DE2739829A1

DE2739829A1 - Anordnung zur analyse einer probe durch beschuss mit elektromagnetischer strahlung

Info

Publication number: DE2739829A1
Application number: DE19772739829
Authority: DE
Inventors: Franz Prof Hillenkamp; Raimund Prof Kaufmann; Rainer Dr Nietsche; Eberhard Dr Unsoeld; Rainer Dr Wechsung
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Gesellschaft fur Strahlen- und Umweltforschung Mb
Priority date: 1977-09-03
Filing date: 1977-09-03
Publication date: 1979-03-15
Also published as: US4214159A; DE2739829C2

Description

LEYBOLD-HERAEUS GMBH & CO KG Köln-Bayental

Anordnung zur Analyse einer Probe durch Beschüß mit elektromagnetischer Strahlung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Analyse einer Probe durch Beschüß mit elektromagnetischer Strahlung und anschließender Untersuchung der aus der Probe emittierten Teilchen mit Hilfe eines Massenanalysators, mit einem in einem evakuierbaren Gehäuse untergebrachten, der Probe zugeordneten Massenanalysator.

Aus der DT-OS 1 598 632 ist u.a. eine Anordnung dieser Art bekannt. Mit Hilfe der energiereichen elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, wird ein Teil der Probe verdampft und ionisiert, so daß der Ort des Auftreffens der elektromagnetischen Strahlung als Quelle für Ionen für die Massenspektroskopie benutzt werden kann. Um die Ionen von der Probe in Richtung Massenanalysator oder in Richtung eines dem Massenanalysator vorgelagerten Elektrodensystems (vergl.z.B. DT-OS 2 540 505) absaugen zu können, ist es notwendig, daß zwischen der Probe und dem Massenanalysator bzw. der vorgelagerten Elektrode eine geeignete elektrische Potentialdifferenz besteht. Für eine exakte Analyse der Masse der Ionen ist wesentlich, daß diese Potentialdifferenz für alle aus der Probe emittierten Ionen möglichst gleich ist. Das ist z.B. nicht mehr der Fall, wenn sich infolge der Emission von Ionen aus der Probe das elektrische Potential am Ort der Verdampfung des Probenmaterials verändert. Die Geschwindigkeit der in den Massenanalysator gelangenden Ionen entspricht dann nicht mehr der angelegten Beschleunigungsspannung sondern der tatsächlichen Spannungsdifferenz zwischen Ver-

90981 1/030$

dampfungsort und Massenanalysator, die nichtigenau bekannt und nicht reproduzierbar ist. Ionen gleicher Masse können deshalb mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in den Massenanalysator eintreten, was die Auflösung erheblich verschlechtert oder
gar zu Fehlmessungen führt. Die auftretenden Fehler werden um so größer, je größer die Energie des Laserimpulses und damit die Zahl der erzeugten Ionen und je kleiner der beschossene Probenbereich sowie die Leitfähigkeit des Probenmaterials ist. Die zum Ausgleich dieser lokalen Ladung benötigte. Zeit muß kurz
gegenüber der des eigentlichen Meßvorganges sein.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die geschilderten Nachteile nicht mehr auftreten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß sich im Bereich der Probe eine elektrisch leitfähige Materialschicht befindet. Eine derartige, vorzugsweise auf Probenj befindliche, leitfähige Materialschicht sorgt für eine vollständig gleichmäßige Potentialverteilung im Bereich der Probe. Über diese Schicht erfolgt ein schneller Ladungsausgleich, so daß für die aus der Probe emittierten, in Richtung Massenanalysator beschleunigten Ionen stets die gleiche Potentialdifferenz maßgebend ist. Auch der Durchgriff äußerer Störpotentiale auf den Analysenort ist verhindert.

Ist die Anordung in der weiter vorne geschilderten bekannten Weise, also mit einer mit einem Deckglas verschlossenen Öffnung in einer der Wandungen des Gehäuses und einer dem Deckglas auf seiner Außenseite zugeordneten Fokussierungsoptik zur Bündelung

909811/0308

der elektromagnetischen Strahlung durch das Deckglas hindurch auf die unterhalb des Gehäuses angeordnete Probe,aufgebaut, dann ist^vorzugsweise zwischen Fokussierungsoptik und Probe befindliche Materialschicht zweckmäßig im wesentlichen transparent, damit die elektromagnetische Strahlung die Probe erreichen kann. Die Fokussierungsoptik kann dann auch der Betrachtung der Probe im Auf- oder Durchlicht, z.B. zur Einjustierung des Analysenortes, dienen.

Die leitfähige Materialschicht kann sich auf verschiedenen Bauteilen im Bereich der Probe befinden. Sie kann auf die der Probe zugewandten Seite der Fokussierungsoptik oder auf das Deckglas z.B. durch Bedampfen aufgebracht sein. Da das Deckglas häufig bei einem Probenwechsel mit ausgetauscht wird, hat die Aufbringung der Schicht auf die Frontfläche der Fokussierungsoptik zumindest hinsichtlich der Potentialverteilung gewisse Vorteile.

Die leitfähige Materialschicht kann sich aber /auf einer Trägerfolie für die Probe befinden oder selbst Trägerfolie für die Probe sein. Schließlich kann auch die Probe selbst mit der leitfähigen Schicht bedampft sein.

Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin zweckmäßig, wenn die leitfähige Schicht gegenüber der das Absaugen der Ionen bewirkenden Elektrode mit hoher Kapazität und vorzugsweise niedriger Induktivität abgeblockt ist. Das Ziel, eine Potentialveränderung durch Ladungstrennung im Probenbereich zu verhindern, wird dadurch besonders gut erreicht.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn Probe und Materialschicht gleiches Potential haben und von den übrigen Elementen im Bereich der Probe elektrisch isoliert angeordnet sind. Hierbei kann die Probe z.B. auf positive oder negative Hochspannung gelegt

90981 1/030$

werden, je nach dem, welches Ladungsvorzeichen die zu analysierenden Teilchen haben. Das ermöglicht die Verwendung eines auf Erdpotential liegenden Massentrennsystems. Erfolgt die Massentrennung mit Hilfe eines Flugzeitrohres, dann kann dieses einen einfachen Aufbau haben, da die sonst üblichen, aufwendigen Hochspannungsisolierungen nicht mehr erforderlich sind. Die erwähnte Maßnahme ermöglicht es aber auch, das Massentrennsystem - wie üblich - auf negativem oder positivem Hochspannungspotential zu belassen. Man erhält dann eine Verdopplung der Beschleunigungsspannung .

Eine andere zweckmäßige Maßnahme besteht darin, die leitfähige Materialschicht für sich allein elektrisch isoliert anzuordnen. Das ermöglicht die Einstellung eines gegenüber der Probe unterschiedlichen Potentials, so daß eine weitere Beeinflussung des probennahen Feldes möglich ist. Durch geeignete Wahl des Potentials können darüber hinaus aus dem Raum zwischen Probe und leitfähiger Schicht nicht nur Ionen sondern auch Elektronen abgesaugt und z.-B, zur Normierung des Meßsignals-herangezogen werden, da ihre Zahl mit der der erzeugten Ionen und deren Ionisationsgrad fr ist. Dieses Absaugen der Ionen oder Elektronen kann auch zwischen zwei im Bereich der Probe befindlichen elektrisch leitfähigen Schichten erfolgen. Bei der Registrierung schneller niedriger Signale sollte dann zweckmäßig eine kapazitätsarme Anordnung Verwendung finden

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen dem Deckglas und der Probe ein Netz angeordnet. Dieses Netz dient als Abstandshalter und sorgt dafür, daß das Deckglas nicht mit verdampft wird. Das Netz kann aus leitendem oder nichtleitendem Material bestehen. Besteht es aus leitendem Material, dann hat es vorzugsweise elektrischen Kontakt mit der leitfähigen Material-

909811/Q306

schicht. Es trägt dann mit zum schnellen Ladungsausgleich bei. Besteht es aus nicht leitendem Material, dann kann damit eine elektrische Isolierung der leitfähigen Schicht realisiert werden.

In besonderen Fällen kann es zweckmäßig sein, zur Beeinflussung des probennahen Feldes zwei elektrisch leitfähige Materialschichten vorzusehen, wodurch die Beeinflussungsmöglichkeiten für das probennahe Feld - z.B. für Optimierungs- oder Justierzwecke - weiterhin vervielfacht werden kann.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in denFiguren 1 bis 3 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 einen Ausschnitt aus einer Anordnung zur Analyse einer Probe durch Beschüß mit elektromagnetischer Strahlung nach der Erfindung;

Figur 2 einen gegenüber der Figur 1 abgeänderten Ausschnitt der Figur 1 und

Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung.

Die Anordnung nach Figur 1 umfaßt das Gehäuse 1, dessen öffnung mit dem Deckelflansch 3 vakuumdicht verschlossen ist. Der Deckelflansch 3 selbst weist ebenfalls eine Öffnung 4 auf, die ihrerseits mit Hilfe des Deckelglases 5 vakuumdicht verschlossen ist. Dem Deckglas 5 liegt außerhalb des Gehäuses 1 vorzugsweise über" eine aus Immersionsflüssigkeit bestehende Schicht 6 die Fokussierungsoptik an, die hier schematisch als Sammellinse 7 dargestellt ist. Mit Hilfe dieser Fokussierungsoptik 7 wird die

90981 1/0306

elektromagnetische oder Laserstrahlung im Bereich der mit 8 bezeichneten Probe derart fokussiert, daß ein extrem kleiner Bereich der Probe verdampft und ionisiert wird. Die ionisierten Probenbestandteile mit negativer oder positiver Ladung werden von der gegenüber der Probe 8 auf positiver oder negativer Hochspannung liegenden Elektrode 9 abgesaugt, die z.B. gleichzeitig als Ionenlinse ausgebildet sein kann. Von dort aus gelangen die Ionen in ein nicht dargestelltes Massenspektrometer, dessen Massentrennsystem z.B. ein Flugzeitrohr sein kann. Damit ausschließlich die Probe 8 und nicht auch das Deckglas 5 verdampft wird, ist zwischen der Probe 8 und dem Deckglas 5 ein Abstandshalter z.B. ein Netz 10, vorgesehen, dessen Dicke z.B. einige zehn Mikrometer betragen kann. Die Probe kann auch zwischen zwei Netzen gehaltert sein.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die dem Inneren des Gehäuses 1 zugewandte Seite des Deckglases 5 mit der erfindungsgemäßen leitfähigen für die ionenerzeugende Laserstrahlung transparenten Materialschicht 11 belegt. Diese Materialschicht sorgt für einejgleichmäßige Potentialverteilung im Bereich der Probe, so daß für alle von der Probe zur Elektrode 9 fliegenden Ionen die gleiche Potentialdifferenz maßgebend ist. Die zugehörigen Spannungsquellen wurden der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Gegenüber "der Elektrode 9 ist die leitfähige Schicht mit einer relativ großen Kapazität 12 abgeblockt, so daß ein schneller Ladungsausgleich gesichert ist. Besteht der Abstandshalter 10 aus leitfähigem Material, z.B. einem Kupfernetz, dann trägt dieses Netz ebenfalls zum Ladungsausgleich bei, da es direkten Kontakt mit der leitfähigen Schicht 11 hat.

90981 1/030S

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 sind nur die wesentlichen Teile der Figur 1 nochmals dargestellt und mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel dadurch, daß für dieProbe 8 eine Trägerfolie 13 vorgesehen ist, auf die die leitfähige Schicht 11 aufgebracht ist. Bei einer solchen Anordnung kann zusätzlich noch auf der Innenseite des Glases 5 - wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 - eine weitere Schicht 11'vorgesehen sein, die ein anderes Potential als die Schicht 11 und die Probe 8 haben kann. Als Isolator können das Netz 10 und/oder die Folie 13 dienen, indem sie aus elektrisch isolierendem Material bestehen.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 weist die der Probe zugewandte Seite der Fokussierungsoptik 7 die erfindungsgemäße leitfähige Schicht 11 auf, die auf Erdpotential liegt. Eine 'solche Anordnung ist vorteilhaft, wenn bei jedem Probenwechsel das Deckglas und die übrigen Elemente mit ausgewechselt werden müssen. Es ist dann nicht mehr erforderlich, jedes Mal eines oder mehrere dieser Elemente' erneut mit der leitfähigen Schicht zu bedampfen. Natürlich kann an die Schicht 11 auch jedes andere im jeweils gewünschten Falle geeignete Potential gelegt werden.

Die Schicht 11 besteht zweckmäßig aus In_?0-Sn0_ oder aus einer dünnen Schicht aus Kohlenstoff oder Gold, Ihre Dicke und Beschaffenheit ist so zu wählen, daß sie für die Laserstrahlung noch transparent ist. Liegt die Schicht 11 so nahe bei der Probe 8_f daß ein Teil mitverdampft wird, dann kann dieses Material mit zur Normierung des Massenspektrometers herangezogen werden.

909811/0306

Claims

77.026

ANSPRÜCHE

CΛ .1 Anordnung zur Analyse einer Probe durch Beschüß mit elektromagnetischer Strahlung und anschließender Untersuchung der aus der Probe emittierten Teilchen mit Hilfe eines Massenanalysators mit einem in einem evakuierbaren Gehäuse untergebrachten der Probe zugeordneten Massenanalysator, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Bereich der Probe (8) eine elektrisch leitfähige Materialschicht (11) befindet.

2. Anordnung nach Anspruch 1 mit einer mit einem Deckglas verschlossenen Öffnung in einer der Wandungen des Gehäuses und einer dem Deckglas auf seiner Außenseite zugeordneten Fokussierungsoptik zur Bündelung der elektromagnetischen Strahlung durch das Deckglas hindurch auf die innerhalb des Gehäuses angeordnete Probe, dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugsweise zwischen Fokussierungsoptik (7) und Probe befindliche elektrisch leitfähige Materialschicht für die elektromagnetische Strahlung im wesentlichen transparent ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Materialschicht (11) auf eines der Bauteile im Bereich der Probe (8) z.B. durch Bedampfen aufgebracht ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trägerfolie (13) für die Probe (8) vorgesehen ist, die außerdem noch die leitfähige Materialschicht (11) trägt.

9 0 9 8 11/0306 °*'G*JAL _INiSPecTED

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialschicht (11) von einer als Probenträger dienenden Folie gebildet wird.

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (8) selbst mit der leitfähigen Schicht (11) bedampft ist.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht (11) gegenüber der das Absaugen der Ionen bewirkenden Elektrode (9) mit hoher Kapazität und vorzugsweise niedriger Induktivität abgeblockt ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Materialschicht (11) und die Probe (8) gleiches Potential - vorzugsweise positive Hochspannung - haben und von den übrigen Elementen im Bereich der Probe elektrisch isoliert angeordnet sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Materialschicht (11) für sich allein elektrisch isoliert angeordnet ist.

10.Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht (11) ein gegenüber der Probe (8) unterschiedliches Potential hat.

11.Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Deckglas (5) und Probe (8) ein aus elektrisch leitendem oder nichtleitendem Material be-

90981 1/0306

stehender Abstandshalter, vorzugsweise ein Netz (10), angeordnet ist.

11.Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere elektrisch leitfähige
Materialschichten vorgesehen sind.

12.Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Schicht (11) aus
In_0.,-SN0_2; Kohlenstoff, Gold oder dgl. besteht und eine solche Dicke und Beschaffenheit aufweist, daß sie für die elektromagnetische bzw. Laserstrahlung noch weitgehend transparent ist.

13.Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß eine oder mehrere leitende Schichten
(11, 11')dem Auffangen von bei der Bestrahlung entstehenden
Ionen oder Elektronen dienen und zur Erzeugung von Normierungssignalen herangezogen werden.

9098 1 1 /0306