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二次離子質譜儀（SIMS）用高能電離轟擊樣品表面，這導致樣品表面上的原子或原子團吸收能量并通過濺射產生二次粒子。這些帶電粒子通過質量分析器后，可以獲得有關樣品表面的信息光譜。
二次離子質譜儀的三種基礎類型介紹：
1. 飛行時間二次離子質譜儀(ToF-SIMS)
在此類質譜儀中，二次離子被提取到無場漂移管，二次離子沿既定飛行路徑到達離子檢測器。由于給定離子的速度與其質量成反比，因此它的飛行時間會相應不同，較重的離子到達檢測器的時間會比較輕的離子更晚。此類質譜儀可同時檢測所有給定極性的二次離子，并具有良好的質量分辨率。
此外，由于此類質譜儀的設計利用了在極低電流(pA范圍)中運行的脈沖離子束，所以此類質譜儀有助于分析表面、絕緣體和軟材料等易受離子影響而導致化學損傷的物質。
2. 扇形磁場二次離子質譜儀器
扇形磁場二次離子質譜儀器通常使用靜電和扇形磁場分析器來進行濺射二次離子的速度和質量分析。扇形磁場使離子束偏轉，較輕的離子會比較重的離子偏轉更多，而較重的離子則具有更大動量。因此，不同質量的離子會分離成不同的光束。靜電場也應用于二次光束中，以消除色差。由于這些儀器具有更高的工作電流和持續光束，因此它們十分有助于深度剖析。但是，這些儀器用于表面分析和表征易產生電荷(charge)和/或損傷的樣品時，難以發揮理想的效果。
3. 四級桿二次離子質譜儀器
由于這些儀器的質量分辨率相對有限（單位質量分辨率不能解決每超過一個峰值的質量），因此這些儀器越來越稀有。四級桿利用一個共振電場，其中只有特定質量的離子才能穩定通過震蕩場。與扇形磁場儀器相類似的是，這些儀器需要在高一次離子電流下操作，且通常被認為是“動態二次離子質譜”儀器（比如用于濺射深度剖析和/或固體樣品的總量分析）。
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