DE2202588C3 - Elektronenstoßionenquelle - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Elektronenstoß-Ionenquelle für Massenspektrometer mit einem durch zwei parallele Begrenzungsflächen, die sich senkrecht zur lonenaustrittsrichtung erstrecken, begrenzten lonisationsraum, einer Probenzuführung und einem außerhalb des lonisationsraumes in einer Ebene zwischen den parallelen Begrenzungsflächen angeordneten Glühdraht mit Reflektor. Eine derartige Elektronenstoß-Ionenquelle ist aus dem Buch »Methoden und Anwendungen der Massenspektroskopie« von H. E w a I d und H. Hintenberge r, Verlag Chemie, Weinheim bekannt; vgl die Abb. 16.

Bei derartigen lonenquellen werden die von dem Glühdraht ausgehenden Elektronen in einen Bereich emittiert, welcher Gasmoleküle enthält. Durch Zusammenstöße mit Elektronen werden einige der Moleküle ionisiert. Die Art der erzeugten Ionen hängt dabei von der Energie der Elektronen und davon ab, ob es sich um Einzel-Zusammenstöße oder Mehrfach-Zusammenstöße zwischen einem Molekül und Elektronen handelt. Für Zwecke der Massenspektrometrie ist eine vorhersehbare und gleichbleibende Verteilung der lonenarten im Zerlegungsmuster anzustreben. Praktisch bedeutet dies, daß möglichst nur Einzel-Zusammenstöße zwischen Molekülen und Elektronen herbeigeführt werden sollen, was z. B. durch eine geringere Elektronendichte im Ionisationsbereich erreicht werden kann. Dadurch sinkt aber andererseits der ionisationswirkungsgrad. d. h. das Verhältnis der Anzahl der Ionen zur Anzahl der nichtiomsierten Moleküle.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wahrscheinlichkeit für eine Kollision zwischen den ionisierenden Elektronen und den bereits erzeugten Ionen im lonisationsraum zu vermindern, ohne daß die Ionenausbeute herabgesetzt wird. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeichnet.

Die Geometrie des Ionisationsbereichs in der Ionenquelle gemäß der Erfindung: führt zu einer hohen Wahrscheinlichkeit für Einzel-Zusammenstöße und dementsprechend zu einer geringen Wahrscheinlichkeit für Mehrfach-Zusammenstöße, obwohl die Elektronendichte im lonisationsbereich relativ hoch sein kann. Daher wird eine hohe Ionenausbeute erhalten, während gleichzeitig die Verteilung der 'onenarten im Zerlegungsmuster so beschaffen ist, daß im Massenspektrometer verläßliche Spektren erzeugt werden können.

Vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnungen erläutert; es stellt dar

F i g. 1 einen Schnitt durch eine Ionenquelle längs B-B von F i g. 2 und einen Sockel,

F i g. 2 einen Querschnitt durch die Ionenquelle entlang A-A' von Fig. 1.

Eine Ionenquelle 10 gemäß F i g. 1 und 2 weist rohrförmige metallische Elektroden 12 und 14 auf, welche perforierte, elektrisch leitfähige Membranen 16 bzw. 18 enthalten, die eine Gasdurchlässigkeit von mehr als 80% haben. Alternativ kann die Membrane 16 auch nichtperforiert sein. Ein Bereich 20 ist durch Membranen 16 und 18 und den Umfang der Hlektroden 12 und 14 begrenzt und bildet einen lonisationsbereich 20. Proben-Einlaßeinrichtungen 22 und 22a haben je einen Flansch 24 bzw. 24a und sind Glasrohre, durch welche eine gasförmige, zu ionisierende Probe in den Bereich 20 gelenkt wird. Glühdrähte 26 und 26a, welche beispielsweise aus Wolfram bestehen, sind kreisbogenförmig um den Umfang des Bereichs 20 gelegt. Elektronen fokussierende Elektroden 28 und 28a befinden sich ebenfalls am Umfang des Bereichs 20, um die von den Drähten 26 und 26a ausgehenden Elektronen zu fokussieren und im wesentlichen eine dünne Schicht von Elektronen im Bereich 20 zu bilden. Die Elemente 14, 22, 22a, 26, 26a, 28 und 28a werden von jeweils einer oder mehreren metallischen Tragstangen 30 getragen. Beispielsweise wird der Glühdraht 26 durch Stangen 30a und 30i> getragen. Jede der Stangen 30 ist in einem isolierten Tragglied 32 befestigt. Zusätzlich zu der mechanischen Stützung der verschiedenen Elektroden wirken die Stangen 30 auch als elektrische Zuleitungen für die Flektroden. Ein Abschirmglied 34 ist eine perforierte Metallscheibe, die das Tragglied 32 von leitenden Rückständen oder verdampften Filmen abschattet, und einen hohen elektrischen Widerstand zwischen den Stangen 30 und der Elektrode 12 aufrechthält, welche sich ebenfalls in dem Stützglied 32 befindet.

Wenn Moleküle in den Bereich 20 eingeführt werden, bombardieren die von den Glühdrähten 26 oder 26a emittierten Elektronen diese Moleküle und ionisieren sie. Üblicherweise wird nur jeweils ein Glühdraht erhitzt, so daß der andere als Reserve im Falle eines

Betriebsausfalls dient, aber beide Glühdrähte werden bezüglich der anderen Elektroden auf dem gleichen Potential gehalten. Daher ist das elektrische Feld im Bereich 20 räumlich symmetrisch zu den Mittellinien 36 und 61. Ein beispielsweise vom Glühdraht 26 emittiertes Elektron, welches durch den Bereich 20 ohne eine Kollision mit einem Probenmolekül gelangt findet die gleichen Felder vor, welche es fokussieren, und zwar in der umgekehrten Reihenfolge, wenn es auf den Glühdraht 26a auftrifft. Der Glühdraht 26a und die Elektrode 28a können daher als Spiegel für das Elektron wirken.

Wie schon erwähnt wurde, ist es wünschenswert, die Wahrscheinlichkeit von Einzel-Zusammenstößen zwischen einem Molekül und einem Elektron maximal und die Wahrscheinlichkeit von Mehrfach-Zusammenstö-Ben eines Moleküls mit Elektronen minimal zu machen. Die Wahrscheinlichkeit für Einzel-Zusammenstöße kann gesteigert werden, indem die Elektronendichte im Bereich 20 gesteigert wird, aber eine solche Dichte hi gewöhnlich begrenzt durch den Raumladungsabfall des Potentials in dem Bereich. Der Raumladungsabfall des Potentials kann minima! gemacht werden, indem die Dicke des Bereichs 20, d. h. des Abstandes zwischen den Membranen 16 und 18 möglichst herabgesetzt wird.

Wenn beispielsweise die Elektroden 12 und 14 einen Durchmesser von 6,35 mm haben, kann der Bereich 20 weniger als 1 mm stark sein. Ein dünner lonisationsbereich hilft auch bei der Reduzierung der Wahrscheinlichkeit von Mehrfach-Zusammenstößen. Die Potentiale auf den Elektroden 12 und 14 und damit auf den Membranen 16 und 18 beschleunigen Ionen, gewöhnlich positive Ionen aus der Ionenquelle 10 (nach rechts in Fig.'.). Je schmaler daher der Bereich 20 gemacht wird, um so eher kann ein lon von dem Bereich entfernt werden, bevor es von einem anderen Elektron getroffen wird. Nachdem die Ionen einmal aus dem Bereich 20 heraus beschleunigt worden sind, werden sie durch eine rohrförmige, metallische Elektrode 38 fokussiert, die durch eine Tragstange 30c gehalten ist.

Die in der Ionenquelle 10 erzeugten Ionen haben ein günstigeres Zerlegungsmuster als bei den herkömmlichen lonenquellen, da die Wahrscheinlichkeit von Mehrfacii-Kollisionen herabgesetzt ist, und wegen des Aufbaus des Probeneinlasses. Einige Moleküle, welche in einem Massenspektrometer analysiert werden können, unterliegen einer chemischen Änderung, wenn sie eine Metallfläche vor der Ionisierung berühren. In der Ionenquelle 10 besteht der Probeneinlaß 22 bzw. 22a aus Glas, welches chemisch inert ist. Die Probenmoleküle müssen durch den lonisationsbereich 20 gelangen, bevor sie auf irgendwelche Metallteile auftreffen. Die Glasöffnungen in Verbindung mit dem elektrisch begrenzten, aber für Gas im wesentlichen offenen lonisationsbereich bewirken in zweierlei Hinsicht einen verbesserten Betrieb. Erstens gelangen die Probenmoleküle von jeder der Glasöffnungen direkt in den Elektronenstrahl und werden mit hoher Wahrscheinlichkeit ionisiert, bevor sie auf irgendeine metallische Fläche auftreffen. Wenn sie nicht ionisiert werden, diffundieren die Probenmoleküle wegen der Anwesenheit der sehr durchlässigen Membranen 16 und 18 schnell aus dem lonisationsbereich heraus. Als Ergebnis wird die Anzahl der nach metallischem Kontakt wieder in den Elektronenstrahl eintretende Moleküle herabgesetzt. Dieses steht in klarem Gegensatz zu den herkömmlichen, sogenannten »dichten« Ionisationskammern, welche die Probe in metallischen Kästen einschließen, um die Empfindlichkeit zu steigern, wobei in Kauf genommen werden muß, daß die Probe sich bei metallischem Kontakt zersetzt. Wenn andererseits die Membran 16 nicht perforiert und angemessen gekühlt wird, kann sie Probendämpfe kondensieren und dadurch einfangen und auf diese Weise verhindern, daß diese wieder in den lonisationsbereich eindringen. Zweitens wird jeder Verlust bezüglich der Empfindlichkeit auf Grund einer schnellen Diffusion der Probe vom lonisationsbereich in der vorbeschriebenen Weise mehr als kompensiert durch das vorteilhafte Strömungsmuster der Probe. Unmittelbar vor deren Eindringen in den lonisationsbereich wird die Probe in einem Kapillarsystem eingeschlossen, dessen Eingangsöffnung 22 oder 22a der Endpunkt ist. Selbst sehr kleine Proben erzeugen beträchtliche molekulare Dichten in dem Kapillarsystem. Der in den Elektronenstrahl eindringende Probenstrahl neigt dazu, die hohe molekulare Dichte lang genug aufrechtzuerhalten.

Sechs der Stangen 30 passen in Anschlüsse 42, um die erforderlichen externen Verbindungen zur Elektrode 14, den Glühdrähten 26 und 26a, den Elektroden 28 und 28a und der Elektrode 38 herzustellen. Die Anschlüsse 42 sind asymmetrisch auf den Umfang eines Kreises um ein Rohr 54 angeordnet. Die asymmetrische Anordnung stellt sicher, daß die Ionenquelle 10 in den Sockel 40 in der richtigen Orientierung eingesteckt werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektronenstoßionenquelle für Massenspektrometer mit einem durch zwei parallele Begrenzungsflächen, die sich senkrecht zur Ionenaustrittrichtung erstrecken, begrenzten lonisationsraum, einer Probenzuführung und einem außerhalb der lonisationsraumes in einer Ebene zwischen den parallelen Begrenzungsflächen angeordneten Glüh- ^|0 draht mit Reflektor, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsflächen nahe beieinanderliegende Membranen (16, 18) sind, von denen mindestens die auf der lonenaustrittsseite perforiert ist, daß die Membranen die Abschlüsse von gegen- '5 einander gerichteten Stirnseiten zweier axial ausgerichteter rohrförmigen Elektronen (12, 14) sind und daß sich der Glühdraht (26) kreisbogenförmig zu der Achse (61) erstreckt.

2. Elektronenstoß-Ionenquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten, symmetrisch zum ersten Glühdraht (26) angeordneten zweiten Glühdraht (26a) mit einem zweiten Reflektor (28a).

3. Elektronenstoß-Ionenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (26) und der *5 zweite Glühdraht (26a) sowie der erste (28) und der zweite Reflektor (28a) im wesentlichen auf gleichen elektrischen Potentialen liegen.

4. Elektronenstoßionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Membranen (16,18) weniger als 1 mm beträgt.

5. Elektronenstoßionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenzuführung wenigstens ein Kapillarrohr (22) aufweist, das sich in radialer Richtung außerhalb des Ionisationsraums (20) erstreckt und ah seinem Umfang mündet.