CH647893A5

CH647893A5 - Ion source in a mass analyser

Info

Publication number: CH647893A5
Application number: CH416780A
Authority: CH
Inventors: Eberhard Unsoeld
Original assignee: Strahlen Umweltforsch Gmbh
Priority date: 1979-05-31
Filing date: 1980-05-29
Publication date: 1985-02-15
Also published as: DE2922128A1; FR2463504A1; DE2922128C2; FR2463504B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle in einem Massenanalysator, bei der eine massive Probe mittels Laserlicht bestrahlt und die aus der Probe austretenden Ionen mittels elektromagnetischen Feldern von der Probe abgezogen werden. The invention relates to an ion source in a mass analyzer, in which a massive sample is irradiated by means of laser light and the ions emerging from the sample are withdrawn from the sample by means of electromagnetic fields.

Es ist bereits bekannt, dünne Schichten in Durchstrahlung zu analysieren (DE-OS 2 141 387). Weiterhin ist eine Auflicht-Lasersonde mit schrägem Lichteinfall, relativ langbrennweitiger Fokussierung und damit geringer räumlicher Auflösung bekannt (J. Anal. Chem. USSR 29, 1516 [1974]). It is already known to analyze thin layers in radiation (DE-OS 2 141 387). Furthermore, a reflected light laser probe with oblique light incidence, relatively long focal length focusing and thus low spatial resolution is known (J. Anal. Chem. USSR 29, 1516 [1974]).

Mit dem ersten Verfahren können nur Schichten im Dik-kenbereich von .um untersucht werden, wodurch eine aufwendige Probenpräparation notwendig wird. Bei der Aufiicht-Lasersonde ergibt der schräge Einfall des Laserlichts eine unsymmetrische Ionenemission, die wiederum nachteilig bei anschliessenden Massenspektrometrien ist. Die ausserdem verwendeten langbrennweitigen Fokussierungslinsen liefern eine schlechte räumliche Auflösung. Beiden Verfahren gemeinsam ist der Nachteil, dass sie zusätzliche Energiefilter benötigen, wenn höchste Massenauflösung gewünscht wird. With the first method, only layers in the thickness range of .um can be examined, which makes complex sample preparation necessary. In the case of the light laser probe, the oblique incidence of the laser light results in asymmetrical ion emission, which in turn is disadvantageous in the case of subsequent mass spectrometry. The long focal length focusing lenses also provide poor spatial resolution. The disadvantage of both methods is that they require additional energy filters if the highest mass resolution is required.

Die der Erfindung gestellte Aufgabe besteht nunmehr darin, eine Ionenquelle der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass sie eine hohe räumliche Auflösung des Laserfokus aufweist, weil relativ kurzbrennweitige Fokussierungslinsen dicht über der Probenoberfläche verwendet werden können und die Energieunschärfe für folgende Massen-spektrometer reduziert wird. Die Proben können ohne weitere Präparation oder nach z.B. Ausstanzen einfacher Probenpillen vermessen werden. The object of the invention is now to improve an ion source of the type mentioned at the outset in such a way that it has a high spatial resolution of the laser focus, because focusing lenses with a relatively short focal length can be used close above the sample surface and the energy blur for the following mass spectrometer is reduced . The samples can be prepared without further preparation or after e.g. Punch out simple sample pills.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Merkmal des Anspruchs 1 und für Anführungsbeispiele in den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 8 aufgezeigt. The solution to this problem is shown in the feature of claim 1 and for exemplary embodiments in the features of claims 2 to 8.

Mit der erfindungsgemässen Ionenquelle wird auf eine massive Probe bzw. eine Probenpille ein Laserstrahl fokus-siert und Materie verdampft, ionisiert und dann massen-und/oder lichtspektroskopisch analysiert. Der Strahl ist pulsbar oder kontinuierlich, um z.B. bei nachfolgender Flugzeit- . Massenanalyse, bei Massenfiltern oder Massenspektrogra-phen für stratigraphische Analysen oder kontinuierliches Scannen verwendbar zu sein. Durch das Energiefilter wird die Energieunschärfe der Ionen nahezu beseitigt, d.h. es gelangen praktisch nur Ionen der gleichen Energie an den Eingang des Massenanalysators. Das zu analysierende Volumen wird im wesentlichen durch die Brennweite der verwendeten Fokussierungsoptik und die Laserparameter bestimmt. Bei hinreichend kurzen Brennweiten sind sogar Mikroanalysen im um-Bereich möglich. Da es Massenspektrometer erlauben, noch einige Ionen nachzuweisen, kann mit der erfindungsgemässen Ionenquelle ein hoch empfindliches, räumlich auflösendes Analysensystem geboten werden. With the ion source according to the invention, a laser beam is focused on a massive sample or a sample pill and matter is evaporated, ionized and then analyzed by mass and / or light spectroscopy. The beam is pulsable or continuous, e.g. at subsequent flight time. Mass analysis, for mass filters or mass spectrographs for stratigraphic analysis or continuous scanning. The energy filter almost eliminates the energy blur of the ions, i.e. practically only ions of the same energy reach the input of the mass analyzer. The volume to be analyzed is essentially determined by the focal length of the focusing optics used and the laser parameters. With sufficiently short focal lengths, even microanalyses in the um range are possible. Since mass spectrometers still allow a few ions to be detected, the ion source according to the invention can be used to offer a highly sensitive, spatially resolving analysis system.

Zusammenfassend bewirkt die mögliche kurze Brennweite des Fokussierungssystems eine hohe räumliche Auflösung im Auflicht und die Ionenquelle eine einfache Ankupplung an Energiefilter, ionenoptische Systeme usw. Konstante Ionenflugbahnen sind für den ganzen Emmissionskegelmantel erzeugbar (nicht nur eine Bahn wie bei asymmetrischer Beleuchtung), so dass geringe Flugzeitunschärfen bei Flugzeit-Massentrennern entstehen. Der Materialabtrag von der Probe erfolgt rotationssymmetrisch, was bei Schichttiefenanalysen von Vorteil ist. Baulich kann die Ionenquelle gegebenenfalls mit dem Laser- und/oder Massenspektrometer zu einer einfachen linearen Anordnung, insbesondere bei Verwendung von Probenpillen, zusammengestellt werden. Eine gleichzeitige lichtoptische Spektralanalyse ist möglich. In summary, the possible short focal length of the focusing system results in a high spatial resolution in incident light and the ion source simply connects to energy filters, ion-optical systems, etc. Constant ion trajectories can be generated for the entire emission cone jacket (not just one trajectory as with asymmetrical lighting), so that flight time blur is low arise with time-of-flight mass separators. The material is removed from the sample in a rotationally symmetrical manner, which is an advantage for layer depth analyzes. Structurally, the ion source can optionally be combined with the laser and / or mass spectrometer to form a simple linear arrangement, in particular when using sample pills. Simultaneous light-optical spectral analysis is possible.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mittels der Fig. 1 bis 6 näher erläutert, wobei die Figuren im Schnitt jeweils schematische Ionenquellen-Anordnungen darstellen. The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments by means of FIGS. 1 to 6, the figures each showing schematic ion source arrangements in section.

Die Fig. 1 zeigt ein zylinderförmiges Gehäuse 22, in dem der Energieselektor bzw. das Energiefilter 5,6,7 und der Massenanalysator 4 rotationssymmetrisch zur Symmetrieachse 10 hintereinander angeordnet sind. Das Energiefilter besteht aus konzentrisch zueinander angeordneten Zylinderflächen 5 und 6, sowie zwei endseitige Blenden 7, die mit dem inneren Zylinder 6 zwei Ringschlitze bilden, durch welche die Ionen 3 von der Probenoberfläche 2 über elektrostatische Felder zwischen den Zylindern 5 und 6 bzw. 7 auf die Symmetrieachse 10 energieselektiv fokussiert werden. Die Probe 9 ist an der Stirnseite einer zylinderförmigen Gehäusehalterung 11 innerhalb des Energiefilters 5, 6 rotationssymmetrisch zur Symmetrieachse 10 befestigt. Das Zylindergehäuse 11 kann Bestandteil des Energiefilters sein. Das Laserlicht 1 tritt durch eine Fokussierungslinse 14 bzw. 25 (siehe Fig. 3) senkrecht auf die Probenoberfläche 2 auf, wobei die Probe selbst 1 shows a cylindrical housing 22, in which the energy selector or the energy filter 5, 6, 7 and the mass analyzer 4 are arranged one behind the other in a rotationally symmetrical manner with respect to the axis of symmetry 10. The energy filter consists of concentrically arranged cylinder surfaces 5 and 6, as well as two end panels 7, which form two ring slots with the inner cylinder 6, through which the ions 3 from the sample surface 2 via electrostatic fields between the cylinders 5 and 6 and 7 respectively the axis of symmetry 10 can be focused in an energy-selective manner. The sample 9 is attached to the end face of a cylindrical housing holder 11 within the energy filter 5, 6 in a rotationally symmetrical manner with respect to the axis of symmetry 10. The cylinder housing 11 can be part of the energy filter. The laser light 1 occurs through a focusing lens 14 or 25 (see FIG. 3) perpendicular to the sample surface 2, the sample itself

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

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50 50

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senkrecht zur Symmetrieachse 10 angeordnet und der Laserstrahl 1 in der Symmetrieachse 10 geführt ist. Die Fokussierungslinse 14 kann hierbei in einer Öffnung 12 (siehe die Teilzeichnung nach Fig. 2) eines Ionenreflektors 8 gehaltert sein, wobei der Ionenreflektor 8 - wie in Fig. 1 dargestellt - die Stirnseite des Gehäuses 22 bilden kann. arranged perpendicular to the axis of symmetry 10 and the laser beam 1 is guided in the axis of symmetry 10. The focusing lens 14 can be held in an opening 12 (see the partial drawing according to FIG. 2) of an ion reflector 8, the ion reflector 8 - as shown in FIG. 1 - can form the end face of the housing 22.

In Fig. 2 ist die Umlenkung der Ionen in dem Energiefilter und insbesondere durch den Ionenreflektor 8 näher dargestellt. Die aus der Probenoberfläche 2 heraustretenden Ionen 3 fliegen zuerst in Richtung Beleuchtungsstrahl 1, werden vom Ionenreflektor 8 um 180 Grad umgelenkt und dann von dem Energiefilter 5 bis 7 gemäss Fig. 1 energieselektiv gefiltert. Der Laserstrahl 1 wird durch eine kurzbrennweitige Linse 14 auf die Probenoberfläche 2 fokussiert. Die Linse 14 selbst kann hierbei in einer leitfähig bedampften Platte 13 gehaltert sein, die die Öffnung 12 im lonenreflektor 8 abschliesst. The deflection of the ions in the energy filter and in particular by the ion reflector 8 is shown in more detail in FIG. 2. The ions 3 emerging from the sample surface 2 first fly in the direction of the illumination beam 1, are deflected by 180 degrees by the ion reflector 8 and then filtered in an energy-selective manner by the energy filter 5 to 7 according to FIG. 1. The laser beam 1 is focused on the sample surface 2 by a lens 14 having a short focal length. The lens 14 itself can be held in a conductive vapor-deposited plate 13 which closes the opening 12 in the ion reflector 8.

Der Laserstrahl 1 kann über einen Umlenkspiegel 27 auf die Symmetrieachse 10 ausgerichtet werden, wobei dieser gegebenenfalls teildurchlässige Umlenkspiegel 27 die gleichzeitige lichtoptische Beobachtung 28 in der Symmetrieachse 10 erlaubt. Zusätzlich kann um die Halterung 11 für die Probe 9 eine Abschirmung 23 angeordnet sein, die dann ein Bestandteil des Energiefilters ist. Weiterhin ist es möglich, die Probe 9 mittels bekannten Mitteln zu kühlen bzw. zu justieren. Auch die Linse 14 kann justierbar sein. The laser beam 1 can be aligned with the axis of symmetry 10 via a deflecting mirror 27, this deflecting mirror 27, which is optionally partially transparent, allowing simultaneous light-optical observation 28 in the axis of symmetry 10. In addition, a shield 23 can be arranged around the holder 11 for the sample 9, which then forms part of the energy filter. Furthermore, it is possible to cool or adjust the sample 9 using known means. The lens 14 can also be adjustable.

In der Fig. 3 ist anstelle der Linse 14 nach Fig. 2 und der einseitig bedampften Platte 13 eine Konkavlinse 25 dargestellt, welche die Durchtrittsöffnung 12 im Ionenreflektor 8 verschliesst. Sie ist ebenfalls mit einer leitfähigen Schicht 26 einseitig bedampft. FIG. 3 shows a concave lens 25 instead of the lens 14 according to FIG. 2 and the plate 13 vapor-coated on one side, which closes the passage opening 12 in the ion reflector 8. It is also vapor-coated on one side with a conductive layer 26.

In der Fig. 4 ist wiederum ein Gehäuse 22 dargestellt, in dem ein Energiefilter 5 bis 7 angeordnet ist, welches dem nach den Fig. 1 bis 3 entspricht. Im Gegensatz zur Anordnung nach Fig. 1 jedoch ist die Probe ausserhalb des Energiefilters 5 bis 7 angeordnet, und zwar zusätzlich ausserhalb des Gehäuses 22 vor der Durchtrittsöffnung 12 im Ionenreflektor 8. Die Probe 9 selbst ist senkrecht zur Symmetrieachse 10 ausgerichtet und kann justierbar sein. Die Probenoberfläche 2 wird wiederum von einem Laserstrahl 1 getroffen, der im vorliegenden Fall jedoch seitlich, insbesondere senkrecht zur FIG. 4 again shows a housing 22 in which an energy filter 5 to 7 is arranged, which corresponds to that according to FIGS. 1 to 3. In contrast to the arrangement according to FIG. 1, however, the sample is arranged outside the energy filter 5 to 7, specifically outside the housing 22 in front of the passage opening 12 in the ion reflector 8. The sample 9 itself is oriented perpendicular to the axis of symmetry 10 and can be adjustable. The sample surface 2 is again hit by a laser beam 1, which in the present case, however, is on the side, in particular perpendicular to

647 893 647 893

Symmetrieachse 10, eingestrahlt wird und mittels Reflexion oder anderer optischer Massnahmen auf die Symmetrieachse 10 ausgerichtet wird. Er trifft senkrecht auf die Probenoberfläche 2 auf, von der Ionen 3 abdampfen und durch das Energiefilter 5 bis 7 hindurchgeführt werden. Sie können einer Zwischenfokussierung 24 unterworfen werden, bevor sie dann in den Massenanalysator 4 eintreten. Energieselektor 5 bis 7, Zwischenfokussierung 24 und Massenanalysator 4 können wiederum hintereinander entlang der Symmetrieachse 10 kompakt angeordnet sein. Axis of symmetry 10 is irradiated and is aligned with the axis of symmetry 10 by means of reflection or other optical measures. It strikes the sample surface 2 perpendicularly, from which ions 3 evaporate and are passed through the energy filter 5 to 7. They can be subjected to an intermediate focusing 24 before they then enter the mass analyzer 4. Energy selector 5 to 7, intermediate focusing 24 and mass analyzer 4 can in turn be arranged compactly one behind the other along the axis of symmetry 10.

Die Einblendung des Laserstrahls 1 in die Symmetrieachse 10 ist in der Detailzeichnung nach Fig. 5 (bzw. nach Fig. 6) näher dargestellt. Der Laserstrahl 1 tritt durch eine Öffnung 20 in eine zylinderförmige Halterung 15 für einen Umlenkspiegel 16 sowie die stirnseitig angeordnete Fokussierungslinse 14 ein. Die Fokussierungslinse 14 ist zur Probenoberfläche 2 hin gerichtet und gegebenenfalls mit einer Metallschicht 26 bedampft. Zwischen Fokussierungslinse 14 und Probenoberfläche 2 ist eine leitfähige Schicht 17 angeordnet, welche für das Laserlicht 1 durchlässig ist. Die Ionen 3 werden ohne Umkehrung ihrer Flugrichtung von dem Energieselektor bzw. Energiefilter 5 bis 7 von der Probenoberfläche 2 der Probe 9 abgezogen. Die Halterung 15 für den Spiegel 16 sowie die Fokussierungslinse 14 kann wiederum Bestandteil des Energiefilters 5 bis 7 sein; d.h. die Halterung 15 ist innerhalb des Energiefilters 5 bis 7 auf der Rotationssymmetrieachse 10 angeordnet. Im einfallenden Laserstrahl 1 kann ein Umlenkspiegel 27 entsprechend dem Umlenkspiegel nach Fig. 2 angeordnet sein, der die direkte Beobachtung 28 zulässt. The superimposition of the laser beam 1 in the axis of symmetry 10 is shown in more detail in the detailed drawing according to FIG. 5 (or according to FIG. 6). The laser beam 1 enters through an opening 20 into a cylindrical holder 15 for a deflecting mirror 16 and the focusing lens 14 arranged on the end face. The focusing lens 14 is directed towards the sample surface 2 and, if necessary, vapor-coated with a metal layer 26. A conductive layer 17, which is transparent to the laser light 1, is arranged between the focusing lens 14 and the sample surface 2. The ions 3 are withdrawn from the sample surface 2 of the sample 9 by the energy selector or energy filter 5 to 7 without reversing their flight direction. The holder 15 for the mirror 16 and the focusing lens 14 can in turn be part of the energy filter 5 to 7; i.e. the holder 15 is arranged within the energy filter 5 to 7 on the rotational symmetry axis 10. A deflection mirror 27 corresponding to the deflection mirror according to FIG. 2, which allows direct observation 28, can be arranged in the incident laser beam 1.

Die Fig. 6 zeigt ein weiteres Detail für die Halterung 15 zum Einsatz in das Gehäuse 22 bzw. das Energiefilter 5 bis 7 gemäss Fig. 4. Der Laserstrahl 1 tritt durch die Öffnung 22 in die zylinderförmige Halterung 15 ein und wird hierbei durch einen Parabolspiegel 18,19 auf die Rotationssymmetrieachse 10 ausgerichtet und gleichzeitig auf die Probenoberfläche 2 der Probe 9 fokussiert. Die Halterung 15 kann wiederum justierbar gegenüber dem Energiefilter 5 bis 7 ausgebildet sein. Ebenfalls kann hier entsprechend der Fig. 5 die lichtoptische Beobachtung möglich sein. FIG. 6 shows a further detail for the holder 15 for use in the housing 22 or the energy filter 5 to 7 according to FIG. 4. The laser beam 1 enters the cylindrical holder 15 through the opening 22 and is thereby generated by a parabolic mirror 18, 19 aligned with the rotational symmetry axis 10 and at the same time focused on the sample surface 2 of the sample 9. The bracket 15 can in turn be adjustable relative to the energy filter 5 to 7. 5, light-optical observation may also be possible here.

3 3rd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

G G

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

647 893

1. ion source in a mass analyzer in which a massive sample is irradiated with laser light and the ions emerging from the sample are drawn off from the sample by means of electromagnetic fields, characterized in that the laser beam (1) hits the sample surface (2) perpendicularly in incident light , and that an energy filter (5-7) of electrostatic mirror type and with cylinder geometry is arranged in front of the mass analyzer (4), with which ions (3) of a predeterminable energy range can be selected.

2. Ion source according to claim 1, characterized in that the sample (9) in a cylindrical holder (11) perpendicular to the axis of symmetry (10) of the energy filter (5-7) is arranged such that a deflection of the emerging ions (3) by an ion reflector (8) in the direction of the energy filter (5-7), and that the laser beam (1) is directed in the direction of the sample surface (2).

2nd

PATENT CLAIMS

3. Ion source according to claim 2, characterized in that the ion reflector (8) closes the energy filter (5-7) on one side except for a passage opening (12) for the laser beam (1).

4. Ion source according to claim 2 or 3, characterized in that the ion reflector (8) has a plate with a conductive vaporized focusing lens (13, 14) in the passage opening (12) or only a conductive vaporized focusing lens (14) for the laser beam (1) is.

5. Ion source according to claim 1, characterized in that the sample (9) is arranged outside a housing (22) in front of a passage opening (12) in an ion reflector (8) perpendicular to the axis of symmetry (10) of the energy filter (5-7), and that the laser beam (1) is laterally reflected in the axis of symmetry (10) of the energy filter (5-7).

6. Ion source according to claim 5, characterized in that a holding cylinder (15) for a deflecting mirror (16) and a focusing lens (14) or for a concave mirror (18, 19) with deflecting and focusing properties, concentric with the axis of symmetry (10) lateral inlet opening (20) for the laser beam (1) is arranged.

7. Ion source according to claim 6, characterized in that the focusing lens (14) is vapor-coated with a conductive layer (26) or in front of the focusing lens (14) is also a vapor-coated protective glass (17) is arranged.

8. Ion source according to one of claims 2 and 6, characterized in that the holder (11) of the sample (9) or the holder (15) of the optical system (14, 16, 18, 19) or parts thereof on the axis of symmetry ( 10) are formed in the energy filter (5-7) as part of the ion-optical system of the energy filter (5-7).