Abstract
本篇論文旨在自行設計與建造一種新式的雷射微探針共振離子化質譜分析儀（英文名稱為LAser Microprobe and Resonance Ionization Mass Spectrometer ；簡稱LAM/RIMS），以進行具空間解析的固態試樣之元素與分子組成、同位素、及微量元素等分析；此儀器基本上係一種離子後向發射型之簡易式雷射微探針與另一種名叫共振離子化質譜儀的成功結合。該 LAM/RIMS 的建造係由其六大組合件所組裝而成，此六大組合件分別為試樣置入真空腔與分析真空腔之組合、燒蝕雷射(ablationlaser)與聚焦透鏡之組合、連續波共振離子化雷射(resonance-ionization laser)系統、離子透鏡系統與飛行式質譜分析器之組合、數據擷取系統、以及延遲顯微鏡觀察系統。裝置於該 LAM/RIMS 中新設計之主要零組件則包括直徑200 毫米之圓筒型試樣置入真空腔、直徑254 毫米之球型分析真空腔、焦距31.2毫米與相對孔徑f/3.67之簡易四片式石英聚焦透鏡、焦距-5.56 毫米與數值孔徑0.25及倍率１之雙延遲透鏡、以及焦距50毫米與數值孔徑0.13之離子透鏡系統等各一只。利用一種實用透鏡設計法進行光學設計，不僅對設計該等聚焦透鏡與雙延遲透鏡已顯示其為一種實用的技術，並且提供了一種低成本製造原型光學透鏡的方法。該聚焦透鏡可廣被應用於紫外線雷射微加工，而且它的聚焦性能與利用高斯(Gaussian)光束點之模擬已獲得良好的吻合。適用於顯微觀察系統的該雙延遲透鏡，可以延遲試樣表面之成像達100 毫米之遠，使整體觀察系統得以現場觀察在空氣中或真空中進行的雷射微加工過程。利用該等光學零組件的巧妙幾何配置與主要零組件的成功設計，該LAM/RIMS兼具了分析固態試樣與現場觀察雷射燒蝕試樣過程之能力。應用該LAM/RIMS對一固態試樣進行具空間解析的組成與同位素等分析，僅使用一個燒蝕雷射脈衝，即可輕易地取得試樣的完整質譜。對於固態試樣中被選定的微量元素之分析，該LAM/RIMS已同時取得該試樣之完整質譜及該微量元素三個數量級增強之譜線，並具有提供精密分析位置之訊息及無需任何試樣之前處理等功能。以一片含有十億分之一等級鈉元素雜質之ｎ型矽晶片作為試樣，僅僅使用一個燒蝕雷射脈衝與一連續波共振離子化雷射，即可測得該晶片裡的鈉元素。此結果驗證了該LAM/RIMS對微量元素分析之靈敏度優於歐歇(auger) 電子分析儀，並媲美於中子活化分析。本論文証實該LAM/RIMS成功地兼具了雷射微探針與共振離子化質譜儀兩者之優點，而應用雷射微探針共振離子化質譜術於科學研究領域，將可預期較以往研究之成果獲得更多有價值的資訊。