DE102014226039A1

DE102014226039A1 - Ionisierungseinrichtung und Massenspektrometer damit

Info

Publication number: DE102014226039A1
Application number: DE102014226039.6A
Authority: DE
Inventors: Michel Aliman; Hin Yiu Anthony Chung; Gennady Fedosenko; Rüdiger Reuter; Alexander Laue; Achim von Keudell; Marc Böke; Thorsten Benter; Jörg Winter; Peter Awakowicz; Leonid Gorkhover
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2016-06-16
Also published as: EP3234978A1; JP2019071291A; EP3234978B1; KR20170098254A; CN107004551B; JP6473237B2; WO2016096457A1; JP2018500738A; KR101998008B1; JP6717990B2; TWI588867B; CN107004551A; US10236169B2; US20170278690A1; TW201626431A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ionisierungseinrichtung (1), umfassend: eine Plasmaerzeugungseinrichtung (4) zur Erzeugung von metastabilen Teilchen (6a) und/oder von Ionen (6b) eines Ionisierungsgases (6) in einem Primärplasmabereich (9), eine Felderzeugungseinrichtung (13) zur Erzeugung einer Glimmentladung (12) in einem Sekundärplasmabereich (10), einen Einlass (2) zur Zuführung eines zu ionisierenden Gases (3) in den Sekundärplasmabereich (10), sowie einen weiteren Einlass (5) zur Zuführung der metastabilen Teilchen (6a) und/oder der Ionen (6b) des Ionisierungsgases (6) in den Sekundärplasmabereich (10). Die Erfindung betrifft auch ein Massenspektrometer (20) mit einer solchen Ionisierungseinrichtung (1) sowie mit einem dem Auslass (16) der Ionisierungseinrichtung (1) nachgeschalteten Detektor (17) zur massenspektrometrischen Analyse des ionisierten Gases (3a, 3a‘).

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Ionisierungseinrichtung sowie ein Massenspektrometer mit einer solchen Ionisierungseinrichtung.
In der Massenspektrometrie werden neue Ansätze zur Ionisierung von zu ionisierenden Gasen (im Folgenden gelegentlich auch als Analyten bezeichnet) benötigt, welche die Standard-Methoden zur Ionisierung mit einem heißen Filament bzw. Glühdraht (Elektronen-Ionisation) ergänzen oder – je nach Anwendung – sogar ersetzen können. Die Nachteile der Standard-Ionisation sind die hohe Umgebungstemperatur des bis zu 2000°C heißen Filaments und die für die meisten Anwendungen insbesondere in der organischen Chemie (z.B. LifeScience) zu hohe Ionisierungsenergie von typischer Weise ca. 70 eV, die zur Erzeugung von Fragmenten führen, sowie die sehr große Anfälligkeit des Filaments bei hohen Arbeitsdrücken von typischer Weise mehr als ca. 10^–4 mbar, die zum „Durchbrennen“ des Filaments führen kann.
Aus der DE 10 2007 043 333 A1 ist ein Verfahren zur Behandlung und Untersuchung von Bauteilen bekannt geworden, bei dem ein in einer kalten Atmosphärendruck-Plasmaquelle erzeugter Primärplasmastrahl als Zündquelle für einen in einem zu konditionierenden oder zu untersuchenden Hohlraum mit kleinem Durchmesser zu erzeugenden Sekundärplasmastrahl genutzt wird. Zu diesem Zweck wird ein Edelgas durch den Hohlraum des Bauteils in Richtung der Primärplasmaquelle geleitet. Das durch die Primärplasmaquelle gezündete Sekundärplasma breitet sich dabei in dem Hohlraum des zu behandelnden oder zu untersuchenden Bauteils entgegen der Gasflussrichtung des Edelgases aus.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ionisierungseinrichtung sowie ein Massenspektrometer mit einer Ionisierungseinrichtung bereitzustellen, die eine effiziente Ionisierung eines Gases ermöglichen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Ionisierungseinrichtung, umfassend: eine Plasmaerzeugungseinrichtung zur Erzeugung von (ladungsneutralen) metastabilen Teilchen und/oder Ionen eines Ionisierungsgases in einem Primärplasmabereich, eine Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung einer Glimmentladung in einem Sekundärplasmabereich, einen Einlass zur Zuführung eines zu ionisierenden Gases in den Sekundärplasmabereich, sowie einen weiteren Einlass zur Zuführung der metastabilen Teilchen und/oder der Ionen des Ionisierungsgases in den Sekundärplasmabereich. Wenn die räumliche Ausdehnung der Glimmentladung beschrieben wird, wird die Glimmentladung nachfolgend häufig auch als Glimmentladungszone bezeichnet. Im Sinne dieser Anmeldung bezeichnet der Sekundärplasmabereich nicht nur die Glimmentladungszone selbst, in der das (sekundäre) Plasma gebildet wird, sondern auch einen Raum um die Glimmentladungszone herum, der in einem Innenraum eines Gehäuses der Ionisierungseinrichtung gebildet ist und in dem beispielsweise zur Erzeugung der Glimmentladung ein elektrisches Feld angelegt werden kann (s.u.).
In dem Primärplasmabereich der Plasmaerzeugungseinrichtung wird typischer Weise ein Mikroplasma, insbesondere ein so genanntes „kaltes“ Mikroplasma bei Temperaturen von typischer Weise weniger als ca. 200°C erzeugt, d.h. es wird auf einen Glühdraht zur Erzeugung des Plasmas verzichtet. Die Plasmaerzeugungseinrichtung kann insbesondere ausgebildet sein, hauptsächlich ladungsneutrale metastabile Teilchen bzw. Moleküle des Ionisierungsgases, beispielsweise in Form von metastabilen Edelgas-Molekülen, insbesondere von metastabilen Helium-Molekülen, zu erzeugen. Dies ermöglicht einerseits eine sanfte Ionisierung des zu ionisierenden Gases (des Analyten) mit Energien, die typischer Weise im Bereich von ca. 20 eV liegen, andererseits arbeitet eine solche Plasmaerzeugungseinrichtung auch bei hohem Analytdruck sehr robust und zuverlässig. Die metastabilen Teilchen/Moleküle und/oder die Ionen des Ionisierungsgases werden über den weiteren Einlass bzw. dessen Blenden-Öffnung dem Sekundärplasmabereich zugeführt. Die Zuführung der metastabilen Teilchen/Moleküle und/oder der Ionen des Ionisierungsgases über den weiteren Einlass kann in der Glimmentladungszone erfolgen, es ist aber auch möglich, die metastabilen Teilchen/Moleküle und/oder die Ionen des Ionisierungsgases dem Sekundärplasmabereich an einer Stelle außerhalb der Glimmentladungszone zuzuführen, beispielsweise in einem Bereich, in dem typischer Weise ein elektrisches Feld als Zündstrecke für die Zündung der Glimmentladung angelegt wird (s.u.). Über eine entsprechende Blenden-Öffnung des (ersten) Einlasses wird das zu ionisierende Gas ebenfalls dem Sekundärplasmabereich zugeführt. Ein Teil der Moleküle des zu ionisierenden Gases werden durch die metastabilen Teilchen/Moleküle bzw. durch die Ionen des Ionisierungsgases mittels einer Ladungsaustauschionisation bzw. mittels eines Stoßprozesses ionisiert.
Durch die mittels der Felderzeugungseinrichtung erzeugten Glimmentladung in dem Sekundärplasmabereich werden zusätzliche Moleküle des zu ionisierenden Gases besonders effizient ionisiert. Zur Erzeugung der Glimmentladung wird in dem Sekundärplasmabereich ein geeigneter (Gas-)Druck eingestellt (s.u.). Für die Erzeugung der Glimmentladung in dem Sekundärplasmabereich wirkt sich günstig aus, dass bei der Stoßionisation des zu ionisierenden Gases mit den Ionen bzw. mit den metastabilen Teilchen des Ionisierungsgases freie Elektronen entstehen, die auf ihrem Weg in Richtung Glimmentladungszone immer mehr freie Elektronen durch Kaskadenvervielfachung bzw. Lawineneffekt in dem Analytgas erzeugen, welche eine besonders hohe Ionisierungseffizienz in der Glimmentladungszone ermöglichen; dieser Vorgang führt mit anderen Worten dazu, dass in der Glimmentladungszone eine sehr hohe Elektronendichte vorliegt.
Bei einer Ausführungsform ist die Felderzeugungseinrichtung ausgebildet, zur Erzeugung der Glimmentladung in dem Sekundärplasmabereich zwischen dem Einlass und dem weiteren Einlass ein elektrisches Feld zu erzeugen. Das elektrische Feld bildet eine Beschleunigungsstrecke bzw. eine Zündstrecke zur Beschleunigung von Elektronen ausgehend von dem Einlass zu dem Bereich des weiteren Einlasses. Die Elektronen, welche in dem Sekundärplasmabereich zu der Glimmentladungszone hin beschleunigt wurden, weisen eine hohe kinetische Energie auf und können daher zusätzliche Moleküle des zu ionisierenden Gases besonders effizient ionisieren. Der weitere Einlass, genauer gesagt eine zentrale Achse des weiteren Einlasses, die durch die Blenden-Öffnung des weiteren Einlasses verläuft, ist bevorzugt unter einem Winkel, z.B. unter einem Winkel von 90°, zu dem Einlass, genauer gesagt zu einer zentralen Achse des Einlasses und somit zur Propagationsrichtung des zu ionisierenden Gases ausgerichtet. Die zentralen Achsen des Einlasses und des weiteren Einlasses schneiden sich im Sekundärplasmabereich, in der Regel in der Glimmentladungszone oder in der Nähe der Glimmentladungszone.
Bei einer Weiterbildung weist die Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung des elektrischen Feldes eine Spannungsquelle sowie zwei Elektroden auf. Durch das Anlegen einer Spannung zwischen einer ersten Elektrode, welche als Kathode dient, und einer zweiten Elektrode, welche als Anode dient, wird ein elektrisches Feld erzeugt, welches eine Zündstrecke bzw. eine Beschleunigungsstrecke zur Erzeugung des Plasmas bildet. Um die Elektronen zu der Glimmentladungszone zu beschleunigen, ist die als Anode dienende Elektrode typischer Weise näher an der Glimmentladungszone angeordnet als die als Kathode dienende Elektrode. Die zwischen den Elektroden angelegte Spannung wird typischer Weise so groß gewählt, dass diese einer Zündspannung entspricht, die für die Zündung eines Plasmas ausreichend ist, d.h. die eine Kaskadenvervielfachung bzw. einen Lawineneffekt ermöglicht, bei dem durch die Ionisierung der Moleküle des zu ionisierenden Gases weitere Elektronen entstehen, die ebenfalls beschleunigt werden und die weitere Moleküle des zu ionisierenden Gases ionisieren können.
Bei gegebenem Abstand zwischen den Elektroden und gegebenem Gasdruck im Bereich zwischen den Elektroden lässt sich die für die Zündung eines Plasmas erforderliche Zündspannung aus dem Paschen-Gesetz bzw. der Townsend-Gleichung bestimmen. Das Produkt aus dem Gasdruck und dem Abstand zwischen den Elektroden wird typischer Weise so gewählt, dass für das jeweilige zu ionisierende Gas das so genannte Paschen-Minimum erreicht wird, d.h. die minimal mögliche Zündspannung gewählt werden kann.
Bei einer weiteren Weiterbildung bildet der Einlass eine erste Elektrode (Kathode) und der weitere Einlass eine zweite Elektrode (Anode) zur Erzeugung des elektrischen Feldes. Auf diese Weise kann die gesamte Strecke zwischen dem Einlass und dem weiteren Einlass als Beschleunigungsstrecke bzw. als Zündstrecke zur Zündung des Plasmas verwendet werden. Es versteht sich, dass ggf. zur Erzeugung des elektrischen Feldes auch Elektroden verwendet werden können, die von dem Einlass und dem weiteren Einlass räumlich getrennt angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung des weiteren Einlasses als zweite Elektrode ist es auch möglich, einen weiteren Auslass zum Abpumpen des Gases, der metastabilen Teilchen des Ionisierungsgases und/oder der Ionen des Ionisierungsgases aus dem Sekundärplasmabereich zu verwenden. Insbesondere können der weitere Einlass und der weitere Auslass, zwischen denen der Sekundärplasmabereich gebildet ist, gemeinsam als zweite Elektroden zur Erzeugung des elektrischen Feldes dienen.
Bei einer weiteren Weiterbildung ist die Spannungsquelle zur Erzeugung einer Spannung zwischen 50 V und 5000 V zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ausgebildet. Wie weiter oben beschrieben wurde, hängt die zur Erzeugung einer Glimmentladung bzw. eines Plasmas erforderliche Zündspannung vom typischer Weise fest vorgegebenen Abstand zwischen den Elektroden, vom Gasdruck in der Zündstrecke sowie vom zu ionisierenden Gas, insbesondere von der Ionisationsenergie der jeweiligen Gas-Atome bzw. Gasmoleküle sowie von der mittleren freien Weglänge ab. Letztere ist u.a. von der Größe der Gas-Atome und deren Dichte sowie von der Temperatur abhängig. Spannungen innerhalb des oben genannten Bereichs sind in der Regel ausreichend, um eine Glimmentladung zu erzeugen.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Ionisierungseinrichtung einen Auslass zum Austritt des ionisierten Gases aus der Ionisierungseinrichtung. Der Auslass ist typischer Weise an der dem Einlass abgewandten Seite des Sekundärplasmabereichs bzw. der Glimmentladungszone angeordnet. Die Ionen bzw. der von der Ionisierungseinrichtung erzeugte Ionenstrahl kann zur Analyse des ionisierten Gases z.B. in einem Massenspektrometer dienen.
Es ist aber auch möglich, die Ionen bzw. den von der Ionisierungseinrichtung erzeugten Ionenstrahl für andere Anwendungen zu nutzen, beispielsweise in der Elektronenstrahl- oder der Ionenstrahl-Mikroskopie (z.B. in einem Helium-Ionen-Mikroskop), bei dem ein Elektronenstrahl oder ein Ionenstrahl das zu untersuchende Objekt (Probe) abtastet. Im ersten Fall können beispielsweise die an dem zu untersuchenden Objekt rückgestreuten Elektronen der Ionisierungseinrichtung über den Einlass gemeinsam mit einem zu ionisierenden Gas, z.B. einem Edelgas, insbesondere Helium, oder Wasserdampf zugeführt werden. Am Ausgang der Ionisierungsvorrichtung kann ein Detektor (z.B. ein lichtempfindlicher Verstärker oder ein Ladungs-Verstärker) z.B. auf Masse-Potential oder auf niedrigen Potentialen in der Nähe des Masse-Potentials nachgeschaltet werden: Bei geeigneter Auslegung der Flugstrecke der Elektronen, welche beispielsweise viel länger als die Flugstrecke der Kationen des zu ionisierenden Gases in der Ionisierungseinrichtung gewählt werden kann, kann somit überraschend trotz der anschließenden „langsamen“ Ionen-Detektion eine hohe mittlere Beweglichkeit erreicht werden. Mit anderen Worten, eine hohe Detektionseffizienz mit entsprechend hoher Signalbandbreite der Rückstreuelektronen aus der Probe kann mit einer herkömmlichen, auf Masse-Potential arbeitenden Detektor-Elektronik erreicht werden. Die Beschleunigungs- bzw. Zündstrecke in der Ionisierungseinrichtung dient hierbei zur Verstärkung des von den Elektronen erzeugten Elektronenstroms bzw. der verstärkten Erzeugung von durch den Elektronenstrom erzeugten Ionen. Durch die Länge der Zündstrecke kann die Verstärkung des Elektronenstroms festgelegt werden.
Aufgrund des vergleichsweise hohen Drucks in dem Sekundärplasmabereich besitzen die Ionen, welche durch den Auslass gelangen, eine niedrige kinetische Energie („kaltes Plasma“), was für eine dem Auslass nachgeschaltete Ionentransfereinrichtung günstig ist und einen effizienten Ionentransfer ermöglicht. Der Auslass kann eine einfache (ggf. mehrfache) Druckstufe zur Druckreduktion des ionisierten Gases und/oder eine Ionentransferstrecke bilden, dem bzw. der ein Detektor bzw. ein Massenanalysator nachgeschaltet ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines weiteren elektrischen Feldes zwischen dem weiteren Einlass und dem Auslass ausgebildet. Das weitere elektrische Feld ist typischer Weise dem elektrischen Feld, welches die Zündstrecke für die Elektronen bildet, entgegengesetzt gerichtet. In dem Sekundärplasmabereich erzeugte positiv geladene Ionen werden durch das zusätzliche elektrische Feld aus dem Sekundärplasmabereich zu dem Auslass bzw. zu einer dort gebildeten Blenden-Öffnung hin beschleunigt und verlassen die Ionisierungseinrichtung. Da am Ende der Zündstrecke bzw. in der Glimmentladungszone die meisten Ionen des zu ionisierenden Gases entstehen, da dort die Dichte der freien Elektronen maximal ist, kann auf diese Weise der überwiegende Teil der Ionen über den Auslass aus der Ionisierungseinrichtung austreten.
Zur Erzeugung des weiteren elektrischen Feldes kann die zweite Elektrode (Kathode) verwendet werden, die auch zur Erzeugung des (ersten) elektrischen Feldes genutzt wird. Das elektrische Feld kann durch das Anlegen einer Spannung an diese Elektrode sowie an eine weitere Elektrode erzeugt werden, die in der Nähe des Auslasses angeordnet ist. Die für den Spannungs-Durchgriff verwendete Spannung kann vom Betrag ungefähr in der Größenordnung der Zündspannung liegen; wie weiter oben beschrieben wurde, weist die Durchgriffsspannung aber ein der Zündspannung entgegen gesetztes Vorzeichen auf.
In einer Weiterbildung bildet der Auslass eine weitere Elektrode zur Erzeugung des weiteren elektrischen Feldes. In diesem Fall können die Ionen des ionisierten Gases auf besonders einfache Weise zu dem Auslass hin beschleunigt werden. Bevorzugt wird der die weitere Elektrode bildende Auslass geerdet, d.h. auf Masse-Potential (0 V) gelegt. In diesem Fall kann beispielsweise bei der Verwendung der Ionisierungseinrichtung in einem Elektronen- oder Ionen-Mikroskop der Detektor auf Masse-Potential liegen, was sich für die Realisierung eines einfachen und leistungsfähigen Verstärkerdesigns (z.B. in Form eines Ladungsverstärkers oder eines Photodioden-Verstärkers) als vorteilhaft erwiesen hat. Auch bei der Verwendung der Ionisierungseinrichtung in einem Massenspektrometer kann es sich als vorteilhaft erweisen, den Auslass auf Masse-Potential zu legen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind der Einlass, der Sekundärplasmabereich und der Auslass der Ionisierungseinrichtung entlang einer gemeinsamen Sichtlinie angeordnet. Dies ist günstig, um eine kompakte Anordnung der Ionisierungseinrichtung zu realisieren. Anders als bei der Verwendung eines Molekularstrahls ist eine Anordnung entlang einer Sichtlinie bei der vorliegenden Ionisierungseinrichtung aber nicht zwingend erforderlich. Für die Realisierung einer konstanten Ionenausbeute hat es sich als günstig erwiesen, wenn in dem Sekundärplasmabereich idealer Weise in dem gesamten Raum entlang der Sichtlinie zwischen dem Einlass und dem Auslass ein im Wesentlichen konstanter statischer (Zwischen-)Druck herrscht.
Bei einer Weiterbildung umfasst die Ionisierungseinrichtung zusätzlich eine Abpumpeinrichtung mit einem weiteren Auslass zum Abpumpen des zu ionisierenden bzw. bereits teilweise ionisierten Gases, der metastabilen Teilchen des Ionisierungsgases und/oder der Ionen des Ionisierungsgases aus dem Sekundärplasmabereich. Der weitere Auslass dient zum Abpumpen von überschüssigem Gas aus dem Sekundärplasmabereich. Auf diese Weise kann ein im Wesentlichen konstanter Druck in dem Sekundärplasmabereich erzeugt werden, der im Wesentlichen durch die Analytgas-Moleküle hervorgerufen wird. Durch den im Wesentlichen konstanten Druck kann die Erzeugung einer im Wesentlichen konstanten Ionenausbeute sichergestellt werden. Wie weiter oben beschrieben, kann die Abpumpeinrichtung mit dem weiteren Auslass alternativ oder zusätzlich zu dem weiteren Einlass auch als zweite Elektrode zur Erzeugung des elektrischen Feldes zwischen dem Einlass und der Glimmentladungszone dienen.
Bei einer Weiterbildung sind der weitere Einlass und der weitere Auslass entlang einer weiteren Sichtlinie angeordnet. Die weitere Sichtlinie kann insbesondere rechtwinklig zu der Sichtlinie zwischen dem Einlass und dem Auslass ausgerichtet sein. Zwischen dem weiteren Einlass und dem weiteren Auslass ist der Sekundärplasmabereich, typischer Weise die Glimmentladungszone, gebildet. In diesem Fall können der weitere Einlass und der weitere Auslass als (zweite) Elektroden dienen, die auf dasselbe Potential gelegt werden, um zwischen dem Einlass und der Glimmentladungszone ein elektrisches Feld zur Beschleunigung von Elektronen bzw. zur Plasmaerzeugung zu bilden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung mindestens eines Magnetfelds in dem Sekundärplasmabereich ausgebildet. Ein in dem Sekundärplasmabereich angelegtes, insbesondere zeitabhängiges Magnetfeld kann die Ionisierung beispielsweise durch den „Electron cyclotron resonance“ (ECR-)Effekt oder durch ein induktiv gekoppeltes Plasma („Inductively coupled plasma“, ICP-Effekt) verstärken. Beispielsweise kann durch die Verwendung eines zeitabhängigen Magnetfeldes ein zeitabhängiges elektrisches Feld erzeugt werden, welches auf das Plasma geeignet einwirkt bzw. dieses verstärkt. Das ionisierende Magnetfeld kann über einen oder mehrere Permanentmagneten oder über eine oder mehrere Spulen eingekoppelt werden, die beispielsweise an den gleichen Positionen angebracht werden können wie die Spulen. Es versteht sich, dass das (elektro-)magnetische Feld in dem Sekundärplasmabereich herrschen muss, damit die Ionisierung dort verstärkt bzw. gezielt beeinflusst werden kann.
Mit Hilfe mindestens eines Magnetfeldes kann das Plasma bzw. die Glimmentladungszone auch gezielt innerhalb der Ionisierungseinrichtung verschoben werden, beispielsweise indem diese gezielt zu dem Einlass für das zu ionisierende Gas oder zu anderen (Blenden-)Öffnungen, beispielsweise in Richtung auf den Auslass verschoben wird oder in einem bestimmten Bereich innerhalb der Ionisierungseinrichtung konzentriert wird, um dort die Moleküle des zu ionisierenden Gases mit möglichst hoher Effizienz zu ionisieren bzw. die Ionenbeförderung zu dem Auslass und zu einer sich an den Auslass ggf. anschließenden Messzelle möglichst effizient zu gestalten. Diese Vorgehensweise kann auch zur Steigerung der Ionisierungseffizienz gezielt für unterschiedliche Analyten eingesetzt werden, d.h. das mindestens eine Magnetfeld kann in Abhängigkeit von der Art des zu ionisierenden Gases beeinflusst bzw. verändert werden. Das ionisierende zeitabhängige Magnetfeld kann auch während eines Messvorgangs eines Analyten in einer Messzelle bzw. in einem Detektor gezielt verändert oder bewegt werden, was zur Ionisierungssteigerung oder zu einer effizienteren Beförderung von Ionen in die Messzelle führen kann.
Wie weiter oben beschrieben wurde, kann das mindestens eine Magnetfeld, insbesondere in Form eines magnetischen Wechselfeldes, in einer gewünschten Form erzeugt werden, um die Ionisierungseffizienz zu steigern oder gezielt zu beeinflussen. Bei einer Weiterbildung ist die Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines entlang der Sichtlinie oder entlang der weiteren Sichtlinie ausgerichteten Magnetfeldes ausgebildet, d.h. eines Magnetfeldes, welches entlang der Sichtlinie oder entlang der weiteren Sichtlinie verläuft und dort eine Symmetrieachse aufweist.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Ionisierungseinrichtung zusätzlich eine zwischen einem primären Einlass der Ionisierungseinrichtung und dem Einlass angeordnete Kammer zur Behandlung des zu ionisierenden Gases vor der Zuführung des zu ionisierenden Gases in den Sekundärplasmabereich. In der Kammer kann das zu ionisierende Gas behandelt werden, bevor dieses aus dem Einlass in den Sekundärplasmabereich austritt. Eine Behandlung des zu ionisierenden Gases kann auf unterschiedliche Weise erfolgen:
In der Kammer kann beispielsweise eine Druckreduzierung des zu ionisierenden Gases erfolgen, d.h. die Kammer dient als z.B. differentiell oder über ein Ventil (gepulst) gepumpte Kammer zur Reduzierung eines primären Umgebungs-Drucks in einer (Vakuum-)Umgebung außerhalb der Ionisierungseinrichtung, der beispielsweise in einer Größenordnung zwischen ca. 1 bar und 200 bar liegen kann. In Abhängigkeit vom primären Umgebungs-Druck kann die Druckreduzierung in der Kammer mittels einer einfachen Druckstufe oder über mehrere in Serie angeordnete Druckstufen erfolgen, um die Ionisierung bei kleinerem Analytdruck durchführen zu können. Dies reduziert einerseits eine große chemische Reaktivität des Analyten während und nach der Ionisierung und gewährleistet andererseits gleichbleibende Ionisierungsbedingungen.
In der Kammer kann auch eine Wärmeentkopplung stattfinden, um zu erreichen, dass die Temperatur des aus einer dem primären Einlass vorgeschalteten (Vakuum-)Umgebung eintretenden zu ionisierenden Gases eine fest vorgegebene maximale Betriebstemperatur in dem sich an die Kammer anschließenden Einlass nicht überschreitet. Die Wärmeentkopplung kann durch eine Wärme-Isolierung (Metall/Keramik-Übergang), passive Kühlung (z.B. Konvektion über Kühlkörper), aktive Kühlung (z.B. Luft- oder Wasserkühlung), etc. erfolgen.
Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, in der Kammer eine Fremdgasunterdrückung, eine Partikelfilterung und/oder eine Partikelbehandlung durchzuführen, um das zu ionisierende Gas in eine für die Zuführung zu dem Sekundärplasmabereich geeignete Zusammensetzung überzuführen. Die Partikelbehandlung bzw. die Partikelfilterung kann beispielsweise auf mechanische oder magnetische Art erfolgen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein Druck in dem Primärplasmabereich größer als ein Druck in dem Sekundärplasmabereich. Dies ist günstig, damit die metastabilen Teilchen und/oder Ionen des Ionisierungsgases vom Primärplasmabereich durch den weiteren Einlass in den Sekundärplasmabereich übertreten können, ohne dass zu diesem Zweck Pumpen oder dergleichen vorgesehen werden müssen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung liegt der Druck in dem Primärplasmabereich zwischen 100 mbar und 1000 mbar. Eine Plasmaerzeugungseinrichtung, in der ein solcher Druck herrscht, weist typischer Weise keinen Filament (Heizkathode) auf, da Filamente, beispielsweise aus Wolfram oder aus Iridium, typischer Weise erst unterhalb eines Drucks von weniger als ca. 10^–4 mbar einsetzbar sind und eine geringe Lebensdauer aufweisen. Zudem werden bei der Verwendung von Heizkathoden bzw. Filamenten in der Regel sehr hohe Temperaturen von beispielsweise mehr als ca. 2000°C erzeugt.
Mit der Plasmaerzeugungseinrichtung, die in dem oben angegebenen Druckbereich arbeitet, kann auf andere Weise als durch eine Heizkathode – beispielsweise auf die weiter unten beschriebene Weise – ein primäres Plasma (Mikroplasma) eines Ionisierungsgases erzeugt werden. Eine solche Plasmaerzeugungseinrichtung arbeitet sehr zuverlässig auch bei unterschiedlichen Drücken. Wird ein so genanntes „kaltes Plasma“ bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von 10°C bis 200°C erzeugt, können in dem Primärplasmabereich hauptsächlich ladungsneutrale metastabile Moleküle erzeugt werden, die von dem Primärplasmabereich in den Sekundärplasmabereich emittiert werden. Das Ionisierungsgas wird von der Plasmaerzeugungseinrichtung unmittelbar wieder derart abgepumpt, dass sich in dem Sekundärplasmabereich ein geringerer statischer Gasdruck einstellen kann.
Bei einer weiteren Weiterbildung liegt der Druck in dem Sekundärplasmabereich zwischen 0,5 mbar und 10 mbar. Ein solches (statisches) Druckniveau hat sich für die Erzeugung des Sekundärplasmas als vorteilhaft herausgestellt. Wie weiter oben beschrieben wurde, wird der Druck in dem Sekundärplasmabereich im Wesentlichen durch den Analyten erzeugt. Die Abpumpeinrichtung dient dazu, überschüssiges Gas, insbesondere überschüssiges Analytgas, abzupumpen und auf diese Weise einen im Wesentlichen konstanten Druck in dem Sekundärplasmabereich zu erzeugen.
Für die Erzeugung eines (im Wesentlichen) konstanten Drucks in dem Sekundärplasmabereich kann eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung in der Ionisierungseinrichtung angeordnet sein. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung kann beispielsweise ein an dem Einlass angeordnetes (Mikro-)Ventil, beispielsweise in Form eines Mikrosekunden-Piezo-Mikroventils, ansteuern. Die Druckregelung kann beispielsweise durch mehrfaches Öffnen des (Mikro-)Ventils, z.B. durch Gas-Pulsweiten-Modulation, in Kombination mit differentiellem Abpumpen aus dem Sekundärplasmabereich erreicht werden. In der Regel ist der Steuer- und/oder Regeleinrichtung mindestens einen Drucksensor zur Druckmessung in dem Primärplasmabereich, in dem Sekundärplasmabereich und/oder im Bereich der Abpumpeinrichtung zugeordnet, um den Druck in dem Sekundärplasmabereich auf einen Soll-Wert zu regeln.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Ionisierungsgas der Plasmaerzeugungseinrichtung ein (bevorzugt reines) Edelgas, insbesondere Helium, welches eine geringe Molekülgröße aufweist. Auch die Verwendung von anderen Ionisierungsgasen, beispielsweise von Edelgasen wie Ar, Kr oder von Sauerstoff (O₂) ist möglich. In dem Primärplasmabereich können bei der Wahl geeigneter Prozessbedingungen beispielsweise im Wesentlichen metastabile Helium-Moleküle gebildet werden, die eine sanfte Ionisierung des Analyten ermöglichen. Die Plasmaerzeugungseinrichtung kann ggf. einen Chopper aufweisen, um einen gepulsten Plasmabetrieb zu ermöglichen. Bei der hier beschriebenen Anwendung ist es jedoch typischer Weise günstig, wenn ein im Wesentlichen konstanter Volumenstrom von metastabilen Teilchen und/oder Ionen des Ionisierungsgases dem Sekundärplasmabereich zugeführt wird. Bei der Verwendung eines Edelgases als Ionisierungsgas, insbesondere bei der Verwendung von Helium als Ionisierungsgas, ist der Anteil an erzeugten metastabilen Teilchen (z.B. metastabilen Helium-Molekülen) relativ zum Anteil an erzeugten Ionen besonders hoch. Die Zahl der erzeugten metastabilen Teilchen kann beispielsweise bei der Verwendung von Helium um einen Faktor 10⁴ oder 10⁵ größer sein als die Zahl der erzeugten Ionen, so dass die Plasmaerzeugungseinrichtung in dem Primärplasmabereich praktisch ausschließlich metastabile Teilchen (d.h. praktisch keine Ionen) erzeugt.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Plasmaerzeugungseinrichtung ausgewählt aus der Gruppe umfassend: Korona-Entladungs-Plasmaerzeugungseinrichtung und dielektrisch behinderte Entladungs-Plasmaerzeugungseinrichtung. Die Plasmaerzeugungseinrichtung kann insbesondere als Atmosphärendruck-Plasmaquelle ausgebildet sein, d.h. in dieser kann ein Druck im weiter oben angegebenen Druckbereich zwischen ca. 100 mbar und 1 bar herrschen. Zur Erzeugung von Atmosphärendruck-Plasmen kann z.B. zwischen zwei Elektroden eine Hochfrequenzentladung gezündet werden, um eine Korona-Entladung zu erzeugen. Eine der Elektroden kann in einem Innenraum der Plasmaerzeugungseinrichtung angeordnet sein, während die zweite Elektrode das Gehäuse bzw. den weiteren Einlass zur Zuführung der metastabilen Teilchen und/oder Ionen des Ionisierungsgases in den Sekundärplasmabereich bildet. Der weitere Einlass weist typischer Weise eine (Blenden-)Öffnung für die Zuführung der metastabilen Teilchen und/oder der Ionen in den Sekundärplasmabereich auf.
Wie weiter oben beschrieben wurde, kann als Ionisierungsgas beispielsweise Helium verwendet werden, es ist aber auch der Betrieb bei anderen Drücken und mit anderen Gasen möglich. Die Menge des aus der Plasmaerzeugungseinrichtung ausströmenden Ionisierungsgases, beispielsweise in Form von Helium, ist durch die Druckverhältnisse innerhalb der Plasmaerzeugungseinrichtung und außerhalb der Plasmaerzeugungseinrichtung, beispielsweise in dem Sekundärplasmabereich, sowie über den Durchmesser der (Blenden-)Öffnung des weiteren Einlasses gegeben. Der Durchmesser der (Blenden-)Öffnung kann beispielsweise im Bereich zwischen 1 µm und 100 µm liegen, andere Durchmesser sind aber ebenfalls möglich.
Die oben beschriebene Plasmaerzeugungseinrichtung kann modifiziert werden, um eine dielektrisch behinderte Hochfrequenzentladung zu erzeugen. Bei dieser Form der Anregung befindet sich zwischen den Elektroden ein (dünnes) Dielektrikum, das als dielektrische Barriere dient, um ein Plasma in Form einer Vielzahl von Funkenentladungen zu erzeugen und auf diese Weise einen zwischen den Elektroden befindlichen Gasstrom zu ionisieren.
Nichtleitende, insbesondere dielektrische Bauteile können auch verwendet werden, um das Plasma auf ein bestimmtes Volumen zu begrenzen. Beispielsweise kann zwischen der ersten Elektrode und der (Blenden-)Öffnung der zweiten Elektrode eine weitere, nichtleitende insbesondere dielektrische Blende mit einer entsprechenden Blendenöffnung angeordnet sein. Dies ist für die grundsätzliche Funktion der Plasmaerzeugungseinrichtung jedoch nicht zwingend erforderlich. Weitere Begrenzungen des Plasmas in der Plasmaerzeugungseinrichtung durch nichtleitende, insbesondere dielektrische Materialien können ebenfalls sinnvoll sein.
An Stelle eines Hochfrequenz-Plasmas können in der Plasmaerzeugungseinrichtung auch ein Mittelfrequenz-Plasma oder ein Gleichspannungs-Plasma erzeugt werden, um ein Ionisierungsgas oder ein Ionisierungs-Gasgemisch zu ionisieren, wobei ebenfalls ein „kaltes Plasma“ in dem oben angegebenen Druckbereich erzeugt werden kann.
Es ist auch möglich, dass die Plasmaerzeugungseinrichtung eine UV-Strahlungsquelle zur Erzeugung von UV-Strahlung für die Ionisierung eines Ionisierungsgases aufweist. In diesem Fall kann die UV-Strahlung ggf. auch direkt in der Kammer der Plasmaerzeugungseinrichtung generiert werden, in der auch das Ionisierungsgas ionisiert wird, so dass Lichtintensitätsverluste vermieden und eine sehr effiziente Ionisierung durch die UV-Strahlung erreicht werden kann. Insbesondere ist es nicht erforderlich, die von einer UV-Strahlungsquelle, beispielsweise einer UV-Lampe, erzeugte UV-Strahlung durch ein Fenster sowie ggf. mittels einer Umlenkeinrichtung in die Kammer zu leiten, was mit Verlusten der Strahlungsintensität verbunden wäre. Zudem weisen herkömmliche UV-Lampen typischer Weise nur eine geringe Lebensdauer auf und sind vergleichsweise groß.
Durch die UV-Strahlung kann eine sehr sanfte Ionisierung erfolgen, da beispielsweise Ionen oder metastabile Teilchen, die eine relativ niedrige Ionisierungsenergie von ca. 18–24 eV aufweisen, aufgrund von deren relativ großen Wirkungsquerschnitten eine deutlich bessere Ionisierungseffizienz als beispielsweise bei der Elektronenimpakt-Ionisierung (s.u.) bei z.B. 70 eV aufweisen.
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von Ionen besteht darin, als Ionisierungseinrichtung einen oder mehrere Feldemitter bzw. Feldemitter-Arrays, beispielsweise in Form von „kalten“ Elektronenkanonen, zu verwenden, um eine Elektronen-Impakt-Ionisierung durchzuführen. Im Gegensatz zu einem Filament haben Feldemitter eine fast unbegrenzte Lebensdauer und können daher deutlich länger verwendet werden als Filamente. Dies ist insbesondere bei der Verwendung in einer oxidierenden Atmosphäre (z.B. in einer Sauerstoff-Atmosphäre) oder bei einer unerwarteten Druckerhöhung z.B. auf mehr als ca. 10^–4 mbar günstig. Zudem weisen Feldemitter im Gegensatz zu Heizkathoden bzw. Filaments eine niedrige Temperatur auf, so dass durch den Einsatz von Feldemittern die bei Filamenten auftretenden Temperaturprobleme vollständig gelöst werden können. Die Feldemitter können zur Erzeugung von gebündelten bzw. gerichteten Elektronenstrahlen ausgebildet sein. Ggf. kann die kinetische Energie der beschleunigten Elektronen eingestellt bzw. variiert werden.
Die von dem Plasma erzeugten metastabilen Teilchen bzw. Ionen, ggf. weitere von dem Plasma erzeugte Teilchen, deren Reaktionsprodukte sowie Strahlung, beispielsweise UV-Strahlung, aber auch das Plasma selbst können durch die (Blenden-)Öffnung die Plasmaerzeugungseinrichtung bzw. den weiteren Einlass verlassen und den Analyten in dem Sekundärplasmabereich ionisieren. Typische Ionisationsmechanismen sind hierbei: Stoßinduzierte Ionisation, Ladungsaustausch zwischen Ionen und neutralen Teilchen, Ionisierung mittels metastabiler Teilchen, chemische Ionisation, Fotoionisation, insbesondere Ionisation mittels UV-Strahlung, etc.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Massenspektrometer, umfassend: eine Ionisierungseinrichtung wie weiter oben beschrieben, sowie einen dem Auslass der Ionisierungseinrichtung nachgeschalteten Detektor zur massenspektrometrischen Analyse des ionisierten Gases. Der Detektor kann sich unmittelbar an den Auslass anschließen, es ist aber auch möglich, dass zwischen dem Auslass und dem Detektor eine Ionentransfereinrichtung und/oder eine oder mehrere Druckstufen angeordnet sind. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist die hier beschriebene Ionisierungseinrichtung nicht auf die Verwendung in einem Massenspektrometer beschränkt; vielmehr kann diese auch für andere Anwendungen, beispielsweise für die Erzeugung von Ionen zur Detektion von Elektronen bzw. eines Elektronenstroms in der Elektronenstrahl-Mikroskopie bzw. zur Erzeugung von Ionenstrahlen für die Ionenstrahl-Mikroskopie, vorteilhaft angewendet werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:
1a eine schematische Darstellung einer Ionisierungseinrichtung mit einer Plasmaerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Plasmas in einem Primärplasmabereich und einer Beschleunigungsstrecke zur Erzeugung einer Glimmentladung bzw. eines Plasmas in einem Sekundärplasmabereich,
1b eine Darstellung analog zu 1a mit einer zusätzlichen Kammer zur Behandlung eines zu ionisierenden Gases sowie mit einer Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung von Magnetfeldern in dem Sekundärplasmabereich,
2 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Plasmaerzeugungseinrichtung von 1a, b in Form einer Korona-Entladungs-Plasmaerzeugungseinrichtung,
3 eine Darstellung der Paschen-Kurve der Zündspannung eines Plasmas in Abhängigkeit vom Produkt aus Gasdruck und Elektrodenabstand, und
4 eine schematische Darstellung von simulierten Trajektorien von Ionen des zu ionisierenden Gases, die in der Ionisierungseinrichtung erzeugt werden.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
In 1a ist schematisch eine Ionisierungseinrichtung 1 gezeigt, welche einen Einlass 2 zur Zuführung eines zu ionisierenden Gases 3 aufweist, welches aus einer in 1a nicht näher gezeigten Umgebung stammt, in der ein Umgebungsdruck p_U herrscht. Unter dem Einlass 2 sowie den weiter unten beschriebenen (weiteren) Einlässen bzw. Auslässen wird ein Gehäuse bzw. ein Gehäuseteil mit einem Innenraum verstanden, in dem ein Gas, im vorliegenden Fall das zu ionisierende Gas 3, von der Umgebung abgeschottet geführt wird. Es versteht sich, dass die Ionisierungseinrichtung 1 selbst ein (nicht gezeigtes) Gehäuse aufweist, um deren Innenraum von der Umgebung zu separieren.
Die Ionisierungseinrichtung 1 umfasst auch eine Plasmaerzeugungseinrichtung 4, welche innerhalb eines weiteren Einlasses 5 untergebracht ist. Die Plasmaerzeugungseinrichtung 4 dient zur Erzeugung von metastabilen Teilchen 6a und/oder von Ionen 6b eines Ionisierungsgases 6, welches beispielsweise in Form von Helium vorliegen kann, auf eine nachfolgend im Zusammenhang mit 2 näher beschriebene Weise.
2 zeigt den weiteren Einlass 5, der im gezeigten Beispiel im Wesentlichen (kreis-)zylinderförmig ausgebildet ist und an dessen planer endseitiger Wandung eine (Blenden-)Öffnung 5a gebildet ist, durch welche die metastabilen Teilchen 6a und/oder die Ionen 6b des Ionisierungsgases 6 hindurchtreten können. Die Plasmaerzeugungseinrichtung 4 ist im gezeigten Beispiel als Korona-Entladungs-Plasmaerzeugungseinrichtung ausgebildet und weist eine zentrisch in einem Innenraum des weiteren Einlasses 5 angeordnete Stabelektrode 7 auf. Der weitere Einlass 5 bildet eine weitere Elektrode der Plasmaerzeugungseinrichtung 4, welche eine HF-Spannungsquelle 8 zur Erzeugung eines hochfrequenten elektrischen Wechselfeldes zwischen der Stabelektrode 7 und dem als Elektrode dienenden weiteren Einlass 5 aufweist.
Mittels der Plasmaerzeugungseinrichtung 4 kann in einem Primärplasmabereich 9 unmittelbar an der (Blenden-)Öffnung 5a des weiteren Einlasses 5 ein Plasma erzeugt werden, so dass die metastabilen Teilchen 6a und/oder die Ionen 6b des Ionisierungsgases 6 direkt, d.h. ohne eine Ionentransporteinrichtung, durch die (Blenden-)Öffnung 5a des weiteren Einlasses 5 einem Sekundärplasmabereich 10 zugeführt werden können. Es versteht sich, dass die Plasmaerzeugungseinrichtung 4 nicht zwingend in den weiteren Einlass 5 integriert sein muss, vielmehr kann diese auch räumlich separiert von dem weiteren Einlass 5 angeordnet sein, sofern eine geeignete Ionentransporteinrichtung, z.B. in Form einer Ionenoptik oder dergleichen, zum Transport der metastabilen Teilchen 6a und/oder der Ionen 6b vorhanden ist.
Bei dem Ionisierungsgas 6 kann es sich insbesondere um Helium handeln, es können aber auch andere Edelgase, z.B. Ar oder Kr, oder andere Gase, z.B. Sauerstoff (O₂), als Ionisierungsgas 6 dienen. Insbesondere die Verwendung von Helium als Ionisierungsgas 6 ermöglicht eine sanfte Ionisierung des zu ionisierenden Gases (des Analyten) mit Energien, die typischer Weise im Bereich von ca. 20 eV liegen. Hierbei wirkt sich vorteilhaft aus, dass bei der Verwendung von Helium als Ionisierungsgas 6 der Anteil an erzeugten metastabilen Teilchen 6a (metastabilen Helium-Molekülen) deutlich größer ist als der Anteil von erzeugten Helium-Ionen 6b (ca. um einen Faktor 10⁴ bis 10⁵).
Bei der in Zusammenhang mit 2 beschriebenen Plasmaerzeugungseinrichtung 4 liegt der (statische) Druck p₁ in dem Primärplasmabereich 9 typischer Weise zwischen ca. 100 mbar und 1000 mbar, weshalb die dort gezeigte Plasmaerzeugungseinrichtung 4 auch als Atmosphärendruck-Plasmaerzeugungseinrichtung bezeichnet wird. Der statische Druck p₁ in dem Primärplasmabereich 9 ist größer als der statische Druck p in dem Sekundärplasmabereich 10, der sich außerhalb des weiteren Einlasses 5 befindet. Typische Werte für den (statischen) Druck p in dem Sekundärplasmabereich 10 liegen zwischen ca. 0,5 mbar und ca. 10 mbar. Die Menge der pro Zeiteinheit ausströmenden metastabilen Helium-Teilchen bzw. Helium-Moleküle wird durch die Druckverhältnisse innerhalb der Plasmaerzeugungseinrichtung 4 bzw. in dem Primärplasmabereich 9 und in dem Sekundärplasmabereich 10 sowie durch den Durchmesser D der Blenden-Öffnung 5a des weiteren Einlasses 5 bestimmt. Der Blendendurchmesser D kann beispielsweise in einem Wertebereich zwischen ca. 1 µm und 100 µm liegen, der Blendendurchmesser D kann aber ggf. auch größer oder kleiner sein. Die Plasmaerzeugungseinrichtung 4 kann auch eine (nicht gezeigte) Pumpeinrichtung aufweisen, welche das Ionisierungsgas 6, z.B. Helium, unmittelbar wieder derart abpumpt, dass dieses nicht in den Sekundärplasmabereich 10 gelangt und sich in dem Sekundärplasmabereich 10 ein geringerer (Gas-)Druck p als in dem Primärplasmabereich 9 einstellt.
Die in 2 gezeigte Plasmaerzeugungseinrichtung 4 weist die Besonderheit auf, dass an der planen Endseite des weiteren Einlasses 5, an dem die Blenden-Öffnung 5a gebildet ist, eine weitere Blende 11 angeordnet ist, die aus einem nicht leitfähigen, beispielsweise dielektrischen Material hergestellt ist und die dazu dient, das Plasma bzw. den Primärplasmabereich 9 im Wesentlichen auf das Innere des weiteren Einlasses 5 zu begrenzen. Es versteht sich, dass auch weitere Bauteile aus einem nichtleitenden, insbesondere dielektrischen Material in dem Innenraum des Einlasses 5 bzw. in der Plasmaerzeugungseinrichtung 4 angeordnet werden können, die als Begrenzungen für das primäre Plasma bzw. für den Primärplasmabereich 9 verwendet werden können.
An Stelle der in 2 gezeigten Plasmaerzeugungseinrichtung 4 kann auch eine andere Art von Plasmaerzeugungseinrichtung 4 in der Ionisierungseinrichtung 1 verwendet werden, beispielsweise eine Plasmaerzeugungseinrichtung 4, welche durch UV-Strahlung oder ggf. auf andere Weise ein Plasma erzeugt. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Plasmaerzeugungseinrichtung 4 ein (Mikro-)Plasma mit einem verhältnismäßig großen statischen Druck erzeugen kann und wenn diese zur Erzeugung eines „kalten Plasmas“ bei Temperaturen ausgebildet ist, die bei nicht mehr als ca. 200°C liegen.
Die durch den weiteren Einlass 5 dem Sekundärplasmabereich 10 zugeführten metastabilen Teilchen bzw. Moleküle 6a und/oder die Ionen 6b dienen zur Ionisierung des über den Einlass 2 zugeführten zu ionisierenden Gases 3, welches nachfolgend auch als Analyt bezeichnet wird. Zumindest ein Teil der Moleküle des zu ionisierenden Gases 3 (im Sinne dieser Anmeldung wird unter einem Gas auch ein Gasgemisch verstanden) werden in dem Sekundärplasmabereich 10 von den metastabilen Teilchen 6a und/oder von den Ionen 6b des Ionisierungsgases 6 ionisiert, so dass in dem Sekundärplasmabereich 10 Ionen 3a‘ des zu ionisierenden Gases 3 (im Folgenden auch als ionisiertes Gas 3a‘ bezeichnet) erzeugt werden. Die Ionisierung der Moleküle des zu ionisierenden Gases 3 durch die metastabilen Teilchen 6a bzw. die Ionen 6b des Ionisierungsgases 6 kann beispielsweise durch Ladungsaustauschionisation, durch stoßinduzierte Ionisation, etc. erfolgen.
Zusätzlich zur Ionisation des Gases 3 durch die aus dem Primärplasmabereich 9 zugeführten metastabilen Teilchen 6a und/oder Ionen 6b wird in dem Sekundärplasmabereich 10 eine Ionisierung des Gases 3 durch eine Glimmentladung 12 bzw. eine Glimmentladungszone (vgl. 1a, b), d.h. eines (sekundären) Plasmas in dem Sekundärplasmabereich 10 erzeugt. Hierbei erweist es sich als günstig, dass zumindest ein Teil der Moleküle des Gases 3 durch einen Stoßprozess ionisiert werden, so dass sich in dem Sekundärplasmabereich 10 freie Elektronen bilden. Um die Glimmentladung 12 in dem Sekundärplasmabereich 10 zu erzeugen, weist die Ionisierungseinrichtung 1 eine Felderzeugungseinrichtung 13 auf, die im gezeigten Beispiel ausgebildet ist, zur Erzeugung der Glimmentladung 12 zwischen dem Einlass 2 und dem weiteren Einlass 5 sowie einem weiteren Auslass 14, der in einer Richtung (Y-Richtung) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (X-Richtung) des zu ionisierenden Gases 3 auf gleicher Höhe zu dem weiteren Einlass 5 angeordnet ist, ein elektrisches Feld E zu erzeugen. Zu diesem Zweck weist die Felderzeugungseinrichtung 13 eine Spannungsquelle 15 auf, die sowohl mit dem als erste Elektrode (Kathode) dienenden Einlass 2 als auch mit dem weiteren Einlass 5 sowie mit dem weiteren Auslass 14 verbunden ist. Der weitere Einlass 5 und der weitere Auslass 14 liegen auf gleichem elektrischem Potential und bilden somit gemeinsam eine zweite Elektrode 5, 14 (Anode). Die Spannungsquelle 15 ist ausgebildet, ein elektrisches Feld E mit einer Ausrichtung zu erzeugen, welches Elektronen von dem Einlass 2 in Richtung auf die Glimmentladungszone 12, d.h. in Richtung auf den weiteren Einlass 5 bzw. auf den weiteren Auslass 14 beschleunigt. Die Beschleunigung der Elektronen erfolgt hierbei entlang einer Beschleunigungs- bzw. Zündstrecke d, welche in X-Richtung, d.h. entlang der Propagationsrichtung des zu ionisierenden Gases 3, verläuft.
Die Länge der Zündstrecke d entspricht dem Abstand zwischen dem Einlass 2 und der zentralen Achse des weiteren Einlasses 5, die mittig durch dessen Blenden-Öffnung 5a verläuft, sowie dem Abstand zwischen dem Einlass 2 und der zentralen Achse des weiteren Auslasses 14, die mittig durch dessen (Blenden-)Öffnung 14a verläuft. Die Länge der Zündstrecke d kann beispielsweise zwischen ca. 10 mm und mehreren Zentimetern betragen. Die mit Hilfe der Spannungsquelle 15 erzeugte Spannung V und der (quasi-statische) Druck p in dem Zwischenraum zwischen dem Einlass 2 und dem weiteren Einlass 5 bzw. dem weiteren Auslass 14 werden bei der typischer Weise konstanter Länge der Zündstrecke d so gewählt, dass annähernd das so genannte Paschen-Minimum V_M erreicht wird, d.h. der bei einer gegebenen zu ionisierenden Gasspezies minimal mögliche Wert für die Zündspannung V (vgl. 3). Entlang der Zündstrecke erfolgt eine Kaskadenvervielfachung der freien Elektronen, die bei der Ionisierung durch das Ionisierungsgas 6 entstehen, so dass im Sekundärplasmabereich 10 eine kritische (positive) elektrische Feldstärke des elektrischen Feldes E überschritten wird, die für die Bildung einer Glimmentladung 12 bzw. einer Glimmentladungszone erforderlich ist. Typischer Weise liegt die zur Erzeugung der Glimmentladung 12 benötigte, von der Spannungsquelle 15 gelieferte Spannung V zwischen ca. 50 V und ca. 5000 V. Es versteht sich, dass die Spannungsquelle 15 zur Einstellung der Spannung V ausgebildet sein kann, um die Ionisierungseinrichtung 1 an unterschiedliche zu ionisierende Gase 3 bzw. Gasspezies anzupassen.
Die Glimmentladung 12 in dem Sekundärplasmabereich 10 führt zur besonders effizienten Ionisierung von zusätzlichen Molekülen des zu ionisierenden Gases 3 (nachfolgend als Ionen 3a‘ bzw. als ionisiertes Gase 3a‘ bezeichnet). Das durch das Ionisierungsgas 6 ionisierte Gas 3a‘ wird zusammen mit dem durch die Glimmentladung 12 ionisierten Gas 3a einem Auslass 16, genauer gesagt einer dort gebildeten Blenden-Öffnung 16a, zugeführt. An den Auslass 16 schließt sich bei dem in 1a gezeigten Beispiel ein Detektor 17 an, der zur massenspektrometrischen Untersuchung des ionisierten Gases 3a, 3a‘ ausgebildet ist. Die Ionisierungseinrichtung 1 bildet gemeinsam mit dem Detektor 17 ein Massenspektrometer 20.
Um das ionisierte Gas 3a, 3a‘ zu dem Auslass 16 zu verbringen, ist die Felderzeugungseinrichtung 13 zur Erzeugung eines weiteren elektrischen Feldes E‘ zwischen dem weiteren Einlass 5 bzw. dem weiteren Auslass 14 als erster Elektrode und dem Auslass 16 ausgebildet, der als weitere (zweite) Elektrode dient. Das weitere elektrische Feld E‘ ist dem (ersten) elektrischen Feld E in Propagationsrichtung des zu ionisierenden Gases 3 (X-Richtung) entgegen gerichtet. Die Spannungsquelle 15 dient zur Erzeugung des weiteren elektrischen Feldes E‘ durch das Anlegen einer weiteren Spannung V‘ zwischen dem weiteren Einlass 5 bzw. dem weiteren Auslass 14 und dem Auslass 16. Durch das weitere elektrische Feld E‘ werden die positiv geladenen Ionen des ionisierten Gases 3a, 3a‘ zu dem Auslass 16 hin beschleunigt. Die Beschleunigung der Ionen 3a, 3a‘ erfolgt hierbei entlang einer weiteren Beschleunigungsstrecke d‘, die beispielsweise ca. 10 mm betragen kann. Da am Ende der Kaskadenvervielfachungsstrecke, d.h. in der Glimmentladungszone 12, aufgrund der dort vorhandenen maximalen Dichte an freien Elektronen der größte Teil des ionisierten Gases 3a, 3a‘ erzeugt wird, kann der überwiegende Teil des ionisierten Gases 3a, 3a‘ zu dem Auslass 16 hin abgeleitet werden.
Um dem Detektor 17 einen möglichst konstanten Ionenstrom zuzuführen, ist es günstig, den Druck p in dem Sekundärplasmabereich 10 bzw. entlang der Zündstrecke d zwischen dem Einlass 2 und dem weiteren Einlass 5 bzw. dem weiteren Auslass 14 möglichst konstant zu halten. Um dies zu erreichen, ist der weitere Auslass 14 über ein steuerbares Ventil 18 mit einer Abpumpeinrichtung 19 (Vakuum-Pumpe) verbunden, welche zum Abpumpen des zu ionisierenden Gases 3 sowie der metastabilen Teilchen 6a und/oder der Ionen 6b des Ionisierungsgases 6 aus dem Sekundärplasmabereich 10 dient. Das Ventil 18 sowie die Abpumpeinrichtung 19 stehen mit einer Steuer- und Regeleinrichtung 21 in Verbindung, die den Druck p in dem Sekundärplasmabereich 10 auf einen konstanten Soll-Wert regelt.
Um dies zu erreichen, kann die Steuer- und Regeleinrichtung 21 mit einem oder mehreren (nicht gezeigten) Sensoren, insbesondere mit Druck-Sensoren, in Verbindung stehen, welche es ermöglichen, den Druck p in dem Sekundärplasmabereich 10 direkt oder ggf. indirekt zu bestimmen. Die Steuer- und Regeleinrichtung 21 dient auch dazu, die Felderzeugungseinrichtung 13 derart anzusteuern, dass eine an eine jeweils zu ionisierende Gasspezies angepasste Zündspannung V zur Erzeugung des elektrischen Feldes E bzw. eine geeignet angepasste Durchgriffspannung V‘ zur Erzeugung des weiteren elektrischen Feldes E‘ generiert wird.
Bei der in 1a gezeigten Ionisierungseinrichtung 1 hat es sich als günstig erwiesen, wenn die zentrale Achse des Einlasses 2, welche durch die Mitte der (Blenden-)Öffnung 2a des Einlasses 2 verläuft, der Sekundärplasmabereich 10 bzw. die Glimmentladungszone 12 und die zentrale Achse des Auslasses 16, welche durch die Mitte der Blenden-Öffnung 16a des Auslasses 16 verläuft, entlang einer gemeinsamen Sichtlinie 22 angeordnet sind. Es hat sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, wenn die zentrale Achse des weiteren Einlasses 5, welche durch die Mitte der Blenden-Öffnung 5a des weiteren Einlasses 5 verläuft, der Sekundärplasmabereich 10 bzw. die Glimmentladungszone 12 sowie die zentrale Achse des weiteren Auslasses 14, welche durch die Mitte der Blenden-Öffnung 14a des weiteren Auslasses 14 verläuft, entlang einer weiteren gemeinsamen Sichtlinie 23 angeordnet sind. Es ist günstig, wenn die weitere gemeinsame Sichtlinie 23 senkrecht zur (ersten) gemeinsamen Sichtlinie verläuft, da in diesem Fall der weitere Einlass 5 und der weitere Auslass 14 in einer Richtung (Y-Richtung) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des zu ionisierenden Gases 3 angeordnet sind.
1b zeigt ein Massenspektrometer 20, welches eine Ionisierungseinrichtung 1 aufweist, die im Wesentlichen wie in 1a dargestellt ausgebildet ist. Im Gegensatz zu dem in 1a gezeigten Beispiel ist zwischen dem Einlass 2 für das zu ionisierende Gas 3 und einem primären Einlass 24 (mit Blenden-Öffnung 24a) für den Eintritt des zu ionisierenden Gases 3 in die Ionisierungseinrichtung 1 eine Kammer 25 angeordnet, die zur Behandlung des zu ionisierenden Gases 3 vor dem Einlass 2 und somit vor dem Sekundärplasmabereich 10 dient. Die Behandlung des zu ionisierenden Gases 3 in der Kammer 25 kann auf unterschiedliche Weise erfolgen:
In der Kammer 25 kann beispielsweise eine Druckreduzierung des zu ionisierenden Gases erfolgen, d.h. die Kammer 25 dient als z.B. differentiell oder – wie in 1b gezeigt – über ein Ventil 26 (gepulst) gepumpte Druckstufe zur Reduzierung des primären Drucks p_u in der Umgebung außerhalb der Ionisierungseinrichtung 1, der beispielsweise in einer Größenordnung zwischen ca. 1 bar und 200 bar liegen kann. In Abhängigkeit vom primären Druck p_U kann die Druckreduzierung in der Kammer 25 mittels einer einfachen Druckstufe oder ggf. über mehrere innerhalb der Kammer 25 in Serie angeordneten Druckstufen erfolgen, um die Ionisierung bei kleinerem Druck p des zu ionisierenden Gases 3 durchführen zu können.
In der Kammer 25 kann auch eine Wärmeentkopplung stattfinden, um zu erreichen, dass die Temperatur des aus einer dem primären Einlass 24 vorgeschalteten Umgebung eintretenden zu ionisierenden Gases 3 eine fest vorgegebene maximale Betriebstemperatur in dem sich an die Kammer 25 anschließenden (sekundären) Einlass 2 nicht überschreitet. Die Wärmeentkopplung kann durch eine Wärme-Isolierung (Metall/Keramik-Übergang), passive Kühlung (z.B. Konvektion über Kühlkörper), aktive Kühlung (z.B. Luft- oder Wasserkühlung), etc. erfolgen. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, in der Kammer 25 eine Fremdgasunterdrückung, eine Partikelfilterung und/oder eine Partikelbehandlung durchzuführen, um das zu ionisierende Gas 3 in eine für die Zuführung zu dem Sekundärplasmabereich 10 geeignete Zusammensetzung überzuführen. Die Partikelbehandlung bzw. die Partikelfilterung kann beispielsweise auf mechanische oder magnetische Art erfolgen.
Bei dem in 1b gezeigten Ausführungsbeispiel ist zudem die Felderzeugungseinrichtung 13 ausgebildet, ein erstes und zweites zeitabhängiges Magnetfeld M1, M2 in dem Sekundärplasmabereich 10 zu erzeugen. Im gezeigten Beispiel ist die Felderzeugungseinrichtung 13 ausgebildet, ein erstes Magnetfeld M1 zu erzeugen, welches entlang der ersten Sichtlinie 22 ausgerichtet ist, d.h. die Symmetrieachse des ersten Magnetfelds M1 verläuft entlang der Sichtlinie 22 (in X-Richtung). Für die Erzeugung des ersten Magnetfelds M1 weist die Felderzeugungseinrichtung 13 eine erste und eine zweite Spule 27a, b auf. Die Felderzeugungseinrichtung 13 ist auch zur Erzeugung eines zweiten Magnetfelds M2 ausgebildet, welches entlang der weiteren Sichtlinie 23 ausgerichtet ist, d.h. die Symmetrieachse des zweiten Magnetfelds M2 verläuft entlang der weiteren Sichtlinie 23 (in Y-Richtung). Für die Erzeugung des zweiten Magnetfeldes M2 weist die Felderzeugungseinrichtung 13 zwei weitere Spulen 28a, 28b auf. Die Felderzeugungseinrichtung 13 ist ausgebildet, den Stromfluss durch die Spulen 27a, 27b bzw. durch die weiteren Spulen 28a, 28b einzustellen bzw. mittels der Steuer- und Regeleinrichtung 21 zu steuern / zu regeln, um die Magnetfelder M1, M2, welche in dem Sekundärplasmabereich 10 vorhanden sind, geeignet zu beeinflussen. Es versteht sich, dass die Magnetfelder M1, M2 auch anders als in 1b dargestellt ausgerichtet sein können. Auch kann die Felderzeugungseinrichtung 13 ggf. ausgebildet sein, zusätzlich oder alternativ zur Erzeugung eines zeitlich veränderlichen Magnetfeldes eines oder mehrere zeitlich konstante Magnetfelder in dem Sekundärplasmabereich 10 zu erzeugen. Zu diesem Zweck kann die Felderzeugungseinrichtung 13 einen oder mehrere Permanentmagnete aufweisen.
Die Magnetfelder M1, M2 können die Ionisierung in dem Sekundärplasmabereich 10 beispielsweise durch den „Electron cyclotron resonance“ (ECR-)Effekt oder durch ein induktiv gekoppeltes Plasma („Inductively coupled plasma“, ICP-Effekt) verstärken. Durch die Erzeugung eines zeitabhängigen Magnetfeldes M1, M2 kann ein zeitabhängiges elektrisches Feld in dem Sekundärplasmabereich 10 erzeugt werden, welches das Plasma verstärkt. Das jeweilige ionisierende Magnetfeld M1, M2 kann über die Spulen 27a, 27b bzw. über die weiteren Spulen 28a, 28b erzeugt werden. Typischer Weise weist die Felderzeugungseinrichtung 13 zur Erzeugung der Glimmentladung 12 in dem Sekundärplasmabereich 10 zusätzlich die in 1a gezeigte Spannungsquelle 15 auf, um das elektrische Feld E bzw. das weitere elektrische Feld E‘ zu erzeugen.
Mit Hilfe eines oder mehrerer Magnetfelder M1, M2 kann das Plasma, genauer gesagt die Glimmentladungszone 12, auch gezielt innerhalb der Ionisierungseinrichtung 1 verschoben werden. Beispielsweise kann bei einem geeigneten Stromfluss durch die Spulen 27a, 27b das erste Magnetfeld M1 bzw. das Maximum der Magnetfeldstärke des ersten Magnetfeldes M1 entlang der Sichtlinie 22 in Richtung auf den Einlass 2 verschoben werden, um auch die Glimmentladung 12 in Richtung auf den Einlass 2 zu verschieben, so dass dort die Moleküle des zu ionisierenden Gases 3 mit möglichst hoher Effizienz ionisiert werden. Eine Verschiebung des ersten Magnetfeldes M1 in Richtung auf den Auslass 16 kann dazu dienen, um die Beförderung des ionisierten Gases 3a, 3a‘ zu dem Auslass 16 und zu dem sich an diesen anschließenden Detektor 17 möglichst effizient zu gestalten.
Die Verschiebung des ersten Magnetfeldes M1 (und auch des zweiten Magnetfeldes M2) kann in Abhängigkeit von dem zu ionisierenden Gas 3 bzw. von der zu ionisierenden Gasspezies erfolgen, sofern diese der Ionisierungseinrichtung 1 bzw. der Steuer- und Regeleinrichtung 21 bekannt ist. Das bzw. die zeitabhängigen Magnetfelder M1, M2 können auch während eines Messvorgangs des ionisierten Gases 3a, 3a‘ in dem Detektor 17 gezielt verändert oder bewegt werden, was zur Erhöhung der Ionisierungseffizienz und/oder zu einer effizienteren Beförderung des ionisierten Gases 3a, 3a‘ in den Detektor 17 führt.
4 zeigt simulierte Trajektorien der Ionen 3a des zu ionisierenden Gases 3, die durch die Kaskadenvervielfachung entlang der Beschleunigungsstrecke d bzw. durch die Glimmentladung 12 erzeugt werden, sowie der Ionen 3a‘ des zu ionisierenden Gases 3, welche durch eine Ladungsaustausch- bzw. Stoßionisation mit den (in 4 nicht gezeigten) metastabilen Teilchen 6a und/oder Ionen 6b des Ionisierungsgases 6 erzeugt werden. Zur Vereinfachung wurde der Einlass 2 als plane, sich in Y-Richtung erstreckende gitterförmige Elektrode mit einem Potential von 0 V simuliert. Der weitere Einlass 5 sowie der weitere Auslass 14 wurden als sich in Y-Richtung erstreckende gitterförmige (Loch-)Elektrode mit einem Potential von +1 kV simuliert. Auch der Auslass 16 wurde als sich in Y-Richtung erstreckende gitterförmige (Loch-)Elektrode mit einem Potential von 0 V simuliert. Die Erdung bzw. die Festlegung des Potentials des Auslasses 16 auf 0 V hat sich als günstig erwiesen, da in diesem Fall auch der Detektor 17 auf Masse-Potential gelegt werden kann. Es versteht sich aber, dass das Potential des Auslasses 16 auch andere (positive oder negative) Werte annehmen kann, beispielsweise im Bereich von –100 V oder kleiner. Die Erstreckung der simulierten Elektroden ist in 4 durch gestrichelte Rechtecke angedeutet.
Wie in 4 deutlich zu erkennen ist, nimmt die Anzahl der freien Elektronen 30 ausgehend von dem Einlass 2 in Richtung auf die Glimmentladungszone 12 aufgrund der Kaskadenvervielfachung deutlich zu, so dass dort eine große Anzahl von Ionen 3a des zu ionisierenden Gases 3 erzeugt wird, die aufgrund des weiteren elektrischen Feldes E‘ in Richtung auf den Auslass 16 beschleunigt werden. In 4 ebenfalls zu erkennen sind die Trajektorien von Ionen 3b des zu ionisierenden Gases 3, die bereits entlang der Beschleunigungsstrecke d ionisiert werden, die aufgrund ihrer positiven Ladung von dem elektrischen Feld E in Richtung auf den Einlass 2 beschleunigt werden und die daher nicht für die Analyse in dem Detektor 17 zur Verfügung stehen. Die Ionen 3a, 3a‘ des zu ionisierenden Gases 3 werden zum dem Auslass 16 beschleunigt und in dem Detektor 17 gemeinsam analysiert.
Die Nutzung der weiter oben beschriebenen Ionisierungseinrichtung 1 ist nicht nur auf ein Massenspektrometer 20 beschränkt, vielmehr können die von der Ionisierungseinrichtung 1 erzeugten Ionen 3a, 3a‘ auch in anderen Vorrichtungen sinnvoll eingesetzt werden, in denen Ionen 3a, 3a‘ bzw. ein Ionenstrahl benötigt wird, beispielsweise in einem Elektronenstrahl- oder einem Ionenstrahl-Mikroskop. Beispielsweise können Elektronen, die bei der Elektronenstrahl-Mikroskopie an einem zu untersuchenden Objekt rückgestreut werden, gemeinsam mit einem zu ionisierenden Gas 3, z.B. Helium oder Wasserdampf, über den Einlass 2 in die Ionisierungseinrichtung 1 eingebracht werden. Die über den Einlass 2 zugeführten Elektronen dienen zur Ionisierung des zu ionisierenden Gases 3 entlang der Zündstrecke d, wobei die Anzahl der hierbei erzeugten Ionen 3a des zu ionisierenden Gases 3 von der Zahl der in die Ionisierungseinrichtung 1 eingetretenen Elektronen bzw. vom Elektronenstrom abhängig ist. Am Ausgang der Ionisierungseinrichtung 1 kann ein Detektor 17 (z.B. ein lichtempfindlicher Verstärker oder ein Ladungs-Verstärker) z.B. auf Masse-Potential oder auf niedrigem Potential in der Nähe des Masse-Potentials nachgeschaltet werden, um den durch die Ionen 3a, 3a‘ erzeugten Strom bzw. die durch die Ionen 3a, 3a‘ erzeugte Ladung zu messen. Die Beschleunigungs- bzw. Zündstrecke d in der Ionisierungseinrichtung 1 dient hierbei zur Verstärkung des von den Elektronen erzeugten Ionenstroms, welcher von dem Detektor 17 detektiert wird. Durch die Länge der Zündstrecke d sowie die Anzahl der zugeführten metastabilen Teilchen 6a bzw. der Ionen 6b des Ionisierungsgases 6 kann die durch die Ionisierungseinrichtung 1 erzeugte Verstärkung festgelegt bzw. eingestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007043333 A1 [0003]

Claims

Ionisierungseinrichtung (1), umfassend: eine Plasmaerzeugungseinrichtung (4) zur Erzeugung von metastabilen Teilchen (6a) und/oder von Ionen (6b) eines Ionisierungsgases (6) in einem Primärplasmabereich (9), eine Felderzeugungseinrichtung (13) zur Erzeugung einer Glimmentladung (12) in einem Sekundärplasmabereich (10), einen Einlass (2) zur Zuführung eines zu ionisierenden Gases (3) in den Sekundärplasmabereich (10), sowie einen weiteren Einlass (5) zur Zuführung der metastabilen Teilchen (6a) und/oder der Ionen (6b) des Ionisierungsgases (6) in den Sekundärplasmabereich (10).
Ionisierungseinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Felderzeugungseinrichtung (13) ausgebildet ist, zur Erzeugung der Glimmentladung (12) in dem Sekundärplasmabereich (10) zwischen dem Einlass (2) und dem weiteren Einlass (5) ein elektrisches Feld (E) zu erzeugen.
Ionisierungseinrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Felderzeugungseinrichtung (13) zur Erzeugung des elektrischen Feldes (E) eine Spannungsquelle (15) sowie zwei Elektroden (2; 5, 14) aufweist.
Ionisierungseinrichtung nach Anspruch 3, bei welcher der Einlass (2) eine erste Elektrode und der weitere Einlass (5) eine zweite Elektrode zur Erzeugung des elektrischen Feldes (E) bildet.
Ionisierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei der die Spannungsquelle (15) zur Erzeugung einer Spannung (V) zwischen 50 V und 5000 V zwischen der ersten Elektrode (2) und der zweiten Elektrode (5, 14) ausgebildet ist.
Ionisierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: einen Auslass (16) zum Austritt des ionisierten Gases (3a, 3a‘) aus der Ionisierungseinrichtung (1).
Ionisierungseinrichtung nach Anspruch 6, bei der die Felderzeugungseinrichtung (13) zur Erzeugung eines weiteren elektrischen Feldes (E‘) zwischen dem weiteren Einlass (5) und dem Auslass (16) ausgebildet ist.
Ionisierungseinrichtung nach Anspruch 7, bei dem der Auslass (16) eine weitere Elektrode zur Erzeugung des weiteren elektrischen Feldes (E‘) bildet.
Ionisierungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei welcher der Einlass (2), der Sekundärplasmabereich (10) und der Auslass (16) der Ionisierungseinrichtung (1) entlang einer Sichtlinie (22) angeordnet sind.
Ionisierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Abpumpeinrichtung (19) mit einem weiteren Auslass (14) zum Abpumpen des Gases (3), der metastabilen Teilchen (6a) des Ionisierungsgases (6) und/oder der Ionen (6b) des Ionisierungsgases (6) aus dem Sekundärplasmabereich (10).
Ionisierungseinrichtung nach Anspruch 10, bei welcher der weitere Einlass (5) und der weitere Auslass (14) entlang einer weiteren Sichtlinie (23) angeordnet sind.
Ionisierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Felderzeugungseinrichtung (13) zur Erzeugung mindestens eines insbesondere zeitabhängigen Magnetfelds (M1, M2) in dem Sekundärplasmabereich (10) ausgebildet ist.
Ionisierungseinrichtung nach Anspruch 12, bei welcher die Felderzeugungseinrichtung (13) zur Erzeugung eines entlang der Sichtlinie (22) oder entlang der weiteren Sichtlinie (23) ausgerichteten Magnetfeldes (M1, M2) ausgebildet ist.
Ionisierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine zwischen einem primären Einlass (24) der Ionisierungseinrichtung (1) und dem Einlass (2) angeordnete Kammer (25) zur Behandlung des zu ionisierenden Gases (3) vor der Zuführung des zu ionisierenden Gases (3) in den Sekundärplasmabereich (10).
Ionisierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher ein Druck (p) in dem Primärplasmabereich (9) größer ist als ein Druck (p₁) in dem Sekundärplasmabereich (10).
Ionisierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Druck (p₁) in dem Primärplasmabereich (9) zwischen 100 mbar und 1000 mbar liegt.
Ionisierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Druck (p) in dem Sekundärplasmabereich (10) zwischen 0,5 mbar und 10 mbar liegt.
Ionisierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Ionisierungsgas (6) der Plasmaerzeugungseinrichtung (4) ein Edelgas ist.
Ionisierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Plasmaerzeugungseinrichtung (4) ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: Korona-Entladungs-Plasmaerzeugungseinrichtung und dielektrisch behinderte Entladungs-Plasmaerzeugungseinrichtung.
Massenspektrometer (20), umfassend: eine Ionisierungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, sowie einen dem Auslass (16) der Ionisierungseinrichtung (1) nachgeschalteten Detektor (17) zur massenspektrometrischen Analyse des ionisierten Gases (3a, 3a‘).