EP0000865A1 - Ion source comprising an ionisation chamber for chemical ionisation - Google Patents

Ion source comprising an ionisation chamber for chemical ionisation Download PDF

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EP0000865A1
EP0000865A1 EP78100259A EP78100259A EP0000865A1 EP 0000865 A1 EP0000865 A1 EP 0000865A1 EP 78100259 A EP78100259 A EP 78100259A EP 78100259 A EP78100259 A EP 78100259A EP 0000865 A1 EP0000865 A1 EP 0000865A1
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EP
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ionization
chamber
inlet opening
chamber according
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Dr Franzen Analysentechnik GmbH and Co KG
Bruken Franzen Analytik GmbH
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/10—Ion sources; Ion guns
    • H01J49/14—Ion sources; Ion guns using particle bombardment, e.g. ionisation chambers
    • H01J49/145—Ion sources; Ion guns using particle bombardment, e.g. ionisation chambers using chemical ionisation

Definitions

  • the invention relates to an ionization chamber for the chemical ionization of substance vapors by ion-molecule reactions using ionizing primary particles and a reactant gas, with at least one inlet opening for supplying the reactants and at least one outlet opening for the reaction products formed in the chamber.
  • the ionization of atoms or molecules, especially organic substances, by ion-molecule reaction, also called chemical ionization, has the advantage less than the usual ionization by electron impact Fragmentation of the investigated substances and, in principle, enables a higher sensitivity, which, however, is not yet achieved in practice with ionization chambers of a conventional design.
  • Chemical ionization usually takes place in an ionization chamber between the ions of a reactant gas and the molecules of the substance to be examined at pressures of 0.1 to 2 mbar, in particular in the range of 0.5 to 1 mbar.
  • the pressure is generated essentially by the reactant gas while having mbar to substance under investigation with their vapors or its gas only a partial pressure of 10 -6 to 10-2.
  • the reactant gas and the gas or vapor of the substance to be investigated are either mixed or generally introduced individually into the ionization chamber through special openings.
  • the reactant gas must have an ionization energy whose level is higher than the ionization energy of the desired productions of the substance to be investigated; Common reactant gases are isobutane, methane, water vapor or ammonia.
  • the reactant gas is usually partially ionized by a primary ionization process, in that electrons generated by a hot cathode enter the ionization chamber through a focussing aperture and react there with the reactant gas.
  • the resulting reactant gas ions then react - partly via intermediate processes with the participation of further reactant gas molecules - with the molecules of the substance to be investigated, the reactions taking place quickly and with a high yield because of the extraordinarily large reaction cross sections. Because recombinations of the emerging product ions are only possible in triple bursts due to the selected energy levels, the productions remain ionized for a long time, ie up to a time of several minutes.
  • the yield of the ionized molecules of the substance to be examined relates to 50 to 100% if the conditions for carrying them out are selected appropriately.
  • the electrons for the primary ionization process of the reactant gas are injected into the ionization chamber with an energy of a few hundred electron volts, generally 100-500 eV.
  • the simultaneous direct ionization of molecules of the substance to be investigated that occurs is negligible.
  • the primary ionization can also be achieved by chemical ionization with suitably introduced ions, for example noble gas, H 2 , N 2 or O 2 ions, as described by B. Högger and P. Bommer in Int. J. Mass Spectrom. Ion. Phys. 13, 35 (1974) and by DF Hunt, CN McEwen and TM Harvey in Anal. Chem. 47, 1730 (1975).
  • ions for example noble gas, H 2 , N 2 or O 2 ions
  • the ions of the substance to be investigated emerge together with all other ions and neutral particles from a small outlet opening into the surrounding vacuum of a mass spectrometer and are fed to the analysis volume by suitable electrostatic acceleration and focusing fields.
  • this outlet opening are particularly critical since, on the one hand, a small channel-like opening causes too many wall impacts of the ions, as a result of which the ions are discharged and the ion yield is therefore reduced to a fraction; on the other hand, a large, hole-like outlet makes it difficult to maintain the pressure in the ionization chamber and therefore requires an excessively large pumping power on the mass spectrometer. Therefore, the yield practically achieved is commercially available ion sources for chemical ionization generally below 10 -3 ion p ro substance molecule.
  • the present invention has for its object to improve the known ionization chambers for chemical ionization of the type described above while avoiding their disadvantages and in particular to create an ionization chamber which gives an increased yield of ions of the substance to be examined at low chamber pressures.
  • this object is achieved in an ionization chamber of the generic type in that the ionization chamber is elongated; and that the inlet opening for the ionizing primary particles on the one hand and the outlet opening for the reaction products on the other hand are provided in mutually aligned end walls of the ionization chamber.
  • the ionization chamber is thus given an elongated, in particular elongated, cylindrical shape, at one end of which the reaction partners enter in particular through different inlet openings and at the other end of which the reaction products formed flow out through a common, central opening.
  • the ionizing primary particles also enter through a central opening at the entrance end of the elongated ionization chamber so that the ionization reactions take place along the longitudinal axis of the ionization chamber.
  • Another advantage of the ionization chamber according to the invention is that the mixing of the reactants and the primary ions is facilitated by the geometrical shape of the ionization chamber and by the pressure reduction which is brought about.
  • a longitudinal magnetic field is present along the ionization chamber.
  • the magnetic field is generated by a permanent magnet, and it can further be provided that the permanent magnet consists of a number of individual ring magnets surrounding the elongated ionization chamber.
  • a magnetic coil can also be arranged around the ionization chamber.
  • Preferred embodiments of the invention are alternatively distinguished by the fact that in the interior of the ionization chamber there is an electrical multipole composed of at least four radially symmetrically arranged, insulated, elongated pole rods to which symmetrical or asymmetrical high-frequency alternating voltages are applied in pairs or that the wall of the ionization chamber is designed as a multipole tube with electrodes, to which symmetrical or asymmetrical high-frequency alternating voltages are applied in pairs.
  • These embodiments can preferably be designed in such a way that the pole rods or the pole faces of the metal electrodes run parallel to the axis of symmetry of the ionization chamber or that the pole rods or the pole faces of the metal electrodes are arranged conically to the axis of symmetry of the ionization chamber. As a result, the particles are kept in a corresponding manner near the axis.
  • Another embodiment of the invention provides that a potential gradient is provided in the longitudinal axis of the ionization chamber.
  • the generated electrostatic potential drop causes the desired ions to drift in the direction of the outlet opening.
  • This generation of the potential gradient by a charged pusher diaphragm or by applying a voltage to isolated end faces of the chamber represents a further element essential to the invention.
  • a diaphragm arrangement associated with the outlet opening and generating an electrostatic lens field which engages symmetrically to the longitudinal axis of the ionization chamber can also be provided.
  • the diaphragm arrangement effects a focussing extraction of the ions from the ionization chamber, it being particularly advantageous that the substance ions are thereby located at one point of the Ionization chamber are detected, in which the longitudinal magnetic field does not yet have any disturbing edge effects.
  • the chamber is preceded by a gas discharge chamber in which the ionizing primary particles are generated.
  • the ionization chamber according to the invention thus differs from the known ionization chambers in particular in that the ionizing primary particles are injected there perpendicular to the outflow direction, while according to the invention the ionizing primary particles are in flight be injected into the outflow opening or in that the known ionization chambers, because of their brevity, require a pressure of at least 0.1 mbar to achieve a high ion yield.
  • a gas discharge chamber 3 is connected upstream of an actual ionization chamber 1. At the end of the gas discharge chamber 3 opposite the ionization chamber 1, an electrode 5 is attached within the gas discharge chamber 3.
  • the gas discharge chamber 3 has two openings. An inlet opening 7 is located to the side of the electrode 5.
  • the outlet opening of the gas discharge chamber 3 is arranged opposite the electrode 5 and leads into the ionization chamber 1 as an inlet opening 9.
  • the inlet opening 9 leading from the gas discharge chamber 3 into the ionization chamber 1 is located in a narrow end wall of the long ionization chamber 1. At the same end, another inlet opening 11 leads laterally into the ionization chamber 1. At the head end of the ionization chamber 1 opposite the inlet opening 9 there is an outlet opening 13 of the ionization chamber 1.
  • a cylindrical magnet coil 15 Arranged around the cylindrical ionization chamber 1 is a cylindrical magnet coil 15 which generates an axial magnetic field in the ionization chamber 1.
  • a focusing and acceleration system 17 in the form of electrical lenses provided with pinholes.
  • FIGS. 2 and 3 has a similar structure as the embodiment of the ionization chamber 1 of FIG. 1; only the ionization chamber 1 is located in a quadrupole tube 22, which is formed by a cylindrical tube with tube recesses 24, on which metal electrodes 26, for example in the form of thin foils, are applied.
  • Primary gas flows into the gas discharge chamber 3 through the inlet opening 7 of the gas discharge chamber 3 and is at least partially ionized there by the electrode 5.
  • the partially ionized primary gas flows through the axial opening 9 from the gas discharge chamber 3 into the longitudinally extending ionization chamber 1.
  • a mixture of reactant and substance gas enters through the inlet opening 11.
  • the reactant gas is then ionized in a primary ionization by the primary particles and in turn ionizes the substance gas.
  • the magnet 15 creates an axial magnetic field in the ionization chamber 1, whereby the ionized particles are held together.
  • reaction products finally exit the ionization chamber through the outlet opening 13 and are directed and accelerated by the focusing and acceleration system 17 onto the inlet opening 19 of the mass spectrometer.

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Abstract

Ionisationskammer zur chemischen Ionisierung von Substanzdämpfen durch Ion-Molekül-Reaktion unter Verwendung ionisierender Primärteilchen und eines Reaktantgases, mit mindestens einer Eintrittsöffnung zur Zuführung der Reaktionspartner und mindestens einer Austrittsöffnung für die in der Kammer gebildeten Reaktionsprodukte. Wie in Fig. 2 dargestellt, ist die Ionisationskammer (1) langgestreckt ausgebildet. Die Eintrittsöffnung (9) für die ionisierenden Primärteilchen einerseits und die Austrittsöffnung (13) für die Reaktionsprodukte anderseits sind miteinander fluchtend in einander gegenüberliegenden Endwandungen der Ionisationskammer (1) vorgesehen.Ionization chamber for the chemical ionization of substance vapors by ion-molecule reaction using ionizing primary particles and a reactant gas, with at least one inlet opening for supplying the reactants and at least one outlet opening for the reaction products formed in the chamber. As shown in Fig. 2, the ionization chamber (1) is elongated. The inlet opening (9) for the ionizing primary particles on the one hand and the outlet opening (13) for the reaction products on the other hand are provided in mutually aligned end walls of the ionization chamber (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionisationskammer zur chemischen Ionisierung von Substanzdämpfen durch Ion-Molekül-Reaktionen unter Verwendung ionisierender Primärteilchen und eines Reaktantgases, mit mindestens einer Eintrittsöffnung zur Zuführung der Reaktionspartner und mindestens einer Austrittsöffnung für die in der Kammer gebildeten Reaktionsprodukte.The invention relates to an ionization chamber for the chemical ionization of substance vapors by ion-molecule reactions using ionizing primary particles and a reactant gas, with at least one inlet opening for supplying the reactants and at least one outlet opening for the reaction products formed in the chamber.

Die Ionisierung von Atomen oder Molekülen, insbesondere organischer Substanzen, durch Ion-Molekül-Reaktion, auch chemische Ionisierung genannt, hat gegenüber der üblichen Ionisierung durch Elektronenstoß den Vorteil geringer Fragmentierung der untersuchten Substanzen und ermöglicht weiterhin eine prinzipiell höhere Empfindlichkeit, die jedoch in der Praxis bei Ionisationskammern üblicher Bauart noch nicht erreicht wird.The ionization of atoms or molecules, especially organic substances, by ion-molecule reaction, also called chemical ionization, has the advantage less than the usual ionization by electron impact Fragmentation of the investigated substances and, in principle, enables a higher sensitivity, which, however, is not yet achieved in practice with ionization chambers of a conventional design.

Die chemische Ionisierung findet üblicherweise in einer Ionisationskammer zwischen den Ionen eines Reaktantgases und den Molekülen der zu untersuchenden Substanz bei Drücken von 0,1 bis 2 mbar, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 1 mbar, statt. Der Druck wird im wesentlichen durch das Reaktantgas erzeugt, während die zu untersuchende Substanz mit ihren Dämpfen bzw. ihrem Gas lediglich einen Partialdruck von 10-6 bis 10-2 mbar besitzt. Das Reaktantgas und das Gas oder der Dampf der zu untersuchenden Substanz werden entweder gemischt oder im allgemeinen einzelr durch spezielle öffnungen in die Ionisationskammer eingeleitet. Das Reaktantgas muß dabei eine Ionisierungsenergie besitzen, deren Niveau höher liegt als die Ionisierungsenergie der gewünschten Produktionen der zu untersuchenden Substanz; übliche Reaktantgase sind Isobutan, Methan, Wasserdampf oder Ammoniak.Chemical ionization usually takes place in an ionization chamber between the ions of a reactant gas and the molecules of the substance to be examined at pressures of 0.1 to 2 mbar, in particular in the range of 0.5 to 1 mbar. The pressure is generated essentially by the reactant gas while having mbar to substance under investigation with their vapors or its gas only a partial pressure of 10 -6 to 10-2. The reactant gas and the gas or vapor of the substance to be investigated are either mixed or generally introduced individually into the ionization chamber through special openings. The reactant gas must have an ionization energy whose level is higher than the ionization energy of the desired productions of the substance to be investigated; Common reactant gases are isobutane, methane, water vapor or ammonia.

Das Reaktantgas wird üblicherweise durch einen primären Ionisierungsprozeß teilweise ionisiert, indem von einer Glühkathode erzeugte Elektronen über eine Fokussierungsblende durch eine Eintrittsöffnung in die Ionisationskammer eintreten und dort mit dem Reaktantgas reagieren. Die entstehenden Reaktantgasionen reagieren dann - teilweise über Zwischenprozesse unter Teilnahme weiterer Reaktantgasmoleküle - mit den Molekülen der zu untersuchenden Substanz, wobei die Reaktionen wegen der außerordentlich hohen Reaktionsquerschnitte schnell und mit hoher Ausbeute verlaufen. Da Rekombinationen der entstehenden Produktionen wegen der gewählten Energieniveausnur im Dreierstoß möglich sind, bleiben die Produktionen lange ionisiert, d.h. bis zu einer Zeit von mehreren Minuten. Die Ausbeute der ionisierten Moleküle der zu untersuchenden Substanz betrifft bei geeigneter Wahl der Durchführungsbedingungen 50 bis 100%.The reactant gas is usually partially ionized by a primary ionization process, in that electrons generated by a hot cathode enter the ionization chamber through a focussing aperture and react there with the reactant gas. The resulting reactant gas ions then react - partly via intermediate processes with the participation of further reactant gas molecules - with the molecules of the substance to be investigated, the reactions taking place quickly and with a high yield because of the extraordinarily large reaction cross sections. Because recombinations of the emerging product ions are only possible in triple bursts due to the selected energy levels, the productions remain ionized for a long time, ie up to a time of several minutes. The yield of the ionized molecules of the substance to be examined relates to 50 to 100% if the conditions for carrying them out are selected appropriately.

Die Elektronen für den primären Ionisierungsprozeß des Reaktantgases werden mit einer Energie von einigen hundert Elektronenvolt, im allgemeinen 100 - 500 eV, in die Ionisationskammer eingeschossen. Die dabei eintretende gleichzeitige direkte Ionisierung von Molekülen der zu untersuchenden Substanz ist vernachlässigbar.The electrons for the primary ionization process of the reactant gas are injected into the ionization chamber with an energy of a few hundred electron volts, generally 100-500 eV. The simultaneous direct ionization of molecules of the substance to be investigated that occurs is negligible.

Die primäre Ionisierung ist jedoch auch durch chemische Ionisierung mit geeignet eingebrachten Ionen, beispielsweise Edelgas-, H2-, N2- oder 02-Ionen,erreichbar, wie es von B. Högger und P. Bommer in Int. J. Mass Spectrom. Ion. Phys. 13, 35 (1974)und von D.F. Hunt, C.N. McEwen und T.M. Harvey in Anal. Chem.47, 1730 (1975) beschrieben wird.However, the primary ionization can also be achieved by chemical ionization with suitably introduced ions, for example noble gas, H 2 , N 2 or O 2 ions, as described by B. Högger and P. Bommer in Int. J. Mass Spectrom. Ion. Phys. 13, 35 (1974) and by DF Hunt, CN McEwen and TM Harvey in Anal. Chem. 47, 1730 (1975).

Weiterhin ist auch die Erzeugung von ionisierenden Elektronen direkt in der Kammer durch eine elektrische Spitzenentladung nach H. Kambara und I. Kanomata, Int. f. Mass Spectrom. Ion. Phys. 24, 453 (1977) bekanntgeworden.Furthermore, the generation of ionizing electrons directly in the chamber by an electrical peak discharge according to H. Kambara and I. Kanomata, Int. f. Mass Spectrom. Ion. Phys. 24, 453 (1977).

Die entstehenden Ionen der zu untersuchenden Substanz treten zusammen mit allen übrigen Ionen und neutralen Teilchen aus einer kleinen Austrittsöffnung in das umgebende Vakuum eines Massenspektrometers aus und werden durch geeignete elektrostatische Beschleunigungs- und Fokussierfelder dem Analysevolumen zugeführt.The ions of the substance to be investigated emerge together with all other ions and neutral particles from a small outlet opening into the surrounding vacuum of a mass spectrometer and are fed to the analysis volume by suitable electrostatic acceleration and focusing fields.

Größe und Form dieser Austrittsöffnung sind besonders kritisch, da zum einen eine kleine kanalartige öffnung zu viele Wandstöße der Ionen bewirkt, wodurch die Ionen entladen werden und daher die Ionenausbeute auf einen Bruchteil gesenkt wird; zum anderen erschwert eine große, lochartige Austrittsöffnung das Aufrechterhalten des Druckes in der Ionisationskammer und erfordert daher eine übermäßig große Pumpleistung am Massenspektrometer. Daher liegt die praktisch erreichte Ausbeute kommerziell erhältlicher Ionenquellen für chemische Ionisation im allgemeinen unter 10-3 Ionen pro Substanzmolekül.The size and shape of this outlet opening are particularly critical since, on the one hand, a small channel-like opening causes too many wall impacts of the ions, as a result of which the ions are discharged and the ion yield is therefore reduced to a fraction; on the other hand, a large, hole-like outlet makes it difficult to maintain the pressure in the ionization chamber and therefore requires an excessively large pumping power on the mass spectrometer. Therefore, the yield practically achieved is commercially available ion sources for chemical ionization generally below 10 -3 ion p ro substance molecule.

Weitere Nachteile der im Stand der Technik bekännten Ionisationskammern mit chemischer Ionisation liegen darin, daß die Ausströmgeschwindigkeit mit der Vermischungsgeschwindigkeit der Reaktionspartner in der Kammer, in der Größenordnung von einer Millisekunde, konkurriert, so daß die Ausbeute vom Auftreten zufälliger Turbulenzen durch die Eintrittströme abhängt. Das gleiche gilt bei der Vermischung von primären Ionen mit den Gasen in der Ionisierungskammer, da die primäre Ionisierung nur in Teilbereichen der Ionisationskammer stattfindet. Auch stellt die Einschußöffnung für die Elektronen ein nachteiliges Leck dar, da aus ihr ein Teil des Kammerinhalts notwenidgerweise entweicht, weil die Elektronenerzeugung ein Hochvakuum erfordert.Further disadvantages of the ionization chambers with chemical ionization known in the prior art are that the outflow speed competes with the mixing speed of the reactants in the chamber, of the order of magnitude of one millisecond, so that the yield depends on the occurrence of random turbulence due to the inlet streams. The same applies to the mixing of primary ions with the gases in the ionization chamber, since the primary ionization takes place only in parts of the ionization chamber. The entry opening for the electrons also represents a disadvantageous leak, since part of the chamber content necessarily escapes from it because the electron generation requires a high vacuum.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Ionisationskammern zur chemischen Ionisierung der eingangs beschriebenen Gattung unter Vermeidung ihrer Nachteile zu verbessern und insbesondere eine Ionisationskammer zu schaffen, die eine erhöhte Ausbeute an Ionen der zu untersuchenden Substanz bei niedrigen Kammerdrücken ergibt.In contrast, the present invention has for its object to improve the known ionization chambers for chemical ionization of the type described above while avoiding their disadvantages and in particular to create an ionization chamber which gives an increased yield of ions of the substance to be examined at low chamber pressures.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Ionisationskammer der gattungsgemäßen Art dadurch gelöst, daß die Ionisationskammer langgestreckt ausgebildet ist; und daß die Eintrittsöffnung für die ionisierenden Primärteilchen einerseits und die Austrittsöffnung für die Reaktionsprodukte andererseits miteinander fluchtend in einander gegenüberliegenden Endwandungen der Ionisationskammer vorgesehen sind.According to the invention, this object is achieved in an ionization chamber of the generic type in that the ionization chamber is elongated; and that the inlet opening for the ionizing primary particles on the one hand and the outlet opening for the reaction products on the other hand are provided in mutually aligned end walls of the ionization chamber.

Erfindungsgemäß erhält also die Ionisierungskammer eine langgestreckte, insbesondere länglich-zylindrische Form, an deren einem Ende die Reaktionspartner insbesondere durch verschiedene Eintrittsöffnungen eintreten und an deren anderem Ende die entstehenden Reaktionsprodukte durch eine gemeinsame, zentrale öffnung ausströmen. Die ionisierenden Primärteilchen treten ebenfalls durch eine Zentralöffnung am Eingangsende der langgestreckten Ionisationskammer ein, so daß die Ionisationsreaktionen entlang der Längsachse der Ionisationskammer stattfinden. Der wesentliche Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß durch den langen Reaktionsweg der Druck in der Ionisationskammer bei beibehaltener Reaktionsausbeute drastisch vermindert werden kann, so daß lediglich noch ein Druck von 0,01, bis 0,1 mbar erforderlich ist. Dadurch kann ohne das Erfordernis übermäßiger Pumpleistungen die Austrittsöffnung vergrößert werden, so daß der Anteil der austretenden Ionen der zu untersuchenden Substanz an den in der Ionisationskammer erzeugten Ionen erhöht wird.According to the invention, the ionization chamber is thus given an elongated, in particular elongated, cylindrical shape, at one end of which the reaction partners enter in particular through different inlet openings and at the other end of which the reaction products formed flow out through a common, central opening. The ionizing primary particles also enter through a central opening at the entrance end of the elongated ionization chamber so that the ionization reactions take place along the longitudinal axis of the ionization chamber. The main advantage of this arrangement is that the long reaction path allows the pressure in the ionization chamber to be drastically reduced while maintaining the reaction yield, so that only a pressure of 0.01 to 0.1 mbar is required. As a result, the outlet opening can be enlarged without the need for excessive pumping powers, so that the proportion of the escaping ions of the substance to be examined in the ions generated in the ionization chamber is increased.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ionisationskammer liegt darin, daß durch die geometrische Form der Ionisationskammer und durch die bewirkte Druckerniedrigung die Vermischung der Reaktionspartner und der Primärionen erleichtert wird.Another advantage of the ionization chamber according to the invention is that the mixing of the reactants and the primary ions is facilitated by the geometrical shape of the ionization chamber and by the pressure reduction which is brought about.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß längs der Ionisationskammer ein longitudinales Magnetfeld vorliegt. Insbesondere kann vorgesehen sein, daß das Magnetfeld durch einen Permanentmagneten erzeugt ist, wobei weiterhin vorgesehen sein kann, daß der Permanentmagnet aus einer Anzahl die langgestreckte Ionisationskammer umgebender Einzel-Ringmagnete besteht. Ansonsten kann auch um die Ionisationskammer eine Magnetspule angeordnet sein. Hierdurch werden die geladenen Teilchen, und zwar sowohl die ionisierten Primärteilchen wie auch die Reaktantgas- und Substanzionen, durch das erzeugte Magnetfeld in Achsennähe und damit von Wandstößen abgehalten und auf die Austrittsöffnung hin geführt.According to a preferred embodiment of the present invention, it is provided that a longitudinal magnetic field is present along the ionization chamber. In particular, it can be provided that the magnetic field is generated by a permanent magnet, and it can further be provided that the permanent magnet consists of a number of individual ring magnets surrounding the elongated ionization chamber. Otherwise, a magnetic coil can also be arranged around the ionization chamber. As a result, the charged particles, namely both the ionized primary particles and the reactant gas and substance ions, are kept away from the axis by the generated magnetic field and thus from wall impacts and are directed toward the outlet opening.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeichnen sich dazu alternativ dadurch aus, daß sich im Inneren der Ionisationskammer ein elektrischer Multipol aus mindestens vier radialsymmetrisch angeordneten, isoliert angebrachten, länglichen Polstäben befindet, an die reihum paarweise symmetrische oder unsymmetrische hochfrequente Wechselspannungen angelegt sind oder daß die Wand der Ionisationskammer als Multipolrohr mit Elektroden ausgebildet ist, an die reihum paarweise symmetrische oder unsymmetrische hochfrequente Wechselspannungen angelegt sind. Diese Ausführungsformen können in bevorzugter Weise dadurch ausgestaltet sein, daß die Polstäbe bzw. die Polflächen der Metallelektroden parallel zur Symmetrieachse der Ionisationskammer verlaufen oder daß die Polstäbe bzw. die Polflächen der Metallelektroden konisch zur Symmetrieachse der Ionisationskammer angeordnet sind. Hierdurch werden die Teilchen in entsprechender Weise in Achsennähe gehalten.Preferred embodiments of the invention are alternatively distinguished by the fact that in the interior of the ionization chamber there is an electrical multipole composed of at least four radially symmetrically arranged, insulated, elongated pole rods to which symmetrical or asymmetrical high-frequency alternating voltages are applied in pairs or that the wall of the ionization chamber is designed as a multipole tube with electrodes, to which symmetrical or asymmetrical high-frequency alternating voltages are applied in pairs. These embodiments can preferably be designed in such a way that the pole rods or the pole faces of the metal electrodes run parallel to the axis of symmetry of the ionization chamber or that the pole rods or the pole faces of the metal electrodes are arranged conically to the axis of symmetry of the ionization chamber. As a result, the particles are kept in a corresponding manner near the axis.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß ein Potentialgefälle in der Längsachse der Ionisationskammer vorgesehen ist. Das erzeugte elektrostatische Potentialgefälle läßt die erwünschten Ionen in Richtung der Austrittsöffnung driften. Diese Erzeugung des Potentialgefälles durch eine geladene Pusher-Blende oder durch Anlegen einer Spannung an isoliert aufgebaute Endflächen der Kammer stellt ein weiteres erfindungswesentliches Element dar.Another embodiment of the invention provides that a potential gradient is provided in the longitudinal axis of the ionization chamber. The generated electrostatic potential drop causes the desired ions to drift in the direction of the outlet opening. This generation of the potential gradient by a charged pusher diaphragm or by applying a voltage to isolated end faces of the chamber represents a further element essential to the invention.

Weiterhin kann auch eine der Austrittsöffnung zugeordnete, ein symmetrisch zur Längsachse der Ionisationskammer in diese eingreifendes elektrostatisches Linsenfeld erzeugende Blendenanordnung vorgesehen sein.Die Blendenanordnung bewirkt eine fokussierende Extraktion der Ionen aus der Ionisationskammer, wobei von besonderem Vorteil ist, daß hierdurch die Substanzionen an einer Stelle der Ionisationskammer erfaßt werden, an der das longitudinale Magnetfeld noch keine störenden Randeffekte aufweist. Als selbständiger Erfindungsgedanke wird die allgemeine Verwendung dieser fokussierenden Extraktion bei Ionenquellen beliebiger Art angesehen.Furthermore, a diaphragm arrangement associated with the outlet opening and generating an electrostatic lens field which engages symmetrically to the longitudinal axis of the ionization chamber can also be provided. The diaphragm arrangement effects a focussing extraction of the ions from the ionization chamber, it being particularly advantageous that the substance ions are thereby located at one point of the Ionization chamber are detected, in which the longitudinal magnetic field does not yet have any disturbing edge effects. The general use of this focusing extraction with ion sources of any kind is regarded as an independent inventive concept.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß der Kammer eine Gasentladungskammer vorgeschaltet ist, in der die ionisierenden Primärteilchen erzeugt werden. Durch die Verwendung ionisierter Primärteilchen aus einer elektrischen Entladung, die in einem Gas stattfindet, das unter höherem Druck als der Druck in der Ionisationskammer steht, wird das Ausströmen des Kammerinhalts durch die Eintrittsöffnung für die Primärteilchen weitgehend vermieden.According to another embodiment of the present invention it is provided that the chamber is preceded by a gas discharge chamber in which the ionizing primary particles are generated. By using ionized primary particles from an electrical discharge that takes place in a gas that is under higher pressure than the pressure in the ionization chamber, the outflow of the chamber contents through the inlet opening for the primary particles is largely avoided.

Die erfindungsgemäße Ionisationskammer unterscheidet sich also von den bekannten Ionisationskammern insbesondere dadurch, daß dort die ionisierenden Primärteilchen senkrecht zur Ausströmrichtung eingeschossen werden, während erfindungsgemäß die ionisierenden Primärteilchen in der Flucht der Ausströmöffnung eingeschossen werden bzw. dadurch, daß die bekannten Ionisationskammern wegen ihrer Kürze einen Druck von mindestens 0,1 mbar zum Erreichen hoher Ionenausbeute benötigen.The ionization chamber according to the invention thus differs from the known ionization chambers in particular in that the ionizing primary particles are injected there perpendicular to the outflow direction, while according to the invention the ionizing primary particles are in flight be injected into the outflow opening or in that the known ionization chambers, because of their brevity, require a pressure of at least 0.1 mbar to achieve a high ion yield.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der zwei Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

  • Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ionisationskammer mit einer zylindrischen Spulenanordnung;
  • Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ionisationskammer im Längsschnitt mit Quadrupolanordnung; und
  • Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III der Fig. 2.
Further advantages and features emerge from the claims and from the following description, in which two exemplary embodiments are explained in detail with reference to the drawing. It shows:
  • 1 shows a longitudinal section through an ionization chamber according to the invention with a cylindrical coil arrangement.
  • 2 shows another embodiment of the ionization chamber according to the invention in longitudinal section with a quadrupole arrangement; and
  • 3 shows a section along the line III-III of FIG. 2nd

Einer eigentlichen Ionisationskammer 1 ist eine Gasentladungskammer 3 vorgeschaltet. Am der Ionisationskammer 1 gegenüberliegenden Ende der Gasentladungskammer 3 ist innerhalb der Gasentladungskammer 3 eine Elektrode 5 angebracht. Die Gasentladungskammer 3 besitzt zwei öffnungen. Eine Eintrittsöffnung 7 befindet sich seitlich zur Elektrode 5. Die Austrittsöffnung der Gasentladungskammer 3 ist gegenüber der Elektrode 5 angeordnet und führt als Eintrittsöffnung 9 in die Ionisationskammer 1.A gas discharge chamber 3 is connected upstream of an actual ionization chamber 1. At the end of the gas discharge chamber 3 opposite the ionization chamber 1, an electrode 5 is attached within the gas discharge chamber 3. The gas discharge chamber 3 has two openings. An inlet opening 7 is located to the side of the electrode 5. The outlet opening of the gas discharge chamber 3 is arranged opposite the electrode 5 and leads into the ionization chamber 1 as an inlet opening 9.

Die von der Gasentladungskammer 3 führende Eintrittsöffnung 9 in die Ionisationskammer 1 liegt in einer schmalen Endwand der sich lang erstreckenden Ionisationskammer 1. Am gleichen Ende führt seitlich eine weitere Eintrittsöffnung 11 in die Ionisationskammer 1. An dem der Eintrittsöffnung 9 gegenüberliegenden Kopfende der Ionisationskammer 1 befindet sich eine Austrittsöffnung 13 der Ionisationskammer 1.The inlet opening 9 leading from the gas discharge chamber 3 into the ionization chamber 1 is located in a narrow end wall of the long ionization chamber 1. At the same end, another inlet opening 11 leads laterally into the ionization chamber 1. At the head end of the ionization chamber 1 opposite the inlet opening 9 there is an outlet opening 13 of the ionization chamber 1.

Um die zylindrische Ionisationskammer 1 herum ist eine zylindrische Magnetspule 15 angeordnet, die ein axiales Magnetfeld in der Ionisationskammer 1 erzeugt.Arranged around the cylindrical ionization chamber 1 is a cylindrical magnet coil 15 which generates an axial magnetic field in the ionization chamber 1.

Der Austrittsöffnung 13 der Ionisationskammer 1 folgend befindet sich außerhalb der Ionisationskammer 1 ein Fokussier- und Beschleunigungssystem 17 in Form von mit Lochblenden versehenen elektrischen Linsen.Following the outlet opening 13 of the ionization chamber 1, outside the ionization chamber 1 there is a focusing and acceleration system 17 in the form of electrical lenses provided with pinholes.

Hieran schließt sich die Eintrittsöffnung 19'des Massenspektrometers an.This is followed by the inlet opening 19 'of the mass spectrometer.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3 besitzt einen ähnlichen Aufbau wie das Ausführungsbeispiel der Ionisationskammer 1 der Fig. 1; lediglich befindet sich die Ionisationskammer 1 in einem Quadrupolrohr 22, welches durch ein zylindrisches Rohr mit Rohreinbuchtungen 24 gebildet wird, auf denen Metalleketroden 26, beispielsweise in Form dünner Folien, aufgebracht sind.The embodiment of FIGS. 2 and 3 has a similar structure as the embodiment of the ionization chamber 1 of FIG. 1; only the ionization chamber 1 is located in a quadrupole tube 22, which is formed by a cylindrical tube with tube recesses 24, on which metal electrodes 26, for example in the form of thin foils, are applied.

Durch die Eintrittsöffnung 7 der Gasentladungskammer 3 strömt Primärgas in die Gasentladungskammer 3 und wird dort durch die Elektrode 5 wenigstens partiell ionisiert. Das partiell ionisierte Primärgas strömt durch die axiale öffnung 9 aus der Gasentladungskammer 3 in die sich längs erstreckende Ionisationskammer 1. Durch die Eintrittsöffnung 11 tritt ein Gemisch aus Reaktant- und Substanzgas ein. Das Reaktantgas wird sodann in einer Primärionisierung durch die Primärteilchen ionisiert und ionisiert seinerseits das Substanzgas.Primary gas flows into the gas discharge chamber 3 through the inlet opening 7 of the gas discharge chamber 3 and is at least partially ionized there by the electrode 5. The partially ionized primary gas flows through the axial opening 9 from the gas discharge chamber 3 into the longitudinally extending ionization chamber 1. A mixture of reactant and substance gas enters through the inlet opening 11. The reactant gas is then ionized in a primary ionization by the primary particles and in turn ionizes the substance gas.

Der Magnet 15 erzeugt ein axiales Magnetfeld in der Ionisationskammer 1, wodurch die ionisierten Teilchen zusammengehalten werden.The magnet 15 creates an axial magnetic field in the ionization chamber 1, whereby the ionized particles are held together.

Das gleiche wird durch das Quadrupolrohr 22 der Fig. 2 und 3 erreicht.The same is achieved by the quadrupole tube 22 of FIGS. 2 and 3.

Die Reaktionsprodukte treten schließlich durch die Austrittsöffnung 13 aus der Ionisationskammer aus und werden durch das Fokussier- und Beschleunigungssystem 17 auf die Eintrittsöffnung 19 des Massenspektrometers gelenkt und beschleunigt.The reaction products finally exit the ionization chamber through the outlet opening 13 and are directed and accelerated by the focusing and acceleration system 17 onto the inlet opening 19 of the mass spectrometer.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The features of the invention disclosed in the above description, in the drawing and in the claims can be essential both individually and in any combination for realizing the invention in its various embodiments.

Claims (10)

1. Ionisationskammer zur chemischen Ionisierung von Substanzdämpfen durch Ion-Molekül-Reaktionen unter Verwendung ionisierender Primärteilchen und eines Reaktantgases, mit mindestens einer Eintrittsöffnung zur Zuführung der Reaktionspartner und mindestens einer Austrittsöffnung für die in der Kammer gebildeten Reaktionsprodukte, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationskammer (1) langgestreckt ausgebildet ist; und daß die Eintrittsöffnung (9) für die ionisierenden Primärteilchen einerseits und die Austrittsöffnung (13) für die Reaktionsprodukte andererseits miteinander fluchtend in einander gegenüberliegenden Endwandungen der Ionisationskammer (1) vorgesehen sind.1. ionization chamber for the chemical ionization of substance vapors by ion-molecule reactions using ionizing primary particles and a reactant gas, with at least one inlet opening for supplying the reactants and at least one outlet opening for the reaction products formed in the chamber, characterized in that the ionization chamber (1 ) is elongated; and that the inlet opening (9) for the ionizing primary particles on the one hand and the outlet opening (13) for the reaction products on the other hand are provided in mutually aligned end walls of the ionization chamber (1). 2. Ionisationskammer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine länglich-zylindrische Ausbildung der Ionisationskammer (1) und durch Anordnung der Eintrittsöffnung (9) für die Primärteilchen und der Austrittsöffnung (13) für die Reaktionsprodukte auf der Längsachse der Ionisationskammer (1).2. Ionization chamber according to claim 1, characterized by an elongated cylindrical configuration of the ionization chamber (1) and by arranging the inlet opening (9) for the primary particles and the outlet opening (13) for the reaction products on the longitudinal axis of the ionization chamber (1). 3. Ionisationskammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine gesonderte Eintrittsöffnung (11) für das Reaktantgas und/oder den Substanzdampf vorgesehen und räumlich benachbart zur Eintrittsöffnung (9) für die ionisierenden Primärteilchen angeordnet ist.3. Ionization chamber according to claim 1 or 2, characterized in that at least one separate inlet opening (11) is provided for the reactant gas and / or the substance vapor and is arranged spatially adjacent to the inlet opening (9) for the ionizing primary particles. 4. Ionisationskammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß längs der Ionisationskammer (1) ein longitudinales Magnetfeld vorliegt.4. Ionization chamber according to one of the preceding claims, characterized in that a longitudinal magnetic field is present along the ionization chamber (1). 5. Ionisationskammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Inneren der Ionisationskammer (1) ein elektrischer Multipol aus mindestens vier radialsymmetrisch angeordneten, isoliert angebrachten, länglichen Polstäben befindet, an die reihum paarweise symmetrische oder unsymmetrische hochfrequente Wechselspannungen angelegt sind.5. Ionization chamber according to claim 4, characterized in that in the interior of the ionization chamber (1) there is an electrical multipole composed of at least four radially symmetrically arranged, insulated, elongated pole rods, to which symmetrical or asymmetrical high-frequency alternating voltages are applied in pairs. 6. Ionisationskammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der Ionisationskammer (1) als Multipolrohr (22)ausgebildet ist; und daß sich an der Wand (24) leitende Elektroden (26) befinden, an die reihum paarweise symmetrische oder unsymmetrische hochfrequente Wechselspannungen angelegt sind.6. Ionization chamber according to claim 4, characterized in that the wall of the ionization chamber (1) is designed as a multipole tube (22); and that on the wall (24) there are conductive electrodes (26) to which symmetrical or asymmetrical high-frequency alternating voltages are applied in pairs. 7, Ionisationskammer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstäbe bzw. die Polflächen der Elektroden (26) parallel zur Symmetrieachse der Ionisationskammer (1) verlaufen.7, ionization chamber according to claim 5 or 6, characterized in that the pole rods or the pole faces of the electrodes (26) run parallel to the axis of symmetry of the ionization chamber (1). 8. Ionisationskammer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstäbe bzw. die Polfächen der Elektroden (26) konisch zur Symmetrieachse der Ionisationskammer (1) angeordnet sind.8. Ionization chamber according to claim 5 or 6, characterized in that the pole rods or the pole faces of the Electrodes (26) are arranged conically to the axis of symmetry of the ionization chamber (1). 9. Ionisationskammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Längsachse der Ionisationskammer ein Potentialgefälle vorgesehen ist.9. Ionization chamber according to one of the preceding claims, characterized in that a potential gradient is provided in the longitudinal axis of the ionization chamber. 10. Ionisationskammer nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine der Austrittsöffnung (13) zugeordnete, ein symmetrisch zur Längsachse der Ionisationskammer (1) in diese eingreifendes elektrostatisches Linsenfeld erzeugende Blendenanordnung.10. Ionization chamber according to one of the preceding claims, characterized by one of the outlet opening (13) associated with a symmetrical to the longitudinal axis of the ionization chamber (1) engaging in this engaging electrostatic lens field generating aperture arrangement.
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