DE2934408A1

DE2934408A1 - Ionenquelle mit kaltkathode und damit ausgeruestetes massenspektrometer

Info

Publication number: DE2934408A1
Application number: DE19792934408
Authority: DE
Inventors: Donald Lloyd Swingler
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 1978-08-25
Filing date: 1979-08-24
Publication date: 1980-03-06
Also published as: AU5029079A; US4303865A; GB2030356B; GB2030356A; AU534599B2

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf Plasmaentladungsanordnungen, die insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, zur Verwendung in Massenspektrometerη geeignet sind, welche elektrostatische Massenfilter verwenden.

Massenspektrometer, die elektrostatische Massenfilter, wie z.B. Quadrupol-Massenfilter, verwenden, sind an sich bekannt. Derartige Spektrometer sind so ausgebildet, daß Ionen eines zu untersuchenden Gases der Dampfes in einer Ionenquelle erzeugt und in den Massenfilter geleitet werden, wobei die gefilterten Ionen von einem geeigneten Detektor abgetastet werden.

Die in einem Massenspektrometer der oben genannten Art verwendete Ionenquelle kann verschiedenste Form besitzen, jedoch war es in der Vergangenheit üblich, Elektronenstoßanordnungen zu verwenden. Plasmaentladungsvorrichtungen, wie z.B. die bekannte Penning-Entladungsvorrichtung, sind jedoch dafür bekannt, daß sie erwünschte Eigenschaften haben, die sie zur Verwendung als Ionenquellen besonders geeignet machen, allerdings haben sie sich für den vorliegenden Zweck als nicht günstig erwiesen, und zwar wegen einer nicht zufriedenstellenden Energieverteilung der von derartigen Vorrichtungen erzeugten Ionen. Insbesondere werden normalerweise beträchtliche Mengen von hochenergetischen Ionen erzeugt, welche die Neigung besitzen, den Massenfilter unabhängig von der Masse zu durchlaufen, was zu einer Verringerung der Filtereigenschaften des Massenfilters führt. Zur Beseitung dieses Problems hat man an verschiedene Lösungen gedacht. Beispielsweise ist ein wirksames Massenspektrometer, das eine spezielle Form.einer Plasmaentladungsvorrichtung verwendet, in der Veröffentlichung NASA CR-1475 der National Aeronautical Aeronautics and Space Administration unter dem Titel "A Cold Cathode Ion Source Mass Spectrometer

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Employing Ion Counting Techniques" von F.L. Torney Jr., P. Blum, P. Fowler und J.R. Roehrig beschrieben. Die dort angegebene Vorrichtung ist jedoch relativ kompliziert.

Unter Berücksichtigung der eingangs genannten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Ionenquelle zu schaffen, die so ausgelegt ist, daß die Energieverteilung der von ihr erzeugten Ionen begrenzt ist und daß sie gleichwohl eine relativ einfache Konstruktion aufweist.

Gemäß der Erfindung wird eine Ionenquelle angegeben, die zwei axial im Abstand voneinander angeordnete Kathoden sowie eine zwischen den Kathoden angeordnete Anode aufweist, wobei die Anode quer zur Achse der Ionenquelle einen im allgemeinen ringförmigen Querschnitt besitzt. Die Anordnung weist erste und zweite Teile auf, die an entsprechenden gegenüberliegenden axialen Enden der Anode angeordnet sind und im Betrieb ein Magnetfeld erzeugen, das in Richtung der Achse ausgerichtet ist und sich zwischen den Kathoden erstreckt, so daß bei Anlegen eines positiven Potentials an die Anode Ionen eines in die Ionenquelle eingeleiteten Gases oder Dampfes erzeugt werden. Die Ionenquelle ist dabei so ausgelegt, daß die Ionen im Betrieb so gerichtet sind, daß sie sich von der Anode wegbewegen und axial an der einen Kathode und einem benachbarten Bauteil vorbeifliegen. Eine erste Elektrode ist in der Achse und in der Nähe einer axial angeordneten öffnung in einer zweiten Elektrode angeordnet, die sich quer zur Achse erstreckt, so daß zwischen der ersten und zweiten Elektrode eine im allgemeinen ringförmige öffnung gebildet wird, so daß im Betrieb der Ionenquelle mit an die beiden Elektroden angelegtem positivem Potential ein elektrostatisches Feld bei der oder um die erste Elektrode erzeugt wird, das so gerichtet ist, daß es eine Abstoßung derjenigen Ionen bewirkt, deren Energien außerhalb eines vorgegebenen Energiebandes liegen.

Wird die Ionenquelle bei einem Massenspektrometer verwendet, so wird das von der ringförmigen öffnung erzeugte Feld dazu verwendet, die akzeptierten Ionen schließlich in den Massenfilter zu führen. Vorzugsweise ist eine weitere mit einer

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öffnung versehene Elektrode mit einer axial ausgefluchteten Öffnung vorgesehen, die auf dem Wege der Ionen von den ersten und zweiten Elektroden und im Abstand von diesen ersten und zweiten Elektroden angeordnet ist, so daß innerhalb des Energiebandes liegende Ionen im Betrieb der Ionenquelle die ringförmige öffnung passieren und von dort sich durch die zuletzt genannte öffnung bewegen können, jedoch in der Weise, daß zumindest Ionen mit Energien, die oberhalb des vorgegebenen Pegels liegen, ausgesondert werden, da es ihnen nicht gelingt, entweder die ringförmige öffnung oder die weitere Öffnung zu passieren. Vorzugsweise ist die weitere Elektrode im Betrieb mit einem Null-Potential relativ zum Potential der Anordnung ausgelegt. Die Ionenquelle ist vorzugsweise mit einem länglichen, sich in axialer Richtung erstreckenden Teil aus 5 leitendem, aber nicht magnetischem Material versehen, das sich von dem Teil der Anordnung ausgehend, das dem einen Bauteil gegenüber liegt, durch die Anode erstreckt, jedoch im Abstand vom Innenumfang der Anode angeordnet ist und an einem Ort in der Nähe der Anode, jedoch zwischen der Anode und dem einen Bauteil endet.

Wenn die erfindungsgemäße Ionenquelle in einem Massenspektrometer verwendet wird, so kann die Wirksamkeit des Massenspektrometers dadurch weiter verbessert werden, daß man einen Ionenkollektor bekannter Form verwendet, wie er in der australischen Patentschrift 41O 813 beschrieben ist. Gemäß der Erfindung wix'd somit außerdem ein Massenspektrometer angegeben, das in axialer Richtung im Abstand voneinander eine Ionenquelle, einen Kollektor und einen zwischen diesen angeordneten elektrostatischen Massenfilter aufweist, wobei die Ionenquelle von der oben beschriebenen Bauart ist und der Massenfilter im Betrieb ein daran angelegtes, vorgegebenes elektrisches Potential aufweist, damit er ein elektrostatisches Feld erzeugt, so daß von der Ionenquelle kommende Ionen mit bestimmter Energie längs eines vorgegebenen Weges vom Filter zum Kollektor geleitet werden. Der Kollektor weist dabei ein Kollektorteil auf, das in Abstand von der Bahn der Ionen an-

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geordnet ist und im Betrieb ein daran angelegtes Potential besitzt, so daß von den durch den Filter hindurchgehenden Ionen nur diejenigen Ionen angezogen werden, die Energiewerte in einem bestimmten Bereich besitzen, für den der Filter wirksam ist, und daß diejenigen Ionen mit einem Energiewert, der zumindest deutlich oberhalb dieses Bereiches liegt, nicht in ausreichendem Maße aus der Bahn abgelenkt werden, um aufgefangen zu werden.

Das Kollektorteil kann von flacher zylindrischer Bauform und konzentrisch mit der Achse des Massenspektrometer sein, wobei es einen nach innen gerichteten Flansch an dem dem Filter nächstliegenden Ende aufweist. Ein weiteres Teil kann im wesentlichen in der Achse und so angeordnet sein, daß das Kollektorteil sich im wesentlichen um dieses erstreckt, wobei dieses weitere Teil so angeordnet ist, daß es im Betrieb ein zweites elektrisches Potential besitzt, so daß Ionen mit Energiewerten innerhalb des genannten Bereiches abgestoßen werden, während jedoch Ionen mit Energiewerten, die zumindest deutlich oberhalb des Bereiches liegen, in der Lage sind, ihre Bewegung vom Filter im wesentlichen unabgelenkt fortzusetzen.

Bei dem Massenfilter wird es sich normalerweise um eines der Quadrupol-Bauart handeln, jedoch können auch andere Typen verwendet werden, wie z.B. eines der Monopol-Bauart.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in Figur 1 eine schematische Darstellung eines Massenspektrome-

ters mit einer erfindungsgemäßen Ionenquelle; Figur 2 einen schematischen Axialschnitt einer Ionenquelle bekannter Bauart;

Figur 3 einen schematischen Axialschnitt eines in das Massenspektrometer nach Figur 1 eingebauten Kollektors; Figur 4 einen schematischen Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Ionenquelle;

Figur 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Energieverteilung der mit den Ionenquellen nach Figur 2 und 4 erzeugten Ionen; und in

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Figur 6 einen axialen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ionenquelle. Das in Figur 1 dargestellte Massenspektrometer 8 weist ein Quadrupol-Massenfilter 10 auf, das zwischen einer Ionenquelle 12 und einem Ionenkollektor 14 angeordnet ist, so daß durch Anlegen von geeigneten Spannung an diese Teile die in der Ionenquelle 12 erzeugten Ionen selektiv durch den Massenfilter 10 hindurchgelassen und beim Ionenkollektor 14 abgetastet werden.

Durch Abtasten der Spannungsbedingungen des Massenfilters 10 sind Ionen unterschiedlicher Massen über eine Abtastperiode in der Lage, von der Ionenquelle 12 durch den Massenfilter zu gelangen und den Ionenkollektor 14 zu unterschiedlichen Zeiten in der Abtastperiode zu erreichen, so daß beispielsweise durch Anfertigen einer Kurve, die den Kollektorstrom gegenüber der Abtastzeit angibt, Spitzen oder Peaks in der Kurve eine Anzeige der Massen von Ionen darstellen, die durch den Massenfilter hindurchgelaufen sind.

Bei dem Massenfilter 10 handelt es sich um einen üblichen Quadmpol-Massenfilter mit vier in Längsrichtung verlaufenden Stäben, die unter gleichen Winkelabständen im Abstand voneinander um einen gemeinsamen Kreis angeordnet sind, der um die Achse des Massenspektrometer verläuft. Nur zwei dieser Stäbe, die mit dem Bezugszeichen 70 bezeichnet sind, sind in der Zeichnung wiedergegeben. Die Stäbe sind zwischen einer Elektrode 48 an einem Ende und einer Platte 72 am anderen Ende gehaltert, wobei sie von der Elektrode 48 und der Platte 72 mittels Rubinkugeln 74 getrennt sind, welche die Stäbe 70 gegenüber der Elektrode 48 und der Platte 72 isolieren.

Wie nachstehend näher erläutert, sind sowohl die Elektrode 48 als auch die Platte 72 mit Öffnungen versehen, so daß Ionen von der Ionenquelle 12 über die Elektrode 48 in den Massenfilter 10 hineingelangen und den Massenfilter 10 über die Platte 72 verlassen können, um zum Ionenkollektor 14 zu gelangen.

Die Ionenquelle 12 ist von spezieller neuartiger Bauform einer Plasmaentladungsvorrichtung des Typs, der als Penning-Entladungsvorrichtung bezeichnet wird. Figur 2 zeigt eine

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herkömmliche Bauform einer Ionenquelle 78, die als Penning-Entladungsvorrichtung arbeitet.

Die Ionenquelle 78 weist zwei Hufeisenmagneten 80 und 85 auf, die so angeordnet sind, daß sie ein Magnetfeld bilden, das in axialer Richtung des Spektrometers verläuft. Genauer gesagt besitzen die Magneten einen Nordpol an dem einen Ende eines offenen Zwischenraumes 83 und einen Südpol am anderen Ende. Zwei axial im Abstand voneinander angeordnete Kathoden 82 und 84 sind an gegenüberliegenden Enden des Zwischenraumes 83 vorgesehen und eine Drahtanode 86 ringförmiger Gestalt zwishen den beiden Kathoden 82 und 84 im Abstand von diesen beiden Kathoden angeordnet. Die Kathode 84 und die Magneten 80 und 85 am Südpol-Ende der Ionenquelle 78 weisen eine hindurchgehende Öffnung 87 auf, damit Ionen aus der Ionenquelle 78 austreten können.

Die Wirkungsweise der Ionenquelle 78 ist an sich bekannt und im einzelnen beispielsweise in "Proceedings of the I.R.E.", Dezember 1961, auf Seiten 1920 in einem Artikel mit dem Titel "Electrical Characteristics of a Penning Discharge" von J.C.

Helmer und R.L. Jepson, beschrieben. Kurz zusammengefaßt werden die Kathoden 82 und 84 im Betrieb auf einer gemeinsamen Spannung gehalten, die um einige Kilovolt niedriger ist als das an der Anode 86 anliegende positive Potential. Zunächst einmal wird angenommen, daß im Betrieb die Anode 86 von einer Elektronenwolke umgeben ist, deren Elektroden sich auf zykloidförmigen Elektronenbahnen befinden, die in quer zur Spektrometerachse angeordneten Ebenen verlaufen. Die Umlaufbahnen besitzen kleinere Durchmesser als der Durchmesser der Anode ausmacht, so daß die Elektronen auf diesen Umlaufbahnen die Anode nicht erreichen können.

Moleküle von in den Zwischenraum 83 eingeleitetem Gas oder Dampf können durch die Elektronen in der Elektronenwolke ionisiert werden, wobei die so erzeugten Ionen in eine der Kathoden getrieben werden, und zwar durch ein starkes elektrisches Feld, das durch die beträchtliche elektrische Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Kathoden erzeugt wird,

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was zur Emission von Sekundärelektronen führt. In jedem Falle werden die Ionen des eingeleiteten Gases, die zur Kathode 84 getrieben werden, wenn sie sich in der Achse oder sehr dicht bei dieser befinden, durch die Öffnung 87 hindurch—kommen und zum Massenfilter 10 gelangen.

Wie in Figur 5 dargestellt, erzeugt die Ionenquelle 78 beträchtliche Anzahlen von Ionen mit einer Vielzahl unterschiedlicher Energien. Obwohl das dargestellte Energiespektrum ein ausgeprägtes Maximum bei einem speziellen Energiewert zeigt, gibt es eine beträchtliche Anzahl von Ionen mit höheren Energien. In der Tat kann es eine beträchtliche Anzahl von Ionen mit Energien geben, die bis zu Werten des hohen elektrischen Potentials gehen, das an der Anode anliegt. Obwohl bei der vorstehend beschriebenen Konstruktion die Art der Bauform des Ionenkollektors 14 so ist, daß er eine eine Diskriminierung oder Unterscheidung zwischen hochenergetischen Ionen und solchen Ionen bietet, die in der für den richtigen Betrieb des Massenspektrometers erforderlichen Weise durch den Massenfilter hindurchgelaufen sind, kann ein wirksamer Betrieb des Massenspektrometers immer noch durch die Anwesenheit von hochenergetischen Ionen gestört werden, da diese im Massenfilter 1O eine ausreichende Energiemenge verlieren können, so daß sie unabhängig von ihrer Masse zum lonenkollektor 14 gelangen.

5 Die Ionenquelle 12 gemäß der Erfindung ist im allgemeinen ähnlich aufgebaut wie die Ionenquelle 78, jedoch in der Weise abgeändert, daß sie in wirksamer Weise den Durchgang von hochenergetischen Ionen sperrt, so daß derartige Ionen nicht in den Massenfilter 10 gelangen und dort die oben erläuterten Schwierigkeiten hervorrufen können.

Die Ionenquelle 12 besitzt zwei Permanentmagneten 18 und 19, die einander gegenüberliegende Nordpole und Südpole bilden und die entsprechende gegenüberliegende Kathoden 22 und 24 besitzen, die ihnen zugeordnet sind. Die Kathode 24 ist mit einer mittleren axialen Öffnung 25 versahen. Eine Ringanode 26 ist koaxLal zum Spektrometer und in dem Z v/i sch ο η raum 2O

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zwischen den Kathoden 22 und 24 angeordnet. Insofern ist die Ionenquelle 12 analog aufgebaut wie die Ionenquelle 78.

Die Anordnung mit den Permanentmagneten 18 und 19 und der Ringanode 26 ist auf einer plattenförmigen Elektrode 46 montiert, wobei isolierende Rubinkugeln 32 zwischen ihnen angeordnet sind. Die Elektrode 46 ist ihrerseits auf der Elektrode 48 montiert und von dieser Elektrode 48 durch weitere isolierende Rubinkugeln 47 getrennt.

Ein in axialer Richtung verlaufendes, längliches Zylinderelement 42 aus leitendem, aber nicht magnetischem Material, wie z.B. Aluminium, erstreckt sich von der Kathode 22 zur Kathode 24, so daß es konzentrisch durch die Ringanode 26 hindurchgeht, jedoch in deutlichem Abstand vom Innenumfang der Ringanode 26 in dieser angeordnet ist. Das Zylinderelement 42 erstreckt sich von der Kathode 22 in der Weise, daß es über die Stellung der Ringanode 26 vorsteht und somit kurz vor der Kathode 24 endet.

Die Elektroden 46 und 48 sind zwischen der Kathode 24 und dem Eingang des Massenfilters 10 angeordnet. Die Elektroden 46 und 48 sind mit öffnungen versehen, um es den Ionen zu ermöglichen, von der von den Permanentmagneten 18 und 19 gebildeten Magnetanordnung durch die Elektrode 46 und die Elektrode 48 hindurch und von dort zum Massenfilter 10 zu gelangen. Somit hat die Elektrode 46 eine zentral angeordnete, axial ausgefluchtete kreisförmige öffnung 46a mit deutlich größerem Durchmesser als der Durchmesser der öffnung 25 in der Kathode 24. In gleicher Weise ist die Kathode 48 mit einer axial ausgefluchteten öffnung 48a versehen. Eine kreisförmig ausgebildete Elektrode 44 mit etwas größerem Durchmesser als die Öffnung 25 ist in der öffnung 46a angeordnet. Die Elektrode 44 besteht aus relativ dünnem Material, in axialer Richtung des Massenspektrometers 8 gemessen, und ist außerdem im allgemeinen mit der oberen Fläche 46b der Elektrode 46 ausgefluchtet und zentral innerhalb der Öffnung 46a angeordnet, so daß sie einen Ringspalt 50 zwischen dem Umfang der Elektrode 44 und dom Umfang der Öffnung 46a bildet. Wie in der Zeichnung dargestellt, ist die Elektrode 44 axial im Abstand von, jedoch

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in der Nähe der Kathode 24 angeordnet.

Der Ionenkollektor 14 ist im einzelnen in Figur 3 dargestellt und weist ein Kollektorteil 92 auf, das ein flaches, hohles Zylinderbauteil darstellt und mit einem nach innen gerichteten ringförmigen Flansch 92a an dem der Platte 72 nächstgelegenen Ende aufweist. Teilweise innerhalb des Kollektorteiles 92, jedoch etwas unterhalb des axialen Ortes des Flansches 92 ist ein Ionenablenkteil 94 für langsame Ionen vorgesehen. Dieses Ionenablenkteil 94 besitzt im allgemeinen konische Form, die in der von der Platte 72 weg weisenden Richtung divergiert.

Im Betrieb sind die Teile des dargestellten Massenspektrometer in einem nicht-dargesteilten Gehäuse eingeschlossen, aus dem die Luft evakuiert werden kann. Ferner sind ebenfalls nicht dargestellte Einrichtungen vorgesehen, um ein zu analysierendes Gas oder Dämpfe in das Spektrometer einzuleiten. An die verschiedenen Bauteile des Spektrometers werden die nachstehend näher erläuterten elektrischen Potentiale angelegt:
(1) An die Ringanode 26 wird ein Potential von +3 Kilovolt angelegt;

(2) an die Kathoden 22 und 24 und die Permanentmagneten 18 und 19 wird eine Spannung V angelegt, die beispielsweise im Bereiche zwischen 0 und +40 V liegen kann;

(3) an die Elektroden 44 und 46 wird ein Potential angelegt, das gleich der gewünschten oberen Grenze der Energie der von der Ionenquelle 12 erzeugten Ionen ist. Beispielsweise kann diese Spannung so gewählt werden, daß sie 1OO V plus V Volt beträgt.
(4) An die Elektrode 48 und die Platte 72 wird ein Potential

von Null Volt angelegt;
(5) an ein Paar von gegenüberliegenden Stäben 70 wird ein Potential von V cos (uit) + U, angelegt. Typischerweise

clC Cl · C *

kann V für Quadropolstäbe mit einem Durchmesser von

c\C

15 mm ungefähr 0,168 V betragen. Üblicherweise kann die

ac

Frequenz f = —- ungefähr 5 MHz betragen. Diese Parameter werden jedoch im Betrieb gemäß den Praxiserfahrungen auf der Basis bekannter Zusammenhänge zwischen Ionenmasse,

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Quadrupol-Dimensionen,Frequenz f und angelegtem Potential gewählt.

(6) An das andere Paar von gegenüberliegenden Stäben 70 des

Massenfilters 10 wird ein Potential von V cos (ut + ττ) - U,

ac α.c,

angelegt.

(7) An das lonenablenkteil 9 4 für langsame Ionen wird ein kleines positives Potential angelegt. Dieses kann so gewählt werden, daß es gleich dem an die Kathoden 22 und 24 angelegten Potential plus einer zusätzlichen Spannung von beispielsweise 50 Volt ist.

(8) Das Kollektorteil 9 2 befindet sich ebenfalls im wesentlichen auf Erdpotential und liegt über eine geeignete Meßeinrichtung an Masse.

Die Wirkungsweise des Massenspektrometer 8 mit den oben genannten, angelegten Potentialen erfolgt in an sich bekannter Weise, wobei die an die Stäbe 70 des Massenfilters 10 angelegten Wechselpotentiale einen Abtasteffekt über eine Periode einer derartigen Abtastung bewirken, so daß die Ionen von der Ionenquelle 12 unterschiedlicher Energien durch den Massenfilter 1O in der Weise hindurchlaufen, daß zu jedem Augenblick in der Abtastperiode nur Ionen mit einer bestimmten Massen innerhalb des abgetasteten Bereiches durch den Filter hindurchlaufen. Ionen dieser Masse werden längs der in Figur 1 dargestellten, im allgemeinen sinusförmigen Bahn 1OO durch den Massenfilter 10 und durch die Platte 72 hindurchlaufen, wo sie dann vom Kollektorteil 92 angezogen und abgelenkt werden, um auf dieses zu treffen. Die so gesammelten Ionen bewirken, daß die Meßeinrichtung 96 als Detektor einen Stromfluß registriert. Da das lonenablenkteil 94 für langsame Ionen sich auf einem leicht positiven Potential befindet, hat dieses die Tendenz, Ionen vom Massenfilter 10 abzustoßen und ihre Bewegung in Richtung des Kollektorteils 92 zu unterstützen.

Ionen von der Ionenquelle 12, die, auch wenn sie in einem ihren Durchgang durch den Massenfilter 10 ermöglichenden Energiebereich liegen, nicht die durch die Filterparameter vorgegebene Masse im Abtastzyklus für diesen Durchgang besitzen,

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werden abgelenkt, so daß sie auf einen der Stäbe 7O treffen, wie es durch die Bahn 102 in Figur 1 angedeutet ist.

Bei der Darstellung nach Figur 4 zeigen die Linien 52 die ungefähre Ausbildung des elektrischen Feldes, das im Betrieb der Ionenquelle 12 um die Elektrode 44 ausgebildet wird, wobei die Zahlen an den jeweiligen Enden dieser Linien 52 die jeweiligen prozentualen Anteile der an die Elektrode 46 angelegten Spannung angeben, der an der entsprechenden Stelle herrscht.

Die strichlierten Linien 54 und 56 zeigen Bewegungsbahnen der Ionen, die sich vom Zwischenraum 20 an der Kathode 24 vorbei und dann axial in Richtung der Elektrode 48 bewegen, wobei diese Bewegungsbahnen für Ionen zutreffen, die Energien unterhalb einer vorgwählten oberen Grenze für den Durchgang durch die Elektrodenanordnung besitzen, welche aus den Elektroden 44, 46 und 48 besteht. Wie ersichtlich, werden diese Ionen um die Elektrode 44 abgelenkt, gehen durch die Öffnung 50 hindurch und werden dann durch die mittlere Öffnung 48a in der Elektrode 48 geleitet. Andererseits werden Ionen höherer Energie, wie es durch die lonenbahn 58 in Figur 4 angedeutet ist, nicht in dieser Weise um die Elektrode 44 abgelenkt und werden direkt auf diese treffen oder sie werden, falls sie nicht auf die Elektrode 44 treffen, unter einem solchen Winkel durch den Ringspalt 50 hindurchgehen, daß sie 5 auf die Elektrode 48 treffen, anstatt durch die öffnung 48a hindurchzugehen.

Das Zylinderelement 42 unterstützt den Betrieb der Ionenquelle 12 durch eine Erhöhung der erzeugten Ionenanzahl. Die Ionenausbeute wird auch durch die Konfiguration der Magnetköpfe verbessert, die von den Kathoden 22 und 24 gebildet werden, wobei letztere in der dargestellten Weise aus magnetischem Material besteht. Genauer gesagt weisen beide Kathoden 22 und 24 schräge Ringflächen 6O auf, die mit der Achse der Ionenquelle ausgerichtet sind, wobei diese Ringflächen jeweils in von der Ringanode 26 weg weisenden Richtungen konvergieren. Eine derartige Formgebung führt zu einer gewissen

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Magnetfeldkompression um die Öffnung 25.

Mit der oben erläuterten Konstruktion der Ionenquelle 12 ist es möglich, die Emission von Ionen durch die Öffnung 48a zu unterscheiden, welche Energien oberhalb eines bestimraten Wertes besitzen, wie es durch die Linie 61 in Figur 5 angedeutet ist. Der maximale Energiewert für den Durchgang durch die Öffnung 48a wird durch die an die Elektroden 44 und 46 angelegten Spannung vorgegeben.

Der oben beschriebene Ionenkollektor 14 hat den besonderen Vorteil, daß ungeladene erregte Moleküle oder elektromagnetische Strahlung von der Ionenquelle 12, die die Neigung besitzen, auf einer geraden Linie den Massenfilter 10 zu durchlaufen, vom Potential am Kollektorteil 92 nicht abelenkt werden und einfach auf das Ionenablenkteil 94 für langsame Ionen treffen.

Derartige Teilchen oder elektromagnetische Strahlung werden somit nicht die Erzeugung von Fehlsignalen in der Meßeinrichtung 96 hervorrufen. In dem speziellen hier beschriebenen Falle liefert die Verwendung des Ionenkollektors in dieser Form einen weiteren Vorteil. Wenn nämlich durch irgendeinen Zufall relativ hochenergetische Ionen in der Ionenquelle 12 erzeugt werden, die eine zu hohe Energie besitzen, um in zufriedenstellendem Maße im Massenfilter 10 gefiltert zu werden, so werden diese ebenfalls die Tendenz besitzen, auf geraden Bahnen durch den Massenfilter 10 zu laufen, wie es durch die Linie 68 in Figur 1 angedeutet ist; anstatt auf das Kollektorteil 92 zu treffen, werden diese unmittelbar zum Ionenablenkteil 94 für langsame Ionen hindurchlaufen, und zwar aufgrund ihrer ausreichenden Energie, um das an das Kollektorteil 92 angelegte positive Potential zu überwinden.

Bei einer Versuchs-Ionenquelle 12, die gemäß der Anordnung nach Figur 4 aufgebaut war, hätte die Ringanode einen Durchmesser von 10 mm, während die Kathoden 22 und 24 in Form von Weicheisenpolschuhen 10 mm entfernt waren. Die Öffnung 25 hatte einen Durchmesser von 4 mm. Die Energieverteilung der von der Ionenquelle 12 kommenden und durch die Öffnung 48a hindurchgelassenen Ionen wurde gemessen. Es stellte sich heraus, daß die Empfindlichkeit ohne Filterung durch den Massenfilter

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einen Wert von 1 χ 10 A/Torr besaß, wobei dies einen Maximalwert darstellt, der bei einer Energie von 80 Elektronenvolt für emittierte Ionen auftrat. Im allgemeinen Betrieb hatten die Elektroden 44 und 46 ein angelegtes Potential von 100 VoIt₇ und es stellte sich heraus, daß eine wirksame Selektion der Ionen stattfand, so daß nur Ionen durch die öffnung 48a hindurchliefen, deren Energiewerte auf der linken Seite der Linei 61 in Figur 5 lagen.Wenn die Ionenquelle 12 mit dem Massenfilter 10 und dem Ionenkollektor 14 verwendet wurde, wie es in Figur 1 dargestellt ist, so war die entstehende Anordnung so ausgelegt, daß das minimal abtastbare Leck, das unter Verwendung des Spektrometers als Heliummonitor in einem Leckabtastsystem abtastbar war, einmal 1 χ 10 cm pro Sekunde (std. cc per see) betrug. Es ist jedoch einsichtig, daß die Verwendung der Ionenquelle 12 nicht auf ihre Verwendung in einem Massenspektrometer beschränkt ist. Außerdem hat sich herausgestellt, daß die Verwendung der Ionenquelle 12 im wesentlichen zu einer vollständigen Beseitigung von Druck-Untergrundeffekten führt, die normalerweise bei Massenspektrometersystemen mit Kaltkathoden auftreten; ferner hat die Verwendung der Ionenquelle 12 zu einer wesentlichen Beseitigung der Verunreinigung des Massenfilters 10 selbst durch schnelle Ionenentladungen auf den Stäben 70 und auf dem Ionenkollektor 14 geführt. Es gibt keinen bestimmten Druckbereich für den Betrieb, und es können Drucke bis zu etwa 10 Torr verwendet werden, obwohl im allgemeinen Drucke von weniger als 10 Torr verwendet werden müssen, wenn beheizte Ionenquellen in der Massenspektroskopie verwendet werden. Abgesehen von diesen Vorteilen bildet die Ionenquelle 12 selbst ein geeignetes Druckmeßgerät,um entweder den Betrieb des Spektrometers selbst oder den von angeschlossenen Systemen zu kontrollieren. Der Stromfluß zwischen der Anode und den Kathoden kann gemessen werden und liefert einen gut bekannten, bestimmten Zusammenhang mit dem Druck innerhalb der Ionenquelle 12.

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In diesem Zusammenhang ist es vorzuziehen, das Spektrometer so anzuordnen, daß die Ionenquelle 12 etwas vom übrigen Teil im Innenraum des Gerätes isoliert ist. Beispielsweise kann die Elektrode 48 zur Trennung der eingeschlossenen An-5 Ordnung verwendet werden, so daß die Ionenquelle 12 sich innerhalb eines im wesentlichen geschlossenen Abteils befindet, während der Massenfilter 10 und der Ionenkollektor 14 sich innerhalb eines anderen im wesentlichen geschlossenen Abteils befinden, wobei die Öffnung 48a in der Elektrode 48 die einzige Verbindung zwischen ihnen darstellt. Wenn auf diese Weise ein Pumpvorgang in dem den Massenfilter 10 und den Ionenkollektor 14 enthaltenden Abteil erfolgt, so kann ein relativ niedrigerer Druck innerhalb der Untersuchungsbereiche des Spektrometers als innerhalb der Ionenquelle 12 herrschen.

Dies ermöglicht es, daß die Anzahl der Atome und Moleküle im Ionenquellen-Abteil relativ hoch ist, wobei immer noch eine große mittlere freie Weglänge für die Ionen möglich ist, die durch das Spektrometer in das Abteil laufen, in dem der Massenfilter und der Ionenkollektor untergebracht sind.

Figur 6 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Ionenquelle 12A, bei der die Elektrode 44 durch eine konische Elektrode 44A ersetzt ist. Es hat sich herausgestellt, daß diese abgewandelte Elektrode 44A für eine etwas verbesserte Bildung des erforderlichen elektrostatischen Feldes um den Ringspalt 50 sorgt. In diesem Falle können, ebenso wie bei der Anordnung nach Figur 4,die Elektroden 44 bzw. 44A elektrisch an die Elektrode 46 angeschlossen sein, wenn sie beispielsweise von dieser mit einem feinen Draht getragen sind, oder aber gegenüber der Elektrode 46 elektrisch isoliert sein. Im ersten Falle wird sich die Elektrode 44 bzw. 44A selbstverständlich auf dem-selben Potential wie die Elektrode 46 befinden, während im zweiten Falle die Elektrode 44 bzw. 44A gegebenenfalls auf einem Potential gehalten werden kann, das sich von dem an der Elektrode 46 herrschenden Potential unter-5 scheidet.

In diesem Zusammenhang hat sich herausgestellt, daß die

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zusätzliche Flexibilität im Betrieb, die sich durch die zuletzt genannte Anordnung ergibt, vorteilhaft ist. In einem solchen Falle hat sich beispielsweise herausgestellt, daß verbesserte Eigenschaften dadurch erzielt werden können, daß man die elektrischen Potentiale variiert, die an die Elektrode 46 und die Elektrode 44 bzw. 44A angelegt werden, so daß die Elektrode 44 bzw. 44A ein angelegtes Potential von 50 Volt und die Elektrode 46 ein angelegtes Potential von 150 Volt besitzen, anstatt die oben erwähnten Spannungen anzulegen.

Wenn die Elektrode 44A verwendet wird, ist sie vorzugsweise so dimensioniert, daß sie die öffnung 25 optisch versperrt, beispielsweise indem man die Öffnung 25 mit einem Durchmesser von 4mm in der beschriebenen Weise ausbildet, während der Durchmesser der Basis der dreieckigen Elektrode 44A einen Wert von 5 mm besitzt.

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Claims

n>ATEMTANW?LTF

SCHIFF v.FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBB1NGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 Λ 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O₁ D-8OOO MÜNCHEN 95

OTMONWEALTH SCIENTIFIC AND

INDUSTRIAL RESEARCH ORGANIZATIOi 24. August 1979

DEA-5993

Ionenquelle mit Kaltkathode und damit ausgerüstetes Massenspektrometer

PATENTANSPRÜCHE

M.j Ionenquelle mit zwei axial im Abstand voneinander angeordneten Kathoden und einer zwischen den Kathoden angeordneten Anode, wobei die Anode in einer quer zur Achse der Ionenquelle verlaufenden Ebene ringförmigen Querschnitt besitzt, dadurch gekennzeichnet , daß die Ionenquelle erste und zweite Teile (18, 19) aufweist, die an entsprechenden, axial gegenüberliegenden Enden der Anode (26) angeordnet sind und im Betrieb ein Magnetfeld erzeugen, das in Achsenrichtung ausgerichtet ist und sich zwischen den Kathoden (22, 24) erstreckt, so daß bei Anlegen eines positiven Potentials an die Anode (26) in der Ionenquelle (12) Ionen eines eingeleiteten Gases oder Dampfes erzeugt werden; daß die Ionenquelle (12) so angeordnet ist, daß sich die Ionen im Betrieb von der Anode (26) weg bewegen und axial an der Kathode (24) und dem benachbarten Bauteil der Anordnung

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vorbeifliegen; und daß eine erste Elektrode (44) in der Achse und in der Nähe einer axial angeordneten Öffnung in einer zweiten Elektrode (46) angeordnet ist, welche sich quer zur Achse erstreckt, so daß zwischen der ersten (44) und der zweiten Elektrode (46) eine im allgemeine ringförmige Öffnung (46a, 50) gebildet wird, so daß im Betrieb der Ionenquelle (12) mit einem an den beiden Elektroden 04, 46) anliegenden positiven Potential ein elektrostatisches Feld bei oder um die erste Elektrode (44) erzeugt wird, das so ausgerichtet ist, daß eine Ablenkung derjenigen Ionen erfolgt, die Energien außerhalb eines vorgegebenen Energiebereiches besitzen.
2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine weitere mit einer Öffnung versehene Elektrode (48) mit einer axial ausgefluchteten Öffnung (48a) im Weg der Ionen von den ersten und zweiten Elektroden (44, 46) und im Abstand von diesen beiden Elektroden (44, 46) angeordnet ist, so daß innerhalb des vorgegebenen Energiebereiches liegende Ionen im Betrieb der Ionenquelle (12) durch die ringförmige Öffnung (46a, 50) und dann durch die weitere Öffnung (48a) hindurchfliegen können, so daß jedoch zumindest diejenigen Ionen mit Energien oberhalb des Wertes abgestoßen werden und nicht in der Lage sind, entweder die erste ringförmige Öffnung (46a) oder die weitere Öffnung (48a) zu durchlaufen.
3. Ionenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle (12) mit einem in axialer

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Richtung verlaufenden, länglichen Element (42) aus leitendem, aber nicht magnetischem Material versehen ist, das sich von dem dem einen Teil (24) gegenüberliegenden Teil (22) der Anordnung ausgehend durch die Anode (26) erstreckt, jedoch im Abstand vom Innenumfang der Anode (26) angeordnet ist und an einem Ort in der Nähe der Anode (26), aber zwischen der Anode (26)und dem einen Teil (24) endet.
4. Ionenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung (46a) in der zweiten Elektorde (46) in der von der Magnetanordnung (18, 19) weg weisenden Richtung divergiert.
5. Ionenquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (46) in axialer Richtung dicker ausgebildet ist als die erste Elektrode (44).
6. Ionenquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Elektrode (44) die Form einer flachen Scheibe besitzt, bei der die beiden Hauptflächen im wesentlichen in einer Ebene liegen, die durch die Oberfläche (46b) der zweiten Elektrode (46) hindurchgeht, die der Magnetanordnung (18, 19) am nächsten liegt.
7. Ionenquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (44A) konisch ausgebildet ist, wobei ihr Scheitel in Richtung der Magnetanordnung (18, 19) gerichtet ist und ihre Basis im wesentlichen koplanar mit einer Ebene liegt, die diejenige Oberfläche (46b)

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der zweiten Elektrode (46) enthält, welche der Magnetanordnung (18, 19) am nächsten liegt.
8. Massenspektrometer mit einer Ionenquelle, einem Ionenkollektor und einem zwischen diesen angeordneten elektrostatischen Massenfilter, wobei die Bauelemente in axialer Richtung im Abstand voneinander angeordnet sind, dadurch g e kennzeichnet, daß die Ionenquelle (12) zwei axial im Abstand voneinander angeordnete Kathoden (22, 24) und eine zwischen den Kathoden (22, 24) angeordnete Anode (26) aufweist, die quer zur Achse der Ionenquelle (12) einen im allgemeinen ringförmigen Querschnitt besitzt; daß die Anordnung erste und zweite Teile (18, 19) aufweist, die an entsprechenden axial einander gegenüberliegenden Enden der Anode (26) angeordnet sind und im Betrieb ein in Achsenrichtung ausgerichtetes Magnetfeld erzeugen, das sich zwischen den Kathoden (22, 24) erstreckt, so daß bei Anlegen eines positiven Potentials an die Anode (26) in der Ionenquelle (12) Ionen eines eingeleiteten Gases oder Dampfes erzeugt werden; daß die Ionenquelle (12) so angeordnet ist, daß im Betrieb die Ionen von der Anode (26) weg bewegt werden und sich axial an der einen Kathode (24) und in der Nähe des einen Bauteils vorbei bewegen; daß eine erste Elektrode (44) in der Achse und benachbart einer axial angeordneten öffnung (46a) in einer zweiten Elektrode (46) angeordnet ist, die sich quer zur Achse erstreckt, so daß zwischen der ersten (44) und der zweiten Elektrode (46) eine im allgemeine ringförmige öffnung

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(46a, 50) gebildet wird, so daß im Betrieb der Ionenquelle (12) bei angelegtem positiven Potential an die beiden Elektroden (44, 46) ein elektrostatisches Feld bei oder um die erste Elektrode (44) erzeugt wird, das so ausgerichtet ist, daß eine Abstoßung derjenigen Ionen erfolgt, die Energien außerhalb eines vorgegebenen Energiebereiches besitzen; und daß der Massenfilter (10) im Betrieb vorgegebene angelegte elektrische Potentiale aufweist, um ein elektrostatisches Feld zu erzeugen, so daß von der Ionenquelle (12) kommende Ionen bestimmter Energie längs einer vorgegebenen Bahn vom Massenfilter (10) zum Ionenkollektor (14) laufen, wobei der Ionenkollektor (14) ein Kollektorteil (92) aufweist, das außerhalb der Bahn angeordnet ist und im Betrieb ein angelegtes Potential besitzt, so daß es von den durch den Massenfilter (10) hindurchgelaufenen Ionen nur diejenigen Ionen anzieht, die Energiewerte in einem bestimmten Energiebereich besitzen, für den der Massenfilter (10) wirksam ist, und daß die Ionen mit Energiewerten, die zumindest deutlich oberhalb dieses Bereiches liegen, nicht ausreichend von der Bahn abgelenkt werden, um zum Ionenkollektor zu gelangen.
9. Massenspektrometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kollektorteil (92) von flacher zylindrischer Form und konzentrisch zur Achse des Massenspektrometers angeordnet ist, wobei das Kollektorteil einen nach innen gerichteten Flansch (92a) an dem dem Massenfilter (10) nächstgelegenen Ende besitzt.

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10. Massenspektrometer nach Anspruch 9,dadurch gekennzeich net , daß ein weiteres Bauteil im wesentlichen in der Achse vorgesehen und so angeordnet ist, daß das Kollektorteil (9 2) sich im wesentlichen darum erstreckt, wobei dieses Bauteil (94) so ausgelegt ist, daß es im Betrieb ein zweites elektrisches Potential besitzt, daß Ionen mit Energien innerhalb des vorgegebenen Energiebereiches abgelenkt werden, während Ionen mit Energien, die zumindest deutlich oberhalb des Bereiches liegen, ihre Bahn bei ihrer Bewegung vom Massenfilter (10) weg im wesentlichen unabgelenkt fortsetzen.

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