DE102015113314B4

DE102015113314B4 - Ionisierungsanordnung

Info

Publication number: DE102015113314B4
Application number: DE102015113314.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Tajmar
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2015-08-12
Filing date: 2015-08-12
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2035-08-13
Also published as: DE102015113314A1

Abstract

Ionisierungsanordnung (1), insbesondere eine Gasfeld-Ionisierungsquelle oder eine Elektronenquelle, umfassend:- eine flächige Hauptelektrode (2) und eine flächige Gegenelektrode (5), die eine lonisierungskammer (4) bilden;- mindestens eine Spitzenelektrodenanordnung mit einer Anzahl zueinander benachbarten Spitzenelektroden (3), wobei die mindestens eine Spitzenelektrodenanordnung auf einer der Gegenelektrode (5) zugewandten Hauptfläche der Hauptelektrode (2) benachbart zu mindestens einer Durchgangsöffnung (21) der Hauptelektrode (2) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptelektrode (2) die mindestens eine Durchgangsöffnung (21) zur Zuführung eines Gasstroms in die Ionisierungskammer (4) aufweist, wobei eine Umlenkeinrichtung (7) zwischen der Hauptelektrode (2) und der Gegenelektrode (5) angeordnet ist, um einen durch die mindestens eine Durchgangsöffnung (21) der Hauptelektrode (2) zugeführten Gasstrom zumindest teilweise in Richtung der mindestens einen Spitzenelektrodenanordnung umzulenken.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft lonisierungsanordnungen, insbesondere Gasfeld-Ionisierungsquellen und Elektronenquellen, insbesondere zum Einsatz in Massenspektrometern.
Technischer Hintergrund
Gasfeld-Ionisierungsquellen werden heutzutage häufig in Massenspektrometern zum Einsatz für Gassensoren verwendet.
Wie z.B. aus der Druckschrift E. W. Mueller, „Feldemission“, Ergebnisse der Exakten Naturwissenschaften 27, Springer Berlin Heidelberg, 1953 bekannt wird bei einer Gasfeld-Ionisierungsquelle ein Gas durch hohe Feldstärken ionisiert und die Gasionen in dem elektrischen Feld beschleunigt. Die Feldstärken werden zwischen einer spitz zulaufenden Anode und einer als Lochelektrode ausgebildeten Kathode erzeugt, wobei die Feldstärke an der Spitze der spitz zulaufenden Anode besonders hoch ist und damit den Ort definiert, an dem die Ionen aus den Gasmolekülen erzeugt werden. Diese Ionen werden dann in Richtung der Lochelektrode beschleunigt.
In der Vergangenheit wurde die Effizienz solcher Gasfeld-Ionisierungsquellen erheblich gesteigert, indem Feldanordnungen von Spitzenanoden durch mikromechanische Fertigungstechnologien miniaturisiert hergestellt wurden. Insbesondere kann man eine Feldanordnung von Kohlenstoffnanoröhrchen vorsehen, die einen sehr geringen Durchmesser aufweisen und dann als Anode bereits bei niedrigeren Spannungen hohe Feldstärken bereitstellen können.
Um einen kontinuierlichen Gasionenstrom zu erzeugen, muss dem elektrischen Feld ein Gasstrom zugeführt werden. Dazu kann, wie z.B. aus der Druckschrift T. C. Hicks, „Carbon nanotube pillar array ionizer for miniature ion thruster applications“, Master's thesis, Naval postgraduate school, Monterey, California (2008) bekannt ist, das zu ionisierende Gas seitlich, d.h. quer zu den Spitzen der Spitzenanode zugeleitet werden. In diesem Fall kommt es jedoch zu einer inhomogenen Gasverteilung und dadurch zu einer inhomogenen Verteilung der erzeugten Gasionen.
Eine in der Druckschrift L. F. Velasquez-Garcia et al., „A pecvd cnt-based open architecture field ionizer for portable mass spectrometry", Micro Electro Mechanical Systems, 2008, IEEE 21st International Conference, Seiten 742-745 beschriebene Alternative sieht vor, die Spitzenanoden auf einem porösen gasdurchlässigen Substrat anzuordnen, so dass zugeführtes Gas von dem Substrat an den Spitzenanoden vorbei in Richtung der Lochkathode strömt. Dabei bewegen sich die Gasmoleküle an den Spitzenanoden vorbei in Richtung der Lochkathode. Da die Gasmoleküle aufgrund des Gasdrucks bzw. der Gasströmung eine Eigenbewegung in Richtung der Lochkathode aufweisen, befinden sich diese nur für eine relativ kurze Zeitdauer im Bereich der Spitzenanoden, so dass die dort erreichte Ionisierungsrate begrenzt ist. Dies führt dazu, dass der Anteil der ionisierten Gasmoleküle gering ist und die Gasfeld-Ionisierungsquelle eine niedrige Effizienz aufweist.
Auch aus Tajmar, M. et al., „MEMS-Based Gas-Field-Ion-Source for Micro-Thruster and Gas Sensor Application", Proceedings of the 4th Spacecraft Propulsion Conference, Cologne, May 19-22, 2014 ist eine vergleichbare Anordnung für eine Antriebsanwendung bekannt, bei der die Spitzenanoden auf einem mit Durchgangsöffnungen versehenen Substrat angeordnet sind, so dass das Gas von dem Substrat über die Spitzenanoden in Richtung einer Lochkathode strömt.
Die Druckschrift WO 2008/103733 A2 zeigt eine Gasfeld-Ionisierungsquelle mit einer Hauptelektrode. Die Hauptelektrode ist mit Spitzenelektrodenanordnunqen versehen und weist eine oder mehrere Durchgangsöffnungen zur Zuführung eines Gasstroms auf. Die Gegenelektrode ist der Hauptelektrode gegenüberliegend angeordnet und weist einen Abstand von den Spitzen der Spitzenelektroden der Spitzenelektrodenanordnung auf und darüber hinaus Durchgangsöffnungen, die im Wesentlichen den Durchgangsöffnungen der flächigen Hauptelektrode gegenüberliegen.
Die Druckschrift US 2012/0273342 A1 offenbart eine Ionenquelle mit einer mit Spitzenelektroden versehenen Hauptelektrode und einer Gegenelektrode, wobei zwischen der Hauptelektrode und der Gegenelektrode eine Gitterelektrode angeordnet ist, an die eine Gitterspannung angelegt ist, die ausreicht, um eine Ionisierung der Gasatome zwischen der Hauptelektrode und der Gitterelektrode zu erreichen.
Die Druckschrift US 2011/0031388 A1 offenbart eine Ionenquelle mit einer Haupt- und einer Gegenelektrode, zwischen denen eine Gitterelektrode angeordnet ist. Die Gitterelektrode ist von den Spitzen der Spitzenelektrodenanordnung an der Hauptelektrode beabstandet.
Die durch die obigen Anordnungen erreichten Ionisierungsraten liegen bei bis zu 30%, da ein großer Teil der erzeugten Gasionen durch die Lochkathode aufgefangen werden, so dass nur ein geringerer Anteil der erzeugten Gasionen die Lochkathode durchdringen kann und als lonenstrom zur Verfügung steht.
Generell besteht ein Bedarf, die Effizienz derartiger lonisierungsanordnungen zu erhöhen, um beispielsweise die Messströme bei Massenspektrometern zu erhöhen. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ionisierungsanordnung, wie z.B. eine Gasfeld-Ionisierungsquelle bzw. eine Elektronenquelle, zur Verfügung zu stellen, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch die Ionisierungsanordnung, insbesondere die Gasfeld-Ionisierungsquelle bzw. Elektronenquelle, nach Anspruch 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine lonisierungsanordnung, insbesondere eine Gasfeld-Ionisierungsquelle oder eine Elektronenquelle, vorgesehen, umfassend:

- eine flächige Hauptelektrode und eine flächige Gegenelektrode, die eine lonisierungskammer bilden, wobei die Hauptelektrode mindestens eine Durchgangsöffnung zur Zuführung eines Gasstroms in die Ionisierungskammer aufweist;
- mindestens eine Spitzenelektrodenanordnung mit einer Anzahl zueinander benachbarter Spitzenelektroden, wobei die Spitzenelektrodenanordnung auf einer der Gegenelektrode zugewandten Hauptfläche der Hauptelektrode benachbart zu der mindestens einen Durchgangsöffnung der Hauptelektrode angeordnet ist;
- eine Umlenkeinrichtung, die zwischen der Hauptelektrode und der Gegenelektrode angeordnet ist, um einen durch die Durchgangsöffnung der Hauptelektrode zugeführten Gasstrom zumindest teilweise in Richtung der mindestens einen Spitzenelektrodenanordnung umzulenken.

Eine Idee der obigen Ionisierungsanordnung besteht darin, das zu ionisierende Gas an Spitzenelektroden einer Spitzenelektrodenanordnung so zu leiten, dass dieses dort möglichst lange verbleibt und möglichst homogen über die mindestens eine Spitzenelektrodenanordnung verteilt ist. Spitzenelektroden stellen dabei elektrisch leitfähige, längliche Strukturen dar, die von einer Fläche im Wesentlichen rechtwinklig, insbesondere gleichgerichtet abstehen und zumindest an ihren Spitzen einen sehr geringen Durchmesser aufweisen, so dass sich dort eine hohe Feldstärke eines angelegten elektrischen Feldes ausbildet. Um das zu ionisierende Gas an die Spitzenelektroden zu leiten, ist eine Umlenkeinrichtung vorgesehen, die in der Ionisierungskammer angeordnet ist, um durch die mindestens eine Durchgangsöffnung der Hauptelektrode zugeführtes Gas seitlich abzulenken, so dass dieses dadurch seitlich, d.h. im Wesentlichen parallel zur mit der Spitzenelektrodenanordnung tragenden Fläche der Hauptelektrode strömt. Dadurch gelangt das Gas mit einer reduzierten Strömungsgeschwindigkeit und geänderten Strömungsrichtung zwischen die Spitzenelektroden und so können die Gasmoleküle aufgrund der höheren Verweilzeit mit einer höheren Ionisierungsrate ionisiert werden. Je nach Richtung eines elektrischen Feldes zwischen der Hauptelektrode und der Gegenelektrode wird ein Gasionenstrom oder ein Elektronenstrom erzeugt, der in Richtung der Gegenelektrode beschleunigt wird.
Die Umlenkeinrichtung ist zwischen der mit der mindestens einen Spitzenelektrodenanordnung versehenen Hauptelektrode und der Gegenelektrode angeordnet und ermöglicht es so, zum einen das Gas homogen über die Fläche bzw. entlang der Fläche der Hauptelektrode zu verteilen und zum anderen die Bewegungskomponente des zugeführten Gases in Richtung der Gegenelektrode zu reduzieren. Da die Umlenkeinrichtung zwischen den Spitzenelektroden und der Gegenelektrode angeordnet ist, kann diese leitfähig ausgebildet sein und zusätzlich als Fokussierungselektrode für die erzeugten Ionen bzw. Elektronen dienen.
Weiterhin kann die Umlenkeinrichtung als eine Prallplatte ausgebildet sein und/oder mindestens eine Durchgangsöffnung aufweisen, die in Anordnungsrichtung der Hauptelektrode und der Gegenelektrode über der Spitzenelektrodenanordnung angeordnet ist, so dass Gasionen und/oder Elektronen von der Spitzenelektrodenanordnung in Richtung der Gegenelektrode beschleunigbar sind.
Gemäß einer Ausführungsform kann mindestens eine Durchgangsöffnung der Gegenelektrode, durch die Gasionen und/oder Elektronen abgebbar sind, der mindestens einen Durchgangsöffnung der Umlenkeinrichtung in Anordnungsrichtung der Hauptelektrode und der Gegenelektrode gegenüberliegen.
Es kann vorgesehen sein, dass mehrere Durchgangsöffnungen der Hauptelektrode zumindest in einer Flächenrichtung gleichmäßig beabstandet sind, wobei mehrere Durchgangsöffnungen der Umlenkeinrichtung in Anordnungsrichtung der Hauptelektrode und der Gegenelektrode so zu den Durchgangsöffnungen der Hauptelektrode versetzt angeordnet sind, dass die Durchgangsöffnungen der Hauptelektrode zumindest zu 80%, insbesondere vollständig von den Bereichen zwischen den Durchgangsöffnungen der Umlenkeinrichtung (bezüglich einer Richtung quer zur Anordnungsrichtung der Hauptelektrode und der Gegenelektrode) überdeckt sind.
Weiterhin kann zwischen der Hauptelektrode und der Gegenelektrode eine elektrische Spannung angelegt sein, wobei an die Umlenkeinrichtung ein elektrisches Potential angelegt ist, dass dem Potential der Hauptelektrode entspricht oder ein Potential aufweist, dass zwischen den Potenzialen der Hauptelektrode und Gegenelektrode liegt.
Alternativ kann zwischen der Hauptelektrode und der Gegenelektrode eine elektrische Spannung angelegt sein, wobei an die Umlenkeinrichtung ein elektrisches Potential angelegt ist, das höher ist als das Potential der Hauptelektrode. Auf diese Weise kann eine starke Fokussierung des Gasionenstroms oder des Elektronenstroms erreicht werden.
Insbesondere können die Spitzenelektroden ein Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis von beispielsweise 100:1 oder darüber aufweisen und insbesondere als Kohlenstoffnanoröhrchen ausgebildet sein.
Es kann vorgesehen sein, dass die Umlenkeinrichtung eine Umlenkfläche aufweist, die einen Abstand zu der Hauptfläche der Hauptelektrode aufweist, der geringer ist als die Höhe der Spitzenelektroden. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass der abgelenkte Gasstrom in die Spitzenelektrodenanordnung geleitet wird.
Weiterhin kann die Umlenkeinrichtung elektrisch leitend sein, wobei die Umlenkeinrichtung eine Dicke aufweist, so dass deren der Hauptelektrode abgewandte Seite einen Abstand zur Hauptelektrode aufweist, der gleich oder kleiner ist als die Höhe der Spitzenelektroden.
Alternativ dazu kann die Umlenkeinrichtung elektrisch leitend sein, wobei die Umlenkeinrichtung eine Dicke aufweist, so dass deren der Hauptelektrode abgewandte Seite einen Abstand zur Hauptelektrode aufweist, der größer ist als die Höhe der Spitzenelektroden. Dadurch kann eine Fokussierung des Ionen- oder Elektronenstrahls erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine erste Fokussierungseinrichtung in Form einer mit Durchgangsöffnungen versehenden flächigen Fokussierungselektrode flächenparallel zwischen der Umlenkeinrichtung und der Gegenelektrode angeordnet sein.
Weiterhin kann eine zweite Fokussierungseinrichtung in Form einer mit Durchgangsöffnungen versehenden flächigen Fokussierungselektrode flächenparallel zwischen der Umlenkeinrichtung und der Gegenelektrode angeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Ionisierungskammer zwischen der Hauptelektrode und der Umlenkeinrichtung seitlich durch erste Begrenzungen abgeschlossen sein, die entweder leitend oder nichtleitend ausgebildet sind, und/oder wobei die Ionisierungskammer zwischen der Umlenkeinrichtung und der Gegenelektrode seitlich durch zweite elektrisch nicht-leitende Begrenzungselemente abgeschlossen ist. Die ersten und/oder zweiten Begrenzungselemente können auch einstückig mit der Hauptelektrode bzw. der Gegenelektrode ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann mindestens eine der Hauptelektrode, der Umlenkeinrichtung und der Gegenelektrode als eine Lochplatte mit kreisförmigen oder rechteckigen Durchgangsöffnungen vorgesehen sein.
Figurenliste
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine Ionisierungsanordnung ;
2 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine weitere Ionisierungsanordnung mit einer ersten Fokussierungseinrichtung;
3 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine weitere Ionisierungsanordnung mit einer zweiten Fokussierungseinrichtung; und
4a, 4b Draufsichten auf als eine Lochplatte ausgebildeten Hauptelektrode, Gegenelektrode und/oder Umlenkeinrichtung.

Beschreibung von Ausführungsformen
In 1 ist eine Querschnittsdarstellung durch eine Ionisierungsanordnung in Form einer Gasfeld-Ionisierungsquelle 1 gezeigt. Die Gasfeld-Ionisierungsquelle 1 weist eine Hauptelektrode 2 auf, die flächig oder gekrümmt ausgebildet ist. Die Hauptelektrode 2 ist zumindest teilweise leitfähig ausgebildet, um als eine Elektrode für eine Ionisierung von zugeführtem Gas zu dienen. Die Hauptelektrode 2 kann z.B. in Form einer Lochplatte ausgebildet sein. Die Hauptelektrode 2 kann Durchgangsöffnungen 21 für die Zuführung eines zu ionisierenden Gases aufweisen. Alternativ kann die Hauptelektrode 2 in Form eines gasdurchlässigen porösen flächigen Substrats ausgebildet sein. In der dargestellten Ausführungsform entspricht die Hauptelektrode 2 der Lochplatte.
Die Hauptelektrode 2 weist an einer der Hauptflächen in gleicher Richtung abstehende Spitzenelektroden 3 aus einem elektrisch leitfähigen Material auf. Die Hauptelektrode 2 bildet einen Teil einer Umwandung bzw. einer Begrenzung einer Ionisierungskammer 4, wobei die Spitzenelektroden 3 in die Ionisierungskammer 4 hineinragen. Die Spitzenelektroden 3 können über die Hauptelektrode 2, die vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet ist oder auf Seiten der Spitzenelektroden 3 mit leitfähigem Material beschichtet ist, elektrisch kontaktiert werden. Die Spitzenelektroden 3 sind in Gruppen in Form einer oder mehrerer Spitzenelektrodenanordnungen vorgesehen.
Die Spitzenelektroden können vorzugsweise mit einer Länge von zwischen 50 und 500 µm und einem Durchmesser von 0,5 bis 5 µm ausgebildet sein.
Die Spitzenelektroden 3 können durch ein mikromechanisches Herstellungsverfahren auf der Hauptelektrode 2 ausgebildet werden. Insbesondere können die Spitzenelektroden 3 als Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT: Carbon Nanotubes) ausgebildet sein. Kohlenstoffnanoröhrchen können durch mikromechanische Herstellungsverfahren mit hoher Dichte ausgebildet werden und mit einem hohen Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis von beispielsweise 100:1 oder mehr ausgebildet werden. Der Abstand zwischen den Spitzenelektroden 3 in der mindestens einen Spitzenelektrodenanordnung ist so gewählt, dass diese von zugeführtem Gas umströmt werden können.
Der mit den Spitzenelektroden 3 versehenen Hauptfläche der Hauptelektrode 2 ist eine flächige Gegenelektrode 5 zugeordnet, die im Wesentlichen flächenparallel zur Hauptelektrode 2 angeordnet ist bzw. zumindest deren einander zugewandten Flächen flächenparallel angeordnet sind. Die Gegenelektrode 5 ist zumindest auf der der Hauptelektrode 2 zugewandten Fläche elektrisch leitfähig, um ein elektrisches Feld ausbilden zu können.
Zwischen der Gegenelektrode 5 und der Hauptelektrode 2 ist die Ionisierungskammer 4 vorgesehen. Durch Anlegen einer elektrischen Gleichspannung (mithilfe einer nicht gezeigten Spannungsquelle) zwischen der Hauptelektrode 2 und der Gegenelektrode 5 kann zwischen den Spitzenelektroden 3 und der Gegenelektrode 5 ein elektrisches Feld ausgebildet werden so dass an den in Richtung der Gegenelektrode 5 abstehenden Spitzen der Spitzenelektroden 3 eine hohe elektrische Feldstärke für die Ionisierung des Gases entsteht.
Im Falle einer Gasfeld-Ionisierungsquelle als Ionisierungsanordnung 1 wird ein positives Potenzial an die Hauptelektrode 2 und ein negatives Potenzial an die Gegenelektrode 5 angelegt, die sich in dem Volumen zwischen der Hauptelektrode 2 und der Lochelektrode 5 befindliche Gasmoleküle ionisieren kann und die resultierenden Gasionen in Richtung der Gegenelektrode 5 beschleunigt.
Die Gegenelektrode 5 ist mit Durchgangsöffnungen 51 versehen, durch die im elektrischen Feld beschleunigte Gasionen aus der Ionisierungskammer 4 in Form eines lonenstrahls 6 austreten können. Der Flächenanteil der Durchgangsöffnungen 51 der Gegenelektrode 5 zur Gesamtfläche der Gegenelektrode 5 liegt vorzugsweise bei mehr als 50% insbesondere bei mehr als 80%.
Es ist eine insbesondere flächige parallel zu der Hauptfläche der Hauptelektrode 2 angeordnete Umlenkeinrichtung 7 vorgesehen, die zwischen der Hauptelektrode 2 und der Gegenelektrode 5 angeordnet ist. Die Umlenkeinrichtung 7 kann beispielsweise als Prallplatte ausgebildet sein und Durchgangsöffnungen 72 aufweisen, durch die das Gas bzw. die Gasionen in den Bereich der Ionisierungskammer 4 und damit in den Bereich des elektrischen Feldes gelangen, der zwischen der Umlenkeinrichtung 7 und der Gegenelektrode 5 liegt. Die Bereiche zwischen den Durchgangsöffnungen 72 der Umlenkeinrichtung 7 entsprechen Umlenkflächen 71. Die Umlenkeinrichtung 7 ist so ausgebildet bzw. angeordnet, dass dessen Umlenkflächen 71 über den Durchgangsöffnungen 21 der Hauptelektrode 2 liegen und dadurch ein Strömungshindernis für das einströmende Gas darstellen. Auf diese Weise prallt bzw. stößt durch die Hauptelektrode 2 einströmendes Gas auf die Umlenkflächen 71 das als ein Strömungshindernis wirkt, und wird dadurch seitlich abgelenkt, so dass das Gas zwischen die Spitzenelektroden 3 gelangt.
Die Spitzenelektroden 3 können in der einen oder den mehreren Spitzenelektrodenanordnungen nur an den Stellen der Hauptfläche der Hauptelektrode 2 vorgesehen sein, über denen sich (in Anordnungsrichtung) die Durchgangsöffnungen 72 der Umlenkeinrichtung 7 befinden. Die seitliche Ablenkung durch die Umlenkflächen 71 bewirkt, dass eine Bewegungskomponente des einströmenden Gases in Richtung der Gegenelektrode 5 reduziert wird und in eine seitliche Bewegung des Gases geändert wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die Umlenkflächen 71 der Umlenkeinrichtung 7 einen Abstand zu der Hauptfläche der Hauptelektrode 2 aufweist, der geringer ist als die Höhe der Spitzenelektroden 3. Auf diese Weise wird der umgelenkte Gasstrom zwischen die Spitzenelektroden 3 geleitet. Insbesondere können die Umlenkflächen 71 einen Abstand zu der Hauptfläche der Hauptelektrode 2 von zwischen 30% und 120% der Höhe der Spitzenelektroden 3, vorzugsweise zwischen 40% und 100%, besonders bevorzugt zwischen 30% und 70% bzw. zwischen 40% und 60% der Höhe der Spitzenelektroden 3 ausgehend von der Hauptfläche der Hauptelektrode 2 aufweisen.
Beispielsweise kann die Umlenkeinrichtung 7 in Form einer Lochplatte vorgesehen sein. Die Anordnung dieser Lochplatte ist so, dass diese in der Gaseinströmungsrichtung E die Durchgangsöffnungen 21 in der Hauptelektrode 2 größtenteils d.h. zu mindestens 80%, vorzugsweise zu 90% oder insbesondere vollständig überdecken, so dass hindurchströmendes Gas auf die Umlenkflächen 71 trifft und seitlich, d.h. in Richtung der Spitzenelektrodenanordnungen (parallel zu der Hauptfläche der Hauptelektrode 2) abgelenkt wird. Gelangt das zugeführte Gas in den Bereich der Spitzenelektrodenanordnungen, so wird dieses dort aufgrund des erhöhten Strömungswiderstandes aufgrund der dichten Anordnung der Spitzenelektroden 3 abgebremst, und die Gasmoleküle befinden sich für einen längeren Zeitraum im Bereich der abstehenden Enden der Spitzenelektroden 3 als dies bei den eingangs beschriebenen Anordnungen der Fall ist. Dadurch wird die Ionisierungsrate deutlich erhöht, da eine größere Anzahl der Gasmoleküle ionisiert werden können.
Vorzugsweise sind die Durchgangsöffnungen 21 in der Hauptelektrode 2 zumindest in einer lateralen Richtung gleichmäßig angeordnet, so dass bei entsprechend gleichmäßiger Anordnung der Umlenkflächen 71, die den Öffnungen 21 gegenüberliegen, eine im wesentlichen homogene Verteilung des Gases in den Spitzenelektrodenanordnungen vorliegt.
Die Umlenkeinrichtung 7 kann elektrisch leitend ausgebildet sein und zum Erzeugen eines lonenstroms und einer gegenüber dem niedrigen Potenzial der Gegenelektrode 5 höheren Potenzial versehen sein. Insbesondere kann die Umlenkeinrichtung 7 mit der Hauptelektrode 2 elektrisch verbunden sein. Ist die Umlenkeinrichtung 7 elektrisch leitend und mit einem gegenüber der Gegenelektrode 5 positiven Potenzial versehen, so kann vorzugsweise die Umlenkeinrichtung 7 mit einer Dicke versehen werden, so dass deren den Durchgangsöffnungen 21 abgewandte Seite nicht oberhalb der Enden der Spitzenelektroden 3 liegt, da ansonsten die elektrische Feldstärke an den Spitzen der Spitzenelektroden 3 reduziert wird.
Durch die Anordnung der Umlenkeinrichtung 7 kann neben dem Effekt der Umlenkung des Gasstroms eine Fokussierung der von den Spitzen der Spitzenelektroden 3 erzeugten Gasionen durch die Durchgangsöffnungen 51 der Gegenelektrode 5 erfolgen, wenn die Durchgangsöffnungen 51 der Gegenelektrode 5 bezüglich der Anordnungsrichtung A der Hauptelektrode 2, der Umlenkeinrichtung 7 und der Gegenelektrode 5 unmittelbar über den Spitzenelektroden 3 liegt.
Das elektrische Potenzial an der Umlenkeinrichtung 7 kann nun so eingestellt werden, dass die Gasionen fokussiert werden und nahezu vollständig durch die Durchgangsöffnungen 51 der Gegenelektrode 5 abgegeben werden.
Insbesondere kann die Fokussierung verbessert werden, wenn die abgewandte Seite der Umlenkeinrichtung 7 bezüglich der Anordnungsrichtung A unterhalb der Spitzen der Spitzenelektroden 3 liegt, da dadurch das elektrische Feld über den Spitzen nicht stark abgeschirmt ist und trotzdem eine entsprechende Fokussierungswirkung eintreten kann. Somit kann die Umlenkeinrichtung 7 mit einer Dicke versehen werden, so dass deren den Durchgangsöffnungen 21 der Hauptelektrode 2 abgewandte Seite nicht oberhalb der Enden der Spitzenelektroden 3 liegt, da ansonsten die elektrische Feldstärke an den Spitzen der Spitzenelektroden 3 reduziert wird.
Wenn man die Umlenkeinrichtung 7 mit einer Dicke vorsieht, so dass deren den Durchgangsöffnungen 21 der Hauptelektrode 2 abgewandte Seite oberhalb der Enden der Spitzenelektroden 3 liegt, kann jedoch die Fokussierungswirkung deutlich erhöht werden.
Es ist wie in 2 gezeigt weiterhin möglich, eine erste Fokussierungseinrichtung 8 in Form einer weiteren flächigen insbesondere als eine Lochplatte ausgebildeten Fokussierungselektrode zwischen der Umlenkeinrichtung 7 und der Gegenelektrode 5 anzuordnen. Alternativ oder zusätzlich kann wie in 3 gezeigt eine zweite Fokussierungseinrichtung 9 oberhalb der Gegenelektrode 5, d.h. außerhalb der Ionisierungskammer 4 anzuordnen. Die erste und die zweite Fokussierungseinrichtung 8, 9 weisen der Umlenkeinrichtung 7 entsprechende Durchgangsöffnungen 81, 91 auf, die in Anordnungsrichtung A über den Durchgangsöffnungen 71 der Umlenkeinrichtung 7 angeordnet sind.
Die zwischen der Hauptelektrode 2 und der Gegenelektrode 5 gebildete Ionisierungskammer 4 kann zwischen der Hauptelektrode 2 und der Umlenkeinrichtung 7 seitlich durch erste Begrenzungselemente 10 abgeschlossen sein, die entweder leitend oder nichtleitend ausgebildet sein können. Sind diese nichtleitend ausgebildet, so muss die Umlenkeinrichtung 7 mit einer entsprechenden Potenzialquelle zum Bereitstellen des gewünschten Fokussierungspotenzials versehen werden. Sind die ersten Begrenzungselemente 10 elektrisch leitend, so befindet sich die Umlenkeinrichtung 7 auf dem gleichen Potenzial wie die Hauptelektrode 2, so dass eine Fokussierungswirkung basierend auf dem positiven Potenzial der Hauptelektrode 2 bewirkt wird.
Zwischen der Umlenkeinrichtung 7 und der Gegenelektrode 5 sind zweite Begrenzungselemente 11 vorgesehen, die den Abstand und die parallele Anordnung der Gegenelektrode 5 zur Umlenkeinrichtung 7 und zur Hauptelektrode 2 festlegen. Die Hauptelektrode 2, die Umlenkeinrichtung 7 und die Gegenelektrode 5 können jeweils mit Durchgangsöffnungen 21, 51, 71 in verschiedenen Formen (Querschnitten) versehen sein.
In 4a ist beispielsweise eine Lochplatte mit rechteckigen Durchgangsöffnungen vorgesehen, wobei die Durchgangsöffnungen zumindest in eine Richtung gleichmäßig beabstandet sind. Insbesondere können bei gleichartiger Ausbildung der Hauptelektrode 2, der Umlenkeinrichtung 7 und der Gegenelektrode 5 die Umlenkeinrichtung 7 und die Gegenelektrode 5 überdeckend (die entsprechenden Durchgangsöffnungen 71, 51 liegen sich gegenüber) und versetzt zur Hauptelektrode 2 ausgebildet sein.
In 4b ist eine Lochplatte mit kreisförmigen Durchgangsöffnungen in gleichmäßiger Anordnung über ihre flächige Ausdehnung vorgesehen. Sind beispielsweise die Hauptelektrode 2, die Umlenkeinrichtung 7 und die Gegenelektrode 5 entsprechend der Struktur der Lochplatte der 2b ausgebildet, so ist eine Anordnung sinnvoll, bei der eine Öffnung der Umlenkeinrichtung 7 mittig zwischen jeweils vier Öffnungen der Hauptelektrode 2 liegt und so zur Gegenelektrode 5 angeordnet ist, dass sich die entsprechenden Durchgangsöffnungen 71, 51 in Anordnungsrichtung A gegenüberliegen.
Obwohl die oben beschriebenen Ionisierungsanordnungen 1 als Gasfeld-Ionisierungsquelle beschrieben wurden, können diese mit gleichen konstruktiven Merkmalen auch als Elektronenquelle bei entsprechend entgegengesetzter Polung der Hauptelektrode 2, der Umlenkeinrichtung 7 und der Gegenelektrode 5 sowie der ersten und zweiten Fokussierungseinrichtung 10,11 verwendet werden.

Claims

Ionisierungsanordnung (1), insbesondere eine Gasfeld-Ionisierungsquelle oder eine Elektronenquelle, umfassend: - eine flächige Hauptelektrode (2) und eine flächige Gegenelektrode (5), die eine lonisierungskammer (4) bilden; - mindestens eine Spitzenelektrodenanordnung mit einer Anzahl zueinander benachbarten Spitzenelektroden (3), wobei die mindestens eine Spitzenelektrodenanordnung auf einer der Gegenelektrode (5) zugewandten Hauptfläche der Hauptelektrode (2) benachbart zu mindestens einer Durchgangsöffnung (21) der Hauptelektrode (2) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptelektrode (2) die mindestens eine Durchgangsöffnung (21) zur Zuführung eines Gasstroms in die Ionisierungskammer (4) aufweist, wobei eine Umlenkeinrichtung (7) zwischen der Hauptelektrode (2) und der Gegenelektrode (5) angeordnet ist, um einen durch die mindestens eine Durchgangsöffnung (21) der Hauptelektrode (2) zugeführten Gasstrom zumindest teilweise in Richtung der mindestens einen Spitzenelektrodenanordnung umzulenken.
Ionisierungsanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die Umlenkeinrichtung (7) mindestens eine Durchgangsöffnung (72) aufweist, die in Anordnungsrichtung (A) der Hauptelektrode (2) und der Gegenelektrode (5) über der Spitzenelektrodenanordnung vorgesehen ist, so dass Gasionen und/oder Elektronen von der Spitzenelektrodenanordnung in Richtung der Gegenelektrode (5) beschleunigbar sind.
Ionisierungsanordnung (1) nach Anspruch 2, wobei mindestens eine Durchgangsöffnung (51) der Gegenelektrode (5), durch die Gasionen und/oder Elektronen abgebbar sind, der mindestens einen Durchgangsöffnung (72) der Umlenkeinrichtung (7) in Anordnungsrichtung (A) der Hauptelektrode (2) und der Gegenelektrode (5) gegenüberliegt.
Ionisierungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mehrere Durchgangsöffnungen (21) der Hauptelektrode (2) zumindest in einer Flächenrichtung gleichmäßig beabstandet sind, wobei mehrere Durchgangsöffnungen (72) der Umlenkeinrichtung (7) in Anordnungsrichtung (A) der Hauptelektrode (2) und der Gegenelektrode (5) so zu den Durchgangsöffnungen (21) der Hauptelektrode (2) versetzt angeordnet sind, dass die Durchgangsöffnungen (21) der Hauptelektrode (2) zumindest zu 80%, insbesondere vollständig von den Bereichen zwischen den Durchgangsöffnungen (72) der Umlenkeinrichtung (7) überdeckt sind.
Ionisierungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zwischen der Hauptelektrode (2) und der Gegenelektrode (5) eine elektrische Spannung angelegt ist, wobei an die Umlenkeinrichtung (7) ein elektrisches Potential angelegt ist, das dem Potential der Hauptelektrode (2) entspricht oder ein Potential aufweist, dass zwischen den Potenzialen der Hauptelektrode (2) und Gegenelektrode (5) liegt.
Ionisierungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Spitzenelektroden ein Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis von 100:1 oder darüber aufweisen und insbesondere als Kohlenstoffnanoröhrchen ausgebildet sind.
Ionisierungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Umlenkeinrichtung (7) einen Abstand zu der Hauptfläche der Hauptelektrode (2) aufweist, der geringer ist als die Höhe der Spitzenelektroden (3).
Ionisierungsanordnung nach Anspruch 7, wobei die Umlenkeinrichtung (7) elektrisch leitend ist, wobei die Umlenkeinrichtung (7) eine Dicke aufweist, so dass deren der Hauptelektrode (2) abgewandte Seite einen Abstand zur Hauptelektrode (2) aufweist, der gleich oder kleiner ist als die Höhe der Spitzenelektroden.
lonisierungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Umlenkeinrichtung (7) elektrisch leitend ist, wobei die Umlenkeinrichtung (7) eine Dicke aufweist, so dass deren der Hauptelektrode (2) abgewandte Seite einen Abstand zur Hauptelektrode (2) aufweist, der größer ist als die Höhe der Spitzenelektroden (3).
Ionisierungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine erste Fokussierungseinrichtung (8) in Form einer mit Durchgangsöffnungen (81) versehenden flächigen Fokussierungselektrode flächenparallel zwischen der Umlenkeinrichtung (7) und der Gegenelektrode (5) angeordnet ist.
Ionisierungsanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei eine zweite Fokussierungseinrichtung (9) in Form einer mit Durchgangsöffnungen (91) versehenden flächigen Fokussierungselektrode flächenparallel zu der Gegenelektrode (5) und außerhalb der Ionisierungskammer (4) angeordnet ist.
lonisierungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Ionisierungskammer (4) zwischen der Hauptelektrode (2) und der Umlenkeinrichtung (7) seitlich durch erste Begrenzungen abgeschlossen ist, die entweder leitend oder nichtleitend ausgebildet sind, und/oder wobei die Ionisierungskammer (4) zwischen der Umlenkeinrichtung (7) und der Gegenelektrode (5) seitlich durch zweite elektrisch nicht-leitende Begrenzungselemente abgeschlossen ist
Ionisierungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei mindestens eine der Hauptelektrode (2), der Umlenkeinrichtung (7) und der Gegenelektrode (5) als eine Lochplatte mit kreisförmigen oder rechteckigen Durchgangsöffnungen (21, 51, 72) vorgesehen ist.