DE1140747B

DE1140747B - Ion source for mass spectrometer

Info

Publication number: DE1140747B
Application number: DEA32296A
Authority: DE
Inventors: Dr Kurt Brunnee
Original assignee: Atlas Werke AG
Current assignee: Atlas Werke AG
Priority date: 1959-06-22
Filing date: 1959-06-22
Publication date: 1962-12-06

Description

Ionenquelle für Massenspektrometer Es ist bekannt, je nach der Art der zu analysierenden Stoffe andere Elektrodensysteme zur Ionisierung zu verwenden. Für die Massenspektrometrie spielen heute insbesondere drei lonisierungsarten eine wesentliche Rolle, für welche bisher völlig getrennte Ionenquellen, nämlich die Gasionenquelle, die Ofenionenquelle und die Thermionenquelle entwickelt worden sind. Der Wechsel von der einen zur anderen Ionisierungsart erfolgt bei der Analyse durch Massenspektrometer bisher dadurch, daß die verschiedenen Ionenquellen gegeneinander ausgetauscht werden. Hierzu muß der evakuierte Raum des Massenspektromete.rs belüftet werden, damit eine andere Ionenquelle eingesetzt werden kann, und es ist erforderlich, die angeschlossenen Vakuumpumpen nach dem Wechsel der Ionenquelle mehrere Stunden zu betreiben, ehe eine neue Messung begonnen werden kann. Dies hat zur Folge, daß bei der bisherigen Bauweise Vergleichsmessungen zwischen gasförmigen oder flüssigen Proben und Festproben unmöglich sind. Diesem Mangel ist erfindungsgemäß dadurch abgeholfen, daß in derselben Zonenquelle zwei verschiedenartige und getrennt oder gemeinsam betriebsfähige Ionisierungssysteme nach Art der Gas-, Ofen- und/oder Thermionenquellen vorgesehen sind.Ion source for mass spectrometers It is known, depending on the type to use other electrode systems for ionization of the substances to be analyzed. For mass spectrometry, three types of ionization in particular play one role today essential role for which previously completely separate ion sources, namely the Gas ion source, furnace ion source and thermion source have been developed. The change from one type of ionization to the other takes place during the analysis Mass spectrometer so far characterized that the different ion sources against each other be replaced. To do this, the evacuated space of the mass spectrometer must be ventilated so that a different ion source can be used and it is necessary to the connected vacuum pumps for several hours after changing the ion source to operate before a new measurement can be started. This has the consequence that in the previous construction, comparison measurements between gaseous and liquid Rehearsals and solid samples are impossible. According to the invention, this deficiency is due to this helped that in the same zone source two distinct and separate or Jointly operational ionization systems based on the type of gas, furnace and / or thermion sources are provided.

Dadurch ist es möglich, das Massenspektrometer ohne weiteres zur Ionisierung verschiedenartiger Substanzen einzusetzen. Es ist zwar schon bekannt, Massenreparatoren mit mehreren Elektrodensystemen zu versehen, diese sind jedoch gleichartig ausgebildet und dienen lediglich zur Leistungserhöhung für die wägbare Trennung von Substanzen. Sie sind daher weder geeignet noch dazu bestimmt, das Massenspektrometer ohne Austausch der Ionenquelle mit wechselnder Ionisierungsart zu betreiben. Demgegenüber sind durch die Anordnung nach der Erfindung erstmalig die für die Massenspektrometrie wichtigsten Ionisierungsarten in einer einzigen lonenquelle zusammengefaßt. Dabei sind zweckmäßig die Ionisierungskammer und die Heizbänder für die thermische Mehrfachbandionisation als Steckeinheit ausgebildet und so auf einen Isolierkörper aufgebaut, daß sie ohne Zuhilfenahme von Werkzeugen aus der Ionenquelle entnommen bzw. in diese eingesetzt werden können. Dabei ist es möglich, die Steckeinheit, die auch ein zweckmäßig aufgebautes Verdampfungsöfchen enthalten kann, völlig gegen die übrigen Teile der Ionenquelle abzuschirmen, so daß eine Verschmutzung der Ionenquelle beim Verdampfen der Probe verhindert wird. Vorteilhaft wird der auswechselbare Teil der Ionenquelle so angeordnet, daß seine Auswechslung mit Hilfe einer zu diesem Zweck am Gerät vorgesehenen, an sich bekannten Vakuumschleuse möglich ist.This makes it possible to easily use the mass spectrometer for ionization to use different substances. Although it is already known, mass repairers to be provided with several electrode systems, but these are designed in the same way and serve only to increase the performance for the weighable separation of substances. They are therefore neither suitable nor intended to use the mass spectrometer without replacement to operate the ion source with alternating types of ionization. Opposite are by the arrangement according to the invention for the first time that for mass spectrometry most important types of ionization combined in a single ion source. Included the ionization chamber and the heating bands are useful for thermal multiple band ionization designed as a plug-in unit and built on an insulating body that they can without Removed or inserted into the ion source with the aid of tools can be. It is possible to use the plug-in unit, which is also a suitably constructed May contain evaporation furnace, completely against the remaining parts of the ion source shield so that the ion source is contaminated when the sample is evaporated is prevented. The exchangeable part of the ion source is advantageously arranged in such a way that that its replacement with the aid of a device provided for this purpose on the device known vacuum lock is possible.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ionenquelle ist in Fig. 1 bis 4 dargestellt. Es zeigt Fig. 1 einen vereinfachten Querschnitt durch eine Ionenquelle nach der Erfindung, Fig. 2 eine Ionenquelle nach der Erfindung gemäß Fig.1 in perspektivischer Darstellung, mit eingebrachtem Kammereinschub, Fig. 3 die Ionenquelle nach Fig. 1 ohne Kammereinschub, Fig. 4 den Kammereinschub allein.An embodiment of the ion source according to the invention is shown in FIG. 1 to 4 shown. It shows Fig. 1 a simplified cross section through a Ion source according to the invention, FIG. 2 shows an ion source according to the invention 1 in a perspective representation, with inserted chamber insert, FIG. 3 the ion source according to FIG. 1 without a slide-in chamber, FIG. 4 the slide-in chamber alone.

Die in der Zeichnung dargestellte Ionenquelle hat ein äußeres Gehäuse 1 und ein inneres Gehäuse 7. Das innere Gehäuse 7 umschließt die eigentliche lonisationskammer, die leicht auswechselbar als Einschub ausgebildet ist.The ion source shown in the drawing has an outer housing 1 and an inner housing 7. The inner housing 7 encloses the actual ionization chamber, which is designed to be easily exchangeable as a slide-in unit.

Im Boden 1 a des äußeren Gehäuses befindet sich der Austrittsspalt 2 der Ionenquelle. An der rechten Seitenfläche des Gehäuses ist die Kathodeneinheit 3 mit den Anschlüssen 4 und 5 angebracht, an der linken Seite der Elektronenauffänger 6.The exit gap is located in the bottom 1 a of the outer housing 2 of the ion source. The cathode unit is on the right side of the housing 3 with the connections 4 and 5 attached, on the left side of the electron collector 6th

Das Außengehäuse 1 ist doppelwandig ausgebildet. Die Kathodeneinheit 3 und der Elektronenauffänger 6 sind in dem Hohlraum dieses doppelwandigen Außengehäuses untergebracht. Innen- und Außengehäuse weisen Öffnungen 1 b, 7 b und 1 c, 7 c für den Durchgang der von der Kathode 3 zum Elektronenauffänger 6 fliegenden Elektronen auf.The outer housing 1 is double-walled. The cathode unit 3 and the electron collector 6 are accommodated in the cavity of this double-walled outer housing. The inner and outer housings have openings 1 b, 7 b and 1 c, 7 c for the passage of the electrons flying from the cathode 3 to the electron collector 6.

Das Außengehäuse 1 hat einen U-förmigen Querschnitt. Nur die beiden Seitenteile sind doppelwandig. Über dem Austrittsspalt 2 im Boden 1 a ist ein entsprechender Ionenaustrittsspalt 2a im Boden des Zonenkästchens 7 vorgesehen. Zum Herausziehen und Beschleunigen der Ionen liegen unter dem Austrittsspalt 2 Elektroden 15 und 16. Das Ganze wird von einer Grundplatte 18 getragen, die einen Austrittsspalt 2 b für die aus dem Ionenkästchen 7 herausgezogenen und beschleunigten Ionen aufweist. Zwischen Grundplatte 18 und Gehäuse 1 sind Keramikstützen 19 angebracht, die gleichzeitig als Träger für die Elektroden 15 und 16 .dienen.The outer housing 1 has a U-shaped cross section. Only the two side parts are double-walled. A corresponding ion exit gap 2a is provided in the bottom of the zone box 7 above the exit slit 2 in the base 1a. To extract and accelerate the ions, electrodes 15 and 16 are located under the exit gap 2. The whole is supported by a base plate 18 which has an exit gap 2 b for the ions extracted from the ion box 7 and accelerated. Ceramic supports 19 are attached between the base plate 18 and the housing 1, which at the same time serve as supports for the electrodes 15 and 16.

Das lonenkästchen 7 ist mit Einrichtungen zur Ionisation nach verschiedenartigen Verfahren ausgerüstet. Gas- oder dampfförmige Proben können durch ein Einlaßröhr 17 in die Kammer des Kästchens 7 eingeführt werden und werden in der Kammer durch Elektronenstoß ionisiert.The ion box 7 is provided with devices for ionization according to various types Procedure equipped. Gaseous or vaporous samples can be passed through an inlet tube 17 can be inserted into the chamber of the box 7 and will be in the chamber through Ionized electron impact.

Flüssige Proben werden zunächst in ein geheiztes Einlaßsystem eingeschleust und strömen dann aus diesem dampfförmig ebenfalls über das Einlaßrohr 17 in die Ionisationskammer, wo die Ionisation durch Elektronenstoß erfolgt.Liquid samples are first introduced into a heated inlet system and then flow from this in vapor form also via the inlet pipe 17 into the Ionization chamber, where ionization occurs through electron impact.

Zur Ionisation fester Proben können verschiedene Verfahren benutzt werden.Various methods can be used to ionize solid samples will.

Zunächst es es möglich, feste Proben in ein Hochtemperatur-Einlaßsystem einzuführen, das bis auf Temperaturen von etwa 350° C aufgeheizt werden kann, so daß die festen Proben verdampft und wiederum über das Einlaßrohr 17 in die Ionisationskammer eingeschleust und dort durch Elektronenstoß ionisiert werden können. Dies kann mit einem Dampfdruck bis herab zu etwa 1 mm Hg bei 350° C erfolgen.First of all, it is possible to put solid samples into a high temperature inlet system introduce, which can be heated up to temperatures of about 350 ° C, so that the solid samples evaporate and again via the inlet tube 17 into the ionization chamber can be introduced and ionized there by electron impact. This can be done with a vapor pressure down to about 1 mm Hg at 350 ° C.

Für die Ionisation fester Proben mit einem Dampfdruck kleiner als etwa 1 mm Hg bei 350° C ist es zweckmäßig, ein anderes Verfahren zu benutzen. Da es technisch kaum möglich ist, Einlaßsysteme für Temperaturen wesentlich höher als 350° C herzustellen, wird die Probe direkt im Ionisierungsraum der Ionenquelle verdampft. Dieser Verdampfungs- und Ionisierungsprozeß kann auf folgende Arten erfolgen: a) Elektronenstoßionisation: Die Probe wird aus einem kleinen Ofen im Ionisierungsraum verdampft und der Dampf durch Elektronenstoß ionisiert.For the ionization of solid samples with a vapor pressure less than about 1 mm Hg at 350 ° C it is convenient to use another method. There It is technically hardly possible to use inlet systems for temperatures much higher than 350 ° C, the sample is vaporized directly in the ionization chamber of the ion source. This evaporation and ionization process can take place in the following ways: a) Electron impact ionization: The sample is made from a small oven in the ionization room evaporates and the vapor is ionized by electron impact.

b) Thermische Einfachbandionisation: Die Probe wird auf ein Wolframband aufgebracht, von dem sie bei Erhitzung teilweise direkt infolge des Langmuir-Effektes in Ionenform verdampft.b) Thermal single band ionization: The sample is placed on a tungsten band applied, of which they, when heated, partly directly as a result of the Langmuir effect evaporated in ionic form.

c) Thermische Mehrfachbandionisation: Die Probe wird auf ein Wolframband aufgebracht und von diesem Band auf ein zweites Wolframband gedampft, das sich auf sehr hoher Temperatur befindet. An der Oberfläche dieses zweiten Bandes erfolgt dann wieder eine teilweise Ionisierung infolge des Langmuir-Effektes. In Fig. 1 ist ein derartiges erstes Wolframband 8 mit Anschlüssen 9 und 10 und ein zweites Wolframband 11 mit Anschlüssen 12 und 13 dargestellt. Eines der beiden Bänder kann auch zur thermischen Einfachbandionisation nach b) benutzt werden. Ferner läßt sich das Verdampferband 11 gegen einen Ofen austauschen, um so die Elektronenstoßionisation fester Proben nach a) durchführen zu können. Das Ionisierungsband 11. ist parallel zu dem Elektronenstrahl für die Stoßionisation, aber so weit von diesem angeordnet, daß keine Elektronen auf das Ionisierungsband gelangen.c) Thermal multiple band ionization: The sample is placed on a tungsten band applied and vaporized from this tape onto a second tungsten tape, which is on very high temperature. Takes place on the surface of this second band then again a partial ionization due to the Langmuir effect. In Fig. 1 is such a first tungsten strip 8 with connections 9 and 10 and a second Tungsten tape 11 with connections 12 and 13 is shown. One of the two bands can can also be used for thermal single band ionization according to b). Furthermore can replace the evaporator belt 11 for a furnace, so as to the electron impact ionization to be able to carry out solid samples according to a). The ionization belt 11. is parallel to the electron beam for the impact ionization, but so far from it, that no electrons get onto the ionization band.

Durch die Zusammenfassung der Mittel zur Anwendung von Ionisationsverfahren verschiedenster Art ist eine Universal-Ionenquelle geschaffen, mit der sowohl Gase und Flüssigkeiten in Verbindung mit einem Einlaßsystem sowie Festkörper nach den oben beschriebenen Arten ionisiert werden können. Das Einführen der festen Proben erfolgt vorzugsweise über eine an sich bekannte Vakuumschleuse. Es besteht durch diese Kombination ferner die Möglichkeit zur einfachen Durchführung von Vergleichsmessungen, z. B. zum Eichen der Empfindlichkeit der Ofenionenquelle durch Einlaß eines Gases.By combining the means of applying ionization processes of various kinds a universal ion source is created with which both gases and liquids in connection with an inlet system and solids after the types described above can be ionized. Introducing the solid samples preferably takes place via a vacuum lock known per se. It persists this combination also enables the simple implementation of comparative measurements, z. B. to calibrate the sensitivity of the furnace ion source by admitting a gas.

BeimWechsel festerPröben kann der gesamte Ionisierungskasten 7 zusammen mit den Wolframbändern 8 und 11 bzw. dem Ofen über eine Vakuumschleuse aus der Ionenquelle herausgenommen und ausgetauscht werden. Dies ist besonders wichtig, weil bei der Verdampfung fester Proben eine langsame Verschmutzung des Ionisierungskästchens unvermeidlich und somit eine gelegentliche Reinigung unerläßlich ist.When changing solid samples, the entire ionization box 7 can be put together with the tungsten strips 8 and 11 or the furnace via a vacuum lock from the ion source can be removed and replaced. This is especially important because the Evaporation of solid samples slowly contaminates the ionization box unavoidable and therefore an occasional cleaning is essential.

ZumEin-undAusführen des Ionisationskästchens 7 ist dieses an einer Stirnseite mit einem Kupplungsbolzen 20 versehen. Zur Kontaktverbindung zu den Elektrodenanschlüssen 9, 10, 12 und 13 des Einschubes 7 sind über dem Einschubraum Schleifkontaktfedern 21 vorgesehen, deren Kontaktträger mit Keramikstützen 22 auf dem Außengehäuse 1 befestigt sind.For inserting and removing the ionization box 7, it is on one Provide the end face with a coupling bolt 20. For contact connection to the electrode connections 9, 10, 12 and 13 of the slide-in unit 7 are sliding contact springs above the slide-in space 21 is provided, the contact carrier of which is provided with ceramic supports 22 on the outer housing 1 are attached.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Ion source for mass spectrometers for chemical Analyzes with several electrode systems, characterized in that in the ion source two different types of ionization systems that can be operated separately or together are provided according to the type of gas, furnace and / or thermion sources.

2. Ion source according to claim 1, characterized in that a device (3, 6) for impact ionization by an electron beam and an evaporation band (8) for the thermal single band ionization is provided.

3. Ion source according to claim 2, characterized in that in addition to the ionization band (8) an ionization band (11) for the thermal multiple band ionization is provided.

4. Ion source according to claim 3, characterized in that the Ionization band parallel to the electron beam for impact ionization, but like this is arranged far from this, that no electrons on the ionization band (11) reach.

5. Ion source according to claim 2 to 4, characterized in that the Evaporation belt (8) can be exchanged for an evaporation furnace.

6. Ion source according to claim 1, characterized in that the ionization chamber with the evaporation, Ionization electrodes or the evaporation furnace as an easily exchangeable slide-in unit is trained.

7. Ion source according to claim 6, characterized in that the Ionization chamber is set up for replacement via a vacuum lock. In. Considered publications: German Auslegeschriften Nr.1010 296,1001430; U.S. Patent No. 2,624,009.