DE7121967U

DE7121967U - Vorrichtung zur messung der intensitaet eines ionenstrahl

Info

Publication number: DE7121967U
Application number: DE19717121967U
Authority: DE
Original assignee: UKEA
Current assignee: UKEA
Priority date: 1970-06-09
Filing date: 1971-06-05
Publication date: 1971-11-18
Also published as: US3774028A; DE2128132A1

Description

UNITED KINGDOM ATOMIC ENERG-Y AUTHORITY, 11, Charles II Street,

London, S.W.1, England

Für diese Anmeldung wird die Priorität der britischen Anmeldungen Nr. 28001/70 vom 9- Juni 1970 und Nr. 56 327/70 vom 26. Nov. 1970

iii Aiiaprucii genommen.

Vorrichtung zur Messung der Intensität eines Ionenstrahls

Bei einer bekannten Vorrichtung zur Messung von Energieselektiven Ionen, die hauptsächlich für die Verwendung bei Massenspektrometern bestimmt ist, gelangen die Ionen durch eine ausgesparte Elektrode br.w. Lochelektrode zu einer Elektrode, an die eine variable Bremsspannung angelegt wird. Der zentrale Teil der letzteren Elektrode wird durch einen Szintillator eingenommen, jenseits dessen ein Fotoelektronen-Vervielfacher /photo-

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multiplier/ angeordnet ist. Wenn die Bremsspannung die Spannung der Ionen-Lioferquelle - reicht oder übersteigt, werden alle

elektronen zu erzeugen, welche nach dem Szintillator hin beschleunigt werden, um einen Ausgang /output/ zu erzeugen. Wenn die Bremsspannung niedriger als die Spannung der Lieferquelle ist, werden lediglich Ionen von geringerer Energie, nämlich metastabile Fragmentionen, auf diese Weise zurückgeworfen.

Bei der vorliegenden Neuerung wird die vorerwähnte ausge-C sparte Elektrode, anstatt geerdet zu werden oder erdnahe zu sein, bei einer hohen Spannung mit einem zu dem Vorzeichen der Bremsspannung entgegengesetzten Vorzeichen gehalten, was die Empfindlichkeit erhöht. Im Bedarfsfall wird ein Transversalfeld durch einen as^nnmetrischen Vorsprung der ausgesparten Elektrode erzeugt, um zu verhindern, daß Ionen durch die Aussparung zurückgeworfen werden, wodurch die Empfindlichkeit weiter erhöht wird.

Background der Neuerung

Die Neuerung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Intensität eines Ionenstrahls, die sich für die Verwendung bei Massenspektrometern eignet und eine erste ausgesparte Elek- * trode zum Zulassen oder Durchlassen des Ionenstrahls aufweist, ferner eine erste Bremselektrode, die jenseits der ersten ausgesparten Elektrode angeordnet ist, um ein elektrisches Bremsfeld an die Ionen zu übermitteln, die durch die Aussparung hindurchgelangen, ferner einen Detektor zum Ermitteln bzw. Messen der Sekundarelektronen, die von der ersten ausgesparten Elektrode

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	•	■ ·	ι · t	•	• j	der	le	ersten ausgespar-
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		I r		die
ausgesendet	werden		— 3 —	nach
		durch	Ionen,

ten -elektrode durch dasFeid zurückgeworfen werden, sowie eine Verbindung für das Anlegen eines variablen Potentials an die genannte erste Bremselektrode. Der Detektor ist vorzugsweise ein Szintillations-Detektor, der mittig in der Bremselektrode angeordnet ist.

Wenn die Bremselektrodenspannung die Lieferquellen-Beschleunigungsspannung erreicht oder überschreitet, werden alle Ionen zurückgeworfen zu der ausgesparten Elektrode, wo die Sekundärelektronen erzeugt werden, welche nach dem Szintillator hin beschleunigt werden, und es wird ein Ausgang von einem Fotoelektronen-Vervielfältiger /photomultiplier/ erhalten, der jenseits der Bremselektrode angeordnet ist= Wenn die Spannung der Brems elektrode unterhalb der Jaeferov llen-Beschleunigungsspan-· nung liegt, werden lediglich Ionen iru t geringerer Energie, nämlich solche, wie sie sich von metastabilen Fragmentierungen ergeben, auf diese Weise zurückgeworfen, um Sekundärelektronen zu erzeugen. Die Vorrichtung bietet somit eine Anwendungsmöglichkeit zur Bestimmung metastabiler Ionenspektren.

Eine zweite ausgesparte Bremselektrode kann der vorstehend beschriebenen Anordnung vorgeordnet werden, welcher eine geringere Spannung zugeführt wird, wobei auf diese Weise sowohl eine untere als auch eine obere Grenze für die ermittelte Ionenenergie gesetzt wird und der Vorrichtung eine allgemeinere Anwendbarkeit als einem Energiebereichsaelektor /energy range selector/ gegeben wird.

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine abgeänderte Anordnung mit erhöhter Empfindlichkeit.

Zusammenfassung der

Gemäß der Erfindung ist die ausgesparte Elektrode, die der ersten Bremselektrode vorgeschaltet ist und bei welcher die Sekundärelektronen durch zurückgeworfene Ionen erzeugt werden, mit einer Verbindung versehen, wodurch sie auf einem hohen Potential relativ zu der ausgesparten Eingangselektrode der Mrßvorrichtung (z.B. der Auflösungsschlitz /resolving slit/ ^ eines Massenspektrometer) gehalten werden kann, wobei das hohe Potential eine Polarität aufweist, die entgegengesetzt zu dem Potential ist, das an der ersten Bremselektrode angelegt wird.

Die Wirkung besteht erstens in einer Erhöhung der Energie der zurückgeworfenen Ionen, welche auf die ausgesparte Elektrode auftreffen, wodurch der Sekundärelektronen-Koeffizient erhöht wird. Zweitens prallen die ausgestoßenen Elektronen mit erhöhter Energie auf den Szintillator auf, wodurch die Lichtausbeute /light output/ gesteigert wird.

DDr ausgesparten Elektrode, bei welcher die Elektronen erzeugt werden, kann eine weitere ausgesparte Elektrode vorgeordnet sein und sie kann auf einem Potential gehalten v/erden, welches geringfügig negativ relativ zu demjenigen der zweitgenannten Elektrode ist. Bei einer derartigen Vorrichtung wird das erhöhte Potential wirksam zwischen der Bremselektrode und der weiteren ausgesparten Elektrode erzeugt (welche mit einer Gitteröffnung versehen sein kann, um die Gleichförmigkeit und Homogenität des elektrischen Feldes zu verbessern), wobei die Elektrode, bei welcher die Elektronen erzeugt werden, außerdem dazu dient, irgendwelche Elektronen zu unterdrücken, die bei der weiteren Elektrode durch den auftreffenden Strahl erzeugt werden.

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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch zwischen der Bren-5elektrode und der ausgesparten Elektrode, "bei welcher die Sekundärelektronen erzeugt worden, eine elektrische Feldkomponente vorgesehen sein, deren Richtung quer zur Achse der Aussparung verläuft, wobei die Ionenbahnen zwischen den beiden Elektroden von der Achse der Aussparung v/eggeschoben werden und die Tendenz, daß die Ionen durch die Aussparung bzw. das Loch zurückgeworfen werden, dadurch verringert wird.

Die transversal gerichtete Feldkomponente kann durch einen asymmetrisch angeordneten, vorspringenden Teil der ausgesparten ^ Elektrode erzeugt werden, der sich in Richtung auf die Bremselektrode erstreckt und zum Beispiel ein teilzylindrischer, z.B. ein halbzylindrischer Teil ist, dessen Achse parallel zu dem Schlitz verläuft, der die Aussparung bzw. das Loch bildet. Der vorspringende Teil erstreckt sich vorzugsweise über die Enden des genannten Schlitzes hinaus, um ein merklich gleichförmiges, transversales Feld in dem Schlitzbereich zu bilden.

Beim Fehlen einer derartigen transversalen Feldkomponente besteht die Gefahr für eine Zertrümmerung /fraction/ der Ionen, die von der Bremselektrode zurückgeworfen werden, um durch die

Aussparung in die vorgeschaltete Elektrode zurückzugelangen, (~ anstatt auf dieselbe aufzuschlagen., um Sekundäreläctronen zu erzeugen. Es ist klar ersichtlich, daß die transversale Feldkomponente auf diese Weise die Ionenverluste durch die Öffnung bzw. Aussparung reduziert, unabhängig davon, ob die ausgesparte Elektrode auf dem vorerwähnten hohen Potential gehalten wird oder nicht gehalten wi.rd.

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Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt

Fig„ 1 eine vereinfachte Darstellung eines Massenspektrometer mit einer Ausführungsform der Erfindung, während

x⁷ig. 2 eine ähnliche Darstellung einer xveiteren Aus führungs form der Erfindung veranschaulicht.

Beschreibung der Erfindung

Das Massenspektrometer gemäß Fig. 1 weist eine herkömmliche Ionenquelle 1 auf, die auf einem hohen positiven Potential V,, in dem vorliegenden Beispiel + 8 kV, gehalten wird. Di^ gasförmige Probe bzw. Gasprobe wird durch einen Elektronenstrahl 2 ionisiert. Positive Ionen werden in Richtung auf den geerdeten Schlitz 3 beschleunigt, von welchem ein Strahl 4- durch einen magnetischen Sektor 5 verläuft. Der Strahl, der den Sektor 5 verläßt, führt durch einen Schlitz in eine geerdete Elektrode 6, welche den Auflösungsschlitz des Spektromoters bei dieser Ausführungsform bildet. Danach gelangt der Strahl durch die Gitteröffnung einer Elektrode 7, die auf - 5 kV gehalten wird, und gelangt dann durch die Aussparung bzw. Öffnung einer Elektrode 8, die auf - 5,2 kV gehalten wird, in Richtung auf eine Bremselektrode 9· Das Potential der Elektrode 9 ist variabel über und unter + 8 kV.

Der zentrale Teil der Elektrode 9 wird durch einen Szintillator 10 eingenommen, dessen Oberfläche der Elektrode 8 zugewandt ist, die mit einer dünnen Aluminiumschicht versehen ist. Jenseits der Elektrode 9 befindet sich ein Fenster 11, gegen das die Fotokathode 12 einer Fotoelektronen-Vervielfältigerröhre /photomultiplier tube/ montiert ist.

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Die Wirkungsweise der vorliegenden Vorrichtung ist folgende:

Wenn die Elektrode 9 beispielsweise auf + 7,9 kV gehalten wird, werden lediglich Ιοηε . einer Energie von weniger als 7,9 keV, z.B. metastabile Fragmentionen, zu der Elektrode 8 zurückgeworfen, um dort Sekundärelektronen zu erzeugen, die in Richtung auf den Szintillator 10 beschleunigt werden und einen Ausgang /output/ erzeugen. Wenn die Elektrode 9 beispielsweise auf +8,1 kV gehalten wird, werden alle Ionen in dem Strahl au der Elektrode 8 zurückgeworfen, und der Ausgang des Fotoelektronen-Vervielfältigers /photomultiplier/ stellt den gesamten Strahlengehalt dar.

Das wesentliche Merkmal der vorliegenden Neuerung besteht darin, daß anstatt daß die Elektrode, bei v/elcher die Elektronen erzeugt werden, das gleiche (Erd-)Potential wie die Elektrode 6 aufweist, die Elektrode 8 auf einem hohen negativen Potential gehalten wird; bei diesem Beispiel - 5,2 kV, um die Potentialdifferenz zwischen der Sekundärelektronen erzeugenden Elektrode 8 und der Bremsclektrode 9 zu vergrößern. V/ie der Zeichnung zu entnehmen ist, kann der Elektrode 8 eine Elektrode 7 vorgeschaltet sein,und sie kann leicht negativ zu dieser, z.B. 200 V, gehalten, werden. Die erhöhte Fotentialdifferenz beträgt dann effektiv 13 kV, die zwischen den Elektroden 7 und 9 erzeugt wi""d, und die Aussparung in der erstercn Elektrode kann ein Gitter aufweisen, um die Gleichförmigkeit und Homogenität des elektrischen Feldes zu verbessern. Die Elektrode 8 dient dann nicht nur dazu, um Sokundärelektroncn zu erzeugen, sondern außerdem dazu, um irgendwelche Sekundärelcktronen zu unterdrücken, die durch den auffallenden Strahl ¹V erzeugt werden, der auf die Elektrode 7 auftrifft.

Es kann gezeigt werden, daß als eine Annäherung S = K.V ist,

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wobei S de^ oekundr.relektronen-Kcef fizient an der Elektrode 6 und V die Energie der auf diese Elektrode auftreffenden Ionen bedeuten.

Außerdem ist näherungsweise
L =-- V.S,

wobei L die Lichtausbeute /light output/ des Szintillator 10 darstellt und "V die Energie der auf den Szintillator auftreffenden Elektronen bedeutet.

Hieraus ergibt sich, daß L = K . V ist.

Da V proportional der Potentialdifferenz awischen den Elektroden 9 und 7/'8 ist, wird die Lichtausbeute /light output/ durch das Anheben der Elektroden 7/8 auf ein hohes negatives Potential anstatt auf das Erdpotential entsprechend vergrößert. Dadurch ist ein Anwachsen der Empfindlichkeit um einen Faktor 4 erzielt worden. Das hohe Potential, das an die Elektroden 7 und angelegt wird, ist nicht kritisch, und es kann schnell ein geeigneter Wert durch "Versuche e^iittelt werden.

Es kann eine ausgesparte Bremselektrode, die auf weniger als + 8 kV gehalten wird, zwischen den Elektroden 6 und 7 vorgesehen sein, um der Energie der ermittelten bzw. gemessenen Ionen eine niedrigere Grenze zu setzen.

Eine weitere ausgesparte Elektrode bzw. Lochelektrode, die mit einem positiven Potential verbunden ist, daa niedriger als das der Elektrode 9 ist, kann zwischen der Elektrode 8¹ und der Elektrode 16 angeordnet sein, um eine niedrigere Grenze der ermittelten bzw. gemessenen Ionenenergie zu setzen,

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Geeignete Abmessungen in dor Ausführungsform gemäß
Fig. 2 sind folgende:

Trennung zwischen don Elektroden cV und 9: $6,1 mm (ί,5 inch) Höhe des Teiles 17: 2,54 mm (0,1 inch)

Durchmesser des Teiles 17: 5,08 mm (0,2 inch)

Entfernung der Achse des Teiles 17

von der Achse der Elektrode 8: 12,7 mm (0,5 inch)

Breite des Schlitzes in der Elektrode 8': 2,54 nun (0,1 inch) Länge des Schlitzes in der Elektrode 8¹: 10,16 mm (0,4 inch) Länge des Teiles 17: 25,4 mm (1,0 inch)

Es kann festgestellt werden, daß, wenn des negative Potential, das an die Elektroden 8 (Fig. 1) oder 8' (Fig. 2) angelegt wird, beispielsweise auf -200 V reduziert, wird, keine
Vergrößerung der Empfindlichkeit erreicht vvird, aber das Patential wirkt dahingehend, daß es irgendwelche Elektronen, die
durch auf die Elektroden 6 oder 16 aufschlagende Ionen ausgesendet werden, unterdrückt. Im Bedarfsfall kann somit dieses
Potential als Kontrolle für die Empfindlichkeit verwendet worden.

Die Neuerung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Schutzanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Neuerungsmerkmale, die im
einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung oder Zeichnung offenbart sind.

Schut zansnrüche

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Claims

71_O56 Pü/Sch Schutzansprüche

1. Vorrichtung zur Messung der Intensität eines Ionenstrahls mit einer ersten ausgesparten Elektrode, durch -.-/eiche der Ionenstrahl eintritt, einer ersten Bremselektrode, die jenseits der ersten ausgesparten Elektrode angeordnet ist und ein elektrisches Bremsfeld für die durch die Aussparung hindurchgelangenden Ionen liefert, mit einem Detektor zum Ermitteln von Sekundärelektronen, die von der ersten ausgesparten Elektrode durch Ionen ausgesandt v/erden, welche nach der ersten ausgesparten Elektrode durch das Bremsfeld zurückgeworfen werden, sowie mit einem Anschluß zum Übermitteln eines variablen Potentials nach der ersten Bremselektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die erste ausgesparte Elektrode, die jene Elektrode ist, die der ersten Bremselektrode vorgeordnet-ist und bei welcher dir- Sekundarelektronen durch zurückgeworfene Ionen erzeugt werden., mit einer Verbindung versehen ist, wodurch sie auf einem Potential gehalten v/erden kann, das hoch relativ zu dem Potential der ausgesparten Eingangselektrode /input electrode/ der Meßvorrichtung ist und das eine entgegengesetzte Polarität zu dem Potential aufweist, das an die erste Bremselektrode angelegt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der ersten ausgesparten Elektrode eine weitere ausgesparte Elektrode vorgeordnet ist, die auf einem Potential gehalten werden kann, das gering unterhalb dem Potential der ersten ausgesparten Elektrode liegt=

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3» Vorrichtung nach. ^ines dor Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durcL zwischen der ersten Brems elektrode und der ersten ausgesparten Elektrode angeordnete Einrichtungen zur Erzeugung einer elektrischen Fc-ldkomponcnte, deren Richtung transversal zu der Achse der Aussparung verläuft, wodurch die Ionenbahnen zwischen den beiden Elektroden von der Achse der Aussparung wegverschoben werden und die Tendenz, daß die Ionen durch die Aussparung zurückgeworfen werden, dadurch verringert wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste ausgesparte Elektrode einen asymmetrisch angeordneten, vorspringenden Teil aufweist, der sich in Richtung zu der ersten Bremselektrode erstreckt, um die Feldkomponente zu erzeugen»

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der asymmetrische Teil einen teilzylindrischen Teil umfaßt., dessen Achse im wesentlichen parallel zu einem Schlitz verläuft, der die Aussparung bildet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vorspringende Teil sich über die Enden des Schlitzes hinaus erstreckt, um ein merklich gleichförmiges und homogenes, transversales Feld in dem Schlitzbereich zu erzeugen.

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