DE2942386A1

DE2942386A1 - Ionenquelle

Info

Publication number: DE2942386A1
Application number: DE19792942386
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. 8000 München Boesl; Hans Jürgen Prof. Dr. Neusser; Edward William Prof. Dr. Schlag
Original assignee: NEUSSER HANS JUERGEN
Current assignee: NEUSSER HANS JUERGEN
Priority date: 1979-10-19
Filing date: 1979-10-19
Publication date: 1981-04-30
Also published as: US4433241A; DE2942386C2

Description

Ionenquelle

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle, insbesondere für Massenspektrometer, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Ionenquelle ist in der wissenschaftlichen "Zeitschrift für Naturforschung", Band 33a, S. 1546 (1978) im Artikel "Two-Photon Ionization of Polyatomic Molecules in a Mass Spectrometer" allgemein erwähnt. Bauliche Einzelheiten sind dort nicht aufgeführt.

Aufgabe der Erfindung ist es, den konstruktiven Aufbau und Anwendungsmöglichkeiten dieser Ionenquelle anzugeben. Die Lösung der Aufgabe des konstruktiven Aufbaus enthält im wesentlichen der kennzeichnende Teil des Anspruchs 1. Weitere Ausbildungen des Aufbaus sind in den Unteransprüchen 2 bis angegeben. Die Ansprüche 5 und 6 richten sich auf vorteilhafte Anwendung^der Erfindung.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben.

Es zeigen:

Figur 1 : schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Ionenquelle in einer Schnittebene, die durch die Ionen-Flugrichtung und den Molekularstrahl festgelegt ist.

Figur 2 : schematisch die Anordnung nach Figur 1 in einer Schnittebene, die durch die Ionen-Flugrichtung und den Laserstrahl bestimmt ist.

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Figur 3 : schematisch einen Schnitt durch ein Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 5 mit einer erfindungsgemäßen Ionenquelle.

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Ionenquelle ist in einem kontinuierlich evakuierbaren Gehäuse 1 untergebracht. In dieses führt ein Gaseinlaßrohr 2, durch welches ein Gas zu einer Düse 3 strömt, die aus einer Kanüle von etwa 0,2 mm Innendurchmesser und 25 mm Länge besteht. Die Düse 1 ragt radial in eine Elektrodenanordnung, die von einer scheibenförmigen Elektrode 6 und zwei zu dieser Elektrode parallelen blendenförmigen Elektroden?, 7' mit je einer Durchgangsöffnung 8,8' gebildet ist. Hinter der Düse 3 bildet sich ein gebündelter Molekularstrahl aus. Die parallel zu der ersten Elektrode 6 ausgerichtete Düse 3 hat von dieser Elektrode einen Abstand von 3 mm und ihr Ende ist von der Achse der Durchtrittsöffnung 8 der Elektrode 7 0,5 mm entfernt. Mit dieser Anordnung erzielt man eine hohe Moleküldichte im Schnittpunkt des Molekularstrahls M mit der Achse der Durchtrittsöffnung 8 bei möglichst geringem Gesamt-Gasdurchsatz. Der Molekularstrahl M ist direkt in die Ansaugöffnung einer Vakuumpumpe gerichtet, so daß das Vakuum im Vakuumgefäß 1 möglichst wenig belastet wird und je nach Anwendung der Ionenkammer von 10 " Torr bis ins Ultrahochvakuum reicht, Für Massenspektrometeranordnungen sollte dieses Vakuum besser als 10~ Torr sein.

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Senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Molekularstrahls und zur Achse der Durchtrittsöffnung 8 verläuft ein Laserbündel L. Es wird durch eine gepulste und in der Wellenlänge kontinuierlich abstimmbare Laserlichtquelle, insbesondere durch einen Farbstofflaser erzeugt und mittels einer Fokussieroptik 5 durch ein Eintrittsfenster 4 im Gehäuse 1 so in den Molekularstrahl M fokussiert, daß der Fokus F 0,5 mm vor der Düse und damit auf der Achse der Durchtrittsöffnung 8 liegt. Die Wellenlänge des Laserlichts kann sowohl im sichtbaren wie im UV-Bereich liegen; es müssen aber sowohl das Absorptionsverhalten wie das niedrigste Ionisationspotential des zu ionisierenden Moleküls bei der Wahl der Wellenlänge berücksichtigt werden, um gute Ionenausbeute zu erhalten.

Um breite Anwendbarkeit dieser Ionenquelle auf möglichst viele Molekülsorten zu erreichen, kann der Einsatz weiterer Laser, insbesondere eines weiteren gepulsten Lasers, vorteilhaft sein. Durch zeitlich synchronisiertes Zusammenwirken der beiden Laserstrahlen und deren Abstimmung auf das molekülspezifische Absorptionsverhalten kann eine Ionisation auch von mit nur einem Laserstrahl nicht ionisierbaren Molekülen bewirkt werden. Dazu müssen sich die Foci des ersten und zweiten Laserbündels überdecken. Das wird z. B. erreicht, wenn das zweite Laserbündel in der Ebene, die durch das Laserbündel L und den Molekularstrahl M definiert ist, liegt und in entgegengesetzter Richtung zu L durch ein zweites Fenster 4' mit einer zweiten Fokussieroptik in den Molekularstrahl M fokussiert wird. Durch Feinjustierung dieser zweiten Fokussieroptik werden beide Foci zur Deckung gebracht.

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Die Elektroden 6 und 7 haben einen Abstand von 7 mm, die Elektroden 7 und 7' von 2 mm. Die Durchtrittsöffnungen 8, 8' haben einen Durchmesser von 5 mm. Alle Elektroden haben einen Gesamtaußendurchmesser von 45 mm. Sie bestehen aus V2A, Ab standhalter zwischen den Elektroden und Isolierungen für die Spannungsversorgung bestehen aus Keramik. Durch die Kombination der Elektrode 7 und 7¹ werden die Ionen aus dem Fokus abgezogen und in der Ionenflugrichtung I schwach jpkussiert. Das Abziehen der Ionen kann auch durch die Elektrode 7 alleine erreicht wer den. Die Elektroden und die Düse 3 werden so auf Potential gelegt, daß die Düse die Ausbildung rotationssymmetrischer Äquipotential flächen zwischen den Elektroden 6 und 7 möglichst wenig stört. Die Optimierung der Potentiale erfolgt durch Justieren der ange legten Spannung auf maximalen Ionenstrom. Ein Satz optimaler Spannungen sind z. B. +50 V an Elektrode 6, + 37,5 V an Düse 3, + 24,8 V an Elektrode 7 und 0 bis -10 V an Elektrode 7'.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Ionenquelle läßt sich gemäß Figur 3 zu einem Flugzeitmassenspektrometer besonders einfacher Bauart erweitern. Dazu werden folgende Eigenschaften der be schriebenen Ionenquelle ausgenutzt:

A) Da eine gepulste Laserlichtquelle benützt wird, die

8 ns lange Lichtimpulse erzeugt, entstehen alle Ionen zu einem genau definierten Zeitpunkt gleichzeitig.

B) Bedingt durch die gute Fokussiereigenschaft von Laserlicht entstehen die Ionen in einem sehr kleinen Volumen, so daß sich alle Ionen auf gleichem Ausgangspotential befinden. Außerdem können die so erzeugten Ionen mit ein-

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fachen Mitteln wieder auf kleine Volumina refokussiert werden.

C) Da monochromatisches Laserlicht eingesetzt wird und die Wellenlänge auf die spezielle Lage des Ionisationspotentials einer Molekülsorte abgestimmt werden kann, sind die entstehenden Ionen monoenergetisch.

Da also alle Ionen schon unter gleichen Ausgangsbedingungen, was Zeit, Ort und Energie betrifft, erzeugt werden, werden zum Bau eines Flugzeitmassenspektrometers nur nach zusätzlich eine feste Flugstrecke von z. B 30 cm, die durch ein Distanzrohr 9 festgelegt wird und ein Meßgerät 10 zum Nachweis der Ionen und ihrer Flugzeit benötigt.

Die Flugzeitunterschiede £t1 der Ionen, die kleinste auflösbare Zeit £>t2 des Meßgerätes 10, sowie die zeitliche Verschmierung ^t3, die z. B. durch die Dauer des Laserimpulses oder Inhomogenitäten des Abzugsfeldes erzeugt werden, müssen so abgestimmt werden, daß

^t-, ^. ^t₉ ^y At··

Aufgrund der Eigenschaften A, B, C ist die erfindungsgemäße Ionenquelle auch für andere hochauflösende Massenspektrometer bei hohen Ionenausbeuten sowie für Ionenimplantationseinrichtungen geeignet. Für die letztgenannte Anwendung müßte der Molekularetrahl in allgemeinen durch einen Atomstrahl ersetzt werden.

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Insbesondere bei der Anwendung der erfindungsgemäßen
Ionenquelle für ein Flugzeitmassenspektrometer ist darauf zu achten, daß die Dichte der Moleküle im Molekularstrahl so niedrig gehalten wird, daß keine thermische Aufheizung im Fokus eintritt, weil dann die entstehenden Ionen nicht mehr monoenergetisch sind.

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Leerseite

Claims

Az.: 79/12512 Ionenquelle Patentansprüche

1. Ionenquelle, insbesondere für Massenspektrometer, mit einer Laseranordnung zum Erzeugen eines in der Wellenlänge veränderlichen, gepulsten Laserstrahles, der in einen Molekularoder Atomstrahl fokussierbar ist, gekennzeichnet durch

a) ein kontinuierlich evakuierbares Gehäuse (1) mit einem in das Gehäuse (1) hineinragenden Gaseinlaßrohr (2), das an seinem Ende eine Düse (3) zur Bildung des Molekularstrahles (M) aufweist,

b) Fenster (4, 4¹) und eine Fokussierungsoptik (5) für den Laserstrahl (L),

c) eine die im Fokus (F) erzeugten Ionen abstoßende erste Elektrode (6) und mindestens eine diese Ionen anziehende weitere Elektrode (7), die eine Durchtrittsöffnung (8) für die Ionen aufweist.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) mit dem Gehäuse des Ionenverbrauchers, z. B. eines Massenspektrometers, vakuumdicht verbunden oder in dieses integriert ist.

3. Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (L) auf den Schnittpunkt des Molekularstrahles (M) mit der Achse der Durchtrittsöffnung (8) fokussierbar ist.

4. Ionenquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Laseranordnungen zur Erzeugung von auf den Schnittpunkt fokussierbaren Laserstrahlen vorgesehen sind.

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ORIGINAL INSPECTED

5. Flugzeit-Massenspektrometer mit einer Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Ionenquelle und einem die Ionen sowie deren Laufzeit nachweisenden Meßgerät (10) nurydie Flugstrecke der Ionen bestimmendes Distanzrohr (9) angeordnet ist.

6. Anwendung einer Ionenquelle nach den Ansprüchen 1 bis 4 bei Ionenimplantationseinrichtungen.

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