DE1598150B2

DE1598150B2 -

Info

Publication number: DE1598150B2
Application number: DE1598150A
Authority: DE
Inventors: Curt Dr. 2820 Platjenwerbe Brunnee; Kurt 2800 Bremen Elfenbein
Original assignee: Varian Mat GmbH
Current assignee: Varian Mat GmbH
Priority date: 1966-11-19
Filing date: 1966-11-19
Publication date: 1978-03-09
Also published as: GB1152757A; DE1598150C3; US3582645A; DE1598150A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle für Massenspektrometer mit einer Feldionisierungseinrichtung und einer Elektronenstoßionisierungseinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse.The invention relates to an ion source for mass spectrometers with a field ionization device and an electron impact ionization device in a common housing.

Bei bekannten Ionenquellen dieser Art (»Advances in Experimental Techniques Applications, and Theory of Field Ion Mass Spectrometry« aus »Institute of Petroleum/ASTM Mass Spectrometry Symposium« Paris, gedruckt in Bungay, Suffolk, 1964) sind die lonisierungszonen der Feldionisierungseinrichtung und der Elektronenstoßionisierungseinrichtung räumlich getrennt angeordnet. Bei der Ionisierung von festen, in einem öfchen zu verdampfenden Substanzen muß das Öfchen jeweils unterschiedlich positioniert werden, um die entsprechende Ionisierungszone der Feld- oder Elektronenstoßionisierungseinrichtung in den Dampfstrahlbereich des öfchens zu bringen. Neben diesem mühsamen und zeitaufwendigen Justieraufwand ist die gesonderte Anordnung einer Feld- und lonenstoßionisierungseinrichtung auch apparativ recht aufwendig.With known ion sources of this type ("Advances in Experimental Techniques Applications, and Theory of Field Ion Mass Spectrometry "from the" Institute of Petroleum / ASTM Mass Spectrometry Symposium " Paris, printed in Bungay, Suffolk, 1964) are the ionization zones of the field ionization device and the electron impact ionization device arranged spatially separated. When ionizing solid, in a furnace to be vaporized substances, the furnace must be positioned differently in order to the corresponding ionization zone of the field or electron impact ionization device in the steam jet area of the oven. In addition to this laborious and time-consuming adjustment effort, the Separate arrangement of a field and ion impact ionization device is also quite complex in terms of apparatus.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Unzulänglichkeiten dieser bekannten Ionenquelle zu vermeiden und eine apparativ einfache ¹^ Ionenquelle der genannten Art zu schaffen, die eine Feld- und Elektronenstoßionisierung bei gleichbleibender Substanzzuführung ermöglicht.The object of the present invention is to avoid the shortcomings of these known ion source and to create a simple equipment ¹ ^ ion source of the type which enables a field and electron impact for the same substance delivery.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die Ionisierungszonen der beiden Ionisierungseinrichtungen in einer gemeinsamen Ionisierungskammer räumlich zusammenfallen und daß eine mit einem Ionendurchtrittsspalt versehene Wand dieser Ionisierungskammer als Gegenelektrode für die Feldionisierungseinrichtung dient und alternativ mit einer jeweils für den Betrieb als Feldionisierungeinrichtung oder als Elektronenstoßionisierungseinrichtung geeigneten Spannung beaufschlagbar ist. Hierdurch kann lediglich durch Änderung des Potentials der den Ionenaustrittsspalt aufweisenden Wand der Ionisierungskammer dieselbe Probe während des Verdampfungsvorganges in apparativ einfacher Weise sowohl durch Feldionisierung als auch durch Elektronenstoßionisierung ionisiert werden, ohne daß die Substanzzufuhr, die auf die eine gemeinsame Ionisierungszone gerichtet ist, abgeändert werden muß.This object is achieved according to the invention in that the ionization zones of the two ionization devices coincide spatially in a common ionization chamber and that one with a wall of this ionization chamber provided with an ion passage gap as a counter electrode for the field ionization device serves and alternatively with one each for operation as a field ionization device or a voltage suitable as an electron impact ionization device can be applied. This can merely by changing the potential of the wall of the ionization chamber having the ion exit gap the same sample during the evaporation process in a simple manner both in terms of apparatus be ionized by field ionization as well as by electron impact ionization without the substance supply, to which a common ionization zone is directed must be modified.

Es ist bei Ionenquellen mit anderen Ionisierungseinrichtungen, z. B. einer thermischen Ionisierungsund Elektronenstoßionisierungseinrichtung (US-PS 31 15 591) oder einer Gasentladungs- und Elektronenstoßionisierungseinrichtung (US-PS 32 74 436), an sich bekannt, die Ionisierungszonen der beiden Ionisierungseinrichtungen räumlich anzunähern bzw. weitgehend zusammenfallen zu lassen. In Verbindung mit Feldionisierungseinrichtungen ist derartiges jedoch nicht bekanntgeworden. In the case of ion sources with other ionization devices, e.g. B. a thermal ionization and Electron impact ionization device (US-PS 31 15 591) or a gas discharge and electron impact ionization device (US-PS 32 74 436), known per se, to spatially approximate or largely approximate the ionization zones of the two ionization devices to collapse. However, nothing of this type has become known in connection with field ionization devices.

Eine besonders vorteilhafte konstruktive Lösung für eine erfindungsgemäße Ionenquelle besteht darin, daß die als Gegenelektrode dienende Wand der Ionisierungskammer mit einem die Emitterelektrode der Feldionisierungseinrichtung umschließenden Kragen versehen ist, der Fenster zum Durchtritt der Elektronen in die Ionisierungskammer beim Betrieb der Ionenquelle als Elektronenstoßionisierichtung aufweist.A particularly advantageous structural solution for an ion source according to the invention is that serving as the counter electrode wall of the ionization chamber with the emitter electrode of the The collar surrounding the field ionization device is provided, the window for the passage of the electrons in the ionization chamber when the ion source is operating as an electron impact ionization direction.

Um die Beeinträchtigung durch Verunreinigungen der Emitterelektrode während der Elektronenstoßionisierung zu vermeiden, ist es gemäß der Erfindung vorteilhaft, wenn die Emitterelektrode aus der Ionisierungskammer ausfahrbar ist. Zu diesem Zweck wird die Emitterelektrode von einem vorzugsweise schmalen schwertartigen Körper getragen und ist in einer dem Ionenaustrittsspalt gegenüberliegenden Wand der Ionisierungskammer eine öffnung vorgesehen.To avoid the deterioration caused by impurities in the emitter electrode during electron impact ionization To avoid it, it is advantageous according to the invention if the emitter electrode from the ionization chamber is extendable. For this purpose, the emitter electrode is preferably narrow sword-like body and is in a wall of the ionization chamber opposite the ion exit gap an opening is provided.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Es zeigtAn exemplary embodiment of the invention is illustrated in the drawing. It shows

F i g. 1 eine Ausführungsform einer Ionenquelle gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung undF i g. 1 shows an embodiment of an ion source according to the invention in a schematic representation and

Fig. la einen Teilschnitt nach der Linie H-II der Fig. 1.FIG. 1 a is a partial section along the line H-II in FIG. 1.

Die Elektronenstoßionisierung und Feldionisierung erfolgen in der Ionenquelle nach Fig. 1 und la in einer gemeinsamen Ionisierungskammer 1. Die Stoßionisierung erfolgt durch Stöße schneller Elektronen, die in üblicher Weise von einer z. B. auf +2900 V liegenden Glühkathode 2 emittiert, mittels einer Spannung von 100 V zwischen der Kathode und der lonisierungskammer beschleunigt werden und diese auf einer Flugbahn 3 durchlaufen. Nach Durchfliegen der Ionisierungskammer 1 werden die Elektronen von einem Auffänger 4 aufgefangen. Die Ionisierungskammer 1 ist zur Bildung eines definierten elektrischen Feldes mit geringem Feldgradienten von einem metallischen Gehäuse umschlossen. Dieses Gehäuse besteht aus einem Kästchen von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt, dessen Längsachse mit der Flugbahn 3 der Elektronen zusammenfällt. Das die IonisierungskammerThe electron impact ionization and field ionization take place in the ion source according to FIG. 1 and la in one common ionization chamber 1. The impact ionization occurs through collisions of fast electrons, which in usual way of a z. B. emitted at +2900 V hot cathode 2, by means of a voltage of 100 V between the cathode and the ionization chamber are accelerated and run through them on a trajectory 3. After flying through the ionization chamber 1 the electrons are caught by a catcher 4. The ionization chamber 1 is to be formed a defined electric field with a low field gradient from a metallic housing enclosed. This housing consists of a box with an essentially rectangular cross-section, whose longitudinal axis coincides with the trajectory 3 of the electrons. That the ionization chamber

umschließende Kästchen besteht aus zwei Teilen, nem kappenförmigen Teil 14 mit Rückwand 13, der die jnisierungskammer 1 an fünf Seiten begrenzt, und der '.von getrennt und isoliert angeordneten sechsten 'and 7, der Vorderwand des Kästchens, in welcher sich iT Austrittsspalt 8 befindet. Der kappenförmige Teil 4, liegt auf einer Spannung von +3000 V, wodurch die eschleunigungsspannung von 100 V zwischen der '..athode 2 und der Ionisierungskammer 1 für die elektronen gebildet wird. In den in der Flugbahn 3 der Elektronen liegenden Seitenwänden des Teiles 14 sind ■enster 5 und 6 zum Durchtritt der Elektronen orgesehen. Zum Austritt der in der Ionisierungskam-■ler erzeugten Ionen ist in einer Wand 7, im folgenden 'orderwand genannt, ein Austrittsspalt 8 vorgesehen, or dem, gegen das Kästchen isoliert, eine Linse 9 zum ierausziehen der Ionen aus dem Kästchen und zum beschleunigen der Ionen in Richtung des Pfeiles 10 zum >ennrohr 11 des Massenspektrometer angebracht ist. Zwischen Linse 9 und Trennrohr 11 sind zur beschleunigung und Fokussierung noch eine oder iehrere Blenden 12 vorgesehen.The enclosing box consists of two parts, a cap-shaped part 14 with a rear wall 13, which delimits the jization chamber 1 on five sides, and the sixth and 7, the front wall of the box, in which there is an outlet gap 8 . The cap-shaped part 4 is at a voltage of +3000 V, whereby the acceleration voltage of 100 V is formed between the cathode 2 and the ionization chamber 1 for the electrons. In the side walls of the part 14 lying in the trajectory 3 of the electrons, windows 5 and 6 are provided for the electrons to pass through. For the exit of the ions generated in the ionization chamber, an exit slit 8 is provided in a wall 7, hereinafter referred to as' order wall, in front of which, isolated from the box, a lens 9 for pulling the ions out of the box and for accelerating the Ion is attached in the direction of arrow 10 to the antenna tube 11 of the mass spectrometer. Between lens 9 and separating tube 11, one or more diaphragms 12 are provided for acceleration and focusing.

Die Vorderwand 7 des Kästchens ist mit einem Jmschalter 15 verbunden, durch den die Vorderwand entweder für den Betrieb als Elektronenstoßionisieungseinrichtung an eine Spannung von +2995 V oder ür den Betrieb als Feldionisierungseinrichtung an eine Spannung von — 9 kV gelegt wird.The front wall 7 of the box is connected to a switch 15 through which the front wall either for operation as an electron impact ionization device to a voltage of +2995 V or For operation as a field ionization device, a voltage of - 9 kV is applied.

Beim Betrieb als Elektronenstoßionisierungsrichtung üent die Vorderwand mit ihrem Austrittsspalt 8 durch rir kleines negatives Potential gegenüber dem kappenörmigen Teil 14 zur Unterstützung der Linse 9, um die iurch Elektronenstoß in der Ionisierungskammer 1 gebildeten Ionen in Richtung des Pfeiles 10 zum Trennrohr 11 zu bewegen. Es sei bemerkt, daß für den jtoßionenbetrieb die Vorderwand 7 auch mit dem ibrigen kappenförmigen Teil 14 mechanisch und elektrisch verbunden sein könnte, da der Durchgriff des Jnsenfeldes durch den Austrittsspalt 8 zum Herauszieien der Ionen aus der Ionisierungskammer ausreichen <ann.When operating as an electron impact ionization direction, the front wall with its exit gap 8 passes through rir small negative potential compared to the cap-shaped Part 14 to support the lens 9 to prevent the electron impact in the ionization chamber 1 ions formed to move in the direction of arrow 10 to the separating tube 11. It should be noted that for the jtoßionenbetrieb the front wall 7 mechanically and with the rest of the cap-shaped part 14 could be electrically connected, since the penetration of the inner field through the exit gap 8 to pull out the ions from the ionization chamber are sufficient <ann.

Beim Betrieb als Feldionisierungseinrichtung dient iie Vorderwand 7 mit dem Austrittsspalt 8 als Gegenelektrode zur Emitterleketrode 16 und als iiehblende für die Feldionen zur Bewegung dieser ⁷eldionen in Richtung des Pfeiles 10 zum Trennrohr 11 ies Massenspektrometer.When operated as a field ionization device, the front wall 7 with the exit slit 8 serves as a counter electrode to the emitter electrode 16 and as a diaphragm for the field ions to move these ⁷ eldions in the direction of the arrow 10 to the separating tube 11 of this mass spectrometer.

Die Emitterelektrode 16 liegt in der Ionisierungskammer 1 auf der dem Austrittsspalt 8 gegenüberliegenden Seite der Flugbahn 3 für die Stoßionisierung, so daß sich bei beiden lonisierungsarten im wesentlichen dieselbe Ionisierungszone 17 ergibt, die in der Zeichnung durchThe emitter electrode 16 lies in the ionization chamber 1 on the one opposite the exit gap 8 Side of the trajectory 3 for the impact ionization, so that the two types of ionization are essentially the same Ionization zone 17 results in the drawing by

Schraffur gekennzeichnet ist. Die Emitterelektrode kann aus einem sehr dünnen, parallel zur Flugbahn 3 bzw. zum Austrittsspalt 8 angeordneten Platindraht bestehen, der auf derselben Spannung von +3000 V wie der kappenförmige Teil 14 gehalten werden kann. BeimHatching is marked. The emitter electrode can consist of a very thin one, parallel to the trajectory 3 or platinum wire arranged at the exit gap 8, which is at the same voltage of +3000 V as the cap-shaped part 14 can be held. At the

ίο Betrieb als Feldionsierungseinrichtung herrscht zwischen der Emitterelektrode 16 und der Gegenelektrode 7 somit eine Spannung von -12 kV. Dadurch wird im Bereich der Emitterelektrode infolge ihres kleinen Krümmungsradius eine so hohe Feldstärke erreicht, daßίο Operation as a field ionization device prevails between the emitter electrode 16 and the counter electrode 7 thus have a voltage of -12 kV. This will result in the Due to its small radius of curvature, the area of the emitter electrode has such a high field strength that

im Nachbarbereich der Emitterelektrode durch den sogenannten Tunneleffekt Feldionen gebildet werden.field ions are formed in the vicinity of the emitter electrode by the so-called tunnel effect.

Zur Verbesserung der Feldverteilung und der Ziehblendenwirkung ist die Gegenelektrode 7 mit einem die Emitterelektrode 16 umschließenden Kragen 18 versehen, der im Bereich der Flugbahn 3 mit Fenstern 19,20 für den Durchtritt der Elektronen beim Betrieb als Stoßionisierungseinrichtung versehen ist.To improve the field distribution and the effect of the draw diaphragm, the counter electrode 7 is provided a collar 18 which surrounds the emitter electrode 16 and which is provided with windows in the region of the trajectory 3 19.20 is provided for the passage of electrons when operating as an impact ionization device.

Die Emitterelektrode 16 wird von einem schwertartigen Körper 21 getragen, der von außen durch einenThe emitter electrode 16 is carried by a sword-like body 21, which is from the outside by a

Schlitz 22 der Rückwand 13 des kappenförmigen Teils 14 hindurchragt und an einem außerhalb des Teils 14 angebrachten, um eine Achse 23 schwenkbaren Hebel 24 angebracht ist. Durch ein Zugseil 32, das gegen das Gehäuse, z. B. durch einen Balg abgedichtet sein kann, läßt sich der Hebel 24 verschwenken, um dadurch die Emitterelektrode 16 beim Betrieb der Ionenquelle als Elektronenstoßionisierungseinrichtung aus der Ionisierungskammer 1 auszufahren und eine allmähliche Verschmutzung der Emitterelektrode 16 durch auftreffende Elektronen zu vermeiden.The slot 22 of the rear wall 13 of the cap-shaped part 14 protrudes and at an outside of the part 14 attached, about an axis 23 pivotable lever 24 is attached. By a pull rope 32, which is against the Housing, e.g. B. can be sealed by a bellows, the lever 24 can be pivoted to thereby the Emitter electrode 16 when the ion source is operated as an electron impact ionization device from the ionization chamber 1 to extend and a gradual soiling of the emitter electrode 16 by impinging Avoid electrons.

Aus F i g. la, die einen Teilschnitt längs der Linie H-II in F i g. 1 darstellt, geht die Anordnung eines Verdampfungsöfchens 25 hervor.
Falls bei der beschriebenen Einrichtung die Vorderwand 7 mit dem übrigen kappenförmigen Teil 14 sowohl beim Betrieb als Stoßionsisierungseinrichtung wie auch beim Betrieb als Feldionisierungseinrichtung auf gleichem Potential von 3 kV gehalten wird, müßte die Emitterelektrode auf ein entsprechend hohes Potential von beispielsweise +12 kV gelegt werden. Die dargestellte Ionenquelle eignet sich zur Analyse beliebiger Substanzen.From Fig. la, which is a partial section along the line H-II in F i g. 1 shows the arrangement of an evaporation furnace 25.
If, in the device described, the front wall 7 with the rest of the cap-shaped part 14 is kept at the same potential of 3 kV both when operating as an impact ionization device and when operating as a field ionization device, the emitter electrode would have to be placed at a correspondingly high potential of, for example, +12 kV. The ion source shown is suitable for the analysis of any substances.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Ion source for mass spectrometers with a field ionization device and an electron impact ionization device in a common housing, characterized in that the ionization zones (17) of the two ionization devices (16, 7; 2, 4) coincide spatially in a common ionization chamber (1) and that a wall (7) of this ionization chamber (1) provided with an ion passage gap (8) serves as a counter electrode for the field ionization device (16, 7) and alternatively with one for each Operation as a field ionization device or as a '5 Electron impact ionization device (2, 4) suitable voltage can be applied.

2. Ion source according to claim 1, characterized in that serving as a counter electrode Wall (7) of the ionization chamber (1) with an emitter electrode (16) of the field ionization device surrounding collar (18) is provided, the window (19, 20) for the passage of electrons into the Ionization chamber (1) when the ion source is operated as an electron impact ionization device.

3. Ion source according to claim 1 or 2, characterized in that the emitter electrode (16) consists of the ionization chamber (1) can be extended.

4. Ion source according to claim 3, characterized in that for retraction and extension of the Emitter electrode (16) carried by a preferably narrow sword-like body (21), in a wall (13) of the ionization chamber (1) opposite the ion exit gap (8) Opening is provided.

5. Ion source according to claim 3 or 4, characterized in that the emitter electrode (16) on a pivot lever (24) is attached.

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