DE1448225A1

DE1448225A1 - Verfahren und Einrichtung zur Festkoerperanalyse

Info

Publication number: DE1448225A1
Application number: DE19611448225
Authority: DE
Inventors: Guenther Dr Rer Nat Karl-Georg; Haenlein Dr Rer Nat Walter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1961-04-29
Filing date: 1961-04-29
Publication date: 1968-10-24
Also published as: GB995279A; US3223836A

Description

SIEMENS-SGHUGKERTWERKE klängen, den 28. RptÜ 1961

^% Aktiengesellschaft V/erner-von-Siemens-Str.

^P1A61/1555U48225

Verfahren und Einrichtung zur Festkörperanalyse

Es sind Anordnungen zur Festkörperanalyse bekannt, die das Prinzip / der ma3senspektrometrischen "Analyse verwenden. Unter Festkörpern sollen hier insbesondere Gläser, Keramiken und Legierungen verstanden werden. Dabei wird die Anordnung des bekannten Massenspektrometer mit Sektormagnet z.B. so ergänzt, daß in die Ionenquelle ein Tiegel zur Verdampfung des zu untersuchenden Festkörpers (der Probe) eingesetzt, der entweichende Dampf ionisiert wird und die Ionen nach den verschiedenen Massen getrennt werden. Solche Anlagen sind jedoch sehr schwierig im Aufbau und in der

Handhabung. · ^BAD ^o*MNAL

.··■...· - 1 - Pf/Pa

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Die Erfindung zeigt einen Weg zur Vereinfachung solcher Anlagen zur schnellen Festkörperanalyse.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Festkörperanalyse mit Massenspektrometer, insbesondere mit Massenfilter. Gemäß der Erfindung wird die zu untersuchende Substanz durch Kathodenzerstäubung xn eine gas- und/oder dampfförmige Phase übergeführt und gleichzeitig oder nachträglich ionisiert.

Im einzelnen dargestellt, werden dabei Dämpfe oder Gase des Festkörpers bzw. seiner Bestandteile durch Beschüß primär erzeugt, der oder die Dämpfe oder die Gase ionisiert und die verschiedenen Massen getrennt.

Die Zerstäubung und die Ionisierung können unmittelbar in der Ionenquelle erfolgen. Zur Erhöhung der Zerstäubungsgeschwindigkeit kann ein Neutralgas, vorzugsweise ein Edelgas, der- Entladung zugesetzt und so dosiert werden, daß optimale Entladungsbedingungen entstehen. Die Zerstäubungsgeschwindigkeit nimmt etwa proportional dem Druck zu bis zu Drücken von maximal 5 . 10 Torr. Zum Einstellen des optimalen Druckes wird man also von diesem Wert ausgehen. Bei Drücken oberhalb 5 .-10" Torr können sich Raumladungen ausbilden, die freie Weglänge wird zu klein, die Extraktion der Ionen wird schwieriger. Das Zusatzgas muß hochgereinigt sein, muß eine hohe Massenzahl m haben, da die Zerstäubungsgeschwindigkeit mit höherer Massenzahl zunimmt; es soll ein einfaches Massenspektrum haben; deshalb werden vorzugsweise Atomgase angewandt, alle Edelgase sind Atomgase i Im allgemeinen wird Argon mit der Masaenzahl

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40 verwendet; falls die Masse 40 bei der Anzeige des Massenfilters störtf weil dadurch Spitzen mit Massenzahlen bei und um 40 aus der zu untersuchenden Substanz verdeckt würden, kann beispielsweise auch Helium angewandt werden.

Für die Durchführung des angegebenen Verfahrens kann ein auf dem Prinzip von Paul beruhendes Massenfilter (DBP 944 900) vorgesehen sein. Dieses kann dann derart ausgebildet aein, daß der zu untersuchende Festkörper in oder an dem zum Analysator des Massenfilters hin gerichteten Ende mindestens einer stabförmigen Verlängerung der Kathode - einer sogenannten Stabkathode - angeordnet ist (vgl. hierzu die Anmeldung S 67 465 VIIIc/2ig - PLA 60/1151). Die Stabkathode kann hohl - bevorzugt als Kapillarrohr - ausgebildet sein. Das Ende der hohlen Stabkathoden kann siebförmig ausgebildet sein zum Durchtritt der zu untersuchenden Substanz, ihrer Gase oder Dämpfe oder Ionen. Die Einrichtung kann so ausgebildet sein, daß «linde8tens diejenigen Teile der Ionenquelle, die von der zu untersuchenden Substanz (im massenspektrometrisehen Sinne) verunreinigt werden können, leicht austauschbar angeordnet sind. Weiterhin kann ein Einfüllrohr so ausgebildet und angeordnet sein, daß in der Höhlung der Stabkathode von der Außenwand der Meßzelle, in der die Kathode angeordnet ist, der zu untersuchende Festkörper eingebracht werden kann. Es können auch mehrere solcher Einfüllrohre oder Einfüllstellen bei einem einzelnen Massenfilter vorhanden sein. An dem Einfüllrohr kann eine - gegebenenfalls verriegelte - Schleuse vorgesehen sein. Der zu untersucherfle Festkörper kann in feinpulverisierter Form vorliegen und so in die Höhlung der Stabkathode gebracht werden. Dazu kann er beispielsweise

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zu einem kleinen Preßkörper verdichtet oder als Brei angesetzt sein. Alle zur Pestkörperanalyse wesentlichen Teile, bestehend auj Massenfilter mit Meßzelle und Zubehör wie Hochfrequenzgenerator, Gleichrichter, Gleichstrommeßverstärker, Schreiber, Wetzanschluß, Einfüllvorrichtungen für den zu untersuchenden Festkörper, können zu einer, geschlossenen, vorzugsweise ortsveränderlichen, Einheit zusammengefaßt sein.

In Pig. 1 ist als Beispiel eine vollständige Massenfilteranordnung ' dargestellt.

Pig. 2 zeigt eine kalte Ionenquelle für die Meßzelle dieser Anordnung (dabei ist ein Öffnen des Massenfilters zur Einbringung der Probe erforderlich). -

Pig. 3 stellt eine andere Ausführung der kalten Ionenquelle dar (mit Zuführung der zu untersuchenden Probe von außen).

Fig. 4 gibt eine mögliche Form eines siebförmigen Endes der Stabkathode wieder.

Fig. 5 stellt eine kalte Ionenquelle mit leicht austauschbaren Teilen dar.

In Fig. 1 bedeutet 1 die Meßzelle des Massenfilters. Sie enthält die Ionenquelle 2 mit der zu untersuchenden Substanz, die Analysatorstäbe 3 und den Ionenstromauffänger 4. Alle diese Teile befinden sich in einem vakuumdichten Gefäß 5. An dem Stutzen 6 ist eine Hochvakuumpumpe 40 mit der zugehörigen Vorpumpe 41 angeschlossen. Die Analysatorstäbe 3 sind mit einem Hochfrequenzgenerator 8 elektrisch verbunden, der sie mit elektrischer Leistung geeigneter Spannung und Frequenz versorgt. Der auf den Auffänger 4 auftreffende. Ionenstrom wird durch den Verstärker 9 vergrößert und einem Schreiber

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oder einem sonstigen Anzeigemeßgerät zugeführt. Mit Hilfe des Anzeigeinstrumentes 10' kann die Ionenquelle überwacht werden.

Es können sowohl Meßzellen in Glasauaführung als auch in Metallaunführung (vgl. dazu die Anmeldungen S 67 489 IX/4? 1 = PLA 60/1158 und S 67 734 IX/42 1 = PLA 60/1190) Verwendung finden. ■

Fig. 2 zeigt eine kalte Ionenquelle für die erfindungsgemäße An- *k wendung, versehen mit einer sowohl der Plasmafixierung als auch der Anbringung des zu untersuchenden F<53tkörpers P dienenden Stabkathode. Hierbei bedeutet 11 einen permanenten Magneten; er ijt mit dem topfförmigen Joch 13 mechanisch verbunden, da3 die Feldlinien zurückführt. In dem Joch 13 befindet sich eine Öffnung 14 für den Austritt der Ionen. Eine weitere Öffnung, beispielsweise für die Zuführung eines Neutralgases, ist bei 12 vorgesehen. Mit 15 ist. die zylindrische Anode bezeichnet, der ala ein Teil der Kathode die Endfläche 16a des Polschuhes 16 gegenübersteht. An die Anode 15 wird die Betriebsspannung über die Klemme 17 ge- ™ legt. Diese ist über eine Zuleitung 17a, die mit Hilfe der isolierenden Durchführung 18 durch das Joch 13 hindurchgeführt ist, mit der Anode 15 elektrisch-verbunden. Da3 Joch 13 und die mit ihm leitend verbundenen Teile werden vorzugsweise geerdet, wozu das Joch 13 mit einer Anschlußklemme 19 versehen ist. Mit 30 ist ein Isolator angegeben.

Der Dauermagnet 11 ist unter Zwischenschaltung einer Isolierplatte 21 mit dem Joch 13 verbunden, also dem Joch 13.gegenüber elektrisch

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_Λ- Pf/Pft

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isoliert. Der V/aicheisen-Polschuh 16 trägt die Stabkathode Diese ist axial zu zylindrischen Anode 15 und auch zur Sxtraktionsöffnung 14 orientiert» Der Durchmesser der Stabkathode ist klein gegen den Durchmesser der Zylinderanode 15* Die Stabkathode endet nahe vor der lonenaustrittsöffnung» Das Kathodenblech trägt in der Mitte einen nach innen gerichteten rohrförmigen Ansatz 27= Das Kathodenblech 25 wird durch Isolatoren 29 gehaltert. Das Kathodenblech 25 i-st elektrisch durch die Verbindungsleitung 26 mit der Kathodenzuleitung bei Klemme 24 und damit r der Kathode 16 verbunden. Aus der Blende 14 ragt ein Blendenrohr 28 in den Bntladungsraum. Die Flxtraktionsspannung wird zwischen den Kathodenoberflachen 16a und 25 einerseits und dem topfförmigen Joch 13 andererseits angelegt.

In Fig. 3 ist eine kalte Ionenquelle dargestellt, bei-der die otabkathode 22 nur etwa bis in die Mitte des Entladungsraumes ragt und bei der der nach innen gerichtete rohrförmige Ansatz stark verlängert i31. Hierdurch wird die Wirkung der Stabkathode wesentlich unterstützt.

Die Stabkathode 22 ist hohl ausgebildet und mit einem Einfüllrohr versehen, das isoliert durch das Joch ΐ3 hindurchgeführt ist und an der Einfüllstelle ein napfartiges'Gebilde 31 und eine schleusenartige Einrichtung 32 trägt. Der Kopf d.er Stabkathode

^I · ist siebartig ausgeführt, wie durch Mg. 4 erläutert. Mit Hilfe in der beschriebenen Einrichtung kann die zu untersuchende Substanz

α ■ -

oo zum Ende der Stabkathode gebracht werden, insbesondere durch. cn

^ Einwirkung des äußeren Luftdruckes.

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- 6 - P-f/Pa

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Pig. 5 stellt eine kalte Ionenquelle mit leicht austauschbaren Teilen dar. Diejenigen Teile der Ionenquelle, die von der zu untersuchenden Substanz verunreinigt werden können, sind leicht austauschbar angeordnet. Das Hüllrohr der Massenfilter-Meßzelle ist mit 33 bezeichnet. In ihm befindet sich herausnehmbar, auf einer Grundplatte 34 montiert, ein eisernes Jochstück 35, das. die Stabkathode 22 und das gesamte Kathodenblech 25 trägt, das elektrisch un"d mechanisch mit dem Jochstück 35 verbunden ist. Zentriach um die Stabkathode 22 und zentrisch im Innern des Kathodenbleches 25 ist die Anode 15 angeordnet, deren Zuleitung im Innern des Hüllrohres 33 zu der Klemme 17 geführt ist. Durch die Grundplatte 34 ist diese Zuleitung mittels der isolierenden Durchführung 18 hindurchgeführt. Eine weitere Zuleitung führt von der Klemme 24 durch den Isolator 23 zur Kathode (Jochstück 35). Bei 19 kann der Plansch am Hüllrohr geerdet werden. Bei nicht- metallischem Hüllrohr wird der Teil mit der Austrittsblende direkt geerdet. Die Dichtung des Gefäßes erfolgt durch die Dichtungen 38. Die permanenten Magnete 11 erzeugen den magnetischen Fluß; durch das Jochatück 35 und die - insbesondere verschiebbaren - Platten 36 und 37 ist der magnetische Kreis geschlossen. Die hierbei nicht erwähnten Bezvjszeichen entsprechen denen der anderen Figuren.

Die verschiedenen Formen von kalten Ionenquellen können beliebig kombiniert werden.

Die Wirkungsweise des beschriebenen Massenfilters im allgemeinen ist in der angegebenen Patentschrift bzw. den Anmeldungen be-

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- 7 - Pf/Fa

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beschrieben. Pur die spezielle Anwendung zur Festkörperanalyse · ist die Erläuterung der Wirkungsweise bereits in der Einleitung angegeben.

10 Patentansprüche 5 Figuren

BAD ORi- - 8 - If/Fa

809805/1105 BADORiG₁NAL

Claims

^Ϊ,Λ 61/1255 Patentansprüche

1. Verfahren zur Pestkörperanalyse mit Massenspektrometer", insbesondere mit Massenfilter, dadurch gekennzeichnet, daß die zu untersuchende uubstanz durch Kathodenzerstäubung in eine gas- und/oder dampfförmige Phase übergeführt und gleichzeitig oder nachträglich ionisiert wird.

2. verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerot»;iubung uni die Ionisierung unmittelbar in der Ionenquelle erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Zerotäubungsgeschwindigkeit_ein Neutralgas, vorzugsweise ein Edelgas, der Entladung zugesetzt und so dosiert' wird, daß optimale Sntladungsbedingungen entstehen.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf dem Paul⁵ sehen Prinzip beruhendes Massenfilter (I)BP 944 900) vorgesehen und dieses derart ausgebildet ist, daß der zu untersuchende Festkörper in oder an dem zum Analysator des Massenfilters hin · gerichteten 3nde mindestens einer stabförmigen Verlängerung der Kathode - einer sogenannten Stabkathode - angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, claß mindestens eine Stabkathode hohl - bevorzugt als Kapillarrohr - ausgebildet ist.

- 9 - COPY Pi/Fa ·

609805/1 105 SAD original

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5? dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der hohlen Stabkathoden siebförmig ausgebildet ist (Pig". 4). . -.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens diejenigen Teile der Ionenquelle, die von der zu untersuchenden Substanz verunreinigt werden können, leicht austauschbar angeordnet sind (Fig. 5).

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einfüllrohr so ausgebildet und angeordnet ist, daß in die Höhlung der Stabkathode von der Außenwand der Meßzelle, in der die Kathode angeordnet ist, der su untersuchende Pestkörper eingebracht werden kann (Pig. 3).

9· Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Einfüllrohr eine - gegebenenfalls verriegelte - Schleuse vorgesehen ist (Pig. 3).

10, Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß alle zur Pesckörperanalyse wesentlichen Teile, bestehend aus Massenfilter mit Meßzelle und Zubehör wie Hochfrequenzgenerator, Gleichrichter, Gleichstrommeßverstärker, Schreiber, Netzanschluß, Einfüllvorrichtungen für den zu unter suchenden Festkörper, zu einer geschlossenen, voraugsweiee ortsveränderlichen, Einheit zusammengefaßt sind.

... ' - ';■ !ORIGINAL INSPECTED