DE19758512C2 - Ionenmobilitätsspektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ionenmobilitätsspektrometer mit einer Ionen­ quelle, die eine Trägerschicht mit radioaktiven Materialien zur Erzeugung von α- oder niederenergetischer β-Strahlung enthält.

Ein solches Ionenmobilitätsspektrometer ist bekannt aus der Druckschrift DE 195 13 459 A1. Betastrahlung von dem radioaktiven Material Ni-63 ionisiert ein in eine Reaktionszone des Ionenmo­ bilitätsspektrometers eingebrachtes Trägergas. Es wird auch beschrieben, ggf. anstelle von Ni-63 auch Am-241 oder Tritium als radioaktives Material zu verwenden.

Ionenquellen sind weiter beispielsweise bekannt aus dem Prospekt "In­ dustrial gauging and analytical instrumentation sources" der Firma Amers­ ham, England (Juli 1996). Dort ist auf Seite 29 eine Tritiumquelle für nie­ derenergetische Strahlung beschrieben. Das Tritium ist in einer dünnen Titanschicht auf einer Edelstahl oder Kupferfolie absorbiert mit einer Flä­ che von 30 . 10 mm² und einer Dicke von 0,25 mm. Die Maximalaktivität ist mit 500 mCi angegeben.

Das Problem üblicher im Handel erhältlicher Tritiumquellen besteht darin, daß das Tritium lediglich in ein Trägermaterial (Metall) hineindiffundiert ist (physisorbiert) und nicht fest gebunden ist (chemisorbiert).

In einem weiteren Prospekt (4304/990R1.000) der Firma Amersham Buchler, Braunschweig werden Alpha/Beta-Referenzstrahler-Typ 16/25 angeboten. Diese umfassen u. a. den Alphastrahler Am-241 mit Aktivitäten zwischen 185 Bq und 3 kBq. Der radioaktive Stoff ist homogen in die O­ berfläche einer eloxierten Aluminiumfolie mit dem Durchmesser 16 mm und der Dicke 0,3 mm eingebracht. Die Dicke der von der Oberfläche aus aktivierten Schicht beträgt ca. 5 Mikrometer.

Eine gängige Alternative ist ebenfalls, daß sich der radioaktive Stoff, z. B. Americiumoxid, in einer etwa 2 Mikrometer dicken Goldschicht und einer etwa 2 Mikrometer dicken Deckschicht aus Gold-Palladium-Legierung auf einem etwa 0,2 mm dicken Träger aus Silber befindet.

Das Implantieren von radioaktiven Materialien - speziell Krypton-Ionen - in eine als Metallfolie ausgebildete Trägerschicht ist an sich aus der Druckschrift Abstracts zu JP 53-134 199 A2 bekannt. Die Implantation ist großflächig und beidseitig in einem geschlossenen Band mit dem Ziel, einer dauerhaften Bindung des Krypton-Gases. Eine Verwendung als ra­ dioaktive Quelle für α- oder niederenergetische β-Strahlung ist nicht an­ gesprochen.

Die Erzeugung von Ionen ist wie der Name schon sagt, eine grundlegen­ de Voraussetzung bei der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS). Hierfür ha­ ben sich relativ niederenergetische, radioaktive, ionisierende Strahlungs­ quellen mit einer Reichweite in Umgebungsluft von einigen Millimetern bewährt. Bei einer Miniaturisierung eines IM-Spektrometers unter Ver­ wendung von mikrostrukturtechnischen Verfahren, z. B. auf Silizium (Si)- Basis, sind die bekannten Ionenquellen aufgrund ihrer Bauform und - größe jedoch nur bedingt einsetzbar.

Es besteht daher der Bedarf nach Ionenmobilitätsspektrometern mit Strahlungsquellen, die an die veränderte, i. a. verkleinerte Geometrie und Bauart angepaßt sind ohne dabei effektiv an Aktivität zu verlieren. Insbe­ sondere sollte nach Wegen gesucht werden, auch die Ionenquelle anleh­ nend an die Mikrostrukturtechnologie zu gestalten.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die radioaktiven Materialien in der Trägerschicht in einer Schicht im Abstand d von der Oberfläche der Trä­ gerschicht implantiert sind.

Dies hat den Vorteil, daß über die Implantationstiefe die Reichweite der radioaktiven Strahlung oberhalb der Oberfläche eingestellt werden und an die Geometrie des Ionenmobilitätsspektrometers angepaßt werden kann.

Ionenimplantation kommt z. Zt. als Standardverfahren zur Dotierung von Halbleitern oder zur Erzeugung vergrabener Schichten von Metallsilikaten zur Anwendung. Die radioaktiven Metallatome werden ionisiert, danach beschleunigt und auf die Oberfläche geschossen. Je nach Energie der Ionen sammeln sich die Metallatome gaußverteilt in einer bestimmten Materialtiefe an. Ein kurzer intensiver Temperschritt regeneriert sowohl den Kristall, kann aber bei geeigneten Parametern auch zu extrem scharfen Übergängen zwischen dem reinen und dotierten Halbleitermate­ rial führen.

Beispielsweise ist ²⁴¹Americium ein Alphastrahler. Mit einer Energie der Alphateilchen von ca. 5,4 MeV beträgt die Reichweite dieser Strahlung in Luft etwa 4 cm. Nach der Regel von Bragg und Kleemann beträgt die Reichweite der Alphateilchen R = R_Luftc m^1/2/ρ.

Dabei ist R die Reichweite, m die relative Atommasse des Materials, ρ seine Dichte und c = 3,2 × 10^-4 g cm^-3 eine Konstante. Mit den Werten für Silizium ergibt sich somit eine Reichweite von 85 µm. Das ist eine für Ionenimplantation mögliche Tiefe. Allerdings will man nicht erreichen, daß keine Strahlung den Kristall verläßt, sondern ihre Reichweite nur verkürzt wird. Eine Implantation in einer Tiefe von 60 µm sollte somit noch eine mittlere Reichweite von ca. 1 cm ermöglichen. Hierbei muß allerdings eine deutliche Verringerung der Strahlungsintensität in Kauf genommen werden.

Bezieht man sich wieder auf eine Grundfläche von 1 cm², so ist jetzt auch die Dicke der dotierten/implantierten Schicht entscheidend. Diese sollte nach obigen Überlegungen etwa 20 µm betragen. Das betreffende aktive Volumen ergibt sich so zu 0,002 cm³. Eine Ionenimplantation ist, je nach Material, bis zu einer Größenordnung von 10²² Ionen/cm³ zu realisieren. Es sei hier zunächst einmal 10²¹ als Wert gewählt.

²⁴¹Americium hat eine Halbwertszeit von ca. 432,6 Jahren. Pro Jahr zerfallen somit 1,6 × 10¹⁸ Kerne, was eine spezifische Aktivität unseres Materials von 5 . 10¹⁰ Bq/cm³ ergibt. Da unsere Schicht lediglich 0,002 cm³ beträgt, verringert sich die Aktivität entsprechend auf 10⁸ Bq/cm² in der aktiven Fläche. Geht man nun von einem Verlustfaktor der Strahlung von etwa 100 im Si aus, liegt die Quelle immer noch im Bereich von 1 MBq/cm². In der Tat wird der tatsächliche Wert wie im ersten Fall höher liegen, da auch hier die Abschätzungen nach unten abgesichert wurden. Durch Erhöhung der Implantationsrate bis zum Maximum von Am₂Si und Verbreiterung der Schicht implantierten Materials könnte die gewünschte Aktivität beliebig im Rahmen gewisser Grenzen eingestellt werden.

Vorzugsweise sind die implantierten Ionen Alphastrahler, insbesondere ²⁴¹Am. Dies hat den Vorteil, daß ihre Reichweite über die Implantationstiefe gut an die Dimensionen eines Ionenproduktionsraums eines IMS angepaßt werden kann.

In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist das Material der Oberfläche ein Halbleiter, insbesondere Silizium. Damit kann die Ionenquelle durch Implantation direkt in ein Bauteil aus handelsüblichem Halbleitermaterial integriert werden. Alle Vorteile dieser Technologie bleiben für dieses Bauteil erhalten, insbesondere kann es hochpräzise gefertigt, dotiert, beschichtet und kontaktiert werden.

In Ausführungsformen können auch andere Trägermaterialien verwendet werden, z. B. Metalle, in die die radioaktiven Ionen mit Abstand von der Oberfläche implantiert werden.

Die Erfindung wir anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Implantierte Schicht aus radioaktiven Ionen in einer Oberfläche einer Trägerschicht einer Ionenquelle.

In Fig. 1 ist äußerst schematisch eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die radioaktiven Atome der Ionenquelle (101) werden nicht an die Oberfläche 103 einer Trägerschicht 102 kovalent gebunden sondern mittels Ionenimplantation als Ionen in das Trägermaterial definiert eingeschossen, so daß sie in einer endlichen Tiefe d unterhalb der Oberfläche zur Ruhe kommen und dort eine Dotierungsschicht 104 bilden. Diese Schicht kann durch einen Temperschritt nachdem noch einmal gezielt definiert werden.

Wie bereits oben diskutiert, bietet sich diese Art der Ionenquelle für ein miniaturisiertes IMS besonders für den Alphastrahler ²⁴¹Am an. Durch Einstellen der Beschleunigungsspannung beim Implantieren kann die Tiefe d der Dotierungsschicht unter der Oberfläche recht gut definiert und angepaßt werden. Damit wird es möglich, die effektive Reichweite der Alphastrahlung oberhalb der Oberfläche an einen miniaturisierten Ionisationsraum des IMS anzupassen.

Vorzugsweise besteht die Trägerschicht aus einem Halbleitermaterial, insbesondere Silizium. In einem Ausführungsbeispiel ist der Strahler ²⁴¹Am, der Träger Si und die optimale Tiefe d = 60 Mikrometer. Der Ionisationsraum des IMS hat dann Lineardimensionen von etwa 1 cm.

Da die Fixierung der radioaktiven Atome durch Einschießen weit unter die Oberfläche erfolgt, kann als Trägermaterial anstelle des bevorzugten Halbleiters auch ein Metall verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Ionenquelle wird bevorzugt in einem miniaturisierten Ionen-Mobilitätsspektrometer eingesetzt. Die Merkmale der Erfindung gestatten es, einen verkleinerten Ionisationsraum vorzusehen und die Ionenquelle fertigungstechnisch in den Ionisationsraum zu integrieren.

Claims (6)

1. Ionenmobilitätsspektrometer mit einer Ionenquelle (101), die eine Trägerschicht mit radioaktiven Materialien zur Erzeugung von α- oder niederenergetischer β-Strahlung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die radioaktiven Materialien in der Trägerschicht (102) in einer Schicht (104) im Abstand d von der Oberfläche (103) der Trägerschicht (102) implantiert sind.

2. Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als radioaktives Material ²⁴¹Am implantiert ist.

3. Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (102) aus ei­ nem Halbleitermaterial besteht.

4. Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Trägerschicht (102) aus Silizium besteht.

5. Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen in einer Schicht (104) in der Tiefe d von mehr als 20 µm, vorzugsweise mehr als 50 µm, ins­ besondere bei etwa 60 µm unterhalb der Oberfläche (103) implantiert sind.

6. Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (103) der Trä­ gerschicht eben ist und daß die lineare Ausdehnung des Ionisations­ raums der Ionenquelle senkrecht zur ebenen Oberfläche (103) kleiner ist als 2 cm, vorzugsweise kleiner als 1 cm.