DE2136698A1

DE2136698A1 - Massenspektrograph

Info

Publication number: DE2136698A1
Application number: DE19712136698
Authority: DE
Inventors: Toshiziro; Outa Tomiyoshi; Tokio. P Takagi
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1970-07-24
Filing date: 1971-07-22
Publication date: 1972-01-27
Also published as: JPS5110797B1; DE2136698B2; GB1364299A

Description

2136698 Patentanwalt Dipl.-Phys. Gerhard Lied! 8 München 22 Steinsdorf str. 21-22 Tel. 29 84 62

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NIHON DENSHI KABUSHIKI KAISHA 1418 Nakagami-cho, Akishima-shi, TOKYO / Japan

Mas s enspektr ogr aph

Die Erfindung betrifft einen Massenspektrograph, insbesondere aber eine Vorrichtung zum Steuern der Durchflußmenge und/oder Durchflußgeschwindigkeit eines Ionenstrahles, der einem Analysator zugeführt wird. Erfindungsgemäß soll eine Vorrichtung verbessert werden, die in der älteren Anmeldung (Ser.No. 864 054, eingereicht am 6. Oktober 1969) der Anmelderin beschrieben ist.

Bei der allgemeinen Analyse der Elementarzusammensetzimg mittels eines

Massenspektrographen werden die Massenspektren der Zusammensetzung, die durch ein unterschiedliches Belichtungsausmaß dargestellt sind, auf eine empfindliche Schicht gerichtet. Die Analyse der Elementarzusammensetzung wird derart durchgeführt, daß die gesamte Ionenmenge und der Grad der Dunkelheit der Spektrumlinie bzw. der Spektrumlinien eines jeden Elementes in dem jeweiligen Spektrum gemessen werden. Das Verhältnis des brauchbaren Dunkelheitsgrades zwischen der hellsten und der dunkelsten Spektrumlinie auf der empfindlichen Schicht muß jedoch bis zu einem Maximum von ca. 100 mal veränderlich sein. Um große Elementarbestandteildifferenzen bei Elementen zu vergleichen, deren Spektrumlinie bzw. Spektrumlinien denselben Dunkelheitsgrad haben, ist deshalb oft

-13 die gesamte Exponierung des Ionenstrahles über einen Bereich von 10 Q

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bis 10 Q notwendig, um das gewünschte Massenspektrum zu erhalten. Um dies zu erreichen, muß die "Belichtungszeit" geändert werden, damit ein derart breites "Belichtungsverhältnis" erhalten wird.

Das vorgenannte Verfahren zur Steuerung der Belichtung ist jedoch unpraktisch, da es erforderlich ist, die Belichtungszeit über eine weite Zeitdau-

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er von 1, 8 χ 10 Sekunden bis 30 Minuten zu steuern. Angesichts dieser Tatsache werden bei den herkömmlichen Verfahren die Ionenmengen, die von der Ionenquelle erzeugt werden, gesteuert. So werden z. B. bei einer mit Funkenelektroden versehenen Ionenquelle die pro Zeiteinheit erzeugten Ionenmengen gesteuert^ indem die Funkenspannung oder die Funkertimpulsbreite oder die Folgefrequenz, die an die Funkenelektroden angelegt werden, geändert werden. Der lonisierungszustand ändert sich jedoch bei Änderungen der Funkenspannung der Funkenimpulsbreite und der Folgefrequenz, so daß sich die lonisierungswirkung zwischen den eine Probe bildenden verschiedenen Elementen ändert« Selbst wenn Spektren mit derselben Ionenbelichtung und derselben Probe hergestellt werden, ist das Verhältnis des Dunkelheitsgrades zwischen jeder Spektrallinie "wegen eiar Änderung der lonisierungsverhältnisse und-foedingungen unterschiedlich.

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Die Reproduzierbarkeit beträgt deshalb nur 15 bis 30%.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurden verschiedene Verfahren bekannt. Das bekannteste betrifft hierbei eine Steuerung der Exponierung und Belichtung der Ionen durch eine Zerhackung des Ionenstrahles. Bei diesem Verfahren werden Zerhackerelektroden, an welche eine Zerhackerspannung angelegt wird, vor dem elektrostatischen Feld angeord- ■ net. Der Ionenstrahl, der von der Ionenquelle zu dem Analysator fließt, wird durch die Zerhackerspannung zerhackt, so daß die in den Analysator eingeführte Menge an Elektronen gesteuert wird. Mit anderen Worten, der Ionenstrahl wird aus seiner Bahn abgelenkt, wenn die Zerhackerspannung angelegt wird. Wenn jedoch die Zerhackerspannung nicht angelegt wird, folgt er seiner Bahn und erreicht die empfindliche Schicht.

Da die Zerhackerspannung endliche Ansteig- und Abfallzeiten hat, wird der während dieser Zeiten durch die Zerhackerelektroden hindurch gehende Ionenstrahl in verschobener Lage auf der empfindlichen Schicht fokussiert. Die Spektrallinien werden deshalb düster und lichtschwach und die Auflösung wird entsprechend herabgesetzt. Selbst wenn der Ionenstrahl in Längsrichtung einer jeden Spektrallinie zerhackt wird, wird das Spektrum trüb und Y htschwach, was auf die Aberration zweiter Ordnung zurückzuführen ist, wenn ein sphärisches elektrisches Feld benutzt wird.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Teclinik liegt deshalb der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den vorgenannten Nachteilen abzuhelfen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein erster und ein zweiter Steuerkreis vorgesehen sind, daß die Ionenstrahlquelle mit Mitteln versehen ist, durch die intermittierende Ionenstrahlimpulse ausgelöst und durch die Ablenkvorrichtung auf den Analysator gerichtet werden, daß die Ablenkvorrichtung zwei im Abstand voneinander angeordnete Ablenkelektroden aufweist, durch welche der intermittierende Ionenstrahl

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hindurchgeht, daß der erste Steuerkreis eine erste Anordnung von elektrischen Impulsen liefert, damit die Ionenquelle Ionenstrahlimpulse von nahezu gleichförmiger Impulsbreite und -frequenz auslöst, daß der erste Kontrollkreis eine zweite Anordnung von elektrischen Impulsenliefert, damit die Ionenstrahlimpulse selektiv auf den Analysator gerichtet werden, wobei die zweite Anordnung von Impulsen auf die Elektrode der Ablenkvorrichtung aufgebracht wird, daß die Dauer der Impulse in der ersten und in der zweiten Anordnung und die Synchronisierung dieser Zuordnungen derart gewählt ist, daß Ionenimpulse nicht durch die Elektroden bei steigenden und fallenden Zeiten der zweiten Anordnung von Impulsen hindurch gehen, daß die Monitorvorrichtung mit Mitteln versehen ist, durch die die Flußmenge des Ionenstrahles, die in den Analysator eingeführt wird, gemessen wird und daß der zweite Steuerkreis mit Mitteln versehen ist, durch die die Wiederholungsfrequenz der zweiten Anordnung von elektrischen Pulsen derart gesteuert wird, daß die in den Analysator eingeführte Ionenstrahlflußmenge entsprechend dem Ausgangssignal der Monitorvorrichtung vereinheitlicht wird.

Erfindungsgemäß wird somit ein Elektronenstrahl zwischen Ablenkelektroden hindurch geführt, ohne zerhackt zu werden, wobei trotzdem auf der empfindlichen Schicht ein klar.es Bild fokusiert wird. Außerdem wird " der Fluß, d. h. die Durchflußmenge und gegebenenfalls auch die Durchflußgeschwindigkeit des Ionenstrahles, der in den Analysator eingeführt wird, automatisch gesteuert, ohne daß die Fokusierung des Ionenstrahles beeinträchtigt wird.

Erfindungsgemäß wird ein Ionenstrahl selektiv in einen Analysator eingeführt, wobei man das gewünschte Ausmaß an Belichtung des intermittierenden Ionenstrahles auf der empfindlichen Schicht erhält, der von der Ionenquelle ausgeht. Hierbei werden die Ablenkelektroden an einer bestimmten Stelle längs der lonenbahn angeordnet. Impulse werden den Ab-

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lenkelektroden derart zugeführt, daß die Ansteigzeit und die Abfallzeit der Impulse mit der Periode zusammenfällt, wenn der Ionenstrahl nicht durch die Elektroden hindurch geht.

Weitere Einzelheiten und Merkmale sind aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und anhand der beiliegenden Zeichnung ersichtlich. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform

eines erfindungsgemäßen doppelt fokussierenden Massenspektrographens;

Fig. 2 eine Wellenformdiagrammdarstellung mit Wellenformen

zur Erläuterung der Erfindung;

Fig. 3 eine Wellenformdiagrammdarstellung der Ionenstrahlim-

pulse, die die zur Erklärung der Erfindung erforderlichen Wellenformen zeigen.

Eine zu analysierende Probe wird auf Funkenelektroden 1 angeordnet und durch den zwischen den Elektroden 1 entstehenden Funken ionisiert. Die derart gebildeten Ionen werden zwischen einem Beschleunigungsspalt 2 beschleunigt und in ein Analysierrohr durch einen Erdspalt 3 und einen Hauptspalt 4 eingebracht.

Die Funkenelektroden 1 sind mit den Ausgängen eines Hochfrequenzgenerators 5 über einen Transformator 6 verbunden* Ein Impulstakt- und Zeitgeber 7 erzeugt periodische Impulse mit konstanten Intervallen gemäß Fig_o 2a, die einem Verzögerungskreis 8 (z„ B, Verzögerungskabel) und einem Frequenzteiler oder Gitterkreis 9 zugeführt werden« Die Taktschritte mit konstanten Intervallen, die dem Verzögerangskreis 9 auge·=

führt werden, werden um eine bestimmte Zeit ^t (z.B. 5 usec) verzögert und sodann einem ersten Taktgeber und Impulsgenerator 10 zugeführt, der Funkenimpulse mit einer Impulsbreite 5t. (z.B. 20;isec) gemäß Fig. 2b bildet. Die Funkenimpulse werden sodann dem Hochfrequenzgenerator 5 zugeführt sowie anschließend nach zuvoriger Verstärkung durch den Generator 6 den Funkenelektroden 1, die einen Funken erzeugen, durch den die auf den Funkenelektroden 1 angeordnete Probe ionisiert wird.

Gleichzeitig werden die Taktschritte und -impulse, die dem Frequenzteiler 9 zugeführt worden sind, einem zweiten Taktgeber und Impulsgenerator 11 zugeführt, und zwar ein Impuls für jede Zahl N von Taktschritten

und -impulsen. N ist hierbei veränderlich bis zu 10 . Die derart erzeugten Impulse haben eine Impulsbreite St₀ (z. B. 60 usec) gemäß Fig. 2c. Die Impulse werden sodann Ablenkelektroden 12 zugeführt, so daß der intermittierende Ionenstrahl von der Ionenquelle nur durch die Elektroden geht, wenn die Impulse hieran angelegt sind. Jedes Ion erreicht das durch die Ablenkelektroden 12 gebildete Ablenkfeld zu verschiedener Zeit, was auf die jeweiligen Massendifferenzen zurückzuführen ist. Da jedoch Ot₁ kleiner ist als 6t_o und um 6 t verzögert ist, gehen die zu analysierenden Ionen durch die Ablenkelektroden ohne Ablenkung hindurch. Hieraus folgt, daß der Ionenstrahl vollkommen fokussiert bleibt. Der Ionenstrahl geht sodann durch ein elektrostatisches Feld 13 hindurch sowie nachfolgend durch ein magnetisches Feld 14 und trifft schließlich auf eine fotografische Platte 15 auf.

Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung ist jedoch der Ionenstrahldurchfluß nicht konstant, da die lonenstralilimpulse sich in ihrer Intensität gemäß Fig. 3a ändern. Das Ablenksystem kann deshalb die Menge der Strahlaufnahme auf der fotografischen Platte 15 nicht ausreichend gasau . steuern. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird N, d. h. die 2!ahl der

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Taktschritte und Zeitimpulse pro einem vom Frequenzteiler 9 zu dem zweiten Impulsgenerator 11 geleiteten Impuls durch den Durchfluß des Ionenstrahles gesteuert. Dies bedeutet, daß bei einem Absinken des Durchflusses des Ionenstrahles N zunimmt, während umgekehrt bei einem Abnehmen des Durchflusses N ansteigt. Dies ist in Fig. 3b gezeigt.

Ein Monitorspalt 16, der zwischen dem elektrostatischen Feld 13 und dem Magnetfeld 14 angeordnet ist, leitet einen Teil des Ionenstrahles ab, der in einen Durchflußmesser 17 eingeleitet wird. Ein Komparator 18 vergleicht sodann das Ausgangssignal des Flußmessers 17, das proportional ist dem Ionenstrahlfluß am Analysator 20 (einschließlich des elektrostatischen Feldes 13 und des Magnetfeldes 14), mit einem Standardsignal von einer Standardquelle 19. Wenn das Signal des Flußmessers 17 größer ist als das Standardsignal, erzeugt der Komparator 18 ein Steuersignal, welches der Differenz zwischen dem Ausgangs signal und dem Standardsignal proportioanl ist und dem Frequenzteiler 9 zugeführt wird. Das Steuer- und Kontrollsignal steuert den Frequenzteiler 9 derart, daß N dem Steuersignal proportional ist. Die Ionenstrahlflußmenge kann, falls erforderlich, geändert werden, indem das Standardsignal mit einem Spannungsteiler geändert wird, der einen Teil der Standardquelle 19 bildet. Wenn jedoch das Signal des Flußmesser? 17 kleiner ist als das Standardsignal, liefert der Komparator 18 kein Signal an den Frequenzteiler 9 und sämtliche Takt- und Zeitimpulse des Impulstaktgebers 7 werden dem zweiten Impulsgenerator 11 zugeführt. Der in den Analysator 20 eintretende Ionenfluß wird somit automatisch gesteuert, wie dies in Fig. 3c dargestellt ist.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 1 weist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung auf. Da das Ausgangssignal des Flußmessers 17 kleiner ist als das Standardsignal der Standardquelle, wenn der von der Ionenquelle ausgehende Ionenstrahlfluß scharf reduziert wird, ist der Steuerkreis, soweit er vorstehend beschrieben ist, ungeeignet zur Steuerung. Um auch

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insoweit Abhilfe zu schaffen, ist der Komparator 18 derart ausgebildet, daß die Zeitschrittfrequenz des Impulstaktgebers 7 proportional vergrößert wird, indem das Ausgangssignal des Flußmessers 17 und das Standardsignal der Standardquelle 19 miteinander verglichen werden, wobei ein Steuersignal von dem Komparator 18 zu dem Impulstaktgeber 7 zugeführt wird, wie dies durch die gestrichelte Linie dargestellt ist. Da die Taktschrittfrequenz ansteigt, steigt auch die Ionenstrahlimpulsfolgefrequenz an. Bis das Ausgangssignal und das Standärdsigral _bxeich sind, steigt der Ionenstrahlfluß an.

Die vorstehend beschriebene Ausführungsform ist nicht auf einen Funken pro Impulsbreite δ t^ beschränkt, denn es können auch mehrere Funkenimpulse innerhalb der Impulsbreite auftreten. Außerdem ist es möglich, daß die Erfindung bei einem einfach fokus sie renden Massenspektrographen in Anwendung kommt.

Zusammenfassend zeigt sich somit, daß die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Flusses, d. h. der Durchflußmenge und/oder der Durchflußgeschwindigkeit eines Ionenstrahles betrifft, wobei die von einer Ionenquelle erzeugten Ionenstrahlimpulse gegenüber von einem Impulstaktgeber Tzeugten Zeitimpulsen bzw. Taktschritten um eine bestimmte Zeit verzögert werden und wobei ferner ein intermittierendes Hochfrequenzhochspannungssignal, das entsprechend den verzögerten Impulsen erzeugt wird, den Funkenelektroden zugeführt wird. Impulse, deren Breite größer ist als die der Funkenimpulse, werden mit den Taktimpulsen synchronisiert und von dem zweiten Impulsgenerator und Taktgeber den Ablenkelektroden zugeführt. Die von dem Frequenzteiler im zweiten Taktgeber und Impulsgenerator zugeführten Taktimpulse werden durch ein von dem Komparator erzeugtes Steuersignal gesteuert, welcher das Ionenstrahlflußsignal des Monitor Spaltes mit einem Standardsignal vergleicht. Der Ionenstrahl kann somit durch die Ablenkelektroden gelei-

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tet werden, ohne zerhackt zu werden und es kann dem Analysator eine bestimmte Flußmenge zugeführt werden, die unabhängig ist von der Menge der durch die Funkenelektroden erzeugten Ionen. Außerdem kann ein klares Bild an einer bestimmten gewünschten Stelle fokussiert werden. Ferner kann durch eine Änderung des Wertes des· Standardsignales die Flußmenge des das Magnetfeld erreichenden Ionenstrahles geändert werden, ohne daß der Brennpunkt beeinträchtigt wird. Es ist auch möglich, die Ionenstrahlflußmenge zu vergrößern, indem der Impulstaktgeber gesteuert wird, wenn die Ionenstrahlflußmenge scharf reduziert wird. Bei dem erfindungsgemäßen Massenspektrographen wird somit e'n von einer Ionenquelle ausgehender intermittierender lonenserahl automatisch derart ausgewählt, daß eine vereinheitlichte, insbesondere eine konstante Flußmenge an Ionen in den Analysator eingeleitet wird. Hierbei wird der intermittierende Ionenstrahl durch die Ablenkvorrichtung geleitet, an die die Impulse angelegt sind, wobei die Ionenstrahlen derart gerichtet sind, daß der intermittierende Ionenstrahl nicht in den Analysator eingeführt wird, wenn die Impulse ansteigen und fallen. Die Ablenkvorrichtung verschiebt den intermittierenden Ionenstrahl selektiv in den Analysator entsprechend einem bestimmten Wert.

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Claims

Patentansprüche

Uy Massenspektrograph mit einer Ionenstrahlquelle, einer Ionenstrahlablenkvorrichtung, einer Monitorvorrichtung und mit einem Analysator zum räumlichen Trennen des Ionenstrahles entsprechend dem Massenladungsverhältnis der Ionen des Ionenstrahles, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster und ein zweiter Steuerkreis vorgesehen sind, daß die Ionenstrahlquelle mit Mitteln versehen ist, durch die intermittierende Ionenstrahlimpulse ausgelöst und durch die Ablenkvorrichtung auf den Analysator gerichtet werden, daß die Ablenkvorrichtung zwei im Abstand voneinander angeordnete Ablenkelektroden (12) aufweist, durch welche der intermittierende Ionenstrahl hindurchgeht, daß der erste Steuerkreis eine erste Anordnung von elektrischen Impulsen liefert, damit die Ionenquelle Ionenstrahlimpulse von nahezu gleichförmiger Impulsbreite und -frequenz ausr löst, daß der erste Kontrollkreis eine zweite Anordnung von elektrischen Impulsen liefert, damit die Ionenstrahlimpulse selektiv auf den Analysator gerichtet werden, wobei die zweite Anordnung von Impulsen auf die Elektrode (12) der Ablenkvorrichtung aufgebracht wird, daß die Dauer der Impulse in der ersten und in der zweiten Anordnung und die Synchronisierung dieser Anordnungen derart gewählt ist, daß Ionenpulse nicht durch die Elektroden (12) bei steigenden und fallenden Zeiten der zweiten Anordnung von Impulsen hindurch gehen, daß die Monitorvorrichtung mit Mitteln versehen ist, durch die die Flußmenge des Ionenstrahles, die in den Analysator eingeführt wird, gemessen wird und daß der zweite Steuerkreis mit Mitteln versehen ist, durch die die Folgefrequenz zweiten Anordnung von elektrischen Pulsen derart gesteuert wird, daß die in den Analysator eingeführte Ionenstrahlflußmenge entsprechend dem Ausgangssignal der Monitorvorrichtung vereinheitlicht wird.
2. Massenspektrograph gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet^ daß der zweite Steuerkreis einen Komparator (18) und eine ein Standardsignal

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erzeugende Standardquelle (19) aufweist, wobei der Komparator (18) das Ausgangssignal der Monitor vor richtung mit dem Standardsignal vergleicht und wobei ferner der zweite Steuerkreis der Folgefrequenz derart steuert, daß das Ausgangssignal mit dem Standardsignal übereinstimmt.
3. Massenspektrograph gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Steuerkreis einen Impulstaktgeber (7) zur Erzeugung von Taktschritten und -impulsen aufweist, daß die erste Anordnung von Impulsen intermittierende Signale mit einer bestimmten Zeitver zöger ting gegenüber den Taktschritten und -impulsen erzeugt, daß die Signale die Ionenquelle derart steuern, daß intermittierend Ionenimpulse erzeugt und ausgestoßen werden, daß die zweite Anordnung von Impulsen eine Impulsbreite hat, die größer ist als die Breite der ersten Anordnung von Impulsen, wobei eine selektive Synchronisierung mit den Taktschrittsignalen gegeben ist und daß die zweite Anordnung von Impulsen auf die Ablenkelektroden (12) gerichtet ist, damit die Ionenstrahlimpulse selektiv auf den Analysator gerichtet werden.
4. Massenspektrograph gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anord".:ng von Impulsen zur Erzeugung von intermittierenden Hochfrequenzhochspannungssignalen mit einer bestimmten Zeitverzögerung gegenüber den Taktschritten benutzt wird, wobei die Signale auf die mit zwei Funkenelektroden (1) versehene Ionenquelle gerichtet werden.
5. Massen spektrograph gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Steuerkreis Mittel aufweist, durch die die erste Anordnung von Impulsen derart gesteuert wird, daß die Flußmenge des Ionenstrahles vergrößert wird, bis das Ausgangssignal der Monitorvorrichtung gleich dem Standardsignal wird, wenn das Ausgangssignal kleiner wird als das Standardsignal.

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6. Massenspektrograph gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Standardquelle (19) Mittel zum Ändern des Standardsignales aufweist.

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