DE2019926A1

DE2019926A1 - Ionenquelle und Verfahren zum schnellen Ausstossen von lonen aus einer Ionenkammer

Info

Publication number: DE2019926A1
Application number: DE19702019926
Authority: DE
Inventors: Elliott Richard Martin
Original assignee: Associated Electrical Industries Ltd
Current assignee: Associated Electrical Industries Ltd
Priority date: 1969-04-28
Filing date: 1970-04-24
Publication date: 1970-11-05
Also published as: GB1298940A; US3731089A; FR2040313A1

Description

Patentanwälte

Dr.-Ing. Wilhelm Beichel Dipl-Ing; Wolf gang Beichel

6 Frankfurt a. M. 1
Parksiraße 13 '

ASSOCIATED ELECTRICAL INDUSTRIES LIMITED, London, England

Ionenquelle und Verfahren zum schnellen Ausstoßen von Ionen aus einer Ionenkammer

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der lonenquellen, insbesondere solcher lonenquellen, wie sie für Massenspektrometer verwendet werden.

Es sind zahli-eiche Ausführungsformen von lonenquellen bekannt, die bei der Massenspektrometrie verwendet werden. Die meisten dieser lonenquellen haben den Nachteil, daß die Ionen infolge des Feldverlaufs dieser lonenquellen in der Größenordnung von ein bis zehn Mikrosekunden in der Ionenquelle verweilen. Diese lange 'Verweilzeit hat verschiedene Nachteile. Als Beispiel sei nur erwähnt, daß eine zu kleine Anzahl von Molekularionen zur Analyse zur Verfügung steht. ■ ·.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Ionenquelle und eine Ionenquelle anzugeben, nach dem bzw. bei der die Ionen schneller als bei bekannten lonenquellen aus der Ionenquelle avisgestoßen werden, '

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BAD ORSGfNAL

Das Verfahren nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Ionen in der Ionenkammer einem elektrischen Feld ausgesetzt werden, das durch eine Elektrode erzeugt 'wird, die einer Feldionisationsquelle äquivalent ist und auf einem Potential gehalten wird, das unter demjenigen Potential liegt, das zur Ausbildung einer merklichen Feldionisation erforderlich ist.

Eine Weiterbildung besteht darin, daß die Ionen in der Ionenkammer nach einem anderen Ionisationsverfahren als dem der Feldionisation erzeugt werden und daß die Elektrode eine geladene Spitze oder Klinge, ein geladener Draht oder ein geladenes Bauteil mit einer ähnlich scharfen Kante oder einem ähnlich scharfen Rand ist und das elektrische Feld so gerichtet ist, daß es' Ionen aus der Ionenkammer ausstößt.

Vorzugsweise wird das Material durch Elektronenbeschuß ionisiert« Dies hat den Vorteil, daß der Wirkungsgrad besser als bei anderen Verfahren ist. Es können jedoch auch andere Verfahren zur Ionenbildung angewandt werden, so kann z.B. Ultraviolettstrahlung verwendet werden. Dies hat den Vorteil, daß dadurch nicht der Verlauf des elektrischen Feldes gestört wird, das zum schnellen Ausstoßen der Ionen aus der I'onenkammer verwendet wird.

Die Ionenquelle zeichnet sich dadurch aus, daß sie eine lonenkammer, eine andere Ionisiervorrichtung als eine Feldionisiervorrichtung zum Ionisieren eines in der Kammer angeordneten Materials und eine ein elektrisches Feld mit einem Gradienten und einer Intensität erzeugende Vorrichtung enthält, daß die Ionen mit hoher Geschwindigkeit aus der lonenkammer ausgestoßen werden, wobei zumindest ein Teil eines Bereiches innerhalb der lonenkammer, in dom das Material ionisiert wird, von gleicher AuscUu wie mindestens ein Teil des elektrischen Feldfuj ial

BAD ORIGINAL _

Eine Weiterbildung besteht darin, daß die das elektrische Feld erzeugende Vorrichtung eine Klinge, einen Draht, eine Nadel oder an Bauelement mit einer ähnlich scharfen ■ Spitze oder Kante enthält, wobei die das elektrische Feld erzeugende Vorrichtung auf einem Potential liegt, das niedriger als dasjenige Potential ist, bei dem eine merkliche Feldionisation in der lonenkammer stattfindet. /

Wenn als Ionisiervorrichtung eine das zu ionisierende Material mit Elektronen beschießende Vorrichtung verwendet wird, sollte der Verlauf der elektrischen und/oder magnetischen Felder in und/oder in der Nähe der lonenkammer so gewählt sein, daß die Elektronen und Ionen auf " verschiedenen Bahnen fliegen, so daß die durch den Elektronenbeschuß gebildeten Ionen nicht mit der Elektronenquelle zusammenstoßen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand von schematischen Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 stellt einen Querschnitt durch eine Ionenquelle ; nach der Erfindung dar.

Fig.. 2 stellt einen Längsschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel einer Ionenquelle nach der Erfindung dar.und

Fig. 3 stellt einen Querschnitt einer Ionenquelle dar, die der nach Fig. 2 ähnlich ,ist.

Die Ionenquelle nach Fig. .1 enthält eine lonenkammer 10, deren eine Wand durch eine lonenaustrittsschlitzplatte 12 gebildet ist. Längs der Ionenaustrittsbahn, außerhalb der lonenkammer 10 sind Strahlzentrierungsplatten 14 und 15 und ein lonenqucllenschlitz. 16 in an sich bekannter Weise '

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angeordnet.

Zwei Platten 18 und 19 sind in der Ionenkammer 10 angeordnet und würden bei einer herkömmlichen Ionenquelle eine einzige Platte sein, die als lonenabstoßer wirkt.

Eine Klinge 22 ragt durch eine langgestreckte Öffnung in der Kammer 10 in diese hinein und zwischen die Platten 18 und 19.

Die die erwähnten Bauteile der Ionenquelle halternden und gegenseitig isolierenden Vorrichtungen sind aus Gründen der Klarheit nicht dargestellt, da sie zudem in an sich bekannter Weise ausgebildet sein können.

Während des Betriebs ist die Ionenquelle in einem (nicht dargestellten) evakuierten Gehäuse auf der Eingangsseite eines Massenspektrometers oder eines anderen (nicht dargestellten) Gerätes angeordnet, in das die Ionen hineingeleitet werden sollen. Eine Probe des zu ionisierenden Materials wird in der lonenkammer 10 angeordnet und in an sich bekannter V/eise ionisiert, jedoch nicht durch Feldionisation. So kann das Material beispielsweise durch ultraviolette oder eine andere ionisierende Strahlung, die durch Öffnungen 24 in die Kammer 10 geleitet wird, ionisiert werden. Stattdessen oder zusätzlich kann auch ein Elektronenstrahl senkrecht zur Zeichnungsebene durch die Kammer 10 geleitet werden.

Ein anderes aus Gründen der Wirksamkeit als Alternative bevorzugtes lonisierverfahren wird im folgenden näher beschrieben. Ein Heizfaden 26 ist in Längsrichtung innerhalb der lonenkammer 10 angeordnet. Ein ebenfalls in. Längsrichtung ausgerichtetes Magnetfeld, dessen Umriß durch gestrichelte Linien 28 dargestellt ist, geht durch die Ionenkammer 10 hindurch. Während des Betriebs wird der

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Heizfaden 26 erwärmt, so daß er Elektronen emittiert, . und auf ein Potential in der Größenordnung von -10 bis -100 Volt gegenüber der Klinge 22 gelegt. Die emittier- · ten Elektronen fliegen auf einer etwa schraubenlinienförmigen Bahn in Richtung auf den Rand der Klinge 22, wo sie das Probenmaterial ionisieren. (Es kann auch eine höhere Spannung zwischen dem Heizfaden 26 und der Klinge 22 ausgebildet werden, doch hätten dann die Elektronen eine unerwünscht hohe Energie.j

Bei allen diesen Ionisierverfahren werden Ionen im Bereich des Randes der Klinge 22 erzeugt. Dadurch daß die Klinge 22 auf ein verhältnismäßig hohes Potential, z.B. 8000 Volt, gelegt wird, wird in demselben Bereich ein "

starkes elektrisches Feld erzeugt. Dieses elektrische Feld befördert die Ionen in sehr kurzer Zeit aus der lonenkammer 10, wobei diese Zeit wesentlich geringer als ein bis zehn Mikrosekunden ist, wie sie bei bekannten Ionenquellen benötigt wird. (Danach können die Ionen in an sich bekannter Weise durch die Strahlzentrierplatten 14 und 15 abgelenkt und durch den Ionenquellenschlitz hindurch in ein Massenspektrometer oder ein anderes Gerät geleitet werden). Die Kombination der Schärfe der Klinge 22 und die an sie angelegte Spannung kann wesentlich geringer als die bei einer Feldionisation erforderliche sein, so daß die Anforderungen an die Schärfe der Klinge | 22 geringer sind als bei entsprechenden Feldionisationsquellen. '

Eine mögliche Erklärung.für die Vorteile der Erfindung wäre, daß sich die*Ionen unmittelbar nach ihrer Bildung in einem Bereich mit einem sehr steilen elektrischen Gradienten befinden und daher sofort aus der Ionenquelle hinaus beschleunigt werden. Bei herkömmlichen Quellen werden die Ionen in einem Bereich mit verhältnismäßig niedrigem elektrischem Gradienten erzeugt, so daß eine .

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Verzögerung erfolgt, bevor sie den Feldbereich erreichen, in dem sie stark beschleunigt werden. Bekannte· Feldionisationsquellen bewirken zwar eine schnelle lönenextraktion, haben jedoch den Nachteil, daß sie zu wenig Ionen erzeugen.

In Fig. 2 ist in verkleinertem Maßstab eine Ionenquelle dargestellt, die im wesentlichen der Ionenquelle nach Fig. 1 gleicht, nur daß die Platten 18 und 19 weggelassen sind und in der V/and der Ionenkammer 10 eine Öff- · nung 30 vorgesehen ist.

Die Elektronen werden von einer schematisch dargestellten Elektronenquelle 32 emittiert und dringen durch die Öffnung 30 in die Ionenkammer 10, wo sie Probenmaterial in der Nähe des Randes der Klinge 22 ionisieren. Die Elektronen e folgen den dargestellten Bahnen, und die entstehenden positiven Ionen I⁺ werden in. der dargestellten Richtung durch die Austrittsschlitzplatte 12 hindurch beschleunigt, so daß sie aus der Kammer 10 austreten. Obwohl die Elektronen und Ionen im Bereich des Randes der Klinge 22 demselben Feld ausgesetzt sind, haben sie stark unterschiedliche Geschwindigkeiten. Die Ionen sind in unmittelbarer Nähe der Klinge nahezu bewegungslos, während sich die Elektronen mit hoher Geschwindigkeit bewegen, und da sie auch unterschiedliche Ladung/Masse-Verhältnisse aufweisen, fliegen die Ionen nicht auf den Bahnen der eintretenden Elektronen zurück. Gegenüber dem geerdeten Ionenquellenschlitz 16 liegen vorzugsweise die Klinge 22 auf einem Potential von 8000 Volt, die Ionenkammer 10 und Austrittsschlitzplatte 12 auf einem Potential von 7900 Volt und die Elektronenquelle 32 auf einem Potential von 7800 Volt. Nichtdargestellte elektrostatische und/oder magnetische Ablenkvorrichtungen können vorgesehen sein,

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um dem Ionenstrahl die gewünschte geometrische Form zu geben. ,

Der im rechten Winkel zu dem nach Fig. 2 geführte Querschnitt, der in Fig. 3 dargestellt ist, stellt eine Ionenquelle dar, die der nach Fig. 2 weitgehend gleicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält die Ionisiervorrichtung einen Heizfaden 34, der außerhalb der Ionenkammer 10 angeordnet und senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Bei dieser Anordnung umgibt ein Magnetfeld, dessen Umriß durch gestrichelte Linien 36 dargestellt ist, den Heizfaden 34. Die vom Heizfaden 34 austretenden Elektronen folgen der mit e~ bezeichneten Bahn, während Ionen der mit I⁺ bezeichneten Bahn folgen. Die Gesamtwirkung der elektrischen und magnetischen Felder auf die verschieden geladenen Teilchen sollte so sein, daß die Elektronen vom Heizfaden 34 bis in die Nähe der Klinge 22 und die Ionen von dort durch den Quellenschlitz 16 fliegen, d.h. auf Bahnen, die nicht zusammenfallen.

Die dargestellten Ausführungsbeispiele lassen sich in vieler Hinsicht abändern. Es sind auch andere lonisationsverfahren als die beschriebenen möglich, und die Ipnenquellen brauchen nicht in der dargestellten Form ausgebildet zu sein, um in den Schutzumfang der Erfindung zu fallen.

Obwohl für den Betrieb der beschriebenen Ionenquelle eine Feldionisation an einer Spitze, Klinge oder Kante nicht zwingend notwendig ist, gehört es auch in den Rahmen der Erfindung, das Ionenbeschleunigungspotential so hoch zu wählen, daß eine Feldionisation stattfindet.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum schnellen Ausstoßen von Ionen aus einer Ionenkammer,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen in der Ionenkammer einem elektrischen Feld ausgesetzt werden, das durch eine Elektrode erzeugt wird, die einer Feldionisationsquelle äquivalent ist und auf einem Potential gehalten wird, das unter demjenigen Potential liegt, das zur Ausbildung einer merklichen Feldionisation erforderlich ist.

W 2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen in der Ionenkammer nach einem anderen Ionisationsverfahren als dem der Feldionisation erzeugt werden und daß die Elektrode eine geladene Spitze oder Klinge, ein geladener Draht oder ein geladenes Bauteil mit einer ähnlich scharfen Kante oder einem ähnlich scharfen Rand ist und das elektrische Feld so gerichtet ist, daß es Ionen aus der Ionenkammer ausstößt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

_ daß die Ionen durch Elektronenbeschuß erzeugt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen durch Ultraviolettstrahlung erzeugt werden.

5. Ionenquelle, , dadurch gekennzeichnet,

daß sie eine Ionenkammer (10), eine andere lonisiervor-■ richtung (26,28;32;34,36) als eine Feldionisiervorrichtung zum Ionisieren eines in der Kammer (10) angeordneten Materials und eine ein elektrisches Feld mit einem Gradienten und einer Intensität erzeugende Vorrichtung (22) ent-, hält, daß die Ionen mit hoher Geschwindigkeit aus der

Ionenkammer (10) ausgestoßen werden, wobei zumindest ein u ö & <*? y t

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Teil eines Bereiches innerhalb der Ionenkammer (10), in dem das Material ionisiert wird, von gleicher Ausdehnimg wie mindestens ein Teil des elektrischen Feldes ist.

6. Ionenquelle nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die das elektrische Feld erzeugende Vorrichtung ■ (22) eine Klinge, einen Draht, eine Nadel oder ein Bauelement mit einer ähnlich scharfen Spitze oder Kante ■ enthält,

7» Ionenquelle nach Anspruch 5 oder 6,·

dadurch gekennzeichnet, |

daß die das elektrische Feld erzeugende Vorrichtung (22) auf einem Potential liegt, das niedriger als dasjenige Potential ist, bei dem eine merkliche Feldionisation in der Ionenkammer (10) stattfindet.

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