质量分析器是质谱仪的核心部件，位于离子源和检测器之间，其功能是将离子源中产生的样品离子按质荷比（m/z）进行分离。三重聚焦飞行时间质量分析器(TRIple Focusing Time of flight,简称TRIFT)是ULVAC-PHI独有的TOF质量分析器。自1988年首台搭载TRIFT质量分析器的TOF-SIMS设备商用以来，ULVAC-PHI已将其应用于多代TOF-SIMS产品中。经过三十多年的持续优化与迭代，TRIFT凭借其宽通能、高景深和较大二次离子接收角等独特设计，已成为目前全球性能最为出色的静态SIMS质量分析器之一。本系列文章将介绍TRIFT质量分析器的发展历程、工作原理及其技术特点。
1.引言
在介绍TRIFT质量分析器之前，我们简要回顾一下TOF-SIMS的基本原理：使用脉冲一次离子束轰击样品表面，可激发出二次离子。在提取电场的作用下，特定极性的二次离子被加速，其能量关系如下：
式中：Ekin为二次离子的动能，V0为提取电压，e、m、v分别为二次离子所带电荷数、质量和速度。
这些二次离子经提取电场加速后，会被赋予相同的动能，并被注入到固定漂移长度的TOF质量分析器中。在飞行距离不变的条件下，不同质量数的二次离子到达探测器的飞行时间存在差异：质量数较小的二次离子速度较快，飞行时间较短；质量数较大的二次离子速度较慢，飞行时间较长。因此，通过测量二次离子的飞行时间可以确定其质荷比，具体如下所示：
式中：t为二次离子的飞行时间；L0、v分别为TOF质量分析器的漂移长度和二次离子飞行速度；e、m、V0分别为二次离子所带电荷数、质量和提取电场的电压。
1.质荷比高精度测量的挑战
理论上，只要能精确测量每一个二次离子到达探测器的飞行时间，就能反算出二次离子的质荷比。但在实际的检测过程中，多种物理因素会影响飞行时间的测量精度：
(1)二次离子的初始动能差异
TOF-SIMS的理想情况是所有二次离子被加速至相同的动能，但由于一次离子束具有较高的动能（通常为30 keV），轰击样品时会将部分能量传递给所激发的二次离子，导致二次离子初始动能通常不为零。如图1所示，原子离子的初始动能分布通常集中在5-10 eV，并且会有高达30-100 eV的能量拖尾。初始动能差异会导致相同质荷比的二次离子飞行时间出现差异，引起谱峰展宽、拖尾，从而降低质量分辨率。
(2)样品表面平整度
TOF-SIMS分析通常要求样品表面尽可能平整，若样品表面粗糙度较大或存在高度差，将会导致二次离子的飞行距离不一致，引起谱峰拖尾等问题。如图1所示，样品表面高度每相差1 μm，加速电位差异可达约1.5 eV，进而引起飞行时间漂移和谱峰拖尾。
实际测试中常遇到形貌不规则或高度不一致的样品，这对质量分析器的带通能量范围要求较高。如果质量分析器允许二次离子通过的能量范围较小，分析器可能采集到浅层信号，成像景深会变差。
图1. 样品表面平整度与二次离子初始动能差异对TOF-SIMS分析的影响
(3)二次离子发射角
在二次离子的激发过程中，二次离子出射时具有随机方向性，会从不同方向离开样品表面。如图2所示，当二次离子发射角与质量分析器的光路中心存在夹角时，二次离子在质量分析器中的实际飞行路径会变长，导致飞行时间差。直接采集较大发射角的二次离子将导致谱峰变形与拖尾。
图2. 二次离子发射角对TOF-SIMS分析的影响
综上，如何有效补偿由样品高度差、初始动能差异和发射角带来的飞行时间偏差，并扩大二次离子接收范围，是实现高分辨TOF-SIMS测量的关键挑战。这就要求质量分析器具备精密的离子光学设计，以抑制这些因素对精度的影响。
在下一篇文章中，我们将深入解析TRIFT质量分析器独特的光路结构，并展示其在复杂形貌样品分析中的优异表现，敬请关注。
