíè ïðèìåíÿþòñÿ ïðè èçó÷åíèè âûäåëåíèé íà ãðàíèöàõ çåðåí, ðàçëè÷íûõ ýôôåêòîâ è ïîëè- è ìîíî-êðèñòàëëàõ, äèôôóçèè  (äâóìåðíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ  â  ïëîñêîñòè  ïîïåðå÷íûõ  øëèôîâ), ôàçîâîãî ñîñòàâà ìèíåðàëîâ  è ðàñïðåäåëåíèÿ ïîâåðõíîñòíûõ çàãðÿçíåíèé.                                   

    Ìåòîäîì ÂÈÌÑ ïðîâîäèòñÿ àíàëèç äâîÿêîãî ðîäà: îïðåäåëåíèå îáùåãî ñîñòàâà â îáúåìå òâåðäîãî òåëà è îïðåäåëåíèå ñîñòàâà â îòäåëüíûõ åãî òî÷êàõ (ò. å ìèêðîîáëàñòÿõ äèàìåòðîì ìåíåå 25 ìêì). Ìèêðîàíàëèç ìåòîäîì ÂÈÌÑ ïðîâîäèëñÿ äëÿ îïðåäåëåíèÿ ñëåäîâ ðàçëè÷íûõ ýëåìåíòîâ, ñîäåðæàùèõñÿ â òåõ      èëè èíûõ çåðíàõ ìèíåðàëîâ, èçîòîïè÷åñêîãî àíàëèçà ÐÜ in situ â îðåîëå ðàäèîàêòèâíûõ âêëþ÷åíèé (äèàìåòðîì 1 - 2 ìêì), ýëåìåíòíîãî àíàëèçà âçâåñè  è îïðåäåëåíèÿ âîçðàñòà íåêîòîðûõ ôàç â ìèíåðàëàõ ïî îòíîøåíèþ 207Pb/206Pbè ðóáèäèåâî-ñòðîíöèåâûì ìåòîäîì. Àíàëèç àêòèâíûõ ãàçîâ (òàêèõ, êàê Í2, N2, Î2) â ìåòàëëàõ ýòèì ìåòîäîì ñîïðÿæåí ñ èçâåñòíûìè òðóäíîñòÿìè.

Çàêëþ÷åíèå

            Ïîêà ÷òî íåò òàêîãî ìåòîäà, êîòîðûé ïîëíîñòüþ óäîâëåòâîðÿë áû âñåì çàïðîñàì âñåõ èññëåäîâàòåëåé, èìåþùèõ äåëî ñ ïîâåðõíîñòüþ. Ìåòîä ÂÈÌÑ íå ÿâëÿåòñÿ èñêëþ÷åíèåì â ýòîì îòíîøåíèè, íî îí çàíèìàåò îñîáîå ïîëîæåíèå â îáëàñòè àíàëèçà ñîñòàâà îáúåìà è ïîâåðõíîñòè òâåðäîãî òåëà, ò. ê. â ðÿäå äðóãèõ îòíîøåíèé ñ íèì íå ìîãóò ñðàâíèòüñÿ íèêàêèå äðóãèå ìåòîäû. Âûñîêî÷óâñòâèòåëüíîñòü ê áîëüøèíñòâó ýëåìåíòîâ, âîçìîæíîñòü ðåãèñòðàöèè àòîìîâ ñ ìàëûìè Z è èçîòîïè÷åñêîãî àíàëèçà, âûñîêîå ðàçðåøåíèå ïî ãëóáèíå ïðè èçìåðåíèè ïðîôèëåé êîíöåíòðàöèè è âîçìîæíîñòü èçó÷åíèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ ýëåìåíòîâ ïî ïîâåðõíîñòè äåëàþò ÂÈÌÑ ìåòîäîì òðåõìåðíîãî àíàëèçà èçîòîïíîãî è ñëåäîâîãî ñîñòàâà òâåðäîãî òåëà (ôèã. 14).

           

            Ôèã.14. Âëèÿíèå àíàëèçèðóåìîé ïëîùàäè íà ïðåäåëüíóþ ðàçðåøàþùóþ ñïîñîáíîñòü[2].

            Ìíîãèå çàäà÷è ôèçèêè ïîâåðõíîñòè ìîãóò áûòü ðåøåíû êà÷åñòâåííûìè èëè ïîëóêîëè÷åñòâåííûìè ìåòîäàìè, ïîýòîìó, íå î÷åíü âûñîêàÿ òî÷íîñòü êîëè÷åñòâåííûõ îöåíîê, îáåñïå÷èâàåìàÿ ìåòîäîì ÂÈÌÑ, ñ ëèõâîé êîìïåíñèðóåòñÿ òîé öåííîé êà÷åñòâåííîé èíôîðìàöèåé, êîòîðóþ îí äàåò. ÂÈÌÑ óæå îêàçàë áîëüøîå âëèÿíèå íà ìèêðîàíàëèç òâåðäûõ òåë â íàïðàâëåíèÿõ, èìåþùèõ êàê ôóíäàìåíòàëüíîå, òàê è ïðèêëàäíîå çíà÷åíèå. Äàëüíåéøåå ðàçâèòèå ìåòîäà ÂÈÌÑ äîëæíî áûòü íàïðàâëåíî, ãëàâíûì îáðàçîì, íà ðåøåíèå ïðîáëåìû êîëè÷åñòâåííîãî àíàëèçà è îòûñêàíèÿ ïóòåé ïîâûøåíèÿ åãî òî÷íîñòè.


Ñïèñîê ëèòåðàòóðû

1. Ìàê-Õüþ È.À. Âòîðè÷íî-èîííàÿ ìàññ-ñïåêòðîìåòðèÿ:  êí. Ìåòîäû àíàëèçà                                  ïîâåðõíîñòè./Ïåð ñ àíãë. - Ì.: Ìèð, 1979. - ñ. 276-342.

2. Áðîóäàé È., Ìåðåé Äæ. Ôèçè÷åñêèå îñíîâû ìèêðîòåõíîëîãèè: Ïåð. ñ àíãë. - Ì.:             Ìèð, 1985. - 496 ñ.

3. Òåõíîëîãèÿ ÑÁÈÑ: Â 2-õ êí. Ïåð. ñ àíãë./Ïîä ðåä. Ñ. Çè. - Ì.: Ìèð, 1986. - 453 ñ.

4. ×åðåïèí Â.Ò., Âàñèëüåâ Ì.À. Ìåòîäû è ïðèáîðû äëÿ àíàëèçà ïîâåðõíîñòè          ìàòåðèàëîâ: Ñïðàâî÷íèê. - Êèåâ: Íàóêîâà Äóìêà, 1982. - 400 ñ.

5. Ôåëäìàí Ë., Ìàéåð Ä. Îñíîâû àíàëèçà ïîâåðõíîñòè è òîíêèõ ïëåíîê./Ïåð. ñ      àíãë. - Ì.: Ìèð, 1989. - 342 ñ.

6. Äîáðåöîâ Ë.Í., Ãîìîþíîâà Ì.Â. Ýìèññèîííàÿ ýëåêòðîíèêà. - Ì.: Íàóêà, 1966. -             564 ñ.

7. Âåêñëåð Â.È. Âòîðè÷íàÿ èîííàÿ ýìèññèÿ ìåòàëëîâ. - Ì.: Íàóêà, 1978. - 240 ñ.

Êàëóæñêèé Ôèëèàë Ìîñêîâñêîãî Ãîñóäàðñòâåííîãî Òåõíè÷åñêîãî Óíèâåðñèòåòà èì. Í. Ý. Áàóìàíà Êàôåäðà Ìàòåðèàëîâåäåíèÿ è Ìàòåðèàëîâ Ýëåêòðîííîé Òåõíèêè ÊÓÐÑÎÂÀß ÐÀÁÎÒÀ ïî êóðñó  ÌÈÌ è ÊÝÒ íà òåìó: “Âòîðè÷íî-èîííàÿ    ìàññ-ñï

 

 

 

Âíèìàíèå! Ïðåäñòàâëåííûé Ðåôåðàò íàõîäèòñÿ â îòêðûòîì äîñòóïå â ñåòè Èíòåðíåò, è óæå íåîäíîêðàòíî ñäàâàëñÿ, âîçìîæíî, äàæå â òâîåì ó÷åáíîì çàâåäåíèè.
Ñîâåòóåì íå ðèñêîâàòü. Óçíàé, ñêîëüêî ñòîèò àáñîëþòíî óíèêàëüíûé Ðåôåðàò ïî òâîåé òåìå:

Íîâîñòè îáðàçîâàíèÿ è íàóêè

Çàêàçàòü óíèêàëüíóþ ðàáîòó

Ïîõîæèå ðàáîòû:

Òåõíîëîãèÿ ïðîèçâîäñòâà Ê56ÈÅ10 è ñåðèè ì (ñ Ê426 è Ê224
Êà÷åñòâî ïðîäóêöèè ìàøèíîñòðîèòåëüíîãî ïðîèçâîäñòâà
Äâèãàòåëü Ñòèðëèíãà - ïðîøëîå, íàñòîÿùåå è áóäóùåå
Âîäîñíàáæåíèå (äîæäåâàëüíûå è ïîëèâíûå ìàøèíû)
Ìåòîäû êîíòðîëÿ â ïðîèçâîäñòâå èíòåãðàëüíûõ ìèêðîñõåì
Êðåìíèé, ïîëó÷åííûé ñ èñïîëüçîâàíèåì "ãåòòåðèðîâàíèÿ" ðàñïëàâà
Òåõíîëîãèÿ ðåìîíòà àâòîìîáèëåé è äîðîæíûõ ìàøèí
Ýêñïëóàòàöèÿ ìàøèí â ïóñòûííî-ñòåïíîé ìåñòíîñòè
Ïðîïèòî÷íûå ìàòåðèàëû
Òåðìîîáðàáîòêà

Ñâîè ñäàííûå ñòóäåí÷åñêèå ðàáîòû

ïðèñûëàéòå íàì íà e-mail

Client@Stud-Baza.ru