DE1698533B2

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Info

Publication number: DE1698533B2
Application number: DE1698533A
Authority: DE
Inventors: Ludolf Dr. 2800 Bremen Jenckel
Original assignee: Varian Mat GmbH
Current assignee: Varian Mat GmbH
Priority date: 1951-01-28
Filing date: 1951-01-28
Publication date: 1974-05-09
Also published as: DE1698533A1; GB1037742A

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochvakuum-Ionenquelle mit Einrichtungen zur Erzeugung örtlich konzentrierter Ionisierungsenergien in getrennten Ionisierungszonen im Hochvakuumraum der Anordnung und getrennten Auffängersystemen für die aus den Ionisierungszonen herausgezogenen Ionen.

Bei den bekannten Ionenquellen dieser Art kann die Ionisierung jeweils nur mit einer bestimmten Energie durchgeführt werden. Die zweite Ionisierungszone wird dabei durch pin lonisationsmanometer gebildet, das ausschließlich dem Zweck der Druckmessung dient. Die darin wirksame Ionisierungsenergie ist fest vorgegeben und stets so hoch, daß die zugehörige Ionisierungswahrscheinlichkeit für alle Gaskomponenten maximale Werte hat. Es ist aber bekannt, daß die Ionisierungswahrscheinlichkeit sowohl "on der Art eines Gases als auch der zur Ionisierung benutzten Energie abhängig ist. Bei der Untersuchung von Gasgemischen durch Ionisierung und lonenstrommessung gelangt man daher bei Anwendung verschieden hoher Ionisierungsenergien zu verschieden großen prozentualen Beiträgen der einzelnen Gaskomponenten am Zustandekommen des GesamtioDenstromes, sobald für die verschiedenen Komponenten verschieden große Ionisierungswahrscheinlichkeiten vorliegen. Es ist bekannt, diesen Effekt durch Veränderung der Ionisierungsenergie in einer Ionisierungszone zum Analysieren von Gasgemischen auszunutzen (USA.-Patentschrift 2 836 790).

ίο Eine solche Messung ist umständlich und zeitraubend und ist Fehlereinflüssen durch zeitliche Schwankungen der Gaszusammensetzung während der Messung unterworfen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ionenquelle der eingangs bezeichneten Art so auszubilden, daß sie, unter Ausnutzung der bekannten Abweichung der Funktionen der Ionisierungswahrscheinlichkeit für verschiedene Gase, eine Verfeinerung der Meßergebnisse zuläßt, die auch durch zeit-

ao liehe Schwankungen in der Zusammensetzung der Gasgemische nicht beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, daß in mindestens zwei Ionisierungszonen die Ionisierungsenergien so unterschiedlich groß bemessen sind, daß für bestimmte Komponenten der Gasmischung die Ionisierungswahrscheinlichkeiten sich stärker unterscheiden als für die übrigen Komponenten. Da die verschiedenen Ionisierungsprozesse hierbei im gleichen Gasraum und gleich- zeitig stattfinden, unterscheiden sich die erzeugten Ionenströme nur nach Maßgabe der verschiedenen Funktionen der Ionisierungswahrscheinlichkeiten voneinander.

Die lonisierungszonen können durch Teilstrecken derselben Elektronenflußstrecke gebildet werden und von auf verschieden hohen Beschleunigungspotentialen liegenden Ionisierungskammern mit Durchtrittsöffnungen für die Elektronen umschlossen sein. Die Ionisierung erfolgt hierbei also in getrennten Ionisierungsräumen, die so hintereinandergeschaltet sind, daß ein einziger ionisierender Elektronenstrahl die lonisierungszonen nacheinander mit verschiedener Energie durchläuft. Dies hat den Vorteil der Unabhängigkeit von etwaigen Schwankungen der Elektronenquelle.

Die Ionisierungseinrichtung kann aber auch aus mehreren Elektronenflugstrecken, denen auf verschieden hohen Beschleunigungspotentialen liegende, je eine Ionisierungszone umschließende Ionisierungskammern mit Durchtrittsöffnungen für die Elektronen zugeordnet sind, bestehen. Dabei läßt sich auf einfachere Weise eine gute Abschirmung der verschiedenen lonisierungszonen gegeneinander erzielen.

Die Mehrfachionisierung läßt sich insbesondere überall dort mit Vorteil anwenden, so es sich darum handelt, bestimmte Gaskomponenten eines Gasgemisches, wie z. B. das als Testgas oder Trägergas verwendete Helium, bei der Messung besonders hervorzuheben oder zu unterdrücken. So läßt sich das Verfahren bei der Lecksuche, insbesondere mit Helium als Testgas, vorteilhaft anwenden, indem man zweifach ionisiert und die Ionisierungsenergien so wählt, dab für die Komponente Helium die Ionisierungswahrscheinlichkeiten in den beiden Ionisierungszonen sich stärker unter' .heiden als für die übrigen Komponenten. Wenn man dazu die aus den beiden Ionisierungsprozessen abgeleiteten, an den Auffängern für die beiden Ionisierungszonen verfüg-

³. ⁴

baren Ströme m einer an die Auffänger angeschlos- schieden, für das übrige Gasgemisch jedoch weniger

senen gemeinsamen Meßbrücke vor Eindringen des unterschiedlich sind. ~

Testgases auf Null abgeglichen hat, so wird der Benutzt man als Testgas das für die Lecksuche am

Nullabgleich durch das eintretende Testgas empfind- besten seeianete Helium, so wird man zweckmäßig

lieh gestört. 5 die Energie der Elektronen für die erste Ionisie-

Weiter laßt sich die Hochvakuum-Ionenquelle mit rungszone 1 etwas unter der Ionisierungsschwelle für mehreren Ionisierungszonen allgemein als Ionen- Helium erhalten (24 V) und alsdann die Energie quelle für Systeme zur Massentrennung benutzen. zwischen beiden Ionisieruneszonen 1 und 2 so weit Durch genügend niedrige Elektroneneneigie, die für erhöhen, daß in der zweiten Ionisierungszone 2 für die Ionisierung des als Trägergas benutzten Heliums io alle Moleküle nahezu maximale Ionisierungswahrüichi ausreicht, gewinnt man bei dem einen Ionisie- scheinlichkeit herrscht. Die von Ionenauffäsgern 5 ruügsprozeß einen Ionenstrom, der ein Maß für den und 6 abgeleiteten Ströme werden zwei Gleichstrom-Partialdruck einer aus dem Säulenende eines Gas- verstärkern 7 und 8 zugeführt und in einer für mascbromatogvaphen austretenden Fraktion der Probe senspektrometrische Doppelauffäneermessungen beabgibt. Durch den anderen, mit höherer Energie i₅ kannten Kompensationsschaltung auf Null abgeglidurchgeführten Ionisierungsprozeß gewinnt man die chen. Dieser Nullabgleich ist unabhängig von im Massenspektrometer nach ihrer Masse zu tren- Stromstärkeschwankungen des Elektronenstrahls nenden Ionen mit optimaler Intensität. Man kann und von Druckschwankungen, da ja beide Ionisiedamit die am Ausgang des Massenspektrometer ge- rungszonen 1 und 2 von dem gleichen Elektronenwonnenen lonenströme zu dem jeweils herrschenden 20 strahl durchlaufen werden und in beiden der gleiche Partialdruck der betreffenden Komponente in un- Druck herrscht,
mittelbare Beziehung bringen. D_er Nullabgleich wird ohne Testgas vorgenom-

Die Erfindung sei an einigen Ausführungsbeispie- men und dann gestört, wenn Testgas in das lonisa-

len veranschaulicht tionsmanometer eindringt und dadurch in der Ioni-

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine 25 sieiungszone 2 eine überschüssige Ionisierung statt-

Vorrichtung zur Doppelionisierung nach der~Erfin- findet,

dung zum Testgasnachweis, D;_e beschriebene Anordnung stellt eine sehr ein-

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Ein- fache und empfindliche Kompensationsmethode für

richtung zur Gasanalyse mit Doppelionisierung zur den Nachweis von Heliumionen dar und ist beson-

Totalionenstrommessung und Messung .on Einzel- 30 ders gut für die Lecksuche geeignet. Sie kommt dar-

ionenströmen in einem Massenspektrometer. über hinaus auch für die quantitative Analyse binä-

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Beispiel der An- rer Gemische für einfache Betriebskontrollmessun-

wendung einer Doppelionisierung handelt es sich um gen in Betracht, wobei die Voraussetzung gemacht

ein Gerät zur Lecksuche. werden muß, daß das Verhältnis der Ionisierungs-

Es ist bekannt, daß man ein Leck in einer Va- 35 Wahrscheinlichkeit in beiden Ionisierungszonen für

kuumapparatur an einer Änderung der Druckanzeige beide Komponenten A und B ausreichend unter-

cines an die Apparatur angeschlossenen Ionisations- schiedlich ist. Sind E_lA, E_2A, E_lB und E_iB die Ioni-

rnanometers erkennen kann, wenn men die undichte sierungswahrscheinlichkeiten für die beiden Gaskom-

Stelle von außen mit einem Testgasstrahl besprüht. ponen'.en A und B in den beiden Ionisierungszo-

Die Änderung der Druckanzeige beruht darauf, daß 40 nen 1 und 2, so muß also für die Messung die Be-

die lonisierungswahrscheinlichkeit für das Testgas, dingung erfüllt sein:
z.B. Helium, eine andere ist als für das Gasgemisch

aus Restgas in der Vakuumapparatur und von außen E*a , ^b

eindringender Luft. Die Nachweisempfindlichkeit der £ ₍ En'
herkömmlichen Lecksuchmethode ist allerdings nicht 45

sehr groß, weil die Anzeigegrölie eine Differenz Man mißt in diesem Falle die beiden Tonenströme zweier viel größerer Stromwerte ist, deren Schwankungen im wesentlichen durch die Schwankungen des h ~ K (E ι α ' Ca + ^i ß " ^s) >
ionisierenden Elektronenstromes und durch Schwan- I_n = K (E„_A · C₄ 4- E _B ■ C_n).
kungcn des Drucks in der Vakuumapparatur 50

(Schwankungen in der Pumpgeschwindigkeit, Gas- Damit hat man zwei unabhängige Gleichungen für

ausbräche oder variables Leck) bedingt sind. die Errechnung der unbekannten Konzentratio-

Um die Nachweisempfindlichkeit zu verbessern, nen C_A und C_B zur Verfügung. Die Ionisierungsist das lonisationsmanometer nach Fig. 1 so ausge- Wahrscheinlichkeiten müssen aus Eichmessungen an bildet, daß zwei Ionisierungszonen 1 und 2 nach- 55 den reinen Komponenten bekannt sein. Die beschrieeinandei von eiern gleichen Elektronenstrahl 3 durch- bene Analysenmethode ist besonders in den Fällen laufen werden, wobei die Elektronen mit einer Hpfi- von Interesse, in denen eine einfache Apparatur genierten Energie CV₁ in die Ionisierungszone 1 eintre- wünscht wird, die geforderte Meßgenauigkeit nicht ten, nach Verlassen derselben auf eine höhere Ener- zu groß ist und eine kontinuierliche Messung an zeitgie <?F„ beschleunigt werden und mit dieser neue?¹ 60 Hch veränderlichen Gemischen vorgenommen wer-Energie in die Ionisierungszone 2 eintreten, um den soll. Sie läßt sich mit der Anordnung von drei schließlich nach Durchlaufen derselben auf einen und mehr Ionisierungszonen hintereinander auf die Auffänger 4 zu fallen. Durch einen gestrichelt ein- Analyse von drei- und mehrkomponentigen Gemigezeichneten Magneten 5a kann eine Bündelung und sehen erweitern.
Stabilisierung des Elektronenstrahls erreicht werden. 65 Für die Anwendung der Doppelionisierung für die

Die Elektronenenergien eV\ und eV.₂ werden so Lecksuche mit Helium als Testgas ist es besonders

gewählt, daß die lonisierungswahrscheinlichkeit für vorteilhaft, wenn die Doppelionenquelle mit Hilfe

das Tesigas h. beiden Ionisierungszonen stark ver- einer Ionengetterpumpe abgepumpt wird, da die

Saugleistung dieser Pumpenart für Helium sehr viel kleiner ist als für andere Gase, so daß sich in bezug auf die einströmende Gasmenge für Helium ein höherer Partialdruck in den lonisierungszonen einstellt als für das übrige Gasgemisch.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Anwendungsbeispiel handelt es sich um eine Doppelionisierung in einem Massenspektrometer, das zur Gasanalyse in Verbindung mit einer gaschromatographischen Trennsäule dient. Dabei findet in einer ersten Ionisierungszone 11 mit geringerer lonisierungsenergie und einer zweiten Ionisierungszone 12 mit grö??rer Energie eine Ionisierung des in den gemeinsamen Hochvakuumraum des Massenspektrometer eingelassenen Gasgemisches statt. Die lonisierungszonen werden nicht wie im ersten Beispiel vom selben Elektronenstrahl nacheinander durchlaufen, sondern von getrennten Elektronenstrahlen 13 und 14. Infolgedessen besteht auch keine direkte räumliche Verbindung der beiden lonisierungszonen über den Weg der Elektronenstrahlen. Für die aus der Ionisierungszone 11 extrahierten Ionen ist ein Auffänger 15 vorgesehen. Die Ionisierungszone 11 dient zur Totalionenstrommessung, während die Ionisierungszone 12 zur Erzeugung von Ionen für die massenspektrometiische Messung dient. Sie ist zu diesem Zweck mit einem Fenster und einer an sich bekannten Ionenoptik 16 zur Erzeugung eines Ionenstrahles 17 im Trennrohr des Massenspektrometers versehen.

Die Elektroenergien für die beiden Ionisierungsprozesse werden so gewählt- daß die Ionisierungswahrscheinhchkeiten für das Trägergas Helium des gaschromatographischen Gemisches in beiden lonisierungszonen stark verschieden, für das übrige Gasgemisch jedoch weniger unterschiedlich sind. Dadurch ist es möglich, das in der Messung störende Trägergas Helium aus der Totalionenstrommessung weitgehend auszuschließen.

In der zweiten Ionisierungszone 12 wird dagegen mit einer so hohen Elektronenenergie gearbeitet, daß ein maximale Ionenausbeute für die massenspektrometrische Messung erzielt wird. Da bei dieser Messung ohnehin eine Trennung in die einzelnen Komponenten stattfindet, stört hier die Anwesenheit von Ionen des Trägergases nicht. Bei der massenspektro-

•_o metrischen Messung weiden dann die Ionenströme der einzelnen Gaskomponenten zu dem Totalionenstrom am Auffänger 15 ins Verhältnis gesetzt.

Im Rahmen der Erfindung sind noch mancherlei andere Ausführungsformen und Anwendungen möglieh. Eine spezielle Anwendung der Doppelionisierung ist z. B. für die Ausbildung der Ionenquelle in einem Massenspektrometer denkbar. Wenn man ein Massenspektrometer mit einer in zwei lonisierungszonen aufgeteilten Ionenquelle ausstattet, so daß die

ao Spalte zur Hälfte mit Ionen ausgeleuchtet werden, die durch Elektronen der Energie e V₁ erzeugt sind, und zur anderen Hälfte mit Ionen gleicher Masse, die durch Elektronen der Energie eV„ erzeugt sind, und fängt man diese beiden verschiedenen lonenarten mit zvei verschiedenen Auffängersystemen gleichzeitig auf, so erhält man gleichzeitig zwei M?ssenspektren für verschiedene Ionisierungsbedingungen und damit eine doppelte Analysenaussage. Dies gibt nicht nur die Möglichkeit zu einer Kontrolle und zur Erhöhung der Meßgenauigkeit, sondern ist besonders wertvoll in solchen Fällen, in denen zwei verschiedene lonenarten die gleiche Stelle der Massenskala belegen, wie z. B. CO und N₂. Aus dem Doppelspektrum läßt sich in solchen Fällen errechnen, wie groß das Häufigkeitsverhältnis von CO und N, ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hochvakuum-Ionenquelle mit Einrichtungen zur Erzeugung örtlich konzentrierter Ionisierungsenergien in getrennten Ionisierungszonen im Hochvakuumraum der Anordnung und getrennten Auffängersystemen für die aus den Ionisierungszonen herausgezogenen Ionen, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens zwei Ionisierungszonen dia Ionisierungsenergien so unterschiedlich groß bemessen sind, daß für bestimmte Komponenten der Gasmischung die IonisierungswahrscheinlichkeiteD sich stärket unterscheiden als für die übrigen Komponenten.

2. Hochvakuum-Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Komponente Helium die Ionisierungswahrscheinlichkeiten in den beiden Ionisierungszonen sich stärker unterscheiden als für die übrigen Komponenten.

3. Hochvakuum-Ionenquelle nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisierungszonen durch Teilstrecken derselben Elektronenflußstrecke gebildet werden und von auf verschieden hohen Beschleunigungspotentialen liegenden Ionisierungskammern mit Durchtrittböfinungen für die Elektronen umschlossen sind.

4. Hochvakuum-Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisierungseinrichtung aus mehreren Elektronenflugstrecken besteht, denen auf verschieden hohen Beschleunigungspotentialen liegende, je eine Ionisierungszone umschließende Ionisierungskammem mit Durchtrittsöffnungen für die Elektronen zugeordnet sind.

5. Hochvakuum-Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffänger für die beiden Ionisierungszonen an eine gemeinsame Meßbrücke angeschlossen sind.

6. Verwendung einer H'^hv.l.aum-Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Ionenquelle für Systeme zur Massentrennung.