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二次离子质谱仪（SIMS）用高能电离轰击样品表面，这导致样品表面上的原子或原子团吸收能量并通过溅射产生二次粒子。这些带电粒子通过质量分析器后，可以获得有关样品表面的信息光谱。
二次离子质谱仪的三种基础类型介绍：
1. 飞行时间二次离子质谱仪(ToF-SIMS)
在此类质谱仪中，二次离子被提取到无场漂移管，二次离子沿既定飞行路径到达离子检测器。由于给定离子的速度与其质量成反比，因此它的飞行时间会相应不同，较重的离子到达检测器的时间会比较轻的离子更晚。此类质谱仪可同时检测所有给定极性的二次离子，并具有良好的质量分辨率。
此外，由于此类质谱仪的设计利用了在极低电流(pA范围)中运行的脉冲离子束，所以此类质谱仪有助于分析表面、绝缘体和软材料等易受离子影响而导致化学损伤的物质。
2. 扇形磁场二次离子质谱仪器
扇形磁场二次离子质谱仪器通常使用静电和扇形磁场分析器来进行溅射二次离子的速度和质量分析。扇形磁场使离子束偏转，较轻的离子会比较重的离子偏转更多，而较重的离子则具有更大动量。因此，不同质量的离子会分离成不同的光束。静电场也应用于二次光束中，以消除色差。由于这些仪器具有更高的工作电流和持续光束，因此它们十分有助于深度剖析。但是，这些仪器用于表面分析和表征易产生电荷(charge)和/或损伤的样品时，难以发挥理想的效果。
3. 四级杆二次离子质谱仪器
由于这些仪器的质量分辨率相对有限（单位质量分辨率不能解决每超过一个峰值的质量），因此这些仪器越来越稀有。四级杆利用一个共振电场，其中只有特定质量的离子才能稳定通过震荡场。与扇形磁场仪器相类似的是，这些仪器需要在高一次离子电流下操作，且通常被认为是“动态二次离子质谱”仪器（比如用于溅射深度剖析和/或固体样品的总量分析）。
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