DE3718244A1

DE3718244A1 - Speicherionenquelle fuer flugzeit-massenspektrometer

Info

Publication number: DE3718244A1
Application number: DE19873718244
Authority: DE
Inventors: Raimund Dipl Phys Grix; Roland Dipl Phys Kutscher; Gang Qiang Li; Hermann Prof Dr Wollnik
Original assignee: Grix Raimund
Current assignee: GRIX, RAIMUND, 5509 REINSFELD, DE
Priority date: 1987-05-30
Filing date: 1987-05-30
Publication date: 1988-12-08
Also published as: US4904872A

Description

Die Erfindung beinhaltet eine neuartige, technisch einfach zu realisierende Ionenquelle mit den Eigenschaften der Ionenspeicherung und der zeitlichen Ionenkompression. Wegen dieser Eigenschaften eignet sich die Quelle besonders für den Einsatz in der Flugzeit-Massenspektro metrie. Sie kann besonders vorteilhaft in einem geeigneten Flugzeit-Massenspektrometer mit Ionenreflektor eingesetzt werden, um Massenspektren mit hoher Massenauflösung zu erzielen. Gleichzeitig wir durch die Ionenspeicherung eine hohe Ionenausbeute erreicht, wodurch das in der Flugzeit-Massen spektrometrie oft auftretende Problem langer Meßzeiten erheblich reduziert wird.

Bei geeigneter Wahl der Quellengeometrie und der Quellen potentiale können extrem kurze Ionenimpulse bei langen Speicherzeiten, d. h. hohen Ionenintensitäten in diesem Ionen impuls erreicht werden. Daher eignet sich die Ionenquelle auch als Primärionenquelle für ein Sekundärionisations- Flugzeit-Massenspektrometer.

Die für beide oben genannten Anwendungen erstrebten kurzen Ionenimpulslängen bei gleichzeitig hohen Ionenintensitäten werden bei der Erfindung mit einem außerordentlich geringen mechanischen wie auch elektronischen Aufwand erreicht.

Das Auflösungsvermögen eines Flugzeit-Massenspektrometers wird im allgemeinen entscheidend von der Anfangsimpulslänge des in der Ionenquelle erzeugten Ionenpaketes bestimmt. Daher werden die Ionen durch so kurze, wie technisch mögliche, zeitliche Längen eines elektrischen Impulses oder Laser- bzw. Teilchenimpulses in der Ionenquelle erzeugt. Bei der Ionenerzeugung mit diesen Methoden werden entweder aufwendige gepulste Lasersysteme benötigt, die teilweise mit ebenfalls gepulsten Lasern zur Nachionisation der desorbierten Neutralteilchen kombiniert werden, oder es muß ein hoher elektronischer und apparativer Aufwand betrieben werden, um einen sehr kurzen und intensiven Teilchenimpuls zu erzeugen, der die Ionisation bewirkt.

Die Erfindung bedeutet einen entscheidenden Fortschritt, denn es kann auf die gepulste Ionenerzeugung verzichtet und diese durch eine sehr viel einfacher zu realisierende kontinuierliche Ionenerzeugung mit denselben Ionisations mechanismus ersetzt werden.

Durch den Aufbau und die Potentialverhältnisse der neuen Ionenquelle wird erreicht, daß relativ lange und mit technisch leicht realisierbare elektrische Impulse verwendet werden können, um Ionen aus einem relativ großen Volumen zu extrahieren.

Die angestrebten möglichst kurzen Impulslängen der Ionen ent stehen bei diesem Verfahren erst, nachdem die Ionen die Ionenquelle verlassen haben, und zwar unabhängig vom Startort der Ionen im Speichervolumen. Damit wird die nötige Voraus setzung für eine hohe Massenauflösung des Spektrometers erfüllt. Die zeitliche Länge des komprimierten Ionenpakets ist vom Abstand der Elektroden in der Ionenquelle, z. B. der Ausdehnung des Speichervolumens, von der Ionenenergie und der Ionenmasse abhängig. Je nach Anwendungsart der Ionenquelle können Geometrie und Potentiale mittels Rechnung angepaßt und optimiert werden.

Die Ausbeute an Ionen wird durch die Erfindung nach Anspruch 1 gegenüber Ionenquellen mit gepulster Ionenerzeugung erheblich gesteigert, indem erzeugte Ionen vor der Extraktion zuerst gesammelt werden. Dies wird durch eine Potentialmulde bewirkt, in der die Anzahl der Ionen, die in dieser erzeugt werden, oder die mit geringer Energie in diese eintreten, solange ansteigt, bis sich ein Gleichgewicht zwischen der Zuwachsrate und der Rekombinationsrate eingestellt hat. Bei der speziellen Ausführungsart der Erfindung als Elektronenstoßionenquelle, wie sie in Ausführungsbeispiel 1 detailliert beschrieben ist, ergibt sich eine zusätzliche Beeinflussung der Potentialverhältnisse in der Potentialmulde durch die elektrischen Ladungen des die Ionisation bewirkenden Elektronenstroms. Je nach Stärke des verwendeten Elektronenstroms muß daher das Potential der Elektroden etwas variiert werden.

Von W. C. Wiley und I. H. McLaren wurde schon 1955 eine Elektronenstoßionenquelle speziell für Laufzeit-Massenspektrometer verwirklicht (Rev. Sci. Instr., 26, 12, 1955, S. 1150-1157). Im Gegensatz zu dieser Ionenquelle weist die hier beschriebene Erfindung eine Reihe von Unterschieden und damit verbundenen Vorteilen auf:

a) Sie ist sowohl mechanisch als auch von der elektronischen Versorgung her einfacher aufgebaut, da zur Ionenerzeugung ein kontinuierlicher Elektronenstrahl und zur Extraktion nur ein einziger elektrischer Impuls benötigt wird. Bei der Wiley- McLaren-Ionenquelle hingegen muß bereits der Elektronen strahl gepulst werden, so daß der Extraktionsimpuls erst nach einer gewissen Verzögerung zu dem Elektronenstrahl erfolgt.

b) Eine hohe Empfindlichkeit der neuen Ionenquelle kann unter anderem durch eine ringförmige Anordnung der Kathode um das Ionisationsvolumen herum erreicht werden. Hierdurch treten die ionisierenden Elektronen aus einem großen Raumwinkel bereich in das Ionisationsvolumen ein und erhöhen so die Ionenbildungsrate. In dem großen effektiven Ionisations volumen kann darüberhinaus eine große Anzahl von Ionen gespeichert werden. Die Wiley-McLaren-Ionenquelle muß hingegen auf Grund ihres Prinzips ein möglichst kleines Ionisations volumen benutzen, wobei die Ionisierung durch einen Elektronenstrahl aus nur einer Richtung erfolgt. Auch werden die gebildeten Ionen nicht gesammelt.

Die so erreichte höhere Empfindlichkeit der neuen Ionenquelle erlaubt z. B. eine Restgasanalyse bei sehr niedrigen Drücken im Ultrahochvakuumbereich mit großem Signal-Rausch- Verhältnis.

c) Die Bedingungen für den Verlauf der elektrischen Feld stärke für die Ionenbeschleunigung in der neuen Ionenquelle zur Erzielung einer optimalen Ionenkompression lauten auf grund des großen Ionisationsvolumens prinzipiell anders als bei der Wiley-McLaren-Ionenquelle.

Beispiel 1

In Abb. 2 ist das Prinzip einer Ausführungsform der Erfindung als Elektronenstoßionenquelle dargestellt. Die die Ionisation bewirkenden Elektronen werden durch die mit einem geregelten elektrischen Gleichstrom geheizte Kathode K erzeugt und in das Ionisationsvolumen beschleunigt. Die Kathode K besteht aus einem nicht ganz geschlossenen ringförmigen Metalldraht von ca. 0,2 mm Dicke. Die Energie der Elektronen wird durch den Potentialunterschied zwischen den Elektroden Q 1, Q 2 und Q 5, deren Potential nahezu gleich groß ist, und dem Potential der Kathode K bestimmt. Die Elektronenenergie kann je nach Art der Anwendung zwischen etwa 5 eV und 200 eV variiert werden, wobei auch bei sehr niedrigen Elektronenenergien sehr hohe Ionenausbeuten erzielt werden können. Um die Elektronen effizient in das Ionisationsvolumen zwischen den Elektroden Q 2 und Q 5 einzubringen, werden die Elektroden Q 3 und Q 4 mit einem etwas negativeren Potential versehen als die Kathode K und dienen damit als Elektronenpusher. Das Potential der Elektrode Q 5 ist während der Ionensammelphase etwas positiver (0,5 V-2 V) als das Potential der Elektrode Q 2. Das Potential der Elektrode Q 1 ist gleich dem Potential an Q 5 oder positiver. Q 2 hat also für erzeugte positive Ionen ein attraktives Potential, so daß diese Ionen sich in der Potentialmulde zwischen den Elektroden Q 2 und Q 5 ansammeln. Nach einiger Zeit, in der Regel im Takt von einigen Millisekunden, werden die Ionen durch einen elektrischen Impuls von einigen Mikrosekunden Impulslänge, der an die mittlere Elektrode Q 2 angelegt wird, extrahiert und in dem dann etwa linearen Potentialabfall zwischen den Elektroden Q 2 und Q 8 weiter beschleunigt. Die Elektrode Q 8 liegt in der Regel auf Massepotential und die Elektroden Q 6 und Q 7 dienen dazu, den linearen Potentialabfall sicherzustellen.

Die verschiedenen Ionenquellenpotentiale können mit Ausnahme des Kathodenheizstroms entweder mit einem geeigneten Spannungsteiler aus einer gemeinsamen Spannungsversorgung oder mit getrennten Spannungsversorgungen gewonnen werden.

Abb. 3 zeigt eine konkrete technische Ausführungsform der Elektronenstoßquelle nach Abb. 2. Alle Elektroden sind aus Edelstahl (V2A) gefertigt. Die elektrische Isolierung der verschiedenen Elektroden besteht aus Keramikröhrchen, die gleichzeitig die exakte Justierung sicherstellen. Die Elektroden Q 2, Q 5 und Q 8 tragen ein Metalldrahtgitter nach Abb. 1a. Andere Ausführungsformen dieses Metalldrahtgitters sind möglich. Einige dieser Ausführungsformen sind in Abb. 1b, 1c und 1d dargestellt.

In Tabelle 1 sind die Ionenquellenpotentiale für die Sammelphase der Ionen und während der Extraktion der Ionen für zwei unterschiedliche Ionenenergien angegeben:

Tabelle 1

Es versteht sich, daß diese Potentiale in Abhängigkeit von der Elektronenenergie und dem Elektronenstrom geringfügig variiert werden müssen, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Der Abstand zwischen den Elektroden Q 2 und Q 5 beträgt bei dieser Ausführungsform etwa 2 mm, der Abstand zwischen den Elektroden Q 5 und Q 8 etwa 25 mm. Dadurch wird etwa im Abstand von 52 mm von der Masseelektrode Q 8 ein Zeitfokus für die gebildeten Ionen erzeugt.

Beispiel 2

In dem schematischen Ausführungsbeispiel nach Abb. 4a werden die Ionen auf dem Target T durch gepulste oder vorzugsweise kontinuierliche Laser- oder Teilchenstrahlung (Pfeil) erzeugt. Die Fläche des Targets T nimmt hierbei nur einen sehr kleinen Bereich der Gesamtoberfläche des Speichervolumens ein, wodurch auch der Einfluß auf die Potentialverteilung in diesem Volumen gering ist. Die Einfallsrichtung der Strahlen verläuft quer zur Extraktion der Ionen. Nach einer bestimmten Sammelzeit der Ionen im Speichervolumen zwischen den Elektroden Q 1 und Q 3 werden diese durch einen elektrischen Impuls extrahiert.

Für den Nachweis von Ionen mit positiver Ladung hat die Elektrode Q 2 ein etwas negativeres Potential, für den Nach weis von Ionen negativer Ladung einen etwas positiveren Wert als die Elektrode Q 1 und Q 3. Das Potential des Targets T liegt bei dieser Anordnung normalerweise noch geringfügig unter dem Potential der Elektrode Q 2, da die dort erzeugten Ionen eine kleine Anfangsenergie besitzen.

Um die Ionen optimal zu extrahieren kann entweder das statische Potential der Elektrode Q 1 relativ zu Q 2 so einge stellt werden, daß ein entsprechender Impuls, der an die Elektrode Q 3 angelegt wird, eine optimale Feldstärke nach Anspruch 5 für eine optimale Zeitfokussierung ergibt, oder es werden entweder die Elektrode Q 2 (entsprechend Beispiel 1) oder die Elektrode Q 2 zusammen mit der Elektrode Q 1 ent sprechend gepulst. Dieses gemeinsame Pulsen kann entweder über einen entsprechend dimensionierten Spannungsteiler oder über getrennte Impulsgeber erfolgen.

Beispiel 3

In diesem Ausführungsbeispiel (Abb. 4b) der Erfindung ist, wie in Beispiel 2, eine Ionenquelle dargestellt, die die Flugzeit-Massenspektrometrie mit desorbierten Ionen ermöglicht. Der Unterschied zu Beispiel 2 besteht darin, daß die (wie in Beispiel 2) die Ionisation bewirkenden Teilchen oder Strahlen parallel zu dem extrahierten Ionenstrahl ein treten. Die Potentialverhältnisse sind hierbei etwas unter schiedlich zu Beispiel 2. Das Target T hat in etwa das Potential der Elektrode Q 2, die Elektrode P hat ein etwas höheres Potential und dient als Pusher für die durch Teilchen beschuß entstandenen Ionen. Bei dieser Anordnung der Elektroden ist es wie in Beispiel 1 möglich, nur die Elektrode Q 2 zu pulsen, jedoch können, um eine größere Ausbeute an Ionen zu erhalten auch die Elektroden Q 1 und Q 2 gemeinsam mit einem elektrischen Impuls versehen werden.

Beispiel 4

In Abb. 5 ist eine Ausführungsform der beschriebenen Ionen quelle dargestellt, die es ermöglicht, sehr verschiedene Ionisationsarten in einer Ionenquelle zu verwirklichen, um effiziente Laufzeit-Massenspektren zu erhalten. Dargestellt ist die Kombination einer Elektronenstoßionenquelle mit einer Desorptionsionenquelle, wie in Beispiel 1 und Beispiel 3 beschrieben. Der Betrieb als Elektronenstoß ionenquelle ist nahezu identisch wie in Beispiel 1 beschrieben. Für den Betrieb als Desorptionsionenquelle werden die Kathode K und die Elektroden Q 3 und Q 4 als Ionenpusher benutzt. Das Target T ist elektrisch isoliert von der Elektrode Q 5 angebracht und hat in etwa dasselbe Potential wie die Elektrode Q 2.

Gepulst wird bei dieser Ausführungsart der Ionenquelle ent weder nur die Elektrode Q 2 oder die Elektrode Q 2 gemeinsam mit Q 1.

Claims

1. Gepulste Ionenquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen, bevor sie aus der Quelle extrahiert werden, in einer Potentialmulde gespeichert sind, die von mindestens drei Elektroden geformt wird, wovon mindestens eine der mittleren Elektroden ein für die in Frage kommenden Ionen attraktiveres Potential besitzt als alle anderen.

2. Gepulste Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die besagte mittlere Elektrode aus einem geraden oder gebogenen Metalldraht, oder aus einem Metall drahtgitter oder aus einem Metallrahmen besteht.

3. Gepulste Ionenquelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte mittlere Elektrode etwa in der Mitte zwischen den benachbarten Elektroden angebracht ist.

4. Gepulste Ionenquelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der besagten mittleren Elektrode zu einer der Nachbarelektroden deutlich geringer ist als zur anderen Nachbarelektrode.

5. Gepulste Ionenquelle, in der die in einem gewissen Volumen befindlichen Ionen durch hintereinander angeordnete, bzw. ganz oder teilweise überlagerte gepulste und statische elektrische Felder extrahiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß während der Extraktion der Ionen das elektrische Feld im gesamten Beschleunigungsbereich etwa gleich ist.

6. Gepulste Ionenquelle nach Anspruch 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Impuls zur Extraktion der Ionen an der besagten mittleren Elektrode angelegt wird.

7. Gepulste Ionenquelle nach Anspruch 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Impuls zur Extraktion der Ionen an einer der die Potentialmulde umgebenden Elektroden angelegt wird, vorzugsweise derjenigen Elektrode, die die Potentialmulde nach hinten begrenzt.

8. Gepulste Ionenquelle nach Anspruch 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Impuls zur Extraktion der Ionen an der besagten mittleren Elektrode und gleich zeitig an einer oder mehreren der benachbarten Elektroden angelegt wird.

9. Gepulste Ionenquelle nach Anspruch 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Impulse verschiedener Größe etwa gleichzeitig an entsprechende Elektroden angelegt werden.

10. Gepulste Ionenquelle nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen innerhalb der Ionenquelle oder in ihrer direkten Nachbarschaft auf etwa dem Potential der in Anspruch 1 genannten mittleren Elektrode erzeugt werden.

11. Gepulste Ionenquelle nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen außerhalb der Ionenquelle auf etwa dem Potential der in Anspruch 1 genannten mittleren Elektrode erzeugt und dann zum Zwecke der Speicher ung in die Quelle eingebracht werden, wobei die Poten tialverteilung im Speichervolumen so gestaltet ist, daß die Ionen ein weitgehend nach allen Seiten rücktreibendes Potential vorfinden.

12. Gepulste Ionenquelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen am Eintrittsort zum Speicher volumen einen Potentialwall überwinden müssen.

13. Gepulste Ionenquelle nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe eines Potentialwalls am Eintrittsort der Ionen ins Speichervolumen und das Potential, auf dem die Ionen erzeugt werden, mit gleicher Geschwin digkeit zeitlich geringfügig ansteigen, wobei jedoch das Potential der die Potentialmulde umgebenden Elektroden genügend hoch ist, um die Ionen in der Potentialmulde zu halten.