DE4041871C2

DE4041871C2 - Massenspektrometer mit Plasmaionenquelle

Info

Publication number: DE4041871C2
Application number: DE4041871A
Authority: DE
Inventors: Yukio Okamoto; Satoshi Shimura; Konosuke Oishi; Masataka Koga; Makoto Yasuda; Takashi Iino
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-12-25
Filing date: 1990-12-27
Publication date: 1994-11-17
Anticipated expiration: 2010-12-28
Also published as: DE4041871A1; JPH03194843A; US5148021A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Massenspektrometer mit einer Plasmaionenquelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs, das dazu geeignet ist, Spurenelemente nachzuweisen, die in einer zu analysierenden Probe vorhanden sind. Ein solches Massenspektrometer ist aus US 4 886 966 bekannt.

In US 4 886 966 wird ein Gerät für die Injektion von Proben in ein Plasma-Massenspektrometer beschrieben. Dieses umfaßt ein induktives Plasmaerzeugungssystem, eine Ionenextraktions-Elektrode, ein Massenspektrometrie-System sowie ein Ionennachweissystem. Zwischen Ionenextraktions- Elektrode und Massenspektrometrie-System befindet sich bei diesem Stand der Technik ein Linsensystem aus drei zylindrischen Elektroden. Ein Photonenstopper ist in Form einer scheibenförmigen Metallplatte auf der Mittelachse des Linsensystems angeordnet. Mit einer solchen Anordnung läßt sich jedoch keine besonders gute Extraktion von Ionen aus dem Plasmavolumen in das Massenspektrometrie-System erzielen. Auch ist die Transmission der Ionen bei diesem Stand der Technik noch nicht sehr gut.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Massenspektrometer mit einer Plasmaionenquelle zu schaffen, das besonders hohe Extraktions- und Transmissionseffizienz für Ionen des Plasmavolumens gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei einem Massenspektrometer mit einer Plasmaionenquelle erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Massenspektrometer wird es möglich, die zu analysierenden Ionen effizient vom Plasma, in dem sie erzeugt werden, an ein Massenfilter (Massenspektrometrie-System) zu befördern. Dadurch kann das S/R- Verhältnis des Nachweissignals verbessert werden, so daß die Massenspektrometrie von in der Probe enthaltenen Spurenelementen mit hoher Empfindlichkeit und niedriger Nachweisgrenze ausgeführt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert, es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt zur Erläuterung einer zweiten Aus führungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt, mit dem das An legen der Potentiale bei der zweiten Ausführungsform erläutert wird.

Nun wird mit Bezug auf Fig. 1 der Aufbau eines Massenspektrometers mit Plasmaio nenquelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorlie genden Erfindung beschrieben.

Das Bezugszeichen 10 bezeichnet ein Plasma, das mittels einer Hochfrequenz- oder Mikrowellenentladung in einem Bereich unter Atmosphärendruck erzeugt wird, wobei die zu analysierende Probe in dieses Plasma eingeleitet und dort ionisiert wird.

Das Bezugszeichen 20 bezeichnet eine Probenentnahmevor richtung, die aus einem metallischen Material wie etwa Nickel und Kupfer hergestellt wird und in ihrer Mitte mit einer Öffnung (mit 0,3 bis 1,0 mm Durchmesser) 21 verse hen ist. Durch diese Öffnung 21 diffundiert ein Teil des Plasmas 10 in einen Bereich 11 mit mittlerem Druck (1,3 bis 130 Pa).

Das Bezugszeichen 30 bezeichnet eine Ionenextrak tionselektrode, die aus einem metallischen Material wie etwa Nickel, Kupfer oder rostfreiem Stahl hergestellt ist, in der in ihrer Mitte eine Öffnung (mit 0,5 bis 1,0 mm Durchmesser) 31 vorgesehen ist. Durch diese Öffnung 31 gelangen die Ionen aus dem Bereich 11 in einen Hochvakuumbereich.

Das Bezugszeichen 40 bezeichnet eine Ionenbeschleuni gungselektrode, die aus einem metallischen Material wie etwa Kupfer oder rostfreiem Stahl hergestellt ist und in ihrer Mitte mit einer Öffnung (mit 0,4 bis 1,0 mm Durch messer) 41 versehen ist. Durch diese Öffnung 41 tritt ein beschleunigter Ionenstrahl.

Mit dem oben beschriebenen Ionenstrahl-Ausbildungssystem, das die Probenentnahmevorrichtung 20, die Ionenextrak tionselektrode 30 und die Ionenbeschleunigungselektrode 40 aufweist, können die im Plasma 10 erzeugten Ionen mit hohem Wirkungsgrad aus dem Plasma extrahiert werden.

Das Bezugszeichen 50 bezeichnet ein Linsensystem, mit dem der durch die Öffnungen 31 und 41 eintretende Ionenstrahl ef fizient zur Seite des Massenspektrometrie-Systems gelei tet werden kann. Das Linsensystem weist eine erste Elek trode 51, eine zweite Elektrode 52 und eine dritte Elek trode 53 auf. In der vorliegenden Ausführungsform ist die erste Elektrode 51 einteilig mit einem zylindrischen Teil 42 ausgebildet, der am hinteren Bereich der Ionenbe schleunigungselektrode 40 vorgesehen ist.

Das Bezugszeichen 60 bezeichnet einen scheibenförmigen Photonenstopper (mit 1 bis 10 mm Durchmesser), der aus einem metallischen Material wie etwa rostfreiem Stahl hergestellt ist und auf der Mittelachse der zweiten Elek trode 52 angeordnet ist, um die Strahlung der im Plasma 10 erzeugten und durch die Öffnungen 21, 31 und 41 gerad linig eintretenden Photonen zu unterbrechen.

Das Bezugszeichen 70 bezeichnet eine aus rostfreiem Stahl oder ähnlichem hergestellte erste Aperturöffnungsplatte mit einer Aperturöffnung 71. Das Bezugszeichen 80 be zeichnet ein Massenfilter (Massenspektrometer-System), das bei spielsweise ein Quadrupol-Massenfilter sein kann. Das Be zugszeichen 90 bezeichnet eine aus rostfreiem Stahl oder ähnlichem hergestellte zweite Aperturöffnungsplatte mit einer Aperturöffnung 91. Das Bezugszeichen 100 bezeichnet einen Ionendetektor, beispielsweise ein "Channeltron".

Die erste Elektrode 51 des Linsensystems 50 kann auch un abhängig, d. h. getrennt vom zylindrischen Teil 42 der Io nenbeschleunigungselektrode 40 vorgesehen werden, wie in Fig. 2 gezeigt ist.

Ferner kann, wie in Fig. 2 gezeigt ist, zwischen der dritten Elektrode 53 und der ersten Aperturöffnungsplatte 70 eine Aperturöffnungselektrode 160 vorgesehen werden. Wenn, wie in Fig. 3 gezeigt ist, an die Aperturöffnungs elektrode 160 ein Potential E₅ (z. B. +20 V) angelegt wird, ist es möglich, daß der durch das Linsensystem 50 gelei tete Ionenstrahl effizienter in das Massenfilter 80 ge führt werden kann.

In dem oben beschriebenen Aufbau des Massenspektrometers wird an jede Elektrode ein Potential angelegt, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Genauer wird an die Ionenbeschleuni gungselektrode 40 und die erste Elektrode 51 ein Poten tial E₁ (üblicherweise -100 bis -500 V) angelegt, während an die zweite Elektrode 52 ein Potential E₂ (üblicherweise +5 bis +20 V) und an die dritte Elektrode 53 ein Potential E₃ (üblicherweise -10 bis +50 V) ange legt wird. An die Aperturöffnungselektrode 160 wird ein Potential E₅ (üblicherweise +30 bis -300 V) angelegt. Die Elektrode 20 der Probenentnahmevorrichtung und die Ionen extraktionselektrode 30 sind üblicherweise geerdet, gege benenfalls kann an sie jedoch auch ein positives Poten tial angelegt werden. Der Abstand zwischen der Elektrode 20 der Probenentnahmevorrichtung und der Ionenextrak tionselektrode 30 beträgt üblicherweise zwischen 2 und 10 mm.

An den Photonenstopper 60 wird entweder das gleiche Po tential wie an die zweite Elektrode 52 (d. h. das Poten tial E₂) oder ein hiervon verschiedenes Potential E₄ (üblicherweise -5 bis +20 V) angelegt. Im ersten Fall ist der Photonenstopper 60 mit der zweiten Elektrode 52 über eine Halteplatte 61 elektrisch verbunden. Im zweiten Fall ist die Halteplatte 61 über einen Isolator 170 an der zweiten Elektrode 52 befestigt.

Die drei das Linsensystem 50 aufbauenden Elektroden sind aus rostfreiem Stahl, Aluminium oder dergleichen herge stellt. Der Innendurchmesser des Zylinders beträgt 15 bis 40 mm, während seine Länge 5 bis 30 mm beträgt. Wie in Fig. 3 gezeigt, kann der Zylinder mit Flanschbereichen versehen werden. Vorzugsweise wird der Innendurchmesser der zweiten Elektrode 52 größer als derjenige der ersten und der dritten Elektrode 51 bzw. 53 ausgebildet. Der Photonenstopper 60 kann beispielsweise durch ein Verfah ren hergestellt werden, in dem eine dünne Platte aus rostfreiem Stahl (mit 0,1 bis 1 mm Dicke) einem Ätzprozeß unterworfen wird. Die Abstände zwischen den Linsenelek troden betragen zwischen 5 und 30 mm.

Die dem Linsensystem 50 zugeführten Ionen werden zunächst im Linsensystem 50 abgebremst (Divergenz) und dann in Richtung der ersten Aperturöffnungsplatte (Massepotential) 70 beschleunigt (Konvergenz), was die in Fig. 1 gezeigten gekrümmten Bahnen zur Folge hat. Genauer werden die zugeführten Ionen (positiven Ionen) abgebremst und aufgrund des zwischen der ersten Elektrode 51 und der zweiten Elektrode 52 ausgebildeten Linsenfeldes aufge spalten (Divergenz), da die zweite Elektrode 52 auf posi tivem Potential liegt, während die erste Elektrode 51 auf negativem Potential liegt. Der so aufgespaltene Ionen strahl 110 verläuft in diesem divergenten Zustand durch die zweite Elektrode 52 und wird dann durch das zwischen der zweiten Elektrode 52 und der dritten Elektrode 53 ge bildete Linsenfeld und durch das zwischen der dritten Elektrode 53 und der ersten Aperturöffnungsplatte 70 ge bildete Feld beschleunigt und gebündelt (Konvergenz).

Wie oben beschrieben, verläuft der Ionenstrahl in der zweiten Elektrode 52 in einem divergenten Zustand. Folg lich bewegen sich die meisten Ionen auf einem Umweg 110 um den Photonenstopper 60 und werden so effizient in das Massenfilter 80 befördert. Andererseits setzen die im Plasma 10 erzeugten und durch die Öffnungen 21, 31 und 41 in das Linsensystem 50 eingelassenen Photonen 180 ihren geraden Weg fort und treffen somit auf den Photonenstop per 60, wodurch die Photonenstrahlung unterbrochen wird. Daher werden die meisten Photonen durch den Photonenstop per 60 ausgeblendet, während durch diesen Stopper 60 nur ein Teil der Ionen ausgeblendet wird und folglich das Verhältnis der Photonenmenge zur Menge der in den Ionen detektor 100 eintretenden Ionen stark verkleinert und das S/R-Verhältnis des Nachweissignals stark verbessert wird (um mehr als eine Größenordnung).

Claims

Massenspektrometer mit einer Plasma-Ionenquelle,
- - mit einem Plasmaerzeugungssystem (10), das ein eine zusammengesetzte Probe enthaltendes Plasma erzeugt,
- - mit einer Ionenextraktions-Elektrode (30) zum extrahieren der Ionen aus dem Plasma, die zum Plasmaerzeugungssystem (10) konisch zulaufend eine enge Eingangsöffnung aufweist,
- - mit einem Massenspektrometrie-System (80),
- - mit einem Ionennachweissystem (100), das die massenanalysierten Ionen nachweist,
- - mit einem Linsensystem (50) mit erster, zweiter und dritter zylindrischer Elektrode (40, 51, 52, 53), das zwischen der Ionenextraktions-Elektrode (30) und dem Massenspektrometrie-System (80) angeordnet ist, und
- - mit einem Photonenstopper (60) mit einer scheibenförmigen Metallplatte, der auf der Mittelachse des Ionenstrahls in dem Bereich, in dem der Strahl durch das Linsensystem (50) aufgeweitet ist, angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste zylindrische Elektrode (40, 51) auf das Plasmaerzeugungssystem konisch zulaufend eine enge Eingangsöffnung aufweist und daß sie gegenüber der Ionenextraktions- Elektrode (30) mit einer Ionenbeschleunigungsspannung beaufschlagt ist.