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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Ionen für mausenspektrometrische
Zwecke unter Verwendung einer Hilf s-GÜsPatladung.
In der iisssenspektrometrie werden die für die Untersuohun benötigten Ionen bisher
überwiegend durch Elektronens oß erzen gt, wobei als Elektronenquelle in bekannter
Weise eine Glübkathoge benutzt wird. Diese Jethode der Ionenerzeu unghat gegenüber
anderen Methoden den Vorteil daB die In eneität äes ionisierenden glektronenstrahle
u2 damit die Z'»Jabl der erzeugten Ionen einerseits und die Energie der ionisierenden
Elektronen und damit der Ionisiernngsgrad der Ionen anderseits unabhän ig voneinander
in weiten Grenzen verändert werden können.#iesem Vorteil gegenüber steht der Nachteil,
das der als Elektronenquelle benötigte Glühdraht oder die Glühfolie nur eine
begrenzte Lebensäaner besitzt, äie'überdies durch äo.s Vorhandensein von Sauerstoff,
Wasserdampf und 1ohlenstoffverbindungen stark herabgesetzt werden kann.
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luf der andern Seite lassen sich bekanntlich auch beliebige Ionen
in Gasentladungen mit kalter Kathode erzeugen, z.B. in einer Kanalstrahlröhre oder
in einer Hochfrequenz- Gasentladung bezw. im Hochfrequenzfunken oder schließlich
in einer Fenning-Entladungsstrecke im magnetischen Hilfsfeld, wie sie z.B. im "Penning-Lanometer"
verwendet wird. Die Nachteile dieser Methode, die im Falle der Kanalstrahlröhre,
der Hochfrequenz-Gasentladung und der Fenningentladung dem Vorteil der praktisch
unbegrenzten Lebensdauer gegenüberstehen sind die folgenden: 1. Die Zahl der bei
einem vorgegebenen Gasdruck erzeugten Ionen ässt eich nur in engen Grenzen verändern.
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2. Der Ionisierungsgrad der Ionen lässt sich praktisch kaum verändern.
Die lusschaltung von mehrfach geladenen Ionen, die bei massenspektrometrischen Untersuchungen
z.n. bei ,puren alysen notwendig werden kann, ist deshalb nicht möglich. . Die Energie
der erzeugten Ionen ist nicht homogen, sondern erstreck sich je naaF@ den Versuchsbedingungen
von Hundert bis zu einigen grausend e-Volt.
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Die Beseitigung dieser jiachteile ist der Zweck der hier zu beschreibenden
Urfindung; sie ermöglicht es, den Vorteil der unbegrenzten Lebensdauer einer Knitkathoden-Ionenquelle,
z.b. einer Penning-Entladunzsstrecke, auszunutzen ohne daB die anwendun smöglichkeiten
durch die oben erw ähn@en-Nachteile eingeschränkt werden. Der entscheidende schritt
zur Beseitigung der Nachteile besteht darin, das nicht die in der iyaltkathodenentladung
selbst entstehenden Ionen für die kassenspektrometrie verwendet werden, sondern
erst diejenigen Ionen, die in einem besonderen, von der Kaltkathodenentladurig getrennten
Ionisationsraum mit Hilfe der aus der Kaltkathodenentladung heraus,lezo enen Elektronen
durch glektronenstoB,(bezw. mit Hilfe äer gerausöezogenen Ionen durch Umladung,
vgl.unten) erzeueit werden.
Der besondere Ionisationsraumf von dem
aue dfe- daT-n erzeugten Ionen in der üblichen Weise mit Hilfe eines %ystems von
Spaltblenden als schmales Ionenbündel in den Spektrometerraum beschleunigt werden,
steht mit der Kaltkathodenentladun , bezw. der Penningentladung nur durch eine Loch-
oder Schlitzblende in ferbindung,sodaB mit Hilfe einer am Penningentladungsraum
- und gegebenenfalls gleichzeitig am Spektrometerraum - wirkenden 2augpumpe erreicht
werden kann, daß im Ionisationaraum der Druck des in diesen Raum einströmenden und
hierzu untersuchenjen Testgases um ein bis zwei Zehnerpotenzen höher ist als im
Gasentladungsraum. Zwischen dem ei"entlichen Ionisationsraum und der Penningentladungsstrecke
befinden sich mindestens zwei Loch- oder Schlitzblenden; sie dienen dazu, den aus
der Entla:ungsstrecke kommenden Elektronenstrahl (bezw.onenstrahl) mit veränderlicher
Intensität und mit veränderlicher' Energie durch die Ionisationsraumblende in den
Ionisationsraum zu führen. In einer Fennin"entladung pendeln bekanntlich die Elektronen
zwisc'ien den beiden einander gegenüber liegenden Kathoden hin und her, und
wenn man in einer der Kathoaen eine Loch- oder Schlitzblende anbringt, kann
man mit Hilfe eines elektrischen Ziehfeldes einen mehr oder weniger großen Teil
der vor dieser Kathode mit niedriger Energieankommenden Elektronen herausziehen,
Diesem Gweck dient die erste der beiden erwähnten Loch- oder Schlitzblenden. Durch
Veränderung der an dieser ersten Blende liegenden pannung läset sich die Zahl der
aus der Entladung Kerausgezogenen Elektronen in weiten Grenzen, nämlich vom XBrt
Null bis zu einem -.:aximalwert verändern, der durch die Entlacun#sbedinc-un--en,
ae`eoen ist; die erste Blende übt demnach eine äbnliche @union aus wie das Gi;uter
einer Triode inbezug auf den inodenstrom. 'Lit einem zweiten Ziehfeld, das man zwiscben
zweite und erste @:lende oder zwischen Ianisationsraum und zweite -.lende anlegt,
läset sich dann die Energie der in den Ionisationeraum tretenden Elektronen in weiten
Grenzen, etwa zwischen zehn und einigen Hundert ?olt verändern, sodaß sie z.B. unter
der für die Erzeu unc, bestimmter :ehrfach-Ionen erforderlichen Energ ie bleibt.
-Hierbei wird die bekannte Tatsache ausgenutzt, daß die aus einer Gasentladunu
kommenden Elektronenstraglen im Gegensatz zu den Ionenstr ,len weitgehend eneröiehomo#en
sind weil ie als Sekundärelektronen an der i:athodenoberfläche entstehen. übrigens
lässt sich-de Energiehomo enität noch dadurch verbessern daß man durch passende
Wahl der .9,pannung an der ersten Blende nur solche Elektronen austreten lässt,
deren Energie einen bestimmten Mindestwert überschreitet.
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Bei den eben erwähnten Feldverhältnissen zwischen den Blenden können
natürlich außer den gesteuerten Elektronen auch Ionen aus dem Entladungsraum in
den Ionisationsraum gelangeng und dort wenn sie mehrfach geladen sind, durch ,Umladung
auchmehrfache Ionen erzeugen ("Resonanzumladun#.y' ). Dies kann
man
aber dadurch vermeiden, da: man an die zweite .blende ein gen üg end hohes
positives Potential legt, das die Ionen abfängt, und.äie Älektronen durch ein passendes
Gegenfeld zwischen Ionisationsraum uni zweiter Blende wieder auf die gewünschte
Energie abbremst.
Die Verwendung eines besonderen Ionisationsraumes
bietet außerdem die Möglichkeit, die Ionenausbeute zu steigern Uirrmal durch Er
#öhunä des Gasdrucks ia denisationsraum, zweitens urch Verwendung einer solchen
Energie der ionisierenden T1ektronen daß ihr differentielles Ionisationsvermögen
ein Maximum wird. Für die pührung und "lufwicklun`°' der ionisierenden Elektronen
kann dabei das gleiche hilrsmagnetfeld das entweder ein äpulenfeld oder ein 2ermanentmagnetield
sein L:in, :verwendet werden wie für die Penningentladunn. Die beschleunigung der
im Ionisationsraum erzeutten Ionen kann entweder senkrecht oder parallel zur Einfallsrichtung
der ionisierenden klektronen erfolgen; im ersteren .all erhält man die bessere Ener
iehomogenisieran. , wie sie Für einfacbfokussierende yassenspektrometer erwünscht
ist, im zweiten Yall die größere Ionenausbeute.
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Statt durch Elektronenstoß, kann man im Ionisationsraum mit der leichen
inordnunj# auch Ionen durch Umladung der aus der tennentladungkommenden Ionen erzeugen,#we-;n
man die Sppannunoen an den Zwischenblenden so wählt,,daW 2tatt der klektronen die
positiven Ionen aus der 'erinzngentladung herausgezoa-en werden. Da der Umladungsquerschnitt
im allgemeinen mit äbnehmender Io enenergie zunimmt (insbesondere im Falle der "Resonanzumladung",
ist es auch in diesem Walle vorteilhaft die aus dem Entladungsraum kommenden
Ionen vor ihrem Eintritt in den Ionisationsraum ein Bremsfeld durchlaufen zu lassen..
luch hier liefert die Beschleunigung der im Ionisationsraum durch Umladung entstandenen
Ionen senkrecht zur ginfallsrichtung der Priaärionen die bssere Uner iehomogenität,
während die Beschleunigung parallel nur Einallsrichtung,eine größere Strahlausbeute
ermöglicht. Bei doppelfokussierenden Spektrometern bei denen die geringere
lanergiehomoöenität keine störenäe Rolle spielt, wird man deshalb ebenso wie bei
Elektronenstoß-Ionenquellen mitVorteil die Beschleunigung-parallel zur Einf riohtuag
der ionisierenden Teilchen verwenden.
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Sch ießlich kann die gleiche lnordnung auch noch als gestkär er-Ionen
uelle verwendet werden, wobei die ,: annungen an den #wiechenbienden ebenso
wie im voriuen Äbschni t beschrieben so gewählt werden, daß die positiven ßonen
aus dem Intladungsrauo in den Ionisationeraum beschleunigt werden. In diesem Fall
maß aber durch eine am Ionisationsraum wirkende Saugpumpe der Gasdruck
im lonisationsraum möglichst niedrig gehaben werden, damit durch die ankommenden
Ionen möglichst wenig störende Ionen im Gasraum erzeugt werden. Statt dessen läest
man die ankommenden Ionen auf die zu untersuchende Festkörper-Oberfläche aufprallen
und benutzt die bei der "Zerstäubung" ausgesChleuderten Teilchen zur massenspektrometriscnen
inalyse. Hierbei muß allerdings beachtet werden daß nur ein mehr oder minder großer
Lruehteil der gerstäubten fi eilchen, dessen Betrag vom Material und der Oberflächenbeschaffenheit
abhängt in Form von positiven Ionen ausgeschleudert wird und somit direkt in das
lassengpektrometer beschleuni=gt werden kann die weitaus meisten zerstäubten itome
und i:oleküle verlassen äie Oberfläche in ungeladenem Zustand und müssen daher=
wenn sie im ::assenspektrometer erfasst weraen soilen,.nachtra@ lach noch durch
hlektronets toß oder Ionenumladun@ ionisiert werden. Da die ""erstäubun,--arate
mit zunehmender ionenenergie zunimmt ist es vorteilha?t die Toren mit Hilfe der
@eischenblenden nachzubeschleunigen.