DE10248055B4 - Method for excitation of optical atomic emission and apparatus for spectrochemical analysis - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Anregung von Feststoffproben, aufweisend – eine Ionenstrahlkanone mit zwei konzentrisch angeordneten Röhren (2, 3) aus nichtleitendem Material und mit Beschleunigungselektroden (4), sowie – einen Generator (7) zur Erzeugung von hochfrequenten Hochspannungen mit unidirektionalen oder bidirektionalen Stromverläufen, dadurch gekennzeichnet, dass – in der inneren der beiden Röhren (2) der Ionenstrahlkanone eine Haupt-Gegenelektrode (1) angeordnet ist, – ein geerdeter Probentisch (8) vorgesehen ist, – zwischen der Haupt-Gegenelektrode (1) und dem Probentisch (8) die Beschleunigungselektroden (4) vorgesehen sind, und – zwischen der äußeren Röhre (3) und der inneren Röhre (2) ein Schutzgas (5) strömt.Device for exciting solid samples, comprising - an ion beam cannon with two concentrically arranged tubes (2, 3) made of non-conductive material and with acceleration electrodes (4), and - a generator (7) for generating high-frequency high voltages with unidirectional or bidirectional current profiles, characterized that - a main counter-electrode (1) is arranged in the inner of the two tubes (2) of the ion beam gun, - a grounded sample table (8) is provided, - between the main counter-electrode (1) and the sample table (8) the Acceleration electrodes (4) are provided, and - a protective gas (5) flows between the outer tube (3) and the inner tube (2).
Description
1. Anwendungsgebiet der Erfindung1. Field of the invention
Die im folgenden beschriebene Erfindung bezieht sich auf den Gebrauch der Optischen-Emissions-Spektroskopie (OES) für die spektrochemische Analyse, insbesondere auf die Anwendung einer Ionenstrahl-Kanone (ISK) und eines Generators zur Erzeugung des Ionenstrahls als Anregungsquelle in Optischen-Emissions-Spektrometern, sowie auf Methoden der OES bei Verwendung der ISK und des Generators.The invention described below relates to the use of optical emission spectroscopy (OES) for spectrochemical analysis, in particular to the use of an ion beam gun (ISK) and a generator for generating the ion beam as an excitation source in optical emission spectrometers , as well as methods of OES when using the ISK and the generator.
2. Hintergrund der Erfindung2. Background of the invention
Die OES beinhaltet die Anregung der chemischen Elemente (Analyten) einer Probe, damit sie ihre charakteristischen optischen Spektren emittieren. In der Anwendung der OES für Proben aus Feststoffen, insbesondere Metallen, werden die Analyten gewöhnlich durch die Anregung mittels einer elektrischen Funkenentladung, eines elektrischen Bogens oder einer Glimmentladung zur Aussendung ihrer charakteristischen Spektren veranlasst. Alle genannten Methoden basieren auf dem Gebrauch von Gleichströmen oder niederfrequent gepulsten Strömen zur Probenanregung. Die anregende Entladung vollzieht sich zwischen der Probe und einer Gegenelektrode.The OES involves exciting the chemical elements (analytes) of a sample to emit their characteristic optical spectra. In the application of the OES for samples of solids, especially metals, the analytes are usually caused by the excitation by means of an electric spark discharge, an electric arc or a glow discharge to send out their characteristic spectra. All of these methods are based on the use of direct currents or low frequency pulsed currents for sample excitation. The stimulating discharge occurs between the sample and a counter electrode.
Aufgrund der Natur der Anregung eignen sich oben genannte Methoden nur für leitende Proben. Ein weiteres Problem stellt die Kontamination der Gegenelektrode, welche nur einige wenige Millimeter von der Probe entfernt ist, mit dem verdampften Material dar, welches eine nachfolgende Analyse verfälscht. Die Entladungen sind weiterhin nicht ortsfest, das heißt, dass jede einzelne eine andere Probenstelle anregt und sich somit der Entladungskanal vor dem Eintrittsspalt, bzw. Lichtleiter des Spektrometers in einer anderen Position als der vorhergehende befindet, worunter die Reproduzierbarkeit der Messungen leidet.Due to the nature of the excitation, the above methods are only suitable for conducting samples. Another problem is the contamination of the counter electrode, which is only a few millimeters away from the sample, with the vaporized material, which falsifies a subsequent analysis. Furthermore, the discharges are not stationary, that is to say that each individual excites a different sample spot and thus the discharge channel in front of the entrance slit or light guide of the spectrometer is in a different position than the preceding, which suffers the reproducibility of the measurements.
Entsprechend der Erfindung werden, im Gegensatz zu den genannten Methoden, mittel- bis hochfrequente Ströme bei hohen Spannungen zur mittelbaren Anregung der Feststoffproben genutzt. Der Abstand zwischen der Gegenelektrode und der Probe liegt hier jedoch im Bereich von 40 bis 100 mm, wodurch oben angesprochene Kontamination praktisch ausgeschlossen ist und „Memory-Effekte” von der vorhergehenden Messung ausbleiben. Der Ionenstrahl-Generator besitzt die Fähigkeit zur Erzeugung hochfrequent aufeinanderfolgender, dreieck- oder rechteckförmiger Stromverläufe bei hohen Spannungen, welche ein Gas, vorzugsweise Argon, beim Durchtritt durch die ISK ionisieren. Anschließend erfahren die ionisierten Gasatome in der ISK durch die generierten Spannungen eine hohe Beschleunigung in Richtung der Probe. Im weiteren Verlauf treffen die hochbeschleunigten Ionen, im Gegensatz zu den obigen Anregungsmethoden, auf die Probenoberfläche und lösen dort Material ab, welches vom Ionenstrahl durch die genannten Strompulse und mehrfache Stöße zwischen Argon-Ionen und Proben-Atomen angeregt wird.According to the invention, in contrast to the above-mentioned methods, medium to high-frequency currents are used at high voltages for the indirect excitation of the solid samples. However, the distance between the counter electrode and the sample is in the range of 40 to 100 mm, so that the above-mentioned contamination is virtually eliminated and "memory effects" are absent from the previous measurement. The ion beam generator has the ability to generate high frequency sequential, triangular or rectangular current waveforms at high voltages that ionize a gas, preferably argon, as it passes through the ISK. Subsequently, the ionized gas atoms in the ISK experience a high acceleration in the direction of the sample due to the generated voltages. In the further course, in contrast to the above excitation methods, the highly accelerated ions strike the surface of the sample and there dissolve material which is excited by the ion beam through the mentioned current pulses and multiple collisions between argon ions and sample atoms.
Wegen der vom Generator erzeugten hochfrequenten Ströme, bzw. Spannungen, ist das Ionenstrahl-System in der Lage, einige Millionen Ablöse- und Anregungsvorgänge pro Analyse zu bewerkstelligen. Solch eine hohe Anzahl von individuellen optischen Signalereignissen verbessert die analytischen Resultate signifikant. Der sehr gut definierte, runde und gleichmäßige Brennfleck erlaubt es auch, die Dicke von mehreren Schichten einer Probenoberfläche sequentiell zu messen, indem die Zeit zum Durchdringen einer Schicht bestimmt wird. Daher kombiniert die Ionenstrahl-Anregungsmethode, entsprechend des Erfindungsanspruchs, die Vorteile von Funken- und Glimmentladungssystemen.Because of the high frequency currents or voltages generated by the generator, the ion beam system is capable of accomplishing several millions of stripping and excitation processes per analysis. Such a high number of individual optical signal events significantly improves the analytical results. The very well-defined, round and uniform focal spot also allows the thickness of several layers of a sample surface to be sequentially measured by determining the time to penetrate a layer. Therefore, the ion beam excitation method, according to the claim of the invention, combines the advantages of spark and glow discharge systems.
3. Beschreibung der Erfindung3. Description of the invention
Der Ionenstrahl-Generator (
Die zwischen den Elektroden (
Die schweren Ionen treffen nach der Beschleunigung auf die Probenoberfläche (
4. Ausführung der ISK4. Execution of the ISK
Die erfindungsgemäße, apparative Ausführung der ISK zeigt
- a) Die innere Glasröhre (
2 ) wird von Argon (6 ) durchströmt, so dass der ausströmende und ionisierte Gasstrahl eine Geschwindigkeit im Bereich von 20 bis 50 m/s erreicht. Dieser Ionenstrahl hat einen Durchmesser von 1,5 bis 2 mm, wodurch auf der Probe ein Brennfleckdurchmesser von 3 bis 4 mm entsteht. - b) Die äußere Glasröhre (
3 ) dient zur Erzeugung einer Schutzgasummantelung (11 ) für den Ionenstrahl (10 ), welche ihn von der umgebenden Atmosphäre abschirmt. Die Ausströmgeschwindigkeit des Schutzgases (11 ) beträgt etwa 1 bis 2 m/s. - c) Die innere (
2 ) und die umgebende (3 ) Glasröhre sind in der Art angeordnet, dass der Abstand zwischen ihnen und der Probe (9 ) im Bereich von 40 bis 100 mm liegt. - d) Die vom Ionenstrahl-Generator abgegebene Leistung für die hochfrequente Hochspannung liegt im Bereich von 100 bis 200 W.
- a) The inner glass tube (
2 ) is separated from argon (6 ) flows through, so that the effluent and ionized gas jet reaches a speed in the range of 20 to 50 m / s. This ion beam has a diameter of 1.5 to 2 mm, resulting in a focal spot diameter of 3 to 4 mm on the sample. - b) The outer glass tube (
3 ) is used to generate a protective gas jacket (11 ) for the ion beam (10 ), which shields him from the surrounding atmosphere. The outflow velocity of the protective gas (11 ) is about 1 to 2 m / s. - c) The inner (
2 ) and the surrounding (3 ) Glass tubes are arranged in such a way that the distance between them and the sample (9 ) is in the range of 40 to 100 mm. - d) The power supplied by the ion beam generator for the high-frequency high voltage is in the range of 100 to 200 W.
5. Anwendungsbeispiele5. Application examples
Mit der oben beschriebenen Apparatur wurden Versuche zur Verifizierung der analytischen Fähigkeiten unternommen. Im folgenden sollen einige Ergebnisse aufgezeigt werden.Attempts to verify analytical capabilities have been made with the apparatus described above. Below are some results to be shown.
5.1 Ablationsgeschwindigkeit der Ion-Jet-Source5.1 Ablation speed of the ion-jet source
a) Erscheinungsbild des Brennflecks:a) Appearance of the focal spot:
Der von dem Ionenstrahl auf der Probe erzeugte Ablationskrater hat ein parabolisches Tiefenprofil. Am Rande des Kraters wird beim Ablationsvorgang Material abgelagert und bildet dadurch einen Wall um diesen.The ablation crater produced by the ion beam on the sample has a parabolic depth profile. At the edge of the crater, material is deposited during the ablation process, forming a wall around it.
b) Messergebnisse:b) Measurement results:
Die Eindringtiefen in Abhängigkeit von der Zeit, sowie die Randhöhen und das Aspektverhältnis Von Randhöhe zu Eindringtiefe gibt die Tabelle in
c) Analytische Ergebnisse:c) Analytical results:
Die Tabelle in
Die im vorangegangenen dargestellten Ergebnisse beziehen sich auf Proben der Aluminium-Basis und stellen nur vorläufige Ergebnisse dar. Durch eine weitere Optimierung des Ionenstrahlsystems werden sicher die analytischen Fähigkeiten noch weiter verbessert werden.The results presented above are based on aluminum-based samples and are only preliminary results. Further optimization of the ion beam system will certainly further enhance analytical capabilities.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Gegenelektrodecounter electrode
- 22
- Glasröhre für IonenstrahlGlass tube for ion beam
- 33
- Glasröhre für SchutzgasstromGlass tube for inert gas flow
- 44
- Beschleunigungselektrodenaccelerating electrodes
- 55
- SchutzgasstromProtective gas flow
- 66
- Gasstrom für IonenstrahlGas stream for ion beam
- 77
- Ionenstrahl-GeneratorAn ion beam generator
- 88th
- Platte des ProbentischesPlate of the sample table
- 99
- FeststoffprobeSolid sample
- 1010
- Ionenstrahlion beam
- 1111
- SchutzgasstromProtective gas flow
- 1212
- Erdungs-VerbindungGrounding connection
- 1313
- Stromleitungpower line
- 1414
- Verbindung zur BeschleunigungselektrodeConnection to the accelerating electrode
- 1515
- Verbindung zur BeschleunigungselektrodeConnection to the accelerating electrode
- 1616
- Lichtleiter zum SpektrometerOptical fiber to the spectrometer
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