二次离子质谱仪讲课讲稿
二次离子质谱
二次离子质谱Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) 1 引言:离子探针分析仪，即离子探针（Ion Probe Analyzer，IPA），又称二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectrum，SIMS），是利用电子光学方法把惰性气体等初级离子加速并聚焦成细小的高能离子束轰击样品表面，使之激发和溅射二次离子，经过加速和质谱分析，分析区域可降低到1-2μm直径和5nm的深度，正是适合表面成分分析的功能，它是表面分析的典型手段之一。
应用离子照射样品产生二次离子的基础研究工作最初是R.H.斯隆（1938）和R.F.K.赫佐格（1949）等人进行的。
1962 年R.卡斯塔因和G.斯洛赞在质谱法和离子显微技术基础上研制成了直接成像式离子质量分析器。
1967 年H.利布尔在电子探针概念的基础上，用离子束代替电子束，以质谱仪代替X 射线分光计研制成扫描式离子探针质量显微分析仪[1]。
二次离子质谱（SIMS）比其他表面微区分析方法更灵敏。
由于应用了中性原子、液态金属离子、多原子离子和激光一次束，后电离技术，离子反射型飞行时间质量分析器，离子延迟探测技术和计算机图像处理技术等，使得新型的IWHI 的一次束能量提高到MeV，束斑至亚μm，质量分辨率达到15000，横向和纵向分辨率小于0.5μm和5nm，探测限为ng/g，能给出二维和三维图像信息。
SIMS 已发展为一种重要的材料成分分析方法，在微电子、光电子、材料科学、催化、薄膜和生物领域有广泛应用[2]。
2 SIMS的基本原理[3]离子探针的原理是利用能量为1～20KeV的离子束照射在固体表面上，激发出正、负离子（溅射），利用质谱仪对这些离子进行分析，测量离子的质荷比和强度，从而确定固体表面所含元素的种类和数量。
2.1 溅射被加速的一次离子束照射到固体表面上，打出二次离子和中性粒子等，这个现象称作溅射。
溅射过程可以看成是单个入射离子和组成固体的原子之间独立的、一连串的碰撞所产生的。
二次离子质谱法(SIMS)
二次离子质谱法（SIMS）扎卡里·沃拉斯（Zachary Voras）1.分类二次离子质谱法（secondary ion mass spectrometry，SIMS）是一种灵敏的表面分析质谱技术，可对样品进行光谱分析、成像或深度剖面分析。
这是一种侵入式技术，不能进行原位检测。
2.说明SIMS是一种超高真空（ultra-high vacuum，UHV）表面分析技术，可以观察样品表面的原子和分子种类。
该技术用离子源发出一次离子束，聚焦并加速轰击样品，样品受碰撞脱落的二次离子直接进入质量分析仪（通常为飞行时间质量分析仪）（Vickerman，2009）。
这种碰撞级联会将一次离子的势能转化为脱落的二次离子碎片的动能。
质量碎片的大小则与脱落部位和初始碰撞位置的远近有关。
要获得最佳信号速率和质量分辨率，必须对一次离子和二次离子进行高水平控制，而一次离子源到分析仪之间的路程超过1 m，因此仪器应保持超高真空条件，才能将平均自由程碰撞控制在最低限度。
图1为SIMS表面分析概述。
在一次离子束入射能量和种类设置最优的情况下，可最大限度地提高单一碰撞事件的二次离子产额。
通过观察原子离子或分子离子都可以表征样品的表面材料，但使用下文所述的团簇离子源则可能减少残余对材料的损伤。
图1 SIMS表面分析概述为获得较高的质量分辨率，二次离子质谱仪通常采用飞行时间（time-of-flight，TOF）质量分析器，因为TOF可匹配脉冲式一次离子束。
TOF质量分析器的作用是让进入的离子先通过漂移管加速，再撞击探测装置（通常为微通道板）（Tang等，1988）。
为确保获得最佳质量分辨率，一次离子束的脉冲必须和质量分析仪的提取／加速阶段完全同步（Niehuis等，1987）。
要进一步提高质量分辨率，离子束的脉冲宽度就必须尽可能窄（＜1ns）（Eccles和Vickerman，1989）。
与其他质量分析器（如四极杆分析器和扇形磁场分析器）相比，TOF质量分析器有着最高的传输率和灵敏度，可满足静态SIMS分析对数据速率的要求（Vickerman，2009）。
二次离子质谱
具体应用
1、元素及同位素分析 2、质谱分析与深度剖析 3、颗粒物微分析研究 4、团簇、聚合物分析 5、生物医学研究
应用实例 陨石矿物微量元素研究
通过测量微量元素二次离 子与参照主元素二次离子 的信号比,然后根据标准物 的有关二次离子产率系数, 可计算出待分析矿物的微 量元素组成。
2、基本原理
原理流程图
离子源发射 带电离子 加速 聚焦 轰击样 品表面 携带样品 信息的分析
探测器 记录
进入 质谱仪
引入电 场加速
质谱原理
144 MV Rm = H e
M：离子质量 e：离子电荷 V：加速电压 H：磁场强度 Rm：正离子 轨迹半径
基体效应
在成分复杂的各种样品中,同一种离子的产额 可能变化很大,因为它们受基体效应的影响。 所谓基体效应,是指样品中某种物质的存在,影 响另一些物质离子的产额大小。
缺点：
（1）亦受质量因素干扰； （2）离子产率受基质影响（基体效应）； （3）需要各种标准品来作定量分析； （4）属破坏性分析技术等。
5、应用
二次离子质谱仪的应用很广，侦测表面污染、 氧化、还原、吸附、腐蚀、触媒效应、表面处 理等动态分析之表面研究工作，尤其可作微量 元素分布 的测定。 从 20世纪60年代第一台商用二次离子质谱设 备诞生至今，这项分析技术被广泛地应用于微 电子、 半导体、材料学、地质学 、生物、医 学 、天体物理等各个 领域，随着探测方法的 改进 ，二次离子质谱技术不断 得到发展。
真空
二次离子质谱主要以离子为工作物质，所以需 要真空系统抽真空，让离子在真空中运行
3、分析仪器
二次离子质谱仪
基本构造
二次离子质谱仪的质谱原理
二次离子质谱仪的质谱原理二次离子质谱仪（Secondary Ion Mass Spectrometer，SIMS）是一种高灵敏的表面分析技术，能够对非导电材料如半导体、陶瓷和生物样品等进行分析。
它的质谱原理通过离子轰击样品表面，产生二次离子进行分析。
1. 原理概述二次离子质谱仪的质谱原理是利用快速离子轰击样品表面，产生二次离子，并将二次离子分析出来。
首先，离子源产生的原始离子被加速并聚焦到样品表面，由于轰击过程产生的能量，离子可将样品表面原子或分子中的一个或多个发射出来，从而形成二次离子。
这些二次离子被提取并聚焦到带电子谱仪中，进行质量分析。
二次离子的特点是速度较慢，电荷量大，质量相对较小。
2. 离子源与加速器离子源是二次离子质谱仪中较为关键的部分之一。
它的作用是产生离子束，一般有基于电离和基于电子轰击的方法。
离子加速器的作用是对离子进行加速，使其能够与样品表面发生作用。
常用的加速电压为1~10kV。
同时，加速器还可以选择加速入射离子的类型和能量，用于控制样品表面离子发射率。
3. 离子提取与传输离子提取与传输系统在二次离子质谱仪中的作用是将从样品表面发射的二次离子收集并聚焦到光阴极上。
传输离子时必须保持离子的空间位置和荷量状态，并且提供空间域过滤。
传输过程中最主要的问题是离子束间的相互作用，可通过相应的聚焦系统和在加速电压中透镜进行修正。
4. 结论二次离子质谱仪是一种高灵敏的表面分析仪器，其主要质谱原理是通过离子轰击样品表面产生二次离子进行分析。
离子源和加速器是二次离子质谱仪中较为关键的部分，同时也需要考虑离子提取与传输系统的设计。
这种表面分析技术在半导体、生物医药等领域有着广泛的应用前景。
二次离子质谱ppt
通过采用先进的磁场和电场设计，实现对离子 束的精确控制，提高离子的聚焦度和加速效率 ，从而提高分辨率和灵敏度。
新型二次离子质谱仪器的发展
微型化仪器
随着微制造技术的发展，研制微型化的二次离子质谱仪器具有更大的潜力。这种仪器具有 更小的体积、更轻的重量和更低的功耗，可适用于各种实际应用场景。
多元素分析能力
发展能够同时分析多种元素的二次离子质谱仪器，可以实现对样品中多种元素的同时分析 ，提高分析效率。
在线实时分析仪器
研制在线实时分析的二次离子质谱仪器，可以实现对生产过程中样品的质量监控，提供更 及时、准确的分析结果。
二次离子质谱与其他分析技术的联用
01
与色谱技术联用
将二次离子质谱与色谱技术联用，可以实现复杂样品中不同组分的分
二次离子质谱是一种基于离子束分析的方法，通过在样品表 面注入高能离子束，激发样品中的原子或分子，使其电离并 产生二次离子。
这些二次离子通过质量分析器按其质荷比进行分离，最终得 到样品的元素组成和化学态信息。
二次离子质谱的技术分类
根据不同的激发源，二次离子质谱可分为激光诱导二次离 子质谱、粒子束诱导二次离子质谱、场诱导二次离子质谱 等。
04
二次离子质谱的技术发展及最新研究进展
提高分辨率和灵敏度的方法
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优化仪器设计
通过改进仪器设计，如采用更高效的离子光学 系统和更精密的离子检测系统，可以提高二次 离子质谱的分辨率和灵敏度。
采用先进的离子源
采用新型的离子源，如激光烧蚀离子源、场离 子源等，可以获得更高质量的离子束，从而提 高分辨率和灵敏度。
03
二次离子质谱的发展历程
技术起源与早期发展 技术发展重要阶段 技术最新进展与趋势
二次离子质谱 质谱原理与技术 华南理工大学现代化学分析原理与技术 化学分离
第二节 二次离子质谱(SIMS)
二次离子质谱是利用质谱法,分析初级离子入 射靶面后，溅射产生的二次离子而获取材料表面 信息的一种方法。二次离子质谱可以分析包括氢 在内的全部元素，并能给出同位素的信息，分析 化合物组分和分子结构。二次离子质谱具有很高 的灵敏度，可达到ppm甚至ppb的量级，还可以 进行微区成分成像和深度剖面分析 。
一、离子溅射与二次离子质谱
一定能量的离子打到固体表面会引起 表面原子、分子或原子团的二次发射，即 离子溅射。溅射的粒子一般以中性为主， 其中有一部分带有正、负电荷，这就是二 次离子。利用质量分析器接收分析二次离 子就得到二次离子质谱。
❖离子溅射
➢ 描述溅射现象的主要参数是溅射阈能和溅射产 额。溅射阈能指的是开始出现溅射时，初级离 子所需的能量。
离子源
①Electron Ionization (EI)源
++
:
: R2
+
: R3
++
: R4 :e
(M-R2)+
(M-R1)+
(M-R3)+
M+
Mass Spectrum
EI 源的特点： 1.电离效率高,灵敏度高； 2.应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的； 3.稳定，操作方便，电子流强度可精密控制； 4.结构简单，控温方便；
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29 15
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71 85 99 113 142
m/z
质谱分析特点
（1）应用范围广。测定样品可以是无机物，也可以是 有机物。应用上可做化合物的结构分析、测定原子量与 相对分子量、同位素分析、生产过程监测、环境监测、 热力学与反应动力学、空间探测等。被分析的样品可以 是气体和液体，也可以是固体。
二次离子质谱
二次离子质谱(SIMS)基本原理及其应用*********************************************摘要：二次离子质谱( Secondary-ion mass spectrometry，SIMS) 是一种固体原位微区分析技术，具有高分辨率、高精度、高灵敏等特征，广泛应用于地球化学、天体化学、半导体工业、生物等研究中。
本文主要阐明了SIMS 技术的原理、仪器类型，简要介绍了其主要应用，分析了其特点。
关键词：二次离子质谱；同位素分析；表面分析；深度剖析二次离子质谱仪(Secondary-ion mass spectrometry，SIMS)也称离子探针，是一种使用离子束轰击的方式使样品电离，进而分析样品元素同位素组成和丰度的仪器，是一种高空间分辨率、高精度、高灵敏度的分析方法。
检出限一般为ppm-ppb级，空间分辨率可达亚微米级，深度分辨率可达纳米级。
被广泛应用于化学、物理学、生物学、材料科学、电子等领域。
1.SIMS分析技术一定能量的离子打到固体表面会引起表面原子、分子或原子团的二次发射，即离子溅射。
溅射的粒子一般以中性为主，其中有一部分带有正、负电荷，这就是二次离子。
利用质量分析器接收分析二次离子就得到二次离子质谱[1,2]。
图1[2]是二次离子质谱工作原理图。
图1 二次离子质谱工作原理图离子探针实际上就是固体质谱仪，它由两部分组成：主离子源和二次离子质+、Cs+、Ga+……从离子源引出的谱分析仪。
常见的主离子源有Ar＋、Xe＋、O-、O2带电离子如Cs+、或Ga+等被加速至keV～MeV能量，被聚焦后轰击样品表面。
高能离子进入样品后，一部分入射离子被大角度反弹出射，即发生背散射，而另一部分则可以深入到多个原子层，与晶格原子发生弹性或非弹性碰撞。
这一过程中，离子所带能量部分或全部转移至样品原子，使其发生晶格移位、激发或引起化学反应。
经过一系列的级联碰撞，表面的原子或原子团就有可能吸收能量而从表面出射，这一过程称为离子溅射。
二次离子质谱
沉积在Ag上的维生素B12的静态SIMS
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SIMS
优点
主要特点
1.检测极限可达ppm，甚至ppb量级； 2.能检测包括氢在内的所有元素及同位素； 3.分析化合物组分及分子结构； 4.获取样品表层信息； 5.能进行微区成分的成象及深度剖面分析。
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质谱分析
一次离子束扫描样品表面， 质谱仪同时扫描质量范围， 按荷质比收集各种二次粒 子，得出二次粒子的质谱图。 通过分析，可以得到样品受 检测区的元素组成信息以及 各种元素的相对强度。
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深度剖面分析
逐层剥离表面的原子层， 提取溅射坑中央的二次离 子信号。质谱仪同步监测 一种或数种被分析元素， 收集这些元素的二次离子 强度，即可形成二次离强 度-样品深度的深度剖析 析
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有机物分析
静态SIMS是一种软电离
分析技术，在有机物特别
额。溅射阈能指的是开始出现溅射时，初级离
子所需的能量。 溅射产额决定接收到的二次离子的多少，它与 入射离子能量、入射角度、原子序数均有一定 的关系，并与靶材晶格取向有关。
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质谱仪基本结构
质谱仪器一般具备以下几 个部分：进样系统、离子 源、质量分析器和检测器， 除此之外，质谱仪需在高 真空下进行工作（离子源： 10-3 10-5 Pa ，质量分析 器：10 -6 Pa），因此还有 真空系统
二次离子质谱分析课件
SIMS 二次离子质谱仪
❖SIMS类型-直接成像质量分析器
直 接 成 像 质 量 分 析 器 (Direct Imaging Mass Analyzer—DIMA) 也 就 是 成 像 质 谱 计 (Imaging Mass Spectrometer—IMS)，有时也称为离子显微镜(IM)。它是利 用较大的离子束径打到样品表面上，从被轰击区域发射的二 次离子进行质量分离和能量过滤，在保证空间关系不变的情 况下，在荧光屏上以一定的质量分辨本领分别得到各种成分 离子在一定能量范围内的分布图像。
SIMS 二次离子质谱仪
❖二次离子质谱仪-质谱分析器
➢ 二次离子分析系统早期采用磁质谱分析器，但仪器复杂、 成本高。
➢ 表面分析的静态SIMS中，几乎都采用四极滤质器，它没 有磁场、结构简单、操作方便、成本低。
➢ 飞行时间质谱计分析速度快、流通率高，可以测量高质量 数的离子，而逐渐受到人们的重视。
SIMS 引言
早在本世纪30年代，Arnot等人就研究了二次离 子发射现象。1949年，Herzog和Viekbock首先把 二次离子发射与质谱分析结合起来。六十年代，先 后发展了离子探针和直接成像质量分析器。七十年 代又提出和发展了静态二次离子质谱仪。这些二次 离子质谱仪的性能不断改进，使之成为一种重要的、 有特色的表面分析手段。
SIMS 分析方法
❖深度剖面分析
B注入硅中的SIMS深度剖面分析
SIMS 分析方法
❖面分布分析
利 用 SIM 或 IMS 可 以 获 取材料表面面分布的信息， 随着计算机技术的广泛应用 及电子技术的不断发展， SIMS 的 空 间分 辨率 可达 亚 微米量级 。
SIMS像
SIMS 分析方法
二次离子质谱(SIMS)
综上所述，SIMS能给出一价离子(是识别该 元素存在的主要标志)、多荷离子、原子团离子 （如Si2+ ，Si3+ ），化合物的分子离子以至重排 离子，Biblioteka 稳离子及入射离子与样品表面相互作用
后生成的离子及环境作用(如吸附)产生的离子谱， 因而提供了十分丰富的表面信息。
二、二次离子质谱仪
二次离子质 谱仪至少包括主真 空室、样品架及送 样系统、离子枪、 二次离子分析器和 离子流计数及数据 处理系统等五部分。
溅射产额与晶格取向的关系
在100~1000 eV下，用Hg+垂直入射Mo和Fe的溅射粒子的角分布
= 60o时W靶的溅射粒子的角分布
最可几能量分布范围：1-10eV 与入射离子能量无关
原子离子：峰宽，有长拖尾 带电原子团：能量分布窄，最 可几能量低，拖尾短
利用上述性质，采用能量过 滤器，可滤掉低能原子团。
溅射时从表面射出的粒子可能是中性粒子或带有不 同电荷—正离子(+)、负离子(-)、或多重电离。对于 AxBy的化合物：
S = {(A+)+(B+)+(A-)+(B-)+(A2+)+(B2+) +(A2-)+(B2-) +(A2+)+(B2+)+…+(An±P)+(Bn±P)+(A2B+) +(A2B-) +…+(AnBm±P)+(A0)+(B0)+ (AB0) +…+(A20)+ (A20)+ (AnBm0)}/Ip
分辨率高；笨重、扫描速度慢
四极质谱（QMS）
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二次离子质谱仪原理简介
二次离子质谱仪（Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS）又称离子探针（Ion Microprobe），是一种利用高能离子束轰击样品产生二次离子并进行质谱测定的仪器，可以对固体或薄膜样品进行高精度的微区原位元素和同位素分析。
由于地学样品的复杂性和对精度的苛刻要求，在本领域内一般使用定量精度最高的大型磁式离子探针。
该类型的商业化仪器目前主要有法国Cameca公司生产的IMS1270-1300系列和澳大利亚ASI公司的SHRIMP系列。
最近十年来，两家公司相继升级各自产品，在灵敏度、分辨率及分析精度等方面指标取得了较大的提升，元素检出限达到ppm-ppb级，空间分辨率最高可达亚微米级，深度分辨率可达纳米级。
目前，大型离子探针可分析元素周期表中除稀有气体外的几乎全部元素及其同位素，涉及的研究领域包括地球早期历史与古老地壳演化、造山带构造演化、岩石圈演化与地球深部动力学、天体化学与比较行星学、全球变化与环境、超大型矿床形成机制等。
因而国内各大研究机构纷纷引进大型离子探针（北京离子探针中心的SHRIMP II 和SHRIMP IIe-MC、中科院地质与地球物理研究所的Cameca IMS-1280、Cameca IMS-1280HR和NanoSIMS 50L、中科院广州地球化学研究所的Cameca IMS-1280HR、中核集团核工业北京地质研究院的IMS-1280HR），大大提高了国内微区分析的能力。
本实验室配备了Cameca公司生产的IMS1280离子探针和其升级型号IMS1280HR。
两台仪器的基本原理及设计相同，升级型号IMS1280HR主要在磁场设计上有所改进，具
有更高的质量分辨率和传输效率。
该型仪器从功能上可分为四部分，如图一所示：一次离子产生及聚焦光路（黄色部分）、二次离子产生及传输光路（蓝色部分）、双聚焦质谱仪（粉色部分）和信号接收系统（紫色部分）。
Cameca离子探针可以类比为一台显微镜，离子源相当于显微镜的光源，传输光路相当于物镜，质谱仪相当于滤镜，而接收器相当于目镜或照相机。
图一，IMS1280/HR型离子探针原理示意图
一次离子部分包含了两个离子源分别是可以产生Oー和O2ー以及O+离子的双等离子体离子源（Duo Plastron Source）和产生Cs+离子的热电离铯离子源（Cs Ion Source），一般分别对应地学领域分析中的正电性元素（如Pb、U、Th、REE、Li、Ca等）和负电性元素（如C、O、S、H等）。
两个离子源由软件控制选择，所产生的离子通过高压（一般为数千伏特）加速后进入一次离子质量过滤器（PBMF）进行质量筛选，常用的一次离子有16O
ー、16O2ー或133Cs+离子。
后续的一次离子光路通过调整离子透镜Lens2, Lens3和Lens4的电压可以获得两种照明方式：均匀照明（科勒照明或平行光照明）和高斯照明。
一次离子光路原理如图二所示。
均匀照明模式使用离子透镜Lens2将一次离子束调整为“平行光”，并穿过位于其后的一次束光阑（PBMF_Aperture），再通过离子透镜Lens4将该光阑成像到样品表面。
在该模式下，离子束的直径由PBMF_Aperture的大小决定，由于该光阑受到离子束的剥蚀而逐渐变大，因此实际上这种模式的离子束直径是随时间不断变化的，对空间分辨率不太敏
感的应用可以使用该模式。
实验室的常规定年就使用了这种照明模式，由于其离子束密度均匀，在样品表面留下的剥蚀坑为椭圆形的平底坑。
图二一次离子光路原理示意图
在高真空条件下，带有数千电子伏特（eV）的高能带电离子轰击固体样品的表面时，部分一次离子注入到固体内部并与其路径上的样品原子发生弹性或非弹性碰撞。
通过碰撞而获得能量
的内部原子又与其周围的原子再次进行碰撞并产生能量传导，这个过程称为级联碰撞。
最终，部分样品内部电子、原子或分子获得了足够的能量逃逸出样品表面，产生了溅射现象。
在溅射出的各种微粒中，有小部分发生了电离，产生了二次离子。
这些二次离子被样品表面的+10KV到
-10KV的高压加速，通过离子透镜聚焦后进入双聚焦质谱仪进行质量筛选。
溅射及加速示意图请见图三。
高斯照明模式在PBMF之后使用了三个离子透镜：Lens2、Lens3和Lens4。
其中Lens2与Lens3将离子束汇聚，L4将汇聚后的离子束聚焦到样品表面，形成束流密度中心高周围低的高斯分布。
这种模式下，在样品表面产生的剥蚀坑是接近圆形的V型坑。
这种模式下离子束的直径主要受到L2与L3透镜电压的影响，而对光阑的剥蚀效应很小，因此可以长时间保持离子束直径不变。
实验室常规的稳定同位素分析以及空间分辨高于10微米的小束斑定年分析都采用了高斯照明模式。
不同元素的二次离子产率相差巨大，而且每种元素在不同基体中的产率也不尽相同，甚至同一元素的同位素之间在不同的基体中也表现出不固定的产率（基体效应）。
在实际分析时实测值与理论值会产生较大差异。
因此，要使用离子探针进行高精度的元素、同位素分析，必须使用与被测样品成分和结构一致的标准物质进行校正。
而标准样品的稀缺性也成为制约和影响离子探针分析的瓶颈。
目前，本实验室目前已开发了锆石氧同位素标准物质（Penglai）、方解石碳-氧同位素标准物质（OKA）、锆石Li同位素标准物质（M257）、锆石年龄标准物质（Qinghu）等。
图三，离子探针溅射示意图
二次离子产生后进入离子传输光路，该部分相当于显微镜的物镜，通过调节该“物镜”的放大倍数，配合后续的光阑及狭缝的调整，可在质量分辨率确定的条件下对仪器的传输效率进行优化，保证分析精度。
入口狭缝是传输光路和质谱仪的分界面。
离子束通过传输光路聚焦后，在入口狭缝处汇聚。
调节入口狭缝的宽度可控制进入质谱仪的离子束宽度，从而控制质谱仪的质量分辨率。
质量分辨率要求越高，入口狭缝所对应的宽度就越窄，二次离子信号的强度损失也就越多。
因此，在满足分析要求的前提下，尽量使用较低的质量分辨率。
离子探针分析中，样品表面溅射出的二次离子组成非常复杂，包括了单原子离子、分子离子、多电荷离子、复杂聚合物离子等，对质量分辨率要求极高。
为了兼顾离子探针的质量分辨率和传输效率，必须采用大磁场半径的设计。
该型离子探针的最低质量分辨率为～900，而最高可用质量分辨率大于20000.
磁式质谱仪主要利用运动离子在磁场中的受力偏转实现对特定质量电荷比值的离子的选择。
磁式离子探针一般使用双聚焦磁式质谱，可以实现速度聚焦和方向聚焦，在二次离子能量分布范围较大的情况下实现高质量分辨率和高传输效率。
双聚焦质谱仪由静电分析器和扇形磁场质量分析器组成，当二者的能量色散在焦平面上相互抵消时即实现了双聚焦。
IMS1280/HR离子探针的静电场及磁场半径均为585mm，在质量分辨率5000的条件下，其传输效率>90%。
离子经过质谱仪的质量色散后进入离子接收系统。
该型仪器的接收系统分为三个部分：具有5个接收位置，共7个接收器的多接收系统；具有三个接收器的单接收系统和微通道板成像系统。
多接收系统能够同时接收的最大的质量差异为17%，最小质量差异为～0.4%，是典型的同位素质谱配置。
5个接收位置可在各自轨道上沿聚焦面移动，根据被测同位素的信号强度可选择安装法拉第杯或电子倍增器。
最外侧的两个接收位置还分别额外加装了一个法拉第杯，增加配置的灵活性，如图四所示。
多接收器分析可以提高效率，并能抵消一部分因为一次离子或仪器其他参数波动引起的分析误差，是提高分析精度的最直接手段。
实验室的高精度稳定同位素分析（氧同位素、碳同位素及硫同位素等）都是用多接收器的。
目前本实验室两台离子探针采用了不同的接收杯配置，其中一台偏重于稳定同位素分析，在多接收器中安装了多个法拉第杯，而另一台则偏重微量元素尤其是Pb同位素分析，主要配置为电子倍增器。
单接收系统具有一个工作在离子计数模式下的电子倍增器和高低两个不同量程的法拉第杯，组成了具有109动态接收范围的大量程接收系统。
对于质量范围超过17%的分析，一般使用单接收系统，例如传统的U-Pb定年分析，其需要测量的质量数从196-270，使用的是单接收系统中的电子倍增器收集所有信号。
使用微通道板成像时，仪器工作在离子显微镜模式下，成像的分辨率取决于二次离子光路的设置，而与一次离子束的直径无关。
由于微通道板性能的制约，这种模式一般只用于辅助的定性判断和仪器参数的调整，而不用于定量分析。
离子探针还有一种二次离子扫描成像模式。
类似于扫描电子显微镜的工作原理，通过同步一次离子的扫描位置和电子倍增器的接
收时间，可以将电子倍增器测量到的信号强度与其在样品上的位置对应起来，从而重构出经过质量筛选的离子分布图像。
该图像的分辨率取决于一次离子束的直径，可用于元素、同位素二维分布分析。
图四，多接收器结构示意图。