DE2942386C2

DE2942386C2 - Ionenquelle

Info

Publication number: DE2942386C2
Application number: DE2942386A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. 8000 München Boesl; Hans Jürgen Prof. Dr. Neusser; Edward William Prof. Dr. Schlag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-10-19
Filing date: 1979-10-19
Publication date: 1984-01-12
Also published as: DE2942386A1; US4433241A

Description

Die Erfindung betrifft eine Ιοί enquelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Eine derartige Ionenquelle ist aus der Druckschrift »Z. Naturforsch.« 33a (1978) 1546-1548 bereits bekannt. Di« s bekannte Ionenquelle ist jedoch bezüglich der lonenausbeute in bezug auf die zugeführfenster 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 Durchgangsöffnungen 8, 8' liegt Die Wellenlänge des Laserlichts kann sowohl im sichtbaren wie im UV-Bereich liegen; es müssen aber sowohl das Absorptionsverhalten wie das niedrigste lonisationspotential des zu ionisierdenden Moleküls bei der Wahl der Wellenlänge berücksichtigt werden, um gute lonenausbeute zu erhalten.

Um breite Anwendbarkeit dieser Ionenquelle auf möglichst viele Molekülsorten zu erreichen, kann der Einsatz weiterer L^ser, insbesondere eines weiteren gepulsten Lasers, vorteilhaft sein. Durch zeitlich synchronisiertes Zusammenwirken der beiden Laser-

ten Moleküle nicht optimiert F^:ne Ionenquelle mit

mehreren in der Wellenlänge veränderlichen, gepulsten, 35 strahlen und deren Abstimmung auf das moleküispezifi-

fokussierten Laserstrahlen ist aus ck>- US-PS 39 14 655 sehe Absorptionsverhalten kann eine Ionisation auch

bekannt von mit nur einem Laserstrahl nicht ionisierbaren

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ionenquelle nach Molekülen bewirkt werden. Dazu müssen sich die Foci

dem Oberbegriff des Patentanspruchs derart weiterzu- des ersten und zweiten Laserbündels überdecken. Das

bilden, daß eine optimale lonenausbeute bezüglich der 40 wird z. B. erreicht wenn das zweite Laserbündel in der

zugeführten Moleküle erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs aufgeführten Maßnahmen gelöst

_ Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben.

Es zeigt

F i g. 1 schematisch den Aufbau einer Ionenquelle in einer Sciinittebene, die durch die Ionen-Flugrichtung und den Molekularstrahl festgelegt ist

F i g. 2 schematisch die ionenquelle nach F i g. 1 in einer Schniiiebene, die durch die ionen-Flugrichtung und den Laserstrahl bestimmt ist.

F i g. 3 schematisch einen Schnitt durch ein Flugzeit-Ebene, die durch das LaserbünJei L und den Molekularstrahl Mdefiniert 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 Die Elektroden 6 und 7 haben einen Abstand von 7 mm, die Elektroden 7 und T von 2 mm. Die Durchgangsöffnungen 8, 8' haben einen Durchmesser von 5 mm. Alle Elek'roden haben einen Gesamtaußendurchmesser von 45 mm. Sie bestehen aus Edelstahl. Abstandhalter zwischen den Elektroden und Isoiierunjen für die Spannungsversorgung bestehen aus Keramik. Durch die Kombination der Elektroden 7 und

Massenspektrometer mit der Ionenquelle nach den 55 T werden die Ionen aus dem Fokus abgezogen und in " ' ' ~ der Ionenflugrichtung / schwach fokussiert Das

Abzienen der ionen kann aucn aurcn aie tiektrode 7 alleine erreicht werden. Die Elektroden und die Düse 3 werden so auf Potential gelegt, daß die Düse die Ausbildung rotationssymmetrischer Äquipotentialflächen zwischen den Elektroden 6 und 7 möglichst wenig stört Die Optimierung der Potentiale erfolgt durch Justieren der angelegten' 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 T.

Die in Fig. J und 2 dargestellte Ionenquelle läßt sich gemäß Fig.3 zu einem Flugzeitmassenspektrometer

Fig. 1 und 2.

Die in den F ί g. 1 und ζ dargestellte ionenquelle ist m einem kontinuierlich evakuierbaren Gehäuse 1 untergebracht. In dieses führt ein Gaseinlaßrohr 2, durch weiches ein Gas zu einer Düse 3 strömt, die aus einer Kanüle von etwa 0,2 mm Innendurchmesser und 25 mm Länge besteht. Die JDüse 3 ragt radial in eine als ; Ionenabzugseinrichturig wirkende Elektrodenabordnung, die von einer scheibenförmigen Elektrode 6 und zwei zu dieser Elektrode parallelen blendenförmigen Elektroden 7, T mit je einer Durchgangsöffnung 8, 8' gebildet ist hinter der Düse 3 bildet sich ein gebündelter Molekularstrahl M aus. Die parallel zu der ersten

besonders einfacher Bauart erweitern. Dazu werden folgende Eigenschaften der beschriebenen 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 einfachen Mitteln wieder auf Weine Volumina iefckussiert werden.

C) Da monochromatisches Laserlicht tingeseu.. »..rd und die Wellenlänge auf die sue- ;!;'* La,=-; des lonisationspotentials einer M<:'^feküiso · abgestimmt werden kann, sind die en***-.i>euden Ionen monoenergetisch.

Da also alle Ionen schon unter gleichen Ausgangsbedingungen, was Zeit, Ort und Energie betrifft, erzeugt werden, werden zum Bau eines Flugzeitmassenspekirometers nur noch zusätzlich eine feste Flugstrecke von

7. B. 30 cm, die durch ein Distanzrohr 9 festgelegt wird, und ein Meßgerät 10 zum Nachweis der Ionen und ihrer Flugzeit benötigt.

Die Flugze'.tunterschiede At\ der Ionen, die kleinste auflösbare Zeit At> des Meßgerätes 10, sowie die zeitliche Verschmierung At^, die z. B. durch die Dauer des Laserimpulses oder Inhomogenitäten des Abzugsfeldes erzeugt werden, müssen so abgestimmt werden, daß

Aufgrund der Eigenschaften A, B, C ist die beschriebene Ionenquelle auch für andere hochauflösende Massenspekirometer bei hohen ionenausbeuten sowie für Ionenimplantationseinnchtungen geeignet. Für die letztgenannte Anwendung muß der Molekularstrahl im allgemeinen durch einen Atomstrahl ersetzt werden.

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

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Ionenquelle mit einer Laseranordnung zum Erzeugen eines in der Wellenlänge veränderlichen, gepuisien, fokussierten Laserstrahls, mit einem aus einer Kanüle von etwa 0,2 mm Innendurchmesser austretenden, auf den Fokus des Laserstrahls gerichteten Molekularstrahl und mit einer Ionenabzugseinrichtung zum Trennen der im Fokus erzeugten Ionen vom Molekularstrahl, die eine mit einer Durchtrittsöffnung für die Ionen versehene und die Ionen anziehende Elektrode aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenabzugseinrichtung (6, 7, T) eine weitere, die im Fokus erzeugten Ionen abstoßende Elektrode (6) aufweist, daß die Kanüle (3) zwischen die anziehende Elektrode (7) und die abstoßende Elektrode (6) ragt und auf einem solchen Potential liegt, daß die Ausbildung rotations-Elektrode 6 ausgerichtete Düse 3 hat von dieser Elektrode einen Abstand von 3 mm und ihr Ende ist von der Achse der Durchgangsöffnungen 8, 8' 03 mm entfernt

Mit dieser Anordnung erzielt man eine hohe Moleküldichte im Schnittpunkt des Molekularstrahls M mit der Achse der Durchgangsöffnungen 8, 8' bei möglichst geringem Gesamt-Gasdurchsatz. Der Molekularstrahl M ist direkt in die Ansaugöffnung einer

ίο Vakuumpumpe gerichtet, so daß das Vakuum im Vakuumgehäuse 1 möglichst wenig belastet wird und je nach Anwendung der Ionenquelle von 0,1 Pa bis ins Ultrahochvakuum reicht. Für Massenspektrometeranordnungen sollte dieses Vakuum besser als 10~³ Pa sein.

.5 Senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Molekularstrahis und zur Achse der Durchtrittsöffnung 8 verläuft ein Laserbündel L· Es wird durch eine gepulste und in der Wellenlänge kontinuierlich abstimmbare Laserlichtqueiie, insbesondere durch einen Farbstofflaser, erzeugt

symmetrischer Äquipotentialflächen zwischen den 20 und mittels einer Fokussieroptik 5 durch ein Emtritts-

Elektroaen (6, 7) möglichst wenig gestört wird, und daß die Karnle (3) 0,5 mm vor der Symmetrieachse der Ionenabzugseinrichtung (6,7, T) endet.