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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Ionisierungsvorrichtungen
für Gasproben
zur Analyse in einem Massenspektrometer.
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In
einem Massenspektrometer analysiert man eine Gasprobe, indem man
die Probe mit einem Elektronenstrom bombardiert und die auf diese
Weise gewonnenen Ionen anschließend
in Bewegung versetzt, um sie schließlich anhand ihrer Flugbahn und
ihrer Geschwindigkeit zu unterscheiden.
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Es
ist von Vorteil, in der Gasprobe eine erhebliche Ionisierung zu
erzeugen, um die Empfindlichkeit der Messung zu erhöhen und
die Auflösung des
Massenspektrometers zu verbessern.
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In
Flugzeitmassenspektrometern werden die von der Ionenquelle produzierten
Ionen in den Eingang einer Flugröhre
geschleudert, in der sie eine konstante Geschwindigkeit beibehalten,
am Ausgang der Flugröhre
erfasst man die entsprechende Flugzeit für jeden Innentyp der analysierten
Gasprobe, um daraus die jeweilige Art abzuleiten. Dazu wird ein vorher
beschleunigtes Innenpaket in den Eingang der Flugröhre geschleudert
und die Startzeit des Innenpakets sowie der Zeitpunkt der Ankunft
der verschiedenen Ionen am anderen Ende der Flugröhre werden
festgehalten.
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Es
ist daher vorteilhaft, Innenpakete mit möglichst kurzer Dauer zu erzeugen,
die eine maximale Anzahl an Ionen enthalten. Dies wird mithilfe
einer Impuls-Ionenquelle erzielt.
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Die üblicherweise
in Massenspektrometern eingesetzten Innenquellen enthalten eine
Elektronenkanone mit einer Elektronenquelle und einer oder mehreren
Aufbereitungselektroden für
den Elektronenstrom, um einen entsprechenden Elektronenstrom zu
erzeugen, der auf einen Gas-Ionisierungsbereich gerichtet ist, in
dem sich die Ionen bilden, die zu einer oder mehreren Aufbereitungselektroden
für den
Innenstrom geleitet werden. Der Elektronenstrom wird im Allgemeinen
in einer Richtung auf den Gas-Ionisierungsbereich
gerichtet, die senkrecht zur Ausrichtung der Flugröhre des
Massenspektrometers steht. Daraus ergeben sich ein erheblicher Raumbedarf
sowie das Problem der Integration. Die Menge an erzeugten Ionen
ist relativ gering, wodurch die Empfindlichkeit des Geräts eingeschränkt wird.
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Das
in der vorliegenden Erfindung angesprochene Problem besteht darin,
eine neue Struktur für die
Ionenquelle von Massenspektrometern zu entwickeln, die kompakter
ist, eine höhere
Empfindlichkeit aufweist und die einfacher in die anderen Komponenten
des Massenspektrometers integriert werden kann.
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Um
diese Ziele, unter anderen, zu erreichen, enthält eine Ionenquelle für Massenspektrometer
gemäß der Erfindung
eine Elektronenkanone mit einer Elektronenquelle und einer oder
mehreren Aufbereitungselektroden für den Elektronenstrom zur Erzeugung
eines entsprechenden Elektronenstroms, der auf einen Gas-Ionisierungsbereich
gerichtet werden kann, in dem sich die Ionen bilden, die zu einer
oder mehreren Aufbereitungselektroden für den Ionenstrom geleitet werden;
vor den Aufbereitungselektroden für den Elektronenstrom werden
in den Elektronenstrom eine oder mehrere Mikrokanalplatten zwischengeschaltet,
sodass man ausgehend von einem primären impulsförmigen Elektronenbündel, das
relativ wenig Elektronen enthält,
ein sekundäres
impulsförmiges
Elektronenbündel
erzeugt, das wesentlich mehr Elektronen enthält.
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Die
Mikrokanalplatten gewährleisten
eine Vervielfachung des Elektronenstroms, so dass die spätere Ionisierung
der Gasprobe ebenfalls um ein Vielfaches gesteigert wird. Die Empfindlichkeit
und das Auflösungsvermögen des
Geräts
werden auf diese Weise ebenfalls deutlich erhöht.
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Es
ist vorteilhaft, wenn man vor dem Bereich, in dem sich die Mikrokanalplatte(n)
befinden, mindestens eine zusätzliche
Elektrode anordnet, die das sekundäre Elektronenbündel streuen
kann, so dass seine zeitlichen Eigenschaften aufrechterhalten und gleichzeitig
seine räumlichen
Eigenschaften verbessert werden.
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Auf
diese Weise werden wiederum die gesteigerte Ionisierung der Gasprobe
und damit auch die Empfindlichkeit des Geräts begünstigt, das die Ionenquelle
enthält.
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Vorzugsweise
sollte sich der Gasionisierungsbereich zwischen einer vorgeschalteten
Repulsionselektrode, durch die das sekundäre Elektronenbündel geführt wird
und die die Elektronen durch Abstoßung der Ionen zurückhält, und
einer nachgeschalteten Beschleunigungselektrode, die die Ionen anzieht,
befinden.
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Dank
dieses Aufbaus kann man die Ionenquelle in einer Linie mit der Achse
der Flugröhre
am Eingang der Flugröhre
des Flugzeitmassenspektrometers anordnen. Auf diese Weise sind eine
bessere Integration der Ionenquelle und ein kompakterer Geräteaufbau
gewährleistet.
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Der
Ionisierungsbereich sollte vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Mikrokanalplatte(n)
angeordnet sein, damit das sekundäre Elektronenbündel seine
zeitlichen Eigenschaften behält
und dicht bleibt, sodass sämtliche
Ionen eines Innenpakets etwa gleichzeitig in die Flugröhre eindringen.
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Als
Elektronenquelle kann ein Heizdraht mit entsprechender Temperatur
verwendet werden, der in der Lage ist, einen Elektronenstrom auf
herkömmliche
Art und Weise durch Thermoemission zu erzeugen. Das primäre Elektronenbündel wird
dann durch eine Ablenkelektrode pulsmoduliert.
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Alternativ
dazu kann als Elektronenquelle auf vorteilhafte Weise auch eine
Feldemissionskathode mit Mikrospitzen verwendet werden, die ein
primäres,
pulsmoduliertes Elektronenbündel
erzeugt.
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Die
Erfindung kann insbesondere bei der Realisierung von Flugzeitspektrometern
Anwendung finden, die eine derartige Ionenquelle beinhalten.
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Weitere
Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
anhand der folgenden Beschreibung der besonderen Ausführungsvarianten
in Bezug auf die beiliegenden Abbildungen deutlich, wobei:
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1 stellt
das Grundschaltbild eines Flugzeitmassenspektrometers gemäß einer
Ausführungsvariante
der vorliegenden Erfindung dar;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer Mikrokanalplatte
zur Verstärkung des
Elektronenstroms; und
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3 ist
ein Längsschnitt
eines Kanals der Mikrokanalplatte aus 2, in dem
das Verstärkungsprinzip
für den
Elektronenstrom dargestellt wird.
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In
Bezug auf 1 enthält ein Flugzeitmassenspektrometer
gemäß der dargestellten
Ausführungsvariante
im Allgemeinen eine Elektronenkanone 1, gefolgt von einer
Innenkanone 2, diese wiederum gefolgt von einer Flugröhre 3,
deren Ausgang mit einem Innendetektor 4 in Verbindung steht.
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Die
Elektronenkanone 1 enthält
eine Elektronenquelle 5. In der in dieser Abbildung dargestellten Ausführungsvariante
besteht die Elektronenquelle aus einem Wolfram-Faden, der von einem
Heizgenerator 6 versorgt wird, damit er eine ausreichende Temperatur
erzielt, mit der eine Ionen-Thermoemission gewährleistet werden kann. Die
von der Elektronenquelle 5 ausgesandten Elektronen werden
von einer oder mehreren Aufbereitungselektroden für den Elektronenstrom 7 angezogen,
beispielsweise von einer Beschleunigungselektrode 71 und
einer oder mehreren Bündelungselektroden 72.
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Im
Fall einer Elektronenquelle 5 in Form eines Thermoemissionsdrahts
gewährleistet
eine Ablenkelektrode 73 die Pulsmodulation des ausfallenden
Elektronenstroms 8.
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Alternativ
dazu kann als Elektronenquelle 5 eine Feldemissionskathode
mit Mikrospitzen verwendet werden, die ein leitfähiges Substrat enthält, auf dem
leitfähige
Mikrospitzen ausgeführt
sind, die in die Hohlräume
einer Isolierschicht eingesetzt werden, die sich zwischen dem Substrat
und einem positiv polarisierten Gitter befindet. Eine derartige
Feldemissionskathode mit Mikrospitzen gewährleistet die eigenständige Modulierung
des ausgehenden Elektronenstroms, ohne dass eine Ablenkelektrode 73 erforderlich
wäre.
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Vor
den Aufbereitungselektroden für
den Elektronenstrom 7 werden gemäß der Erfindung eine oder mehrere
Mikrokanalplatten in den Elektronenstrom 8 zwischengeschaltet.
In der in 1 dargestellten Ausführungsvariante
werden eine erste Mikrokanalplatte 9 und eine zweite Mikrokanalplatte 10 verwendet,
die durch eine zwischengeschaltete Elektrode 11 voneinander
getrennt sind. Ausgehend von einem primären impulsförmigen Elektronenbündel 8, das
relativ wenig Elektronen enthält,
erzeugen die Mikrokanalplatten 9 und 10 ein sekundäres impulsförmiges Elektronenbündel, das
wesentlich mehr Elektronen enthält,
und gewährleisten
damit einen Verstärkungsfaktor
von 100 bis zu mehreren Tausend.
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In
der Praxis kann das primäre
Elektronenbündel
elektrischem Strom in einer Größenordnung von
1 bis 10 μA
entsprechen und das sekundäre Elektronenbündel kann
mehrere Milliampere betragen, je nach dem Verstärkungsfaktor der Mikrokanalplatten 9 und 10.
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Das
primäre 8 und
sekundäre
Elektronenbündel 12 können beispielsweise
eine Impulsform annehmen, deren Dauer in der Größenordnung von einer Nanosekunde
liegt.
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Aufbau
und Funktionsprinzip der Mikrokanalplatten werden in Bezug auf die 2 und 3 erläutert. Wie
aus 2 ersichtlich ist, ist eine Mikrokanalplatte 9 ein
im Wesentlichen flaches Bauteil mit der Stärke E in einer Größenordnung
von 0,5 mm, das aus einer sehr großen Anzahl seitlich nebeneinander
liegender Glas-Kapillarröhrchen
mit äußerst geringem
Durchmesser besteht, wie beispielsweise den Röhrchen 13, die an
den senkrechten Achsen der Gesamtübersicht der Platte 9 ausgerichtet
sind. Die Kapillarröhrchen
können
einen Durchmesser e von etwa 12 Mikrometer aufweisen, sie sind an
beiden Enden auf den Hauptseiten der Platte 9 offen. Die
Hauptseiten der Platte 9 sind mit Metall bedampft und bilden,
wie in 3 dargestellt, eine Eingangselektrode 14 und
eine Ausgangselektrode 15, die eine Potenzialdifferenz
VD aufweisen. Das Potenzial der Ausgangselektrode 15 ist
höher als
das Potenzial der Eingangselektrode 14. Die Innenfläche des
Kapillarröhrchens 13 ist
behandelt, damit sie einen entsprechenden Widerstand aufweist, und
bildet einen unabhängigen
Vervielfacher von sekundären
Ionen. Wenn ein Elektron des primären Elektronenbündels 8 in
das Röhrchen 13 eindringt,
kann es an die Innenfläche
des Röhrchens 13 stoßen und
ein oder mehrere andere Elektronen herauslösen, die durch das elektrische
Feld beschleunigt werden, das zwischen der Eingangselektrode 14 und
der Ausgangselektrode 15 herrscht. Die auf diese Weise
herausgelösten Elektronen
schlagen wiederum an die gegenüberliegende
Fläche
des Röhrchens 13 und
lösen weitere Elektronen
heraus, die wiederum beschleunigt werden, auf diese Weise erfolgt
die allmähliche
Vervielfachung der in Bewegung befindlichen Elektronen, wodurch
ein sekundäres
Elektronenbündel 12 mit wesentlich
mehr Elektronen erzeugt wird.
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Wiederum
unter Bezug auf 1 breitet sich das sekundäre Elektronenbündel 12 bis
zu einem Ionisierungsbereich 16 innerhalb der Ionenkanone 2 aus.
In diesem Ionisierungsbereich 16 stoßen die Elektronen an die Atome
der zu analysierenden Gasprobe und verwandeln diese in Ionen. Der Gas-Ionisierungsbereich 16 befindet
sich zwischen einer vorgeschalteten Repulsionselektrode 17,
die von dem sekundären
Elektronenbündel 12 durchquert
wird und die die Elektronen durch Abstoßen der Ionen zurückhält, und
einer nachgeschalteten Beschleunigungselektrode 18, die
die Ionen anzieht.
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Der
auf diese Weise erzeugte Innenstrom 19 wird an den Eingang 20 der
Flugröhre 3 gesandt, durchquert
anschließend
die Flugröhre 3 der
Länge nach,
tritt aus ihrem Ausgang 21 aus und dringt in den Ionendetektor 4 ein.
Wie in 1 dargestellt, ist die Ionenquelle in einer Linie
mit dem Eingang der Flugröhre 3 des
Flugzeitmassenspektrometers angeordnet.
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Der
Ionendetektor 4 kann die Mikrokanalplatten 22 und 23 enthalten,
die einen vervielfältigten Elektronenstrom
erzeugen, der auf eine Zielelektrode 24 trifft. Die Messung
erfolgt anhand der Erfassung der elektrischen Impulse, die von der
Zielelektrode 24 aufgefangen werden.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsvariante ist vor dem
Bereich, in dem sich die Mikrokanalplatte(n) 9 und 10 der
Elektronenkanone befinden, außerdem
mindestens eine zusätzliche
Elektrode 25 vorgesehen, die in der Lage ist, das sekundäre Elektronenbündel 12 so
zu streuen, dass seine zeitlichen Eigenschaften aufrechterhalten
und seine räumlichen
Eigenschaften gleichzeitig verbessert werden. Auf diese Weise kann
die Ionisierung im Ionisierungsbereich 16 erhöht werden.
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Der
Ionisierungsbereich 16 sollte vorzugsweise in unmittelbarer
Nähe der
Mikrokanalplatte 10 angeordnet werden, so dass nur ein
sehr geringer Abstand besteht, der beispielsweise bei etwa 1 bis
2 mm liegt.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die explizit beschriebenen Ausführungsvarianten
beschränkt,
sondern sie beinhaltet außerdem
die verschiedenen Varianten und Erläuterungen, auf die sich die
Ansprüche
beziehen.