DE2149716C3

DE2149716C3 - Ionenquelle für ein Massenspektrometer

Info

Publication number: DE2149716C3
Application number: DE19712149716
Authority: DE
Inventors: Helmuth Dipl.-Phys. Dr. 8051 Eching Liebl; Klaus Dipl.-Ing. Dr. 8000 Muenchen Rasskopf
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1971-10-05
Filing date: 1971-10-05
Publication date: 1980-10-30
Also published as: DE2149716A1; NL7212869A; IT966035B; FR2156617B3; FR2156617A1; GB1370038A; BE789318A; DE2149716B2; LU66222A1

Description

JO

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ionenquelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer aus der FR-PS 20 40i28 bekannten Ionenquelle der eingangs genannten Art sind die Windungen der Drahtwendel durch Halterungsdrähte kurzgeschlossen und liegen somit auf dem gleichen Potential. An der Ionenaustrittsseite ist die Drahtwendel mit einer eine Ionenaustrittsöffnung aufweisenden Metallkappe verbunden. Auf Grund dieser Konstruktion werden bei der bekannten Ionenquelle nur diejenigen Ionen aus dem lonisierungsraum herausgezogen, die in den Einflußbereich des durch die öffnung der Metallkappe in das Innere des lonisierungsraumes w durchgreifenden Ionenbeschleunigungsfeldes gelangen. Die erreichbaren lonenströme sind daher verhältnismäßig gering.

Für viele Anwendungen von Massenspektrometern, insbesondere als Restgasanalysatoren und als Lecksu- 5^r> eher, ist es von ausschlaggebender Bedeutung, daß ein möglichst hoher Prozentsatz der im lonisierungsraum erzeugten Ionen diesen auch in Form eines nutzbaren Ionenstrahles verlassen. Bei gegebener lonisierungsdichte ist nämlich die erreichbare Nachweisempfindlich- bo keit proportional dem Volumen, aus dem die Ionen nachgewiesen werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Ionenquelle der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß ein > höherer Prozentsatz der erzeugten Ionen als nutzbarer Ionenstrahl am Ausgang der Ionenquelle zur Verfügung steht.

Diese Aufgabe wird bei einer Ionenquelle der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Bei der Ionenquelle gemäß der Erfindung werden die Ionen längs der Achse des lonisierungsraumes zur Ionenaustrittselektrode gefördert, ohne daß ein Durchgriff des Feldes der außerhalb des Ionisierungsraumes angeordneten Ionenbeschleunigungselektrode erforderlich ist. Da die Potentialverteilung senkrecht zur Achse konstant ist, wird ein energetisch sehr homogener und gleichzeitig weitgehend paralleler Ionenstrahl erzeugt

Bei der Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 ist die Energiebandbreite der Ionen im Vergleich zu ihrer durch die Beschleunigung erlangten Energie praktisch vernachlässigbar.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 eine stark vereinfachte Draufsicht auf ein Massenspektrometer, das eine Ionenquelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält, und

F i g. 2 eine Seitenansicht eines Teiles des Massenspektrometer gemäß F i g. 1.

Das in F i g. 1 und 2 dargestellte Massenspektrometer enthält eine Ionenquelle 20 und einen Massenanalysator 11. welcher mit einem Magnetfeld arbeitet, das zwischen zwei ebenen, gegeneinander geneigten Polschuhflächen Ha und Hb erzeugt wird, die einen keilförmigen Magnetfeldspalt bilden. Die Feldlinien sind, wie in F i g. 2 durch Pfeile angedeutet ist, Kreisbögen, deren Mittelpunkt auf der Schnittgeraden 10 der die beiden Polschuhflächen 11a und üb enthaltenden Ebenen liegt. Die Feldstärke zwischen den Polschuhen ist umgekehrt proportional dem Abstand von der Schnittgeraden 10. Geladene Teilchen beschreiben in einem solchen Feld Zykloidenbahnen. Es ist bekannt (H. Liebl J. Appl. Phys. 38 [19G7], 5277 bis 5283), daß ein solches Feld ein Parallelstrahlenbündel geladener Teilchen mit dem impuls p, das im Abstand /4 = 2,10 Ao von der Schnittgeraden 10 senkrecht in das Magnetfeld eintritt, nach Ablenkung um 90° auf einen Punkt auf der Schnittgeraden fokussiert, wenn die Feldstärke B so eingestellt wird, daß sie im Abstand A = 2,10 Ao von der Schnittgeraden den Wert

Ba =\,35 p/Ae
hat. Dabei bedeuten

e die Ladung der Teilchen und
Ao den Abstand der Schnittgeraden 10 von dem zu ihr parallelen Rand 1 lcder Polschuhflächen.

Der Abstand des Fokussierungspunktes vom Eintrittsrand beträgt 1,35 Ao. Am Fokussierungsort ist eine z. B. spaltförmige Austrittsblende 12 angeordnet, hinter der sich eine Ionennachweiseinrichtung, z. B. ein lonenauffänger 13, zum Nachweis der durch die Austrittsblende 12 getrennten Ionen und zur Erzeugung eines entsprechenden elektrischen Ausgangssignals befindet.

Die Ionenquelle enthält eine Elektronenquelle, im einfachsten Fall einen haarnadelförmigen Heizfaden 21, eine Drahtwendel 22, die an beiden Enden durch parallele Drahtnetze 23 und 24, die senkrecht zur Wendelachse verlaufen, abgeschlossen ist, und eine elektrostatische Abschirmung 26, die aus einem

becherförmigen Drahtnetz bestehen kann.

Im Abstand vom Drahtnetz 24 ist eine Eintrittsblende 25 angeordnet, deren öffnung vor einem zum Drahtnetz 24 parallelen Drahtnetz 25a überspannt ist

Die öffnung der Eintrittsblende 25 ist verhältnismäßig groß, ihre Fläche liegt in der Ciößenordnung der Querschnitisfläche der Wendel 22 und beträgt mindestens 50% der Querschnittsfläche der Wendel.

Die Elektroden der Ionenquelle sind im Belrieo des Massenspektrometers mit nichtdargestellten Spannungsquellen verbunden, die beispielsweise die in F i g. 1 dargestellten Spannungen liefern.

Das beschriebene Massenspektrometer arbeitet folgendermaßen:

Von der Elektronenquelle 21 emittierte Elektronen werden zu der bezüglich der Elektronenquelle positiv vorgespannten Wendel 22 hin beschleunigt und pendeln einige Male durch die Wendel, bis sie schließlich auf ihr landen. Dabei werden Gasmoleküle innerhalb der Wendel durch Elektronenstoß ionisiert. Durch das Pendeln der Elektronen wird die effektive Weglänge derselben vergrößert, wie es von Ionisationsmanometern nach Bayard-Alpert an sich bekannt ist. Abweichend von einem solchen lonisationsmanometer wird bei der beschriebenen Ionenquelle eine kleine Spannung zwischen die parallelen Drahtnetze 23 und 24 an den Enden der Wendel 22 gelegt, so daß in deren Innerem ein schwaches homogenes elektrostatisches Feld entsteht. Dieses Feld ist so gerichtet, daß die durch Elektronenstoß erzeugten Ionen in axialer Richtung der Wendel gegen das Drahtnetz 24 getrieben werden. Zwischen diesem und der Blende 25 liegt die eigentliche Beschleunigungsspannung, die wegen des zum Netz 24 parallelen, ebenen Netzes 25a ein homogenes elektrostatisches Beschleunigungsfeld zwischen den Netzen 24 und 25a erzeugt. Die durch die Blende 25 tretenden Ionen bilden daher ein Parallelstrahlbündel, das am Rand lic/in das Magnetfeld zwischen den Polschuhflächen 11a und 11 b eintritt.

Die theoretische Massenauflösung AM/M ist

IM/M - I U/U + S/A_o + \ΑΘ. (2)

Dabei ist

AU = Energiebreite der ionen
U = Beschleunigungsspannung
5 = Weite des Austriusschlitzes 12 in der Ablenkebene

θ = Winkelstreuung des Parallelstrahlbüschels beim Eintritt ins Magnetfeld

Die Energiebreite AU rührt hauptsächlich von der

ίο kleinen Spannung her, die zwischen den Enden der Wendel liegt und bewirkt, daß die Ionen auf etwas verschiedenen Potentialen entstehen. Die Winkelstreuung θ tritt bei der Errechnung der Massenauflösung an die Stelle der Eintrittsspaltweite, die in entsprechenden Formeln für konventionelle Anordnungen auftritt. In die Winkelstreuung θ gehen hauptsächlich Ausrichtungsfehler der Netze 24 und 25, also Abweichungen von deren Planparallelität, und Felddurchgriffe durch diese Netze ein.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel wurde eine Partialdruckempfindlichkeit von etwa lCMA/Pa bei einer Halbwertsauflösung von 30 erreicht. Diese Empfindlichkeit ist etwa um eine Größenordnung besser als die der meisten konventionellen Restgasana-

2) lysatoren.

Das Ausführungsbeispiel hatte folgende konstruktive Parameter:

Au = 4cm

Ba = variabel, z. B. 0,073 T für Masse 2(H₂ + );

0,272 T für Masse 28 (N₃ + );

0,341 T fü r M asse 44 (CO? +).

Winkel zwischen den Polschuhflächen 11a und 116
Durchmesser der Wendel 22 = 1,5 cm
j Abstand der Netze 23 und 24 = 1,5 cm
Durchmesser der Öffnung der Blende 25 = lern

Die Einstellung des Massenspektrometers auf eine

gewünschte effektive Ionenmasse (lonenmasse/Ionenla-

dung) kann durch Ändern der Magnetstärke und/oder

durch Ändern der zwischen den Drahtnetzen 24 und 25a liegenden Beschleunigungsspannung erfolgen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ionenquelle für ein Massenspektrometer, mit einem Ionisierungsraum, der von einer Drahtwendel und zwei an ihren beiden Enden senkrecht zur Wendelachse angeordneten Netzelektroden begrenzt ist, mit einer außerhalb des Ionisierungsraumes angeordneten Elektronenstoßquelle und mit einer senkrecht zur Wendelachse, außerhalb des Ionisierungsraumes in Ionenaustrittsrichtung angeordneten dritten Netzelektrode zur Beschleunigung der Ionen, wobei die erste, auf der der Ionenaustrittsrichtung entgegengesetzten Seite der Wendel gelegene Netzelektrode mit diesem Ende is der Wendel verbunden ist, während die zweite Netzelektrode auf einem demgegenüber negativen Potential liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Netzelektrode mit dem ihm benachbarten Ende der Wendel verbunden ist, so daß im Inneren der Wendel ein homogenes axiales elektrostatisches Feld entsteht.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Drahtwendel anliegende Spannung kleiner als 5%, vorzugsweise gleich oder 2> kleiner als 2%, der Beschleunigungsspannung zwischen der zweiten und der dritten Netzelektrode