DE2817698A1

DE2817698A1 - Vorrichtung zur erfassung negativer ionen

Info

Publication number: DE2817698A1
Application number: DE19782817698
Authority: DE
Inventors: Jun George Caterine Stafford
Original assignee: Finnigan Corp
Current assignee: Thermo Finnigan LLC
Priority date: 1977-04-22
Filing date: 1978-04-22
Publication date: 1979-04-12
Also published as: GB1576915A; FR2388406B1; DE2817698C2; FR2388406A1

Description

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erfassung negativer Ionen, insbesondere auf eine Vorrichtung, bei der die negativen Ionen durch ein Vierpol-Massenspektrometer erzeugt werden.

Bei Massenspektrometern und anderen, Ionen erzeugenden Vorrichtungen, werden sowohl positive als auch negative Ionen erzeugt. Bei der neueren Hochdruck-Ionisation werden positive und negative Ionen im Überschuß erzeugt. Die chemische Zusammensetzung der untersuchten Verbindung bestimmt schließlich die relative Intensität der positiven und negativen Ionen. Es ist daher für die Analyse wünschenswert, Ionen beider Polaritäten zu erfasen.

Der Stand der Technik und die Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A vereinfachte Darstellungen bekannter CDEM-Ionendetek- ^ma ^1B tor en,
Pig. 2 das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Massen-

spektrometers,
Fig. 3 die aufgeschnittene perspektivische Darstellung des

Detektorteils der Fig. 2,
Fig..4 die Prinzip-Darstellung der Vorrichtung der Fig. 3

und
Fig. 5 die Prinzip-Darstellung einer alternativen Ausführungsforrn ähnlich Fig. 4.

Zur Erfassung positiver Ionen dient ein durchgehend arbeitender Elektronenvervielfacher mit einer Dynode oder einer Sekundäremissionskathode (CDEM) der in Fig. 1A gezeigten Art, der unter der Bezeichnung GALILEO 4770 erhältlich ist. Hierbei wird der Kathode eine Spannung von -1 bis -3 kV aufgedrückt. Diese hohe

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Spannung beschleunigt die positiven Ionen in ihr erstes Stadium Das Anodenende liegt an Masse und das Detektorsignal wird bei Massepotential erhalten.

Fig. 1B zeigt einen typischen Detektor für negative Ionen der gleichen Ausbildung wie der Detektor der Fig. 1A, mit der Ausnahme, daß die Kathode zum Anziehen der negativen Ionen bei etwa +2kV betrieben wird. Das Ausgangssignal an der Anode liegt erdfrei auf einer verhältnismäßig hohen positiven Spannung zwischen +3 und +5 kV.

Während der Detektor für positive Ionen mit dem in Fig. 1A gezeigten Aufbau zufriedenstellend arbeitet, hat der Detektor für negativen Ionen, wie er in Fig. 1B gezeigt ist, beträchtliche Nachteile.

1. Der Anodenteil, an dem das Signal erfaßt wird, liegt gegenüber Masse auf einem hohen Potential, so daß ein erdfreier Vorverstärker mit kompliziertem Aufbau erforderlich ist.

2. Da der Detektor für negative Ionen der in Fig. 1B gezeigten Art notwendigerweise ein erdfreies System ist, ist er gegenüber Streuelektronen im System äußerst empfindlich. Auch die Hintergrundstörungen sind verhältnismäßig stark.

3. Da der Ausgangssignalleiter auf verhältnismäßig hohem positivem Potential liegt, sind die mikrofonischen Störungen erheblich.

Da andererseits bei dem Detektor für positive Ionen der Fig. 1A der Signalausgang auf Masse liegt, treten bei ihm diese Nachteile nicht auf und er arbeitet befriedigend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile und Mängel des Standes der Technik zu vermeiden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung oder Messung negativer Ionen aus einer negativen Ionenquelle enthält

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ORIGlMAL !NSPSCTED

eine Umwandlungseinrichtung, die die negativen Ionen empfängt und eine hierzu proportionale Menge positiver Ionen erzeugt. Die erzeugten positiven Ionen werden dann erfaßt.

Fig. 2 zeigt eine typische Anordnung, bei der der erfindungsgemäße Detektor für negative Ionen angewendet wird. In einem Ionisationsbereich 11 werden negative Ionen und andere Teilchen, einschließlich Elektronen, positiver Ionen und neutraler Teilchen, erzeugt, die im Massenanalysator 12 analysiert werden. Dieser kann ein Analysator mit Vierpolfilter sein. Ein Detektor 13 erfaßt das gewünschte Teilchen und zeigt seinen Überschuß oder seine Menge an.

Der Aufbau des erfindungsgemäßen Detektors zur Erfassung negativer Ionen ist in Fig. 3 gezeigt. Die negativen Ionen werden vom Massenanalysator 12 einer mit einem Gitter 14 versehenen Öffnung zugeführt; sie beschießen eine Umwandlungseinheit oder Anode 16, die die negativen Ionen in positive Ionen umwandelt. Die Umwandlungsanode kann insgesamt aus Al, Gu, Ag, Cr, Be oder nichtrostendem Stahl und zusätzlich Oxiden dieser Metalle aufgebaut sein. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Anode 16 aus oxidiertem Kupfer in Form eines Kubus mit zwei aneinander angrenzenden offenen Seiten. Alternativ kann eine geneigte flache Anordnung oder ein Jalousieverschluß verwendet werden. Diese Einheit bildet einen wirksamen Reflektor zum Empfang der negativen Ionen durch das Gitter 14 und zur Lenkung der erzeugten positiven Ionen zu einem kontinuierlich arbeitenden Dynoden-Elektronenverstärker 20. Der Elektronenverstärker 20 ist identisch mit dem der Fig. 1A; er enthält einen hornförmigen Teil 21 mit einem daran befestigten Einlaßgitter 22. Durch das Einlaßgitter 22 wird verhindert, daß Sekundärelektronen aus dem hornförmigen Teil 21 entweichen.

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Die Umwandlungsanode 16 wird von einer rechteckigen Einheit 23 gehalten, deren Umriß in gestrichelten Linien gezeigt ist. Zum Anziehen der negativen Ionen aus dem Massenanalysator 12 wird die Anode 16 auf einer Spannung von +3 kV gehalten. Diese Spannung ist nicht kritisch.

Fig. 4 zeigt eine Prinzip-Darstellung der Vorrichtung der Fig. 3, wobei ein negatives Ion durch das Einlaßgitter 14 eintritt und auf die Umwandlungsanode 16 trifft, so daß eine proportionale Menge positiver Ionen erzeugt wird. Die Menge ist abhängig von der Ionenstruktur, beispielsweise der Masse oder anderen Eigenschaften. Das positive Ion wird dann vom Elektronenverstärker erfaßt. Theoretisch erfolgt die Umwandlung negativer Ionen in positive Ionen dadurch, daß die primären negativen Ionen auf die Oberfläche der Umwandlungsanode 16 stoßen oder in ihrer Richtung beschleunigt werden. Auf die Anodenoberfläche aufschlagende Streuelektronen erzeugen keine positiven Ionen und werden daher nicht erfaßt.

Für die Umwandlung negativer Ionen in positive dürften drei Hauptmechanismen einzeln oder in Kombination verantwortlich sein.

1. Zerstäubung

Metallatome oder absorbierte Moleküle werden von der Oberfläche der Umwandlungsanode durch den energetischen Beschüß negativer Ionen verdampft. Ein Teil dieser verdampften Atome verliert die Elektronen und wird zu positiven Ionen, die anschließend vom Elektronenverstärker als positive Ionen gesammelt werden.

2. Zerkleinerung der negativen Ionen

Wenn primäre negative Ionen mit hoher Energie (etwa 3 kV) die Metalloberfläche beschießen, können sie in starkem Maße zerkleinert werden. Diese Bruchteile bestehen aus neutralen Teilchen, positiven Ionen und negativen Ionen. Nur die positiven Ionenteilchen werden am Elektronenverstärker für positive Ionen gesammelt und erzeugen ein Ausgangssignal.

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3. Verlust der Ladung

Wenn negative Ionen zur Umwandlungsanode beschleunigt werden oder auf diese aufschlagen, können sie zwei Elektronen verlieren und werden zu positiven Ionen der gleichen elementaren Zusammensetzung.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung können also negative Ionen fehlerlos erfaßt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich auch zur gleichzeitigen Erfassung positiver und negativer Ionen. Beispielsweise ist in der US-PS 4 066 894 eine Anordnung beschrieben, bei der zwei CDEM-Elektronenverstärker benutzt werden, von denen der eine zur Erfassung positiver und der andere zur Erfassung negativer Ionen dient.

Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit der im wesentlichen gleichzeitig negative und positive Ionen vom Ausgang des Massenanalysators 12 (Fig. 2) unter Verwendung eines gemeinsamen CDEM-Elektronenverstärkers 30 erfaßt werden. Dieser Elektronenverstärker ähnelt dem der Fig. 4 insofern, als seine Kathode auf einer verhältnismäßig hohen Spannung, beispielsweise 2 000 Volt und seine Anode auf Masse liegt. Somit wird das Ausgangssignal bei Massepotential abgegriffen oder ist auf Massepotential bezogen. Die Vorteile eines solchen auf Masse bezogenen Signals sind oben beschrieben. Somit eignet sich der CDEM-Elektronenverstärker 30 zur Bestimmung des Überschusses positiver Ionen.

Gemäß Fig. 5 und entsprechend Fig. 4 werden die negativen Ionen des Ionenstrahls, die notwendigerweise eine geringe Energie haben (z. B. weniger als 100 eV), weil sie von einem Vierpol-Massenanalysator erzeugt werden, mittels einer Umwandlungseinheit 16' durch eine Öffnung 31 angezogen. Diese Einheit ähnelt der Einheit 16 der Fig. 4; sie wird beispielsweise auf + 3000 Volt gehalten. Wie oben beschrieben, spricht die Umwandlungs-

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einheit auf den Beschüß mit negativen Ionen dadurch an, daß sie eine proportionale Menge positiver Ionen erzeugt, die vom Detektor 30 erfaßt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es einfach, Ionen auf niedrigem Pegel zu verarbeiten. Darüber hinaus arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung mit hohem Umwandlungs-Wirkungsgrad von annähernd 100 fi bei organischen (oder allgemeiner, mehratomigen) Ionen.

Die positiven Ionen im Ionenstrahl werden mittels einer Oberfläche oder Platte 33 durch eine Öffnung 32 zum Elektronenverstärker 30 gelenkt. Die Platte 33 wird auf einem negativen Potential von -3 000 Volt gehalten. Die Platte 33 bildet die erste Stufe des Elektronenverstärkers 30. Entsprechend dem bekannten Prinzip erzeugen die auf die Platte 33 (z· B. aus Kupfer-Beryllium) schlagenden positiven Ionen Elektronen, die vom Elektronenverstärker 30 erfaßt werden. Bei den Elektronen handelt es sich um Sekundärelektronen. Dabei ist die Anzahl der erzeugten Elektronen proportional zum Überschuß der auffdie Platte 33 schlagenden positiven Ionen. Somit ist das Ausgangssignal proportional zur Menge der eintretenden positiven und negativen Ionen.

Obwohl die positiven und negativen Ionen des Ionenstrahls im wesentlichen gleichzeitig vorhanden sind, kann praktisch das Ausgangssignal zeitlich gesteuert werden (multiplex), so daß ein Signal entsteht, das sequentiell proportional zu den positiven und negativen Ionen ist. Wie in der US-PS 4 066 894 beschrieben, kann der Vierpol-Massenanalysator durch eine Steuereinheit so geschaltet werden, daß er abwechselnd die Signale über positive und negative Ionen mit einer Frequenz von beispielsweise 1 kHz überträgt. Dieses Folgesignal kann so angewendet werden, daß das Ausgangssignal des Elektronenverstärkers 30 zeitlich multiplexiert wird. Die Frequenz ist nicht kritisch; sie kann beispielsweise zwischen 1 Hz und 100 kHz liegen.

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Der Elektronenverstärker 30 ist zwar als durchgehender Verstärker gezeigt; er kann jedoch auch aus mehreren diskreten Stufen, beispielsweise auf 15 Stufen aufgebaut sein, wobei die 16. Stufe die Einheit 33 ist. Diese ist als kasten- und gitterförmiger Verstärker bekannt. Die Platte 33 dient in Fig. 5 nur der räumlichen Betrachtung; sie kann auch durch andere geometrische Anordnungen ersetzt oder weggelassen werden, wobei die positiven Ionen direkt in eine gemeinsame Detektoreinheit 30 eintreten.

Somit können erfindungsgemäß negative und positive Ionen sequentiell oder gleichzeitig erfaßt werden.

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Claims

PATENTANWALT E SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜ BEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK MARIAHILFPLATZ 2 4 3, MÜNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-8OOO MÖNCHEN 95 2 O I / Q 9 8 KARL LUDWIG SCHIFF DIPL. CHEM. DR. ALEXANOER V. FÜNER DIPL. INS. PETER STREHL DIPL. CHEM. DR. URSULA SCHÜBEL-HOPF DIPL. INS. DIETER EBBINGHAUS DR. ING. DIETER FINCK TELEFON (OB9) 48 00 54 TELEX 5-23 565 AURO D TELEGRAMME AUROMARCPAT MÜNCHEN Finnigan Corporation DA-14270 DE/A 22. April 1978 Vorrichtung zur Erfassung negativer Ionen PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zur Erfassung aus einer Quelle austretender negativer Ionen, gekennzeichnet durch eine Umwandlungseinrichtung (16), der die negativen Ionen zugeführt werden und die eine proportionale Menge positiver Ionen erzeugt, und durch eine Einrichtung (20) zur Erfassung des Überschusses der positiven Ionen, so daß der Überschuß bzw. die Menge der negativen Ionen bestimmt wird.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlungseinrichtung aus einer Umwandlungsanode (16) besteht, die so angeordnet ist, daß sie von den
negativen Ionen beschossen wird, wobei die positiven Ionen
durch die Energie des Beschüsses erzeugt werden.

3. Vorrichtung nach Anspr^"h 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Beschüß positive Ionen mittels Zerstäubung erzeugt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich-r net, daß durch den Beschüß positive Ionen mittels Zerkleinerung erzeugt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Beschüß positive Ionen durch Abtrennen zweier Elektronen aus den negativen Ionen erzeugt werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlungsanode (16) einen Reflektor bildet, der die negativen Ionen empfängt und die resultierenden positiven Ionen zum Detektor (20) lenkt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor aus einem kontinuierlichen Dynoden-Elektronenverstärker (20) besteht.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenverstärker (20) einen hornförmigen Teil (21) mit einem in einer Öffnung vorgesehenen Gitter (22) enthält, dem die positiven Ionen zugeführt werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlungsanode (16) zum Anziehen negativer Ionen auf positiver Spannung gehalten wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20) zur Erfassung positiver
Ionen ein Ausgangssignal auf Massepotential erzeugt.

. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20) zur Bestimmung des Überschusses der positiven Ionen aus einem kontinuierlichen Dynoden-Elektronenverstärker (20) besteht und die Oberfläche der Umwandlungsdiode (16) als erste Stufe oder Kathode des Verstärkers
wirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (30) den Überschuß der positiven,
zu den negativen Ionen proportionalen Menge von Ionen und die positiven Ionen aus der Quelle erfaßt.

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