DE1962617A1

DE1962617A1 - Ionenquelle fuer Massenspektrometer

Info

Publication number: DE1962617A1
Application number: DE19691962617
Authority: DE
Inventors: Wallington Michael John
Original assignee: Associated Electrical Industries Ltd
Current assignee: Associated Electrical Industries Ltd
Priority date: 1968-12-17
Filing date: 1969-12-13
Publication date: 1970-07-16
Also published as: US3849656A; SE356396B; FR2026374A1; NL6918712A; GB1252569A

Description

Patentanwälte

Dr.-Ing. Wilhelm Reichel
Dipl-Ing. Woligang ReiGhel

6 i-'iQx2:.L::i a. M. 1
Parksiraße 13

6129

ASSOCIATED ELECTRICAL INDUSTRIES LIMITED, London, W.1, England

Ionenquelle für Massenspektrometer

Die üblichen, mit Elektronenstrahl arbeitenden Ionenquellen für Massenspektrometer enthalten eine evakuierbare Ionisationskammer, eine Einlaßöffnung zum Einführen ein oder mehrerer dampfförmiger Proben in die Ionisationskammer, ein Elektronenstrahlerzeugungssystem zum Ionisieren der Probe oder der Proben durch Elektronenbombardment in einem Ionisierungsbereich der Ionisationskammer und ein Elektrodensystem zum Beschleunigen der so erzeugten Ionen und zur Herstellung eines Ionenstrahls.

Es ist allgemein üblich, in der Ionenquelle zwei Proben zu verwenden, von denen die eine eine Vergleichsverbindung mit einer großen Anzahl von spektralen Maxima bei genau bekannten Massen und die andere eine Probe mit spektralen Maxima bei unbekannten Massen ist, die durch Vergleich der Maxima der Probe mit den Maxima der Vergleichsverbindung herausgefunden werden sollen.

Der im Ionenstrahl von Jeder der beiden Proben hervorgerufene "Ionenstrom sollte so groß wie möglich sein. Eine Möglichkeit zur Erhöhung des Ionenstroms besteht darin, den ionisierenden Elektronenstrom zu erhöhen, der allgemein maximal zwischen 0,5 " und 1 mA beträgt, wobei der Grenzwert durch die Lebensdauer der emittierenden Katode festgelegt ist. Der lonenstrom des

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Ionenstrahls kann auch durch Erhöhung des Drucks im Ionisierungsbereich der Ionisationskammer erhöht werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei ausreichend hohem Elektronenstrom und gleichzeitig einem oberhalb eines kritischen Wertes liegenden Gesamtdruck der beiden Proben im Ionisierungsbereich die Erhöhung des Partialdruckes einer der Proben einen Abfall der Zahl der Ionen . der anderen Probe im Ionenstrahl zur Folge hat und umgekehrt. Dies bedeutet, daß das Einführen der Vergleichsverbindung zu einem Absinken der Intensität der zu messenden spektralen Maxima führt, was sehr nachteilig ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden und eine Einrichtung zu schaffen, mittels der von beiden genannten Probenarten höhere Ionenströme erhalten werden können.

Eine erfindungsgemäße Ionenquelle für Massenspektrometer enthält dazu eine evakuierbare Ionisationskammer, eine Einrichtung zum Einführen mindestens zweier verschiedener Proben in Dampfform in bestimmte Ionisierungsbereiche der Ionenkammer, eine Einrichtung zum Unterdrücken der Wanderung der verdampften Proben zwischen diesen beiden Ionisierungsbereichen, mindestens ein Elektronenstrahlerzeugungssystem zur Ionisierung der Proben durch Elektronenbombardement in den beiden Ionisierungsbereichen und ein Elektrodensystem zum Beschleunigen der auf diese Weise erzeugten Ionen und zum Herstellen eines Ionenstrahls, der Ionen beider bzw. aller Proben enthält.

Die Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben, auf das die Erfindung jedoch nicht beschränkt / ist.

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Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine übliche, mit Elektronenbeschuß arbeitende Ionenquelle.

Die Fig. 2 zeigt graphisch die Abhängigkeit des Ionenstroms vom Druck im Ionisierungsbereich bei einer üblichen Ionenquelle.

Die Fig. 3 zeigt graphisch die Wirkung einer Erhöhung des Partialdruckes der einen Probe auf den durch die andere Probe bewirkten Teil des Ionenstroms bei einer üblichen Ionenquelle.

Die Fig. 4 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Ionenquelle.

Gemäß Fig. 1 enthält eine mit Elektronenbombardement arbeitende Ionenquelle eine evakuierbare Ionisationskammer 1, in' die durch nicht gezeigte Eintrittskanäle verdampfte Proben eingeführt werden können. In der Ionisationskammer wird mittels eines nicht gezeigten Strahlerzeugungssystemi ein Elektronenstrahl erzeugt, der in einer zur Zeichenebene senkrechten Ebene durch einen Ionisierungsbereich 2 der Ionisationskammer geführt wird, so daß in diesem Ionisierungsbereich 2 aus den verdampften Proben durch Elektronenbeschuß Ionen gebildet werden. Die. gebildeten Ionen werden dann mittels eines Elektrodensystems beschleunigt und in einen Strahl fokussiert, wobei das Elektrodensystem eine Reflektorplatte 3, einen in einer Wand der Ionisationskammer 1 ausgebildeten Ionenaustrittsspalt 4, zwei Zentrierplatten. 5 und einen geerdeten Spalt 6 aufweist, durch den die Ionen in den nicht gezeigten magnetischen Analysator des Spektrometers eintreten.

In Fig. 2 ist der Ionenstrom I^ einer solchen Ionenquelle experimentell als Funktion des Druckes ρ im Ionisierungsbereich 2 für verschiedene Werte des ionisierenden Elektronenstroms I_e aufgezeichnet. Venn I_e relativ klein ist, dann nimmt I^ linear "mit ρ zu. Dies ist aus Kurve A ersichtlich, die für I_e = 20 Mikroampere aufgenommen worden ist. Die Kurve B veranschaulicht dagegen die bei einem relativ großen ionisierenden Elektronen-

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strom (I₀ = 500 Mikroampere) aufgenommenen Meßergebnisse. In diesem Fall nimmt I^ mit ρ bis zu einem kritischen Wert von etwa 3*10" Torr zunächst linear, oberhalb dieses kritischen Druckes bis zu einem Wert von etwa 10 Torr viel weniger stark und von dort ab im wesentlichen wieder linear zu (Kurve B). Bei relativ großem I ist daher die Zunahme von I^ pro Einheit der Druckzunahme unterhalb des kritischen Druckes sehr viel größer als oberhalb des kritischen Druckes.

In Fig. 3 ist die Wirkung von zwei Proben in der Ionenquelle gezeigt, wobei als eine Probe Stickstoff und als andere Probe die im folgenden mit Heptacosa bezeichnete chemische Verbindung Heptacosafluorotributylamin, ein fluorierter Kohlenwasserstoff, verwendet ist. Die.Fig. 3 zeigt die Änderung des durch Stickstoff bewirkten Stromanteils I_n des lonenstroms des Ionenstrahls, gemessen durch die Intensität des mittels des'magnetischen Analysatorsdes Massenspektrometer ermittelten Stickstoffmaximums, für den Fall, daß der Druck ρ durch Zugabe von Heptacosa in den Ionisierungsbereich vergrößert wird und der Partialdruck des Stickstoffs im Ionisierungsbereich 4,5*10" Torr beträgt.

Die Kurve A zeigt die experimentellen Ergebnisse für I =20 Mikroampdre. Bei diesem relativ kleinen ionisierenden Elektronenstrom ist der Stickstoffionenstrom unabhängig vom Druck p, was aus den in Fig. 2 gezeigten Ergebnissen vorausgesagt werden kann, da der lineare Anstieg des Ionenstrahlstroms I^ (die Summe der Stickstoff- und Heptacosa-Ionenstromanteile), obwohl der Anteil der Heptacosaionen im Ionenstrahl bei Zugabe von Heptacosa in den Ionisierungsbereich zunimmt, den Abfall des Anteils der Stickstoffionen im Strahl kompensiert, so daß der Stickstof fionenstrom konstant ist. Wie Kurve B in Fig. 3 (Jedoch zeigt, nimmt I^ bei einem relativ großen I_Q von 500 MikroampdrB bei Zugabe von Heptacosa schnell ab und fällt insbesondere um einen Faktor von etwa 7, wenn der Partialdruck des Heptacosa 4· 10" Torr (d.h. bei ρ = 8,5 · 10~⁶ Torr) erreicht, da nun der Ionenstrom I^ nicht schnell genug ansteigt, um den Abfall des Anteils der Stickstoff ionen im Strahl zu kompensieren. Andere

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Verbindlangen Jedoch, die einen im Vergleich zum Stickstoff größeren Ionisierungsquerschnitt aufweisen, weisen einen ge-, ringeren Abfall auf, wenn ähnliche Mengen an Heptacosa zugegeben werden.

Gemäß Fig. 4 enthält eine erfindungsgemäße Ionenquelle eine Ionisationskammer 10 aus rostfreiem Stahl, die durch eine mittlere Zwischenwand aus rostfreiem Stahl in zwei Abschnitte geteilt ist, wobei in jeden Abschnitt mittels separater Eintrittskanäle 17 gasförmige Proben eingeführt werden können. Durch getrennte, nicht gezeigte Strahlerzeugungssysteme wird für jeden Abschnitt der Ionisationskammer je ein Elektronenstrahl erzeugt, der in einer zur Zeichenebene senkrechten Ebene durch je einen lonisierungsbereich 12 in dem ihm zugeord- " neten Abschnitt der Ionisationskammer geführt wird, so daß die Moleküle der in diesem Abschnitt befindlichen gasförmigen Proben ionisiert werden. Die Ionisierungsenergien der beiden Elektronenstrahlen sind zweckmäßigerweise gleich, können im Einzelfall jedoch auch unterschiedlich..-sein.

Jeder Abschnitt der Ionisationskammer 10 enthält eine Reflektorplatte 13 aus rostfreiem Stahl, wobei die beiden Reflektorplatten 13 auf einer gemeinsamen isolierenden Keramikplatte montiert sind.

Beim Betrieb der Ionenquelle werden die in den Ionisierungsbereichen 12 erzeugten Ionen durch die auf negativem Potential befindlichen Reflektorplatten 13 umgelenkt und durch einen Ionenaustrittsspalt 14 in der Wand der Ionisationskammer 10 beschleunigt. Dabei vereinigen sich die aus den beiden Abschnitten der Ionisationskammer austretenden Ionen zu einem einzigen Ionenstrahl 20. Die Kanten bzw. Ränder der Zwischenwand 11 und des lonenaustrittsspaltes 14 sind so geformt, daß das Heraussaugen der Ionen aus der Ionisationskammer und die Bildung eines einzigen Ionenstrahls erleichtert werden. So ißt beispielsweise der Ionenaustritts spalt 14 von innen nach außen abgeschrägt und besitzt auf der Innenseite der Ionisa-

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tionskammer eine Breite von 2,4 mm und auf der Außenseite der Ionisationskammer eine Breite von 0,7 mm. Der an den Ionenaustrittsspalt 14 angrenzende Rand der Zwischenwand kann in entsprechender Weise abgeschrägt sein.

Der Ionenstrahl 20 wird beschleunigt und fokussiert durch ein Elektrodensystem, welches den Ionenaustrittsspalt 14, zwei den Strahl zentrierende Zentrierungsplatten 15 und einen geerdeten Austrittsspalt 16 aufweist, der zu dem nicht gezeigten Analysator des Massenspektrometers führt. Der Analysator kann beispielsweise so ausgebildet sein, wie es in der britischen Patentschrift 1 114 005 beschrieben ist.

Die Ionisationskammer wird mittels einer nicht gezeigten Pumpe, die außerhalb der Ionisationskammer angeordnet ist, durch den Ionenaustrittsspalt 14 hindurch evakuiert. Auf diese V/eise diffundiert nur ein Bruchteil der nichtionisierten Moleküle, die aus einem der beiden Abschnitte der Ionisationskammer entschlüpfen, in den anderen Abschnitt der Ionisationskammer, während der Rest der Moleküle durch den Ionenaustrittsspalt 14 in die Pumpe abgesaugt wird.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Einrichtung diffundieren nicht mehr als 12% der in den einen Abschnitt der Ionisationskammer 10 gegebenen dampfförmigen Proben in den anderen Abschnitt der Ionisationskammer. Wenn daher beispielsweise der Druck einer Vergleichsverbindung in dem einen Abschnitt der Ionisationskammer acht Mikrotorr beträgt, was einem hei Betriebsbedingungen üblichen Druck entspricht, dann beträgt der Partialdruck der Vergleichsverbindung in dem anderen Abschnitt der Ionisationskammer, in dem sich eine unbekannte Probe befindet, nur _f etwa ein Mikrotorr, was im allgemeinen ausreichend klein ist, so daß der Beitrag der Probe zum Ionenstrahlstrosi nicht gestört wird.

Bei einer anderen Ausführungsform der beschriebenen Ionenquelle, sind die Reflektorplatten nicht planar sondern so geformt, daß

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sie die Bildung eines einzigen Ionenstrahls unterstützen. Die Ränder bzw. Kanten des IonenaustrittsSpaltes können elektrisch voneinander isoliert sein, damit man durch Einstellung der Potentiale der beiden Kanten des Austrittsspaltes Ungenauigkeiten der Geometrie der Ionenquelle kompensieren kann. Hierdurch können für beide Hälften der Ionenquelle gleichzeitig optimale Betriebsbedingungen eingestellt werden.

Bei einer anderen Kodifikation der beschriebenen Ionenquelle werden die beiden Elektronenstrahlen anstatt durch zwei separate Strahlerzeugungssysteme mit Hilfe eines einzigen Elektronen- etrahlerzeugungssystems erzeugt.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise kann die beschriebene Ionenquelle mit mehr als einer in den entsprechenden Abschnitt der Ionisationskammer gegebenen Vergleichsverbindung betrieben werden·

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Claims

Patentansprüche

My Ionenquelle für Massenspektrometer, enthaltend eine evakuierbare Ionisationskammer, Einlaßöffnungen zum Einführen mindestens zweier verschiedener, dampfförmiger Proben in die. Ionisationskammer, mindestens ein Elektronenstrahlerzeugungssystem zum Ionisieren der in die Ionisationskammer gegebenen Proben durch Elektronenbombardment und ein Elektrodensystem zum Beschleunigen der erzeugten Ionen und zum Erzeugen eines Ionenstrahls, der von beiden bzw. allen Proben Ionen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationskammer (10) mindestens zwei Ionisierungsbereiche (12) aufweist, denen die ihnen zugeordneten Proben zur Ionisierung zuführbar sind, und daß eine Einrichtung (11) vorgesehen ist, mittels der eine Wanderung der dampfförmigen Proben zwischen den beiden Ionisierungsbereichen (12) verhindert ist.
2. Ionenquelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Ionisierungsbereichen (12) eine Zwischenwand (11) vorgesehen ist.
•3. Ionenquelle nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Abführen der Ionen aus der Ionisationskammer ein Ionenaustrittsspalt (14) vorgesehen ist, dessen Ränder bzw. Kanten so geformt sind, daß der Abzug der Ionen aus der Ionisationskammer und die Bildung eines einzigen Ionenstrahls erleichtert werden.
4. Ionenquelle nach Anspruch 3»

dadurch gekennzeichnet, daß die an den Ionenaustrittsspalt (14) angrenzenden Ränder der Zwischenwand (11) derart abgeschrägt sind, daß das Absaugen der Ionen aus der Ionisationskammer und die Bildung eines einzigen Ionenstrahls erleichtert werden.

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5. Ionenquelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

• daß die Ionisationskammer (10) beim Betrieb durch den Ionenaustritts spalt (14) hindurch mittels einer außerhalb der Ionisationskammer angeordneten Pumpe evakuierbar ist.
6. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Ionisierungsbereich (12) eine separate Reflektorplatte (13) zum Beschleunigen der in ihm erzeugten Ionen in Richtung des lonenstrahls vorgesehen ist.
7. Ionenquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorplatten (13) so geformt sind, daß die Bildung eines einzigen lonenstrahls gefördert wird.
8. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzei c h net, daß zum Abführen der Ionen aus der Ionisationskammer ein Ionenaustritt sspalt (14) vorgesehen ist, dessen beide Ränder elektrisch voneinander isoliert sind.
9. Massenspektrometer, enthaltend eine Ionenquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8.

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