DE4036115C2

DE4036115C2 - Verfahren und Einrichtung zur quantitativen nichtresonanten Photoionisation von Neutralteilchen und Verwendung einer solchen Einrichtung

Info

Publication number: DE4036115C2
Application number: DE4036115A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr Kaesdorf; Hartmut Dr Schroeder
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1990-11-13
Filing date: 1990-11-13
Publication date: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2010-11-14
Also published as: DE4036115A1; US5365063A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum quantitativen Ionisieren von Neutralteilchen eines Gases durch nichtresonante Laserstrahlung. Der Begriff "Gas" soll hier nicht nur permanente Gase, sondern auch Dämpfe, Sputterprodukte usw. umfassen. Bei den Neutral teilchen kann es sich um Atome, Moleküle sowie Dimere und Cluster, also Agglomerate aus zwei oder mehreren Atomen, u. a. m. handeln. Das Verfahren und die Einrichtung gemäß der Erfindung sind von besonderer Bedeutung für Analyseverfahren, wie SALI (Surface Analysis by Laser Ionization) SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy) und dergleichen, sie können jedoch ganz allgemein überall dort Anwendung finden, wo Neutralteilchen in einem vorgegebenen Raumbereich möglichst quantitativ ionisiert werden sollen.

Aus der PCT-Veröffentlichung WO 85/02907 ist ein Verfahren zur Oberflächenanalyse bekannt, bei welchem die zu unter suchende Oberfläche mit einem Ionenstrahl beschossen und die dabei freigesetzten Teilchen durch nichtresonante Photo ionisation mittels eines parallel zur Oberfläche geführten Laserstrahls hoher Intensität ionisiert werden. Die erzeug ten Ionen werden durch ein Flugzeit-Massenspektrometer vom Typ Reflektron massenspektrometrisch analysiert.

Die nichtresonante (nichtselektive) Ionisation mittels Hochleistungslasers ermöglicht zwar eine Substanzanalyse mit sehr hoher Nachweisempfindlichkeit, eine Quantifizierung, also eine quantitative Analyse, ist jedoch bisher noch nicht erreichbar. In der obengenannten PCT-Veröffentlichung wird zwar behauptet, daß eine Sättigung der Ionisierung durch nichtresonante Mehrphotonen-Photoionisation möglich sei, dies trifft jedoch nur in beschränktem Maße zu, wie ein gehendere Untersuchungen gezeigt haben, und es wird in der genannten Veröffentlichung auch deutlich auf den semi quantitativen Charakter des beschriebenen Verfahrens hin gewiesen. Eine exakte Quantifizierbarkeit ist bei den bekannten nichtresonanten Laserionisationsverfahren nämlich wegen der komplizierten Ionisationsprozesse und der Viel zahl der teilweise von der Laserintensität abhängigen Para meter praktisch nicht möglich. Der Begriff "Quantifizierbar keit" soll bedeuten, daß bei vorgegebener Mindest-Laserintensität aus der Ionenintensität (also einem Ionensignal) einer vorgegebenen Ionensorte direkt auf die Konzentration der der Ionensorte entsprechenden Substanz (Element) in einem vorgegebenen Raumbereich ("Nachweisvolumen") geschlossen werden kann.

Weitere Hinweise auf das Ionisieren von Neutralteilchen eines Gases ergeben sich aus den folgenden Veröffentlichungen.

Aus US-4 893 019 ist ein Ionenstromgenerator zum Einsatz bei der Dünnschichterzeugung, Ionenimplantation, Ionenätzung oder beim Ionensputtern bekannt. Der Ionenstrom wird erzeugt, indem Atome eines Ausgangsmaterials verdampft, in einen Rydberg- Zustand angeregt, in einer Elektrodenanordnung ionisiert und in eine vorbestimmte Richtung geführt werden. Ferner wird in "International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes" (Band 61, 1984, Seite 277 ff.) von R. J. Conzemius et al. die Optimierung einer Laser-Ionenquelle zum Einsatz in der Elemen taranalyse allgemein beschrieben.

Unter "nichtresonanter Photoionisation" versteht man eine Ionisation von Atomen oder Molekülen in einem starken Lichtfeld mit einer Photonenenergie, die nicht mit einem Eigenzustand des betreffenden Teilchens resonant ist. Der Vorteil dieser Art von Ionisation besteht darin, daß alle Arten von Atomen und Molekülen mit einer einzigen Laseremissionsfrequenz photoionisiert werden können.

Nur Ionen, die innerhalb eines bestimmten Raumbereiches, des Nachweis- oder Akzeptanzvolumens, erzeugt werden, werden auch letztlich registriert. Ionen, die außerhalb dieses Raumbereiches entstehen, werden nicht registriert. Der analoge Begriff in der Lichtoptik ist das durch den Bild winkel und die Schärfentiefe begrenzte "Abbildungsvolumen".

In welchem Volumenbereich der ionisierende Laserstrahl mit den Neutralteilchen wechselwirkt, das sogenannte Wechsel wirkungsvolumen, wird durch die Intensitätsverteilung im Strahlquerschnitt und durch die Art des Anregungsprozesses bestimmt. Beispielsweise ist bei gaußscher Intensitäts verteilung das Wechselwirkungsvolumen senkrecht zur Achse des Laserstrahls für einen 4-Photonen-Anregungsprozeß nur halb so groß wie für einen 2-Photonen-Anregungsprozeß.

Der Anteil der ionisierten Teilchen einer bestimmten Sorte in einem gegebenen Volumen ist abhängig von der in diesem Volumen herrschenden Lichtintensität. Sind 1-(1/e) = 63,2% der Teilchen ionisiert, so wird die die bewirkende Licht intensität als Sättigungsintensität bezeichnet. Diese Beziehung ergibt sich aus einer formalen Beschreibung des Ionisierungsvorganges.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens derart auszu gestalten, daß bei fester Intensität des ionisierenden Laserstrahles Teilchen mit verschiedenen Anregungsquer schnitten mit im wesentlichen gleicher Wahrscheinlichkeit nachgewiesen werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein gattungsgemäßes Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung betrifft ferner vorteilhafte Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Erfindung ermöglicht es, mit fester Intensität des ionisierenden Laserstrahles Teilchen mit verschiedenen Anregungsquerschnitten mit im wesentlichen gleicher Wahrscheinlichkeit zu ionisieren und damit nachzuweisen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens hat der Laserstrahl im Nachweisvolumen eine Intensität oberhalb der Sättigungsintensität der Ionisierung sowie ein Strahlprofil mit hoher Flankensteilheit und die erzeugten Ionen werden durch ein ionenoptisches System abgesaugt, dessen Akzeptanzbereich zumindest in Ausbreitungs richtung des Laserstrahls auf einen Bereich beschränkt ist, in dem der Laserstrahl den oben angegebenen Bedingungen genügt.

Der Grund für die scharfe seitliche Begrenzung des Nachweis volumens durch Verwendung eines Laserstrahls mit steilem lateralen Intensitätsanstieg bis über die Sattigungsintensität ist folgender: Ist der laterale Verlauf der Intensität des Laserstrahls im Akzeptanzvolumen beispielsweise gaußförmig, entspricht also einer Glockenkurve, was für viele Hoch leistungslaser näherungsweise zutrifft, so nimmt die Zahl der durch die Laserstrahlung erzeugten Ionen bei einer Steigerung der Intensität selbst dann immer weiter zu, wenn das Maximum der Intensität größer als die Sättigungsintensi tät ist. Bei der Erhöhung der Intensität der Laserstrahlung nimmt zwar die Ionendichte in demjenigen Raumbereich, in dem die Intensität die Sättigungsintensität überschreitet, nicht mehr weiter zu, da dort bereits alle Teilchen ionisiert sind, in den Flanken des Strahlprofils hingegen, wo die Sättigung noch nicht erreicht ist, steigt die Ionendichte jedoch weiter an, so daß keine Sättigung des Ionensignals, also kein Signalplateau, erreichbar ist.

Wegen der Ausweitung des Ionisationsvolumens mit steigender Intensität ist daher eine absolute Bestimmung der Ionen dichte im Nachweisvolumen nur mit extremem apparativen Aufwand möglich, selbst wenn die Messungen nur bei einer festen Laserintensität, die oberhalb der Sättigungsintensi tät liegt, durchgeführt werden. Dies soll für den Fall, daß mehrere Neutralteilchensorten mit unterschiedlichen Ioni sationswirkungsquerschnitten ionisiert werden, mit Hilfe der Definition eines "effektiven Nachweisvolumens" erläutert werden.

Die Gesamtzahl N_i der Ionen der Teilchensorte i, die nach der Ionisation durch den Laserstrahl das Ionenabsaugsystem passieren, läßt sich schreiben als

N_i = n_i ∫ p_i(x,y,z)A(x,y,z)dxdydz [1]

mit

n_i: Teilchendichte der Teilchensorte i
p_i(x,y,z): Wahrscheinlichkeit, daß Teilchensorte i am Ort (x,y,z) durch den Laserstrahl ionisiert wird
A(x,y,z): Akzeptanzwahrscheinlichkeit

Integriert wird über den Ionisationsraum.

Hierbei wurde eine konstante Teilchendichte im Ionisations raum angenommen, was sich leicht erfüllen läßt, da der Ionisationsraum meist nur eine räumliche Ausdehnung von einigen hundert µm besitzt. Das Integral hat die Dimension eines Volumens und wird im folgenden als effektives Nach weisvolumen V_i ^eff bezeichnet:

V_i ^eff = ∫ p_i(x,y,z)A(x,y,z)dxdydz [2]

Besitzt das Laserstrahlprofil keine sehr steilen Flanken und liegen diese Strahlprofilflanken noch innerhalb der Akzep tanz des Ionenabsaugsystems, so ist im Sättigungsregime p_i(x,y,z) im Maximum des Strahlprofils 100%. Bei Intensi tätserhöhung nähert sich p_i(x,y,z) auch an den Rändern immer mehr diesem Wert, d. h. das effektive Nachweisvolumen V_i ^eff weitet sich aus.

Die Messung der absoluten Dichte n_i der Teilchensorte i reduziert sich somit auf die Bestimmung des zugehörigen effektiven Nachweisvolumens V_i ^eff und der Messung der Zahl N_i der Ionen der Sorte i, die das Ionenabsaugsystem passieren:

n_i = N_i/V_i ^eff [3]

Da die Ionisierungswahrscheinlichkeit p_i sowohl von der Laserintensität wie vom Ionisationswirkungsquerschnitt abhängt, ist das effektive Nachweisvolumen V_i ^eff im allgemeinen eine individuelle Eigenschaft der Teilchensorte i und kann deswegen auch mit einer Eichsubstanz j bekannter Dichte n_j und bekannter Ionisierungswahrscheinlichkeit p_j(x,y,z) nicht bestimmt werden. Bei den bisherigen Methoden der Nachionisierung ist es für eine absolute Bestimmung der Ionendichte daher selbst im Fall der Sättigung der Ionisation im Zentrum des Strahlprofils nötig, das drei dimensionale Nachweisvolumen auszumessen, was technisch äußerst schwierig ist.

Die Verhältnisse werden dadurch noch weiter kompliziert, daß oft mehrere konkurrierende Ionisierungsprozesse mit unterschiedlicher Intensitätsabhängigkeit zur selben Ionen sorte führen. Ist beispielsweise die Probenoberfläche metallisch, so werden beim Sputtern außer Metallatomen z. B. auch noch Dimere und andere Metallcluster emittiert, und durch die Wechselwirkung mit dem Laserstrahl werden atomare Ionen sowohl durch die Ionisation der Metallatome als auch durch die Ionisation und Fragmentierung der Dimeren und Metallcluster erzeugt. Da die Ionenerzeugung über die Cluster effizienter ist als die Ionisierung von Atomen, werden zuerst die Dimeren und die Cluster und dann erst die Atome ionisiert. Ist die Flankensteilheit des Laserstrahls nicht ausreichend hoch, so kann auch bei den höchsten Laser leistungen die Ionisierung der Cluster insgesamt dominieren, da selbst dann die Bereiche niedrigerer Intensität an den Flanken noch zur Ionisierung der Cluster beitragen können.

Bei dem vorliegenden Verfahren und der vorliegenden Ein richtung wird das oben geschilderte Quantifizierungsproblem dadurch gelöst, daß die Ionenerzeugung und -gewinnung auf einen scharf begrenzten Raumbereich beschränkt wird, indem ein Laserstrahl verwendet wird, dessen Intensitätsprofil sehr steile Flanken hat, und nur Ionen aus dem Raumbereich, in dem die Intensität oberhalb der Sättigungsintensität liegt und der Laserstrahl ein steilflankiges Intensitäts profil hat und wo insbesondere der leichter zu quantifi zierende Prozeß der direkten Ionisation dominiert, abgesaugt bzw. detektiert werden. Dieser Raumbereich expandiert nicht bei der Erhöhung der Laserintensität, so daß die Anzahl der erzeugten Ionen in Abhängigkeit von der Laserintensität im Sättigungsregime ein Plateau annimmt.

Für absolute Bestimmungen kann die Größe des Nachweis volumens in diesem Fall durch Eichmessungen mittels einer Eichsubstanz, wie einem Edelgas, z. B. Xenon, deren Teilchen dichte einfach gemessen werden kann und deren Ionisierungs prozeß in die Sättigung getrieben wird, bestimmt werden. Die Kenntnis des Ionisationswirkungsquerschnitts der Eich substanz ist dagegen nicht erforderlich. Es genügt das Auftreten eines Plateaus, um aus der Anzahl der gemessenen Ionen und der gewöhnlich bekannten Ionennachweisempfindlich keit der verwendeten Ionennachweiseinrichtung über die als bekannt vorausgesetzte Teilchendichte auf das gesuchte Volumen schließen zu können.

Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist, daß die scharfe Begrenzung des Nachweisvolumens durch eine Kombination lichtoptischer und ionenoptischer Maßnahmen erfolgt. Weist das Laserstrahlprofil in lateraler Richtung sehr steile Intensitätsgradienten auf, so braucht in dieser Richtung keine Einschränkung des Nachweisvolumens mit Hilfe der ionenoptischen Einrichtung des Ionenabsaugsystems durchgeführt werden, d. h. die Ausdehnung von Ionisations volumen und Nachweisvolumen ist in lateraler Richtung identisch. Gegenüber dem bekannten Verfahren, allein durch die ionenoptische Einrichtung des Absaugsystems das Nach weisvolumen einzuschränken, hat dieses Verfahren deswegen den Vorteil, daß die Maßnahmen, die für die Quantifizierung der Ionisation nötig sind, zu keiner Reduzierung der Zahl der abgesaugten Ionen sorgen. Dadurch bleibt die hohe Empfindlichkeit dieser Ionisierungsmethode erhalten. In Richtung des Laserstrahls muß das Nachweisvolumen ionen optisch begrenzt werden, wenn der Laserstrahl in seiner Ausbreitungsrichtung nicht überall den oben erwähnten Bedingungen hinsichtlich Intensität und Intensitätsprofil genügt.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Intensitäts profils eines Laserstrahls;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines ersten Beispiels eines Ionenabzugssystems;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines alternativen Beispiels eines Ionenabzugssystems;

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 5 die laterale Intensitätsverteilung eines Nach ionisierungs-Laserstrahls im Ionisationsraum und

Fig. 6 ein Diagramm der Abhängigkeit der Intensität eines Ionensignals von der Intensität eines ionisierenden Laserstrahls.

Im folgenden sollen als erstes die technischen Maßnahmen, die zu einer scharfen Begrenzung des Nachweisvolumens ein gesetzt werden können, näher beschrieben werden. Das Laser strahlprofil läßt sich durch Modifikation des Lasers selbst wie durch externe Maßnahmen optimieren. Zur ersten Methode gehört die Verwendung eines sogenannten "instabilen" Laser resonators, der zu einer Intensitätserhöhung an den Rändern des Strahlprofils und für steile Flanken des emittierten Laserlichts sorgt. Wird dieser Laserstrahl mit einer aberrativ korrigierten Fokussierungsoptik gebündelt, ändert sich hierbei das Strahlprofil nicht, d. h. der gebündelte Laserstrahl besitzt ebenfalls die gewünschten Eigenschaften. Ist die Flankensteilheit des emittierten Laserstrahls nicht ausreichend, kann dies durch Blenden, die die Bereiche niederer Intensität ausblenden, und/oder durch die Fokussierungsoptik korrigiert werden. In diesem Fall muß eine Fokussierungsoptik zum Einsatz kommen, die Aberrationen bei der Bündelung des Laserstrahls erzeugt und hierdurch das Strahlprofil modifiziert, wie anhand von Fig. 4 noch näher erläutert werden wird.

Die Flankensteilheit, die das Strahlprofil besitzen muß, hängt von den Forderungen an die Genauigkeit, mit der die
absolute Ionendichte im Nachweisvolumen bestimmt werden soll, ab. Sind die Ionisationswirkungsquerschnitte der Eich substanz und der zu analysierenden Substanz drastisch ver schieden, dann ist der größte relative Fehler, der bei der Bestimmung der absoluten Ionendichte im Nachweisvolumen gemacht wird, gegeben durch das Verhältnis des Volumens, das die Flanken des Strahlprofils einnehmen, zur Größe des Volumens, wo in jedem Fall die Sättigung erreicht wird. Falls eine Genauigkeit G von 10% erforderlich ist, gilt damit bei einem trapezförmigen Strahlprofil mit radialer Symmetrie gemäß Fig. 1

G = π·D·d/(π·D²/4) = 1/10 oder d < D/40 [4]

In Fig. 2 und 3 sind Maßnahmen zur Abgrenzung des Nachweis volumens mit Hilfe von ionenoptischen Einrichtungen des Ionenabzugssystems dargestellt. In Fig. 2 werden die Ionen durch einen Laserstrahl 10 in einem Plattenkondensator erzeugt, der z. B. durch eine ebene Oberfläche einer Probe 11 sowie eine zu dieser parallelen ebenen Platte 12 gebildet wird und in dessen Innerem ein homogenes elektrisches Feld herrscht. Der Laserstrahl 10 verläuft parallel zu den Elektroden des Plattenkondensators 11, 12 und wird durch eine Linse 13 in das Innere des Plattenkondensators fokussiert. Die Grenzen des Nachweisvolumens in der Ebene, die senkrecht zum Strahl 14 der auslaufenden Ionen ist, sind durch eine Öffnung 16 in der negativ geladenen Platte 12 gegeben. Da diese ionenoptische Abbildung eine unbeschränkte Akzeptanz in Richtung des auslaufenden Ionenstrahls besitzt, kann eine Abgrenzung des Nachweisvolumens in dieser Richtung nur durch eine Energieselektion der abgesaugten Ionen erfolgen. Für die Energieselektion kann ein hinter der Abzugselektrode (Platte 12) angebrachtes Energiespektrometer (z. B. ein Spektrometer vom Typ Kugelkondensator oder vom Typ Zylinderspiegelanalysator) benutzt werden oder z. B. eine Flugzeitanalyse der abgesaugten Ionen im Falle der gepulsten Ionisation.

Bei der alternativen Einrichtung gemäß Fig. 3 werden die Ionen 24 durch das elektrische Feld zwischen einer z. B. durch die Probe gebildeten Repeller-Elektrode 21 und einer Eingangselektrode 22 eines Ionen-Extraktionssystems 28 abgesaugt und anschließend ionenoptisch mittels einer elektrostatischen Einzellinse 30 auf eine Blende 32 abgebildet. Die Größe der Blendenöffnung bestimmt somit die Grenzen des Nachweisvolumens. In Richtung des extrahierten Ionenstrahls 24 wird das Nachweisvolumen durch die endliche Schärfentiefe dieser ionenoptischen Abbildung und/oder eine Energieselektion eingegrenzt. Für die laterale ionenoptische Abgrenzung des Nachweisvolumens werden hier also Blenden im Ionen-Extraktionssystem verwendet.

Wenn die Intensitätsverteilung des Laserstrahls innerhalb des Nachweisvolumens eine Struktur aufweist, kann bei Inten sitätserhöhung des Laserstrahls eine Expansion des Nach weisvolumens nach innen auftreten, was einer exakten Quanti fizierung aus den oben angeführten Gründen entgegensteht. Wenn der Laserstrahl eine strukturierte Intensitätsver teilung hat, also ein oder mehrere Zwischenminima aufweist, muß die Intensität in den Minima größer sein als die Sättigungsintensität, oder bei sehr steilen inneren Inten sitätsgradienten muß gewährleistet sein, daß die Intensität in den Minima bei allen auftretenden Intensitäten des Nach ionisierungslaserstrahles stets vernachlässigbar klein ist oder stets oberhalb der Sättigungsintensität liegt.

Die in Fig. 4 dargestellte Einrichtung zur Untersuchung der Oberfläche einer Probe 40 enthält eine Ionenkanone 42 zur Erzeugung eines auf die zu untersuchende Oberfläche der Probe 40 gerichteten Ionenstrahls 44, durch den Material von der Probenoberfläche abgetragen ("gesputtert") wird. Alter nativ kann Material mit Hilfe eines Desorptionslaserstrahles 45 von der Probenoberfläche abgetragen werden. Der neutrale Anteil der gesputterten Teilchen wird durch Wechselwirkung mit einem parallel zur Probenoberfläche geführten Laser strahl 46 ionisiert, der durch einen nur schematisch dar gestellten KrF-Laser 48 erzeugt und durch eine vereinfacht als Linse dargestellte Fokussierungsoptik 50 in die Nähe der Probenoberfläche fokussiert wird. Die so erzeugten Ionen werden mit Hilfe eines Ionen-Extraktionsmoduls 52 abgezogen und in einem Massenspektrometer 54 analysiert.

Die Fokussierungsoptik 50 bündelt nicht nur den Laserstrahl, sondern modifiziert auch das Strahlprofil des Lasers so, daß die Intensitätsgradienten des fokussierten Laserstrahls in einem vorgegebenen Raumbereich möglichst steil sind. Die Fokussierungsoptik 50 kann harte und/oder weiche Blenden und/oder andere geeignete optische Elemente, wie Linsen, enthalten oder aus solchen bestehen. Sie ist so ausgebildet, daß die Probe nicht in den Laserstrahl eintaucht.

Ein geeignetes Strahlprofil ist in Fig. 5 dargestellt. Es enthält zwei Spitzen, zwischen denen sich ein relatives Intensitätsminimum befindet. Die Intensität im Minimum soll über der Sättigungsintensität liegen. Die scharfen Spitzen des Intensitätsprofils gemäß Fig. 5, welche für steile Flanken des Strahlprofils sorgen, können durch die sphärische Aberration einer plankonvexen Fokussierungs linse erzeugt werden und stellen die Randkaustik des fokus sierten Laserstrahls dar. Durch die eingeschränkte laterale Akzeptanz des Ionenabsaugsystems (Fig. 3) wird das Nachweis volumen in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls auf einen Bereich vor dem kleinsten Zerstreuungskreis, wo diese Rand kaustik auftritt und noch genügend Intensität vorhanden ist, eingegrenzt.

Bei einer praktischen Ausführungsform der Einrichtung gemäß Fig. 4 lieferte die Ionenkanone einen Argonionenstrahl mit einer Energie von 5 kV. Der Laser 48 war ein gepulster KrF- Excimerlaser, dessen Strahl 46 mit einer plankonvexen Linse 50 f = 180 mm fokussiert wurde. Das Ionenextraktionsmodul enthielt eingangsseitig eine elektrostatische Einzellinse 58, die ionenoptische Eingrenzung des Nachweisvolumens erfolgte gemäß Fig. 3 durch eine Blende 60. Das Massen spektrometer 54 war ein Laufzeit-Massenspektrometer vom Reflektron-Typ, das einen durch Netze 62, 64 begrenzten Ionenreflektor, einen beim Netz 64 angeordneten Auffänger 68 und einen bei der Blende 60 angeordneten Ionendetektor 70 enthielt. Das Ionenextraktionsmodul 52 war bezüglich der Fokussierungsoptik 50 so angeordnet, daß nur Ionen extra hiert wurden, die in einem Abstand von 1,25 +/- 0,125 mm vor dem kleinsten Zerstreuungskreis, gesehen in Ausbreitungs richtung des Laserstrahls 46, erzeugt wurden. Die Intensität des Laserstrahls im Nachweisvolumen betrug mindestens 10¹⁰ W/cm². Die Abmessungen des Nachweisvolumens quer zur bzw. längs der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls betrugen 100×80×250 µm. Durch die hohe Ionisierungsrate sind nicht nur quantitative Messungen möglich sondern ist auch die Empfindlichkeit außerordentlich hoch, so daß praktisch zerstörungsfreie Oberflächenanalysen möglich sind, weil nur wenig Material von der Oberfläche abgetragen werden muß.

Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit des Ionisationssignals von der Laserintensität im Falle einer Kupferprobe. Die Meßkurve wurde mit dem oben beschriebenen technischen Aufbau gewonnen. Deutlich ist das Auftreten eines Sättigungs plateaus bei hohen Laserintensitäten zu erkennen.

Claims

1. Verfahren zur nichtresonanten Photoionisation von Neutralteilchen eines Gases, bei welchem die Neutralteilchen in einem Ionisierungsraum durch einen Laserstrahl ionisiert werden, dessen maximale Intensität über der Sättigungs intensität für die Ionisierung gewünschter Neutralteilchen sorten liegt, und die erzeugten Ionen durch ein ionen optisches System aus dem Ionisierungsraum extrahiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisierung der gewünschten Neutralteilchensorten lichtoptisch und/oder die Extrahierung der erzeugten Ionen ionenoptisch auf einen scharf begrenzten Raumbereich, in dem die Intensität des Laser strahls für alle interessierenden Neutralteilchensorten über der Sättigungsintensität liegt oder für die Ionisierung der interessierenden Neutralteilchensorten vernachlässigbar klein ist, derart eingeschränkt werden, daß die Anzahl der extrahierten Ionen der jeweils interessierenden Ionensorte bei weiterer Erhöhung der Intensität des Laserstrahls nicht wesentlich ansteigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserstrahl verwendet wird, der im vorgegebenen Raum bereich ein laterales Intensitätsprofil mit hoher Flanken steilheit hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ionenoptische Einschränkung des Raumbereiches quer zur Extraktionsrichtung der erzeugten Ionen durch eine Blende und längs der Extraktionsrichtung durch Energieselektion oder eine endliche Schärfentiefe eines ionenoptischen Abbildungssystems erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Größe des genannten Raumbereiches ein Eichgas bekannter Konzentration in den Raumbereich einge führt und die Anzahl der im Raumbereich erzeugten Ionen gemessen wird.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Laser (18) zum Erzeugen eines Laser strahls (16) hoher Intensität, welcher einen vorgegebenen Ionisierungsraum, der zu ionisierende Neutralteilchen enthält, durchläuft, und mit einem ionenoptischen System (22) zum Extrahieren von Ionen aus dem Ionisierungsraum, dadurch gekennzeichnet, daß das ionenoptische System ein Akzeptanzvolumen, aus dem es Ionen zu extrahieren vermag, aufweist, welches nur solche Volumenelemente des Ionisierungsraumes enthält, in denen die Intensität des Laserstrahls über der Sättigungsintensität für die Ionisie rung aller interessierenden Neutralteilchensorten liegt oder für die Ionisierung dieser Neutralteilchensorten vernach lässigbar klein ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Intensitätsprofil des Laserstrahls im Akzeptanzvolumen des ionenoptischen Systems eine hohe Flankensteilheit hat.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Wege des Laserstrahls (16) eine mit sphärischer Aber ration behaftete optische Vorrichtung (20) zum Fokussieren des Laserstrahls in einen kleinsten Zerstreuungskreis vor gesehen ist und daß der Ionisierungsraum in Ausbreitungs richtung des Laserstrahls vor dem kleinsten Zerstreuungs kreis liegt.