EP1200984A2 - Method and device for cluster fragmentation - Google Patents

Method and device for cluster fragmentation

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EP1200984A2
EP1200984A2 EP00956226A EP00956226A EP1200984A2 EP 1200984 A2 EP1200984 A2 EP 1200984A2 EP 00956226 A EP00956226 A EP 00956226A EP 00956226 A EP00956226 A EP 00956226A EP 1200984 A2 EP1200984 A2 EP 1200984A2
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EP
European Patent Office
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cluster
fragmentation
clusters
fragments
interface
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EP00956226A
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EP1200984B1 (en
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Christoph Gebhardt
Hartmut Schröder
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Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03HPRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00Ion beam tubes
    • H01J27/02Ion sources; Ion guns
    • H01J27/026Cluster ion sources
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02Details
    • H01J49/04Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components
    • H01J49/0459Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components for solid samples
    • H01J49/0463Desorption by laser or particle beam, followed by ionisation as a separate step
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H3/00Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams
    • H05H3/02Molecular or atomic beam generation

Definitions

  • the transfer process also heats the molecule very strongly (excitation of rotation, vibration and electronic degrees of freedom).
  • the molecule In the gas phase, the molecule has no efficient way to dissipate this excess energy (lack of coupling to a warm bath).
  • molecular bonds can break or denaturation can occur.
  • Spectroscopic analysis is also hampered by the high level of excitation. The gentle transfer of large molecules into the gas phase is of technical importance, for example as the first step in a mass spectrometric analysis.
  • the object of the invention is also to provide devices for implementing such a method.
  • the object of the invention also consists in the description of novel application possibilities for charged or unloaded cluster fragments which have been generated with the improved cluster fragmentation method.
  • FIG. 7 shows the positive and negative mass spectra of the cations or anions in the cluster fragmentation according to the invention. on a gold surface.
  • the selected reactive system consists of a cluster of polar SO 2 molecules and alkali atoms on the collision surface.
  • the reaction in the cluster consists of the spontaneous release of the alkali valence electron onto an S0 2 molecule, mediated by the polar environment.
  • Alkaline cations and SO anions are formed, which come to rest on cluster fragments due to the cluster fragmentation and are spatially separated from one another.
  • the mass scale (abscissa) is plotted in units of S0 2 masses. The ordinate represents the measured ion number or ion intensity (arbitrary units).
  • the cluster jet emerging from the nozzle opening strikes the target 72 of the cluster fragmentation device, which furthermore includes the adsorber feed devices 73.
  • the target 72 is at earth potential and is continuously coated with adsorbates by the adsorbate supply devices 73, for example in the form of an evaporation furnace, during the operation of the ion engine.
  • Clusters of polar carrier molecules and adsorbates of alkali metal atoms, for example cesium, are preferred.
  • the positive and negative cluster fragments which arise in the course of the collision of the clusters with the adsorbate-covered target 72 are spatially separated with the aid of the extraction grids 74 and deflected in the desired direction by means of magnetic and / or electrical steering devices 75.
  • a cluster beam system according to the invention can be equipped with a device for setting the electrical potential of the interface in order to set a certain potential for formation of the cluster fragments.

Abstract

A method for cluster fragmentation comprises the production of at least one cluster which contains a carrier substance and the fragmentation of the cluster into cluster fragments, with the cluster being loaded before the fragmentation with at least one reaction partner and the reaction partner being part of at least one cluster fragment after the fragmentation. A cluster beam system for performing the method, and applications of the cluster fragmentation for analysis and purification of surfaces, for analysis of clusters, and for the operation of ion thrusters are also described.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Clusterfragmentation Method and device for cluster fragmentation
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Clusterfragmentation, insbesondere ein Clusterfragmentationsverfahren zur Erzeugung elektrisch ungleich geladener Teilchen und/oder zur Manipulierung elektrisch neutraler Teilchen, und Vorrichtungen zur Clusterfragmentation. Die Erfindung betrifft auch Anwendungen der Clusterfragmentation zur Substanzanalyse an Grenzflächen, zur Reinigung von Oberflächen, und beim Aufbau von Ionenquellen und/oder Ionentriebwerken, und Anwendungen, bei denen Cluster (bzw. Aerosole) , insbesondere solche natürlichen Ursprungs, auf ihre Menge bzw. Zusammensetzung hin analysiert werden sollen.The invention relates to a method for cluster fragmentation, in particular a cluster fragmentation method for generating electrically unevenly charged particles and / or for manipulating electrically neutral particles, and devices for cluster fragmentation. The invention also relates to applications of cluster fragmentation for substance analysis at interfaces, for cleaning surfaces, and in the construction of ion sources and / or ion engines, and to applications in which clusters (or aerosols), in particular those of natural origin, on their quantity or composition should be analyzed.
Die Einflußnahme auf bzw. die Detektion von elektrisch neutralen Teilchen ist wegen ihrer nur schwach ausgeprägten Wechselwirkung mit der Umgebung mit einem relativ hohen technischen Aufwand verbunden. Die Coulomb-Wechselwirkung elektrisch geladener Teilchen hingegen erlaubt eine einfache Manipulation unter Verwendung elektromagnetischer Felder und auch eine vereinfachte Detektion, z.B. durch direkte elektrometrische Messung. Es besteht daher ein Interesse an der Umwandlung elektrisch neutraler Atome, Moleküle oder entsprechender Atom- oder Molekülgruppen in entsprechende geladene Teilchen (Ionisierung) . Allgemein erfolgt der Übergang vom elektrisch neutralen zum geladenen Teilchen durch Hinzufügen mindestens eines Ladungsträgers, z.B. eines Elektrons, an ein neutrales Teilchen bzw. durch ein Entfernen von Ladungsträgern, so daß auf dem ursprünglich neutralen Teilchen eine Nettoladung verbleibt. Die wichtigsten allgemein bekannten Ionsierungstechniken umfassen die Elektronenstoß-Ionisation, die Laser-Ionisation, die Elektronen-Anlagerung und die Plasma-Ionisation. Bei den bekannten Verfahren zur Erzeugung positiver Ionen erfolgt m der Regel eine einstufige Ionisierung, bei der die dem Neutralteilchen praktisch instantan zugefuhrte Energie ausreichend groß ist, um mindestens ein Elektron vollständig vom entstehenden Kation zu trennen. Die abgetrennten Elektronen werden normalerweise nicht weiter verwendet, so daß sich pro aufgewendeter Iomsierungsenergie-Emheit nur ein relevanter Ladungsträger erzeugen laßt.The influence on or the detection of electrically neutral particles is associated with a relatively high technical outlay because of their weak interaction with the environment. The Coulomb interaction of electrically charged particles, on the other hand, allows simple manipulation using electromagnetic fields and also simplified detection, for example by direct electrometric measurement. There is therefore an interest in the conversion of electrically neutral atoms, molecules or corresponding groups of atoms or molecules into corresponding charged particles (ionization). In general, the transition from the electrically neutral to the charged particle takes place by adding at least one charge carrier, for example an electron, to a neutral particle or by removing charge carriers, so that a net charge remains on the originally neutral particle. The main well-known ionization techniques include electron impact ionization, laser ionization, electron attachment, and plasma ionization. In the known methods for generating positive ions, a one-stage ionization is generally carried out, in which the energy supplied to the neutral particle practically instantaneously is large enough to completely separate at least one electron from the resulting cation. The separated electrons are normally no longer used, so that only one relevant charge carrier can be generated for each ionization energy unit used.
Ein generelles Problem bei der herkömmlichen Ionisierung ist die quantitative Umwandlung neutraler Teilchen m entsprechende Ionen. Es wird der angestrebte Ionisierungsgrad (Verhältnis der Zahl ionisierter Teilchen zur ursprunglich vorhandenen Neutralteilchenzahl) möglichst nahe Eins nur unter hohem technischen Aufwand erreicht. Häufig ist die Ionisierung mit einer Zerstörung der ursprunglichen Neutralteilchen verbunden. Die herkömmlichen Ionisierungstechniken sind auf die Erzeugung leichter Ionen (geladene Moleküle oder Molekulgruppen) beschrankt. In verschiedenen Anwendungsbereichen, wie z.B. bei der Oberflachenbearbeitung und beim Betrieb von Ionentriebwerken besteht jedoch ein Interesse an der Erzeugung von besonders vielen und besonders schweren Ionen.A general problem with conventional ionization is the quantitative conversion of neutral particles into corresponding ions. The desired degree of ionization (ratio of the number of ionized particles to the original number of neutral particles) is achieved as close to one as possible only with great technical effort. Ionization is often associated with the destruction of the original neutral particles. Conventional ionization techniques are limited to generating light ions (charged molecules or groups of molecules). In various areas of application, e.g. in surface treatment and in the operation of ion engines, however, there is an interest in the generation of particularly many and particularly heavy ions.
Nicht nur die Beeinflussung und Detektion elektrisch neutraler Teilchen ist mit technischen Schwierigkeiten verbunden, sondern auch ihr Transfer m die Gasphase: Insbesondere bei größeren molekularen Verbanden, wie z.B. biologisch relevante Makromoleküle oder DNA-Fragmente, ist die Wechselwirkung mit dem Tragermaterial oder dem umgebenden Losungsmittel so stark, daß beim Versuch eines Ab- bzw. Herauslosens auch intramolekulare Bindungen gebrochen werden und so der Transfer m die Gasphase mit einer Zerstörung der Ausgangssubstanz einhergeht.Not only is the influencing and detection of electrically neutral particles associated with technical difficulties, but also their transfer into the gas phase: especially with larger molecular groups, e.g. biologically relevant macromolecules or DNA fragments, the interaction with the carrier material or the surrounding solvent is so strong that intramolecular bonds are broken when an attempt is made to remove or remove it and the transfer in the gas phase is accompanied by destruction of the starting substance.
Durch den Transfervorgang wird das Molekül in der Regel auch stark erhitzt (Anregung von Rotations-, Schwmgungs- und elektronischen Freiheitsgraden) . In der Gasphase besitzt das Molekül keinen effizienten Weg, diese überschüssige Energie abzuführen (fehlende Ankopplung an ein Warmebad) . Als Folge kann es wiederum zum Brechen von Molekulbindungen oder zur Denaturierung kommen. Eine spektroskopische Analyse ist ebenfalls durch den hohen Anregungszustand behindert. Der schonende Transfer großer Moleküle in die Gasphase ist von technischer Bedeutung, etwa als erster Schritt einer massenspekro- metrischer Analyse.As a rule, the transfer process also heats the molecule very strongly (excitation of rotation, vibration and electronic degrees of freedom). In the gas phase, the molecule has no efficient way to dissipate this excess energy (lack of coupling to a warm bath). As a result, molecular bonds can break or denaturation can occur. Spectroscopic analysis is also hampered by the high level of excitation. The gentle transfer of large molecules into the gas phase is of technical importance, for example as the first step in a mass spectrometric analysis.
Eine bekannte Methode für den Transfer großer Moleküle in die Gasphase stellt das MALDI-Verfahren (matrix assisted laser distortion ionizaton) dar (z.B. US-Patent 58 28 063) . Die Kosten des hierfür benotigten Lasers schranken die Anwendung jedoch stark ein.A well-known method for the transfer of large molecules into the gas phase is the MALDI process (matrix assisted laser distortion ionizaton) (e.g. U.S. Patent 58 28 063). The cost of the laser required for this, however, severely limits the application.
Die Erzeugung von Atom- oder Molekulverbanden in Form sogenannter Cluster ist allgemein bekannt. Cluster sind sowohl wegen ihrer besonderen, sich vom Festkorperzustand unterscheidenden Stoffeigenschaften als auch als manipulierbare Teilchen z.B. bei der Modifizierung oder Reinigung von Oberflachen von Interesse. Von W. Skinner et al . ("Vacuum Solutions", März/ April 1999, Seite 29 ff) werden beispielsweise Anwendungen ionisierter Cluster aus Gasatomen bei der Oberflachenbearbeitung beschrieben.The generation of atomic or molecular groups in the form of so-called clusters is generally known. Clusters are e.g. because of their special material properties that differ from their solid state as well as manipulable particles. of interest when modifying or cleaning surfaces. By W. Skinner et al. ("Vacuum Solutions", March / April 1999, page 29 ff) describes, for example, applications of ionized clusters of gas atoms in surface processing.
Ein bekanntes Verfahren zur Erzeugung ionisierter Teilchen ist durch die Clusterfragmentation von Wasser- und Schwefeldioxid- Clustern gegeben, die jedoch aus den unten angegebenen Gründen bisher lediglich von theoretischer Bedeutung ist. So beschreiben beispielsweise A.A. Vostrikov et al . in "Chemical Physics Letters" Band 139, 1977, Seite 124 ff, m "Z. Phys . D", Band 20, 1991, Seite 61 ff, und in "Z. Phys. D", Band 40, 1997, Seite 542 ff, die Ionisierung von Wasserclustern beim Auftreffen auf Festkorperoberflachen. Des weiteren ist aus der Publikation von Wolfgang Christen, Karl-Ludwig Kompa, Hartmut Schröder und Heinrich Stulpnagel in "Ber. Bunsenges . Phys. Chem.", Band 96, 1992, Seite 1197 ff, die Ionisierung von S02- Clustern bei mechanischer Streuung an Einkristalloberflachen bekannt. Die Bildung ionisierter Clusterfrag ente beim Aufprall von H20-Clustern auf Oberflächen wird mit der Autoproto- lyse des Wassers gemäß H20 — H+ + OH~ erklart. Die zum Zeitpunkt des Aufpralls in verschiedenen Teilchen des Clusters befindlichen Ionen H bzw. OH~ werden durch die Fragmentation voneinander getrennt und mit verschiedenen Clusterfragmenten mitgefuhrt, die dann nach außen elektrisch geladen sind.A known method for producing ionized particles is given by the cluster fragmentation of water and sulfur dioxide clusters, which, however, has so far only been of theoretical importance for the reasons given below. For example, AA Vostrikov et al. in "Chemical Physics Letters" volume 139, 1977, page 124 ff, m "Z. Phys. D", volume 20, 1991, page 61 ff, and in "Z. Phys. D", volume 40, 1997, page 542 ff, the ionization of water clusters when hitting solid surfaces. Furthermore, from the publication by Wolfgang Christen, Karl-Ludwig Kompa, Hartmut Schröder and Heinrich Stulpnagel in "Ber. Bunsenges. Phys. Chem.", Volume 96, 1992, page 1197 ff, the ionization of S0 2 clusters with mechanical scattering on single crystal surfaces. The formation of ionized cluster fragments upon impact of H 2 0 clusters on surfaces is explained by the autoprotection of the water according to H 2 0 - H + + OH ~ . The ions H or OH ~ present in different particles of the cluster at the time of the impact are separated from one another by the fragmentation and carried with different cluster fragments, which are then electrically charged to the outside.
Die Ionisierung durch Clusterfragmentation besitzt bisher keine praktische Bedeutung, da sie auf H20 bzw. S02 beschrankt ist und einen extrem geringen Wirkungsgrad besitzt. So ist bei Normalbedingungen im Wasser nur jedes 109-te Teilchen ionisiert. Dementsprechend ist auch die Wahrscheinlichkeit für die Erzeugung geladener Clusterfragmente außerordentlich gering. Weitere Untersuchungen zur Clusterfragmentation von H20 (siehe Publikation von P. U. Andersson et al. m "Z. Phys. D", Band 41, 1997, Seite 57 ff) sind auf den Einfluß eines Elektronentransfers von der durch einen Cluster getroffenen Oberflache in den Cluster und auf die damit verbundene Ionisierung der Clusterfragmente gerichtet .The ionization by cluster fragmentation has so far been of no practical importance, since it is restricted to H 2 0 or S0 2 and has an extremely low efficiency. Under normal conditions in water, only every 10 9th particle is ionized. Accordingly, the probability of generating loaded cluster fragments is extremely low. Further studies on the cluster fragmentation of H 2 0 (see publication by PU Andersson et al. M "Z. Phys. D", volume 41, 1997, page 57 ff) are on the influence of electron transfer from the surface hit by a cluster in the Cluster and directed to the associated ionization of the cluster fragments.
Es sind auch Untersuchungen der elektronischen Eigenschaften von Metallatom-dotierten Clustern bekannt. So wird von R. Ta- kaso et al. in "J. Phys. Chem. A", Band 101, 1997, Seite 3078 ff und von I. V. Hertel et al. in "Phys. Rev. Lett . " , Band 67, 1991, Seite 1767 ff, eine Elektronendelokalisierung für Alkaliatome in Molekul-Clustern beschrieben. Des weiteren ist aus den Publikationen von R. N. Barnett et al. in "Phys. Rev. Lett.", Band 70, 1993, Seite 1775 ff, K. S. Kim et al. in "Phys. Rev. Lett.", Band 76, 1996, Seite 956 ff und von D. Feller et al . in "J. Chem. Phys.", Band 100, 1994, Seite 4981 ff, das Verhalten von Natrium in H20- bzw. NH3-Clustern beschrieben. Es wurde festgestellt, daß Natrium im gelosten Zu- S stand im Cluster ein reduziertes Ionisierungspotential bewirkt. Praktische Anwendungen konnten daraus bisher nicht abgeleitet werden. Die bisherigen Untersuchungen der elektronischen Eigenschaften z.B. von Natrium m Clustern wurden in langlebligen Gleichgewichtszuständen durchgeführt, die jedoch bisher keine Aussagen zur Dynamik des Verhaltens von Ladungsträgern m Clustern zugelassen haben.Studies of the electronic properties of metal atom-doped clusters are also known. For example, R. Takaso et al. in "J. Phys. Chem. A", Volume 101, 1997, page 3078 ff and by IV Hertel et al. in "Phys. Rev. Lett.", Volume 67, 1991, page 1767 ff, an electron delocalization for alkali atoms in molecular clusters. Furthermore, from the publications by RN Barnett et al. in "Phys. Rev. Lett.", volume 70, 1993, page 1775 ff, KS Kim et al. in "Phys. Rev. Lett.", volume 76, 1996, page 956 ff and by D. Feller et al. in "J. Chem. Phys.", Volume 100, 1994, page 4981 ff, describes the behavior of sodium in H 2 O or NH 3 clusters. It was found that sodium in dissolved form S in the cluster caused a reduced ionization potential. Practical applications have not yet been derived from this. The previous studies of the electronic properties, for example of sodium m clusters, have been carried out in long-lived equilibrium states, which, however, have so far not allowed any statements to be made regarding the dynamics of the behavior of charge carriers in clusters.
Es ist auch eine Erzeugung von Ladungstragerpaaren durch Alka- liatome m Clustern aus Wasser, Ammoniak und Azetonitπl beschrieben worden (siehe C. P. Schulz et al. in „Clusters of atoms and molecules II", Hrsg. H. Haberland, Springer 1984, S. 7-11) .Generation of charge carrier pairs by alkali atoms in clusters from water, ammonia and acetonitrile has also been described (see CP Schulz et al. In "Clusters of atoms and molecules II", ed. H. Haberland, Springer 1984, p. 7 -11).
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Cluster- fragmentationsverfahren zur Erzeugung geladener Teilchen und/ oder zur Manipulierung elektrisch neutraler Teilchen bereitzustellen, das insbesondere mit einem erweiterten Bereich von Substanzen anwendbar ist und einen erhöhten und steuerbaren Wirkungsgrad besitzt. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, Vorrichtungen zur Implementierung eines derartigen Verfahrens anzugeben. Die Aufgabe der Erfindung besteht ferner m der Beschreibung neuartiger Anwendungsmoglichkeiten für geladene oder ungeladene Clusterfragmente, die mit dem verbesserten Clusterfragmentationsverfahren erzeugt worden sind.It is the object of the invention to provide an improved cluster fragmentation method for generating charged particles and / or for manipulating electrically neutral particles, which can be used in particular with an expanded range of substances and has an increased and controllable efficiency. The object of the invention is also to provide devices for implementing such a method. The object of the invention also consists in the description of novel application possibilities for charged or unloaded cluster fragments which have been generated with the improved cluster fragmentation method.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstande der Patentansprüche 1, 21 bzw. 29 gelost. Vorteilhafte Ausfuhrungsformen und weitere Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhangigen Ansprüchen.These tasks are solved by the subject matter of claims 1, 21 and 29 respectively. Advantageous embodiments and further applications of the invention result from the dependent claims.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, herkömmliche Clusterfragmentationsverfahren dahingehend weiter zu entwickeln, daß vor der eigentlichen Fragmentation, z. B. durch mechanischen Aufprall eines Clusters auf einer Grenzflache, dieser mit einem Reaktionspartner beladen wird. Der Reaktions- & partner besteht aus einzelnen Atomen oder Molekülen, Atomoder Molekulverbanden oder er ist selbst ein Cluster oder Clusterfragment .The basic idea of the invention is to further develop conventional cluster fragmentation methods in such a way that before the actual fragmentation, e.g. B. by mechanical impact of a cluster on an interface, this is loaded with a reaction partner. The reaction & partner consists of individual atoms or molecules, atomic or molecular groups or it is itself a cluster or cluster fragment.
Als Cluster werden hier allgemein durch rein physikalische Kräfte (z. B. van der Waals-Krafte oder H-Bruckenbindungen) relativ schwach gebundene Verbände von Atomen oder Molekülen oder Atom- oder Molekulaggregaten bezeichnet, deren innere Volumendichte mit der Dichte von Festkörpern vergleichbar ist, die jedoch nach außen den Charakter eines Gasphasenteilchens besitzen. Die (mittlere) Clustergroße wird anwendungsabhangig eingestellt und kann von wenigen Teilchen (z.B. rund 10) bis zu großen Teilchenzahlen (z.B. ein oder mehrere 1000) reichen. Die Cluster können auch so groß wie makroskopische Aerosol- Teilchen sein.Clusters here are generally relatively weakly bound associations of atoms or molecules or atomic or molecular aggregates due to purely physical forces (e.g. van der Waals forces or H-bridge bonds), whose internal volume density is comparable to the density of solids, which, however, have the character of a gas phase particle. The (average) cluster size is set depending on the application and can range from a few particles (e.g. around 10) to large particle numbers (e.g. one or more 1000). The clusters can also be as large as macroscopic aerosol particles.
Gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung besteht der Reaktionspartner aus elektrisch neutralen Molekülen, die durch physikalische Wechselwirkung mit der Tragersubstanz in die Clusterfragmente aufgenommen werden können.According to one embodiment of the invention, the reaction partner consists of electrically neutral molecules which can be absorbed into the cluster fragments through physical interaction with the carrier substance.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung besitzt der Reaktionspartner die Fähigkeit, mit den Teilchen des Cluster- mateπals (Tragersubstanz) ein Paar elektrisch ungleich geladener Ladungsträger zu erzeugen. Wahrend der induzierten Fragmentation des Clusters können diese erzeugten Ladungsträger auf verschiedenen Fragmenten des zerplatzenden Clusters zu liegen kommen und durch die Tragheitsbewegung der Clusterfrag- mente raumlich getrennt werden. Im Unterschied zum ursprunglich Cluster, in dem sich die Ladungsträger nach außen gegenseitig neutralisierten, fallt durch die raumliche Trennung der Fragmente und damit der einzelnen Ladungsträger die gegenseitige Abschirmung fort, so daß die voneinander getrennten, geladenen Clusterfragmente nach außen elektrisch geladene, freie Teilchen bilden, die im folgenden auch als Ionen bezeichnet werden. Anstelle der Verteilung der erzeugten Ladungsträger r auf verschiedene Fragmente kann bei geeigneter Verfahrensfuh- rung auch die ausschließliche Erzeugung von positiv geladenen Fragmenten vorgesehen sein, wahrend die negativen Landungstra- ger an die jeweilige Grenzflache abfließen.According to a further embodiment of the invention, the reaction partner has the ability to generate a pair of electrically unevenly charged charge carriers with the particles of the cluster material (carrier substance). During the induced fragmentation of the cluster, these generated charge carriers can come to rest on different fragments of the bursting cluster and can be spatially separated by the inertial movement of the cluster fragments. In contrast to the original cluster, in which the charge carriers mutually neutralized each other, the spatial separation of the fragments and thus the individual charge carriers means that the mutual shielding no longer exists, so that the separated, charged cluster fragments form electrically charged, free particles to the outside, which are also referred to below as ions. Instead of distributing the generated charge carriers For different fragments, if the process is carried out appropriately, the exclusive generation of positively charged fragments can also be provided, while the negative landing carriers flow off to the respective border area.
Die Ladungstragerpaarerzeugung erfolgt spontan durch eine chemische Reaktion oder eine Ionisierung des Reaktionspartners oder alternativ durch äußere Anregung, indem beispielsweise ein Ladungstragertransfer durch Lichteinstrahlung oder mechanischen Stoß induziert wird. Die Wahrscheinlichkeit, daß die Ladungsträger sich auf unterschiedlichen Fragmenten befinden, kann durch Wahl von Clustergroße, Clustergeschwmdigkeit und Fragmentationsbedmgungen beeinflußt werden. Generell erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, wenn als Reaktionsprodukte Ladungsträger entstehen, die eine hohe Beweglichkeit innerhalb des Clusters besitzen (z.B. Elektronen oder Protonen m Was- serstoffbrucken gebundenen Clusters), da es in diesem Fall zu einer räumlichen Entfernung bereits innerhalb des Clusters kommt .The charge carrier pair is generated spontaneously by a chemical reaction or ionization of the reaction partner or alternatively by external excitation, for example by inducing charge carrier transfer through light irradiation or mechanical shock. The probability that the charge carriers are on different fragments can be influenced by the choice of cluster size, cluster speed and fragmentation conditions. In general, the likelihood increases if charge carriers are formed as reaction products that have a high mobility within the cluster (e.g. electrons or protons in hydrogen-bonded clusters), because in this case there is a spatial distance already within the cluster.
In einer bevorzugten Ausfuhrung kommt es gleichzeitig zu einer Ionisierung der Clusterfragmente gemäß eines der erfmdungsge- maßen Verfahren.In a preferred embodiment, the cluster fragments are simultaneously ionized according to one of the methods according to the invention.
Die Tragersubstanz, durch die die Cluster gebildet werden, besteht vorzugsweise aus polaren Molekülen, d.h. aus Molekülen, die ein eigenes Dipolmoment besitzen, beispielsweise H20, S02, N02, NH3, N02, SFn, CH3CN, CHCIF2, oder Isobuten. Die polaren Moleküle besitzen den Vorteil, die Coulomb-Wechselwirkung im Cluster befindlicher Ionen abzuschwächen. Zudem fordert eine polare Umgebung ganz allgemein den Ablauf ionischer Reaktionen. Des weiteren erleichert die stärkere Dipol-Wechselwirkung der Moleküle die Aufnahme von Reaktionspartnern. Die Tragersubstanz besitzt eine andere chemische Zusammensetzung als der oder die Reaktionspartner. Die Beladung des zu fragmentierenden Clusters mit dem Reaktionspartner erfolgt wahrend der Clustererzeugung, m der Gasphase oder an der Grenzflache unmittelbar vor der Fragmentation. Hierzu werden Atome oder Moleküle oder Atom- oder Mo- lekulgruppen ber die Gasphase m den oder die Cluster oder auf eine zur Clusterfragmentation angeordnete Oberflache aufgebracht. Der Reaktionspartner besteht vorzugsweise aus einer Substanz, die mit der Tragersubstanz des Clusters unter Erzeugung des Ladungstragerpaares reagiert. Im Falle polarer Tra- germolekule wird vorzugsweise als Reaktionspartner eine Substanz mit geringer Ioniserungsenergie z.B. unterhalb 10 eV, insbesondere Alkaliatome wie Lithium, Natrium, Kalium und Cäsium gewählt. Die Verwendung von Substanzen mit derart niedrigem Ionisationspotential hat den Vorteil, daß innerhalb des Clusters aus polaren Molekülen spontan eine Elektronenabgabe erfolgt. Die dabei mit "hohem" Wirkungsgrad entstandenen Ladungsträger können effizient durch das erfmdungsgemaße Verfahren der Clusterfragmentation getrennt werden. Das erfin- dungsge aße Verfahren laßt sich aber auch anwendungsabhangig, insbesondere in Abhängigkeit von der mittleren Clustermasse, der mittleren Clustergeschwmdigkeit und der Starke des Dipolmoments der Tragersubstanzmolekule, mit anderen Reaktionspartnern realisieren.The carrier substance by which the clusters are formed preferably consists of polar molecules, ie of molecules that have their own dipole moment, for example H 2 0, S0 2 , N0 2 , NH 3 , N0 2 , SF n , CH 3 CN, CHCIF2, or isobutene. The polar molecules have the advantage of weakening the Coulomb interaction of ions in the cluster. In addition, a polar environment generally requires ionic reactions to occur. Furthermore, the stronger dipole interaction of the molecules facilitates the uptake of reactants. The carrier substance has a different chemical composition than the one or more reactants. The reaction partner is loaded into the cluster to be fragmented during cluster generation, in the gas phase or at the interface immediately before fragmentation. For this purpose, atoms or molecules or groups of atoms or molecules are applied via the gas phase to the cluster or clusters or to a surface arranged for cluster fragmentation. The reaction partner preferably consists of a substance which reacts with the carrier substance of the cluster to produce the pair of charge carriers. In the case of polar carrier molecules, a substance with low ionization energy, for example below 10 eV, in particular alkali atoms such as lithium, sodium, potassium and cesium, is preferably chosen as the reaction partner. The use of substances with such a low ionization potential has the advantage that electron donation occurs spontaneously within the cluster of polar molecules. The charge carriers created with "high" efficiency can be separated efficiently by the cluster fragmentation method according to the invention. The method according to the invention can also be implemented depending on the application, in particular depending on the average cluster mass, the average cluster speed and the strength of the dipole moment of the carrier substance molecules, with other reaction partners.
Die Clusterfragmentation erfolgt allgemein durch eine Energiezufuhr. Bei einer mechanischen Energiezufuhr erfolgt ein Zusammenstoß eines oder mehrerer Cluster mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit bzw. Geschwindigkeitsverteilung mit einer Grenzflache, die einen Übergang zwischen der Gasphase und einem Festkörper oder der Gasphase und einer Flüssigkeit darstellt. Die Grenzflache kann geometrisch beliebig geformt sein und wird bei vielen Anwendungen vorzugsweise durch eine feste Substratflache gebildet, die an einen Raum angrenzt, in dem die Cluster erzeugt oder beschleunigt werden. Dies hat den Vorteil, daß allein durch die Anordnung der Grenzflache m dem vom Cluster durchlaufenen Weg eine Wechselwirkung mit der 3The cluster fragmentation generally takes place through an energy supply. In the case of a mechanical energy supply, one or more clusters collide with a predetermined speed or speed distribution with an interface, which represents a transition between the gas phase and a solid or the gas phase and a liquid. The boundary surface can have any shape geometrically and in many applications is preferably formed by a solid substrate surface which adjoins a space in which the clusters are generated or accelerated. This has the advantage that simply by arranging the interface m an interaction with the path traversed by the cluster 3
Oberflache sichergestellt ist. Dies bedeutet, daß jeder Cluster mit der Wahrscheinlichkeit 1 auf die Oberflache aufprallt und fragmentiert wird. Die Grenzflache muß im allgemeinen nicht ortsfest sein. Es kann insbesondere vorteilhaft sein, mit Hilfe einer bewegten Grenzflache die Relativgeschwindigkeit zwischen Cluster und Grenzflache gezielt zu erhöhen oder zu erniedrigen, um so etwa das Fragmentierungsverhalten des Clusters zu beeinflussen. Darüber hinaus ist es auch möglich, daß die Grenzfläche durch kleine Tropfchen oder durch Cluster in der Gasphase gebildet wird.Surface is ensured. This means that every cluster with probability 1 will hit the surface and be fragmented. The interface generally does not have to be stationary. It can be particularly advantageous to increase or decrease the relative speed between the cluster and the interface with the aid of a moving interface, in order to influence the fragmentation behavior of the cluster. In addition, it is also possible for the interface to be formed by small droplets or by clusters in the gas phase.
Alternativ kann eine Strahlungsenergiezufuhr zur Clusterfragmentation vorgesehen sein, indem beispielsweise Moleküle im Cluster durch Laserbestrahlung einer Anregung von elektronischen Zustanden oder Schwingungszustanden unterzogen werden.Alternatively, a radiation energy supply for cluster fragmentation can be provided, for example by subjecting molecules in the cluster to excitation of electronic states or vibrational states by laser irradiation.
Bevorzugte Anwendungen des erfindungsgemaßen Verfahrens liegen in der Modifizierung, Reinigung oder Analyse von Festkorper- oberflachen, in der Analyse von Clustern und Aerosolteilchen hinsichtlich Menge und Zusammensetzung, und in der Bereitstellung von Ionenquellen für Meß- oder Analysezwecke oder auch für Ionentriebwerke. Gemäß einer weiteren Anwendung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Clusterfragmentationsverfahren zur Manipulierung von an sich neutralen Molekülen verwendet wird, indem die zu manipulierenden Moleküle vor der Clusterfragmentation wie der Reaktionspartner vom Cluster aufgenommen und in die Clusterfragmente überfuhrt werden. Durch die Übernahme in Clusterfragmente werden Moleküle in die Gasphase überführt, im Zuge des Transfers gegebenenfalls durch eines der erfindungsgemaßen Verfahren ionisiert und so einer an sich bekannten Manipulierung oder Messung zuganglich gemacht .Preferred applications of the method according to the invention are in the modification, cleaning or analysis of solid surfaces, in the analysis of clusters and aerosol particles with regard to quantity and composition, and in the provision of ion sources for measurement or analysis purposes or also for ion engines. According to a further application of the invention, it is provided that the cluster fragmentation method is used to manipulate molecules which are neutral per se, in that the molecules to be manipulated, like the reaction partner, are taken up by the cluster and transferred to the cluster fragments before the cluster fragmentation. Through the transfer into cluster fragments, molecules are transferred into the gas phase, possibly ionized in the course of the transfer by one of the methods according to the invention, and thus made accessible to manipulation or measurement known per se.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Implementierung des genannten Clusterfragmentationsverfahrens in Form eines Clusterstrahlsystems beschrie- A ben. Diese Vorrichtung zeichnet sich insbesondere durch eineAccording to a further aspect of the invention, a device for implementing the aforementioned cluster fragmentation method in the form of a cluster beam system is described A ben. This device is characterized in particular by a
Clustererzeugungsemrichtung und eine Clusterfragmentation- semrichtung sowie durch Steuer-, Lenk- und Meßeinrichtungen für die Clusterfragmente aus. Die Clustererzeugungsemrichtung umfaßt eine an sich bekannte Clusterquelle . Die Clusterfrag- mentationse richtung ist dazu ausgelegt, den oder die von der Clustererzeugungsemrichtung bereitgestellte Cluster auf eine anwendungsabhangig ausgebildete Grenzflache aufprallen zu lassen.Cluster generation device and a cluster fragmentation direction as well as control, steering and measuring devices for the cluster fragments. The cluster generation device comprises a cluster source known per se. The cluster fragmentation direction is designed to allow the cluster or the clusters provided by the cluster generation device to strike an application-dependent boundary surface.
Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Die Ladungstra- gererzeugung erfolgt im Unterschied zu den herkömmlichen Ionisierungsverfahren zweistufig. Zunächst wird durch die Cluster- beladung mit dem Reaktionspartner ein nach außen neutrales Katιonen-/Amonen-Paar gebildet, das dann durch die Clusterfragmentation getrennt wird. Für die Bildung des Katio- nen-/Anιonen-Paares stehen bereits eine Vielzahl effizienter chemischer Reaktionen zur Verfugung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die zur Erzeugung der Ladungstragerpaare notwendige Energie erheblich kleiner ist als die Energie zur Erzeugung entsprechender Emzelionen. Die Energiedifferenz ergibt sich aus der gegenseitigen Stabilisierung der Kationen-/ Anionen-Paare im Cluster durch die Coulomb-Wechselwirkung. Erst durch die Fragmentation des Clusters wird diese Stabilisierung aufgehoben, wobei die Energie zur Überwindung der gegenseitigen Coulomb-Anziehung aus der kinetischen Energie der Clusterfragmente stammt. Die erforderliche Ionisierungsenergie wird somit erfmdungsgemaß in zwei Stufen oder Teilen zugeführt .The invention has the following advantages. In contrast to conventional ionization processes, charge carrier generation takes place in two stages. First of all, the cluster loading with the reaction partner forms an externally neutral cat ion / amone pair, which is then separated by the cluster fragmentation. A large number of efficient chemical reactions are already available for the formation of the cation / anion pair. Another advantage is that the energy required to generate the charge carrier pairs is considerably smaller than the energy required to generate the corresponding emissions. The energy difference results from the mutual stabilization of the cation / anion pairs in the cluster through the Coulomb interaction. This stabilization is only released by the fragmentation of the cluster, the energy for overcoming the mutual Coulomb attraction coming from the kinetic energy of the cluster fragments. The required ionization energy is thus supplied in two stages or parts according to the invention.
Diese Zweistufigkeit ermöglicht den Einsatz verschiedener E- nergieformen, die sich insbesondere auch m den Kosten bzw. dem Aufwand bei der Bereitstellung der jeweiligen Energie unterscheiden. So kann ein Teil der Ionisierungsenergie durch ein "teures" Energiepaket (z.B. ein Laserphoton) und ein wei- terer Teil durch ein „billigeres" Energiepaket (z.B. kinetische Energie) bereitgestellt werden.This two-stage approach enables the use of various forms of energy, which differ in particular in terms of the cost or effort involved in providing the respective energy. For example, part of the ionization energy can be replaced by an "expensive" energy package (eg a laser photon) and a more part can be provided by a "cheaper" energy package (eg kinetic energy).
Mit der Einbettung der Ladungstragerpaare im Cluster wird durch den dielektrischen Einfluß des Cluster ediums (Tragersubstanz) die Coulomb-Wechselwirkung erheblich herabgesetzt. Im Gegensatz zur Gasphase besteht die Möglichkeit einer räumlichen Ladungstragertrennung bereits im Cluster, wodurch sich die zur Erzeugung freier Ladungsträger notwendige Energiemenge erheblich reduziert.When the charge carrier pairs are embedded in the cluster, the Coulomb interaction is considerably reduced due to the dielectric influence of the cluster edium (carrier substance). In contrast to the gas phase, there is already the possibility of spatial charge carrier separation in the cluster, which considerably reduces the amount of energy required to generate free charge carriers.
Ein wichtiger Vorteil gegenüber herkömmlichen Ionisierungsverfahren besteht darin, daß bei jeder Clusterfragmentation verfahrensbedingt gleiche Mengen positiver und negativer Ladungsträger gebildet werden. Es lassen sich hohe Ladungstragerdich- ten m Form eines Katιonen-/Anιonen-Plasmas erzeugen, die weit über der raumladungsbegrenzten Dichte von Ladungsträgern einer Polarität liegen können.An important advantage over conventional ionization processes is that the process involves the formation of equal amounts of positive and negative charge carriers for each cluster fragmentation. High charge carrier densities in the form of a cat ion / an ion plasma can be generated, which can lie far above the space charge limited density of charge carriers of one polarity.
Die Beladung eines Clusters mit einem Reaktionspartner besitzt den Vorteil, daß im Cluster m vorbestimmter Weise z.B. nur wenige, ihrer Anzahl vorhersagbare Ladungstragerpaare erzeugt werden. Da die Energie zur Trennung der Ladungstragerpaare durch die kinetische Energie der einfallenden Cluster vor der Fragmentation bestimmt wird, ist für eine gegebene mittlere Clustergroße ein Zusammenhang zwischen der Menge maximal erzeugbarer freier Ladungsträger und der ursprunglichen kinetischen Energie des Clusters definiert. Bei der Beladung des Clusters mit dem Reaktionspartner kann die Menge der pro Cluster erzeugten Ladungstragerpaare an die kinetische Energie des Clusters angepaßt werden.Loading a cluster with a reaction partner has the advantage that in the cluster in a predetermined manner e.g. only a few, predictable in number of charge carrier pairs are generated. Since the energy for separating the charge carrier pairs is determined by the kinetic energy of the incident clusters before fragmentation, a relationship between the amount of maximum free charge carriers that can be generated and the original kinetic energy of the cluster is defined for a given mean cluster size. When the cluster is loaded with the reaction partner, the amount of charge carrier pairs generated per cluster can be adapted to the kinetic energy of the cluster.
Die erfmdungsgemaße Clusterfragmentation stellt ein Ionisierungsverfahren bereit, das sich durch eine hohe Effizienz und durch die Möglichkeit auszeichnet, die Massen der ionisierten Teilchen (Ionenmassen) m weiten Bereichen anwendungsabhangig zu variieren. Es werden nach derzeitigem Kenntnisstand typischerweise rund 5% der auf eine feste Oberflache auftreffenden Cluster geladene Fragmente zerlegt. Dies repräsentiert im Vergleich mit den herkömmlichen Ionisierungsverfahren einen hohen Wert. Des weiteren können Ionenmassen von typischerweise bis zu einigen tausend atomaren Masseneinheiten bereitgestellt werden. Dies ist insbesondere für den Betrieb von Ionentriebwerken von Bedeutung.The cluster fragmentation according to the invention provides an ionization process which is distinguished by a high efficiency and by the possibility of the masses of the ionized particles (ion masses) in a wide range depending on the application to vary. According to the current state of knowledge, around 5% of the fragments loaded on clusters hitting a solid surface are typically broken down. This represents a high value in comparison with the conventional ionization processes. Furthermore, ion masses of typically up to a few thousand atomic mass units can be provided. This is particularly important for the operation of ion engines.
Im Zusammenhang mit der Aufnahme des Reaktionspartners von einer Grenzflache ermöglicht die erfmdungsgemaße Clusterfragmentation den schonenden Transfer auch großer Moleküle in die Gasphase. Die Aufnanme m den Cluster und der Transfer in ein Clusterfragment hat den Vorteil, daß ein Brechen intramolekularer Bindungen vermieden wird. Überschüssige Anregungsenergie kann vom aufgenommenen Molekül an das umgebende Clusterfrag- ment abgegeben werden, so daß sehr kalte, leicht spektroskopierbare Moleküle m die Gasphase transferiert werden. Die im Clusterfragment enthaltene Energie kann ausreichen, um die schwach gebundenen Tragergasmolekule des Clusterfragments vollständig zu verdampfen. In diesem Fall hat das Verfahren den Vorteil, die aufgenommenen Moleküle ohne umgebende Clusterhulle m die Gasphase zu transferieren.In connection with the absorption of the reaction partner from an interface, the cluster fragmentation according to the invention enables the gentle transfer of even large molecules into the gas phase. The recording of the cluster and the transfer into a cluster fragment has the advantage that breakage of intramolecular bonds is avoided. Excess excitation energy can be released from the absorbed molecule to the surrounding cluster fragment, so that very cold, easily spectroscopic molecules are transferred into the gas phase. The energy contained in the cluster fragment can be sufficient to completely vaporize the weakly bound carrier gas molecules of the cluster fragment. In this case, the method has the advantage of transferring the absorbed molecules into the gas phase without a surrounding cluster shell.
Ein besonderer Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß gleichzeitig mit dem Transfer eines Reaktionspartners (z.B. großes Molekül) dessen elektrische Aufladung eines der erfindungsgemaßen Ablaufe bewirkt werden kann. In diesem Fall kann der Reaktionspartner direkt einem elektromagnetischen Analyseverfahren zugeführt werden.A particular advantage of the method is that, simultaneously with the transfer of a reaction partner (e.g. large molecule), its electrical charge can be brought about by one of the processes according to the invention. In this case, the reaction partner can be fed directly to an electromagnetic analysis method.
Besonders vorteilhaft laßt sich das erfmdungsgemaße Cluster- fragmentationsverfahren auch zur Quantifizierung und Analyse von Clustern und Aerosolpartikeln anwenden. Insbesondere kann es sich bei den zu untersuchenden Teilchen um Aerosolpartikel naturlichen Ursprungs handeln, wie sie etwa m der Erdatmosphäre auftreten. Sie enthalten zu einem Großteil Wasser und andere polare Moleküle, so daß sie sich in besonders einfacher Weise, z.B. durch Stoß mit einer Alkalimetall- bedeckten Oberflache, in ionisierte Fragmente überfuhren lassen. Diese Ionen können etwa einer Ladungsmengenmessung zugeführt werden, um ihre Konzentration im untersuchten Luftvolumen zu bestimmen und/oder einer massenspektrometrischen Analyse zur Aufklarung ihrer Zusammensetzung. Eine Aerosolfragmentierung kann direkt an Bord eines Meß-Flußkorpers (z.B. Flugzeug) unter Ausnutzung der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Flugkörper und dem Aerosol untersucht werden.The cluster fragmentation method according to the invention can also be used particularly advantageously for the quantification and analysis of clusters and aerosol particles. In particular, the particles to be examined can be aerosol particles of natural origin, such as those of about Earth atmosphere occur. The majority of them contain water and other polar molecules, so that they can be converted into ionized fragments in a particularly simple manner, for example by impact with a surface covered with alkali metal. These ions can be supplied, for example, to a charge quantity measurement in order to determine their concentration in the air volume under investigation and / or a mass spectrometric analysis to clarify their composition. An aerosol fragmentation can be examined directly on board a measuring river body (eg an airplane) using the relative speed between the missile and the aerosol.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden unter Bezug auf die beigefugten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:Further details and advantages of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine Illustration der Ladungstragertrennung bei einer erfindungsgemaßen Clusterfragmentation;1 shows an illustration of the charge carrier separation in a cluster fragmentation according to the invention;
Fig. 2 eine Illustration der Clusterbeladung an einer mit Reaktionspartnern belegten Grenzflache;2 shows an illustration of the cluster loading at an interface area occupied by reaction partners;
Fig. 3 eine Anwendung der erfindungsgemaßen Clusterfragmentation zur Oberflachenanalyse;3 shows an application of the cluster fragmentation according to the invention for surface analysis;
Fig. 4 eine Anwendung der erfindungsgemaßen Clusterfragmentation zur Oberflachenremigung;4 shows an application of the cluster fragmentation according to the invention for surface cleaning;
Fig. 5 eine Illustration der Aufnahme neutraler Oberflache- nadsorbate;5 shows an illustration of the recording of neutral surface adsorbates;
Fig. 6 eine erste Ausfuhrungsform einer erfindungsgemaßen Clusterfragmentationsvorrichtung, die zur Analyse von Oberflachenadsorbaten ausgebildet ist; Fig. 7 Kurvendarstellungen zur Illustration von Meßergebnissen, die mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 6 gewonnen wurden;6 shows a first embodiment of a cluster fragmentation device according to the invention, which is designed for the analysis of surface adsorbates; FIG. 7 shows curves to illustrate measurement results obtained with a device according to FIG. 6;
Fig. 8 ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel einer erfindungsgemaßen Clusterfragmentationsvorπchtung m Form eines Ionentriebwerkes, und8 shows a further exemplary embodiment of a cluster fragmentation device according to the invention in the form of an ion engine, and
Fig. 9 Kurvendarstellungen zur Illustration von weiteren Messergebnissen.Fig. 9 graphs to illustrate further measurement results.
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft unter Bezug auf die Kollision von Clustern mit festen, ebenen Substratoberflachen erläutert. Die Erfindung ist m entsprechender Weise bei Kollisionen an Gasphase-/Flussιgkeιtsgrenzflachen und/oder anders geformten Grenzflachen oder mit strahlungsmduzierter Fragmentation anwendbar. Die Figuren zeigen lediglich schematische, vergrößerte Illustrationen von Clustern und Cluster- fragmenten, wahrend Dimensionen und Zusammensetzungen entsprechend den unten erläuterten Prinzipien anwendungsabhan- gig gewählt werden.The invention is explained below by way of example with reference to the collision of clusters with solid, flat substrate surfaces. The invention can be used in a corresponding manner in the event of collisions at gas phase / flux boundary surfaces and / or differently shaped boundary surfaces or with radiation-reduced fragmentation. The figures only show schematic, enlarged illustrations of clusters and cluster fragments, while dimensions and compositions are selected depending on the application and the principles explained below.
Figur 1 illustriert die Prinzipien einer erfindungsgemaßen Clusterfragmentation gemäß einer ersten Ausfuhrungsform der Erfindung. Im linken Teil von Figur 1 ist die Ausgangssituation eines sich mit einer vorbestimmten mittleren Geschwindigkeit zum Target 1 bewegenden Clusters 2 dargestellt. Das Target 1 bildet gegenüber dem Reaktionsraum, dem sich der Cluster bewegt, die Grenzflache zur Fragmentation. Der Cluster 2 besteht aus einer bestimmten Tragersubstanz, die vorzugsweise zumindest teilweise Moleküle mit permanentem molekularem Dipolmoment enthalt. Der Cluster 2 ist mit einem Reaktionspartner (nicht dargestellt) beladen, der mit der Tragersubstanz eine chemische Reaktion eingegangen ist, deren Ergebnis ein Ladungstragerpaar mit unterschiedlichen Vorzeichen (Anio- nen 3, Kationen 4) erzeugt worden ist. Erfmdungsgemaß wird der zu fragmentierende Cluster vor der Fragmentation mit dem Reaktionspartner beladen. Dies kann an- wendungsabhangig bereits bei der Bildung des Clusters erfolgen. Der Reaktionspartner kann insbesondere aus demselben Material bestehen wie die Tragersubstanz des Clusters, d.h. die an der Reaktion beteiligten Edukte können Bestandteile des Clusters selbst sein. Alternativ erfolgt die Beladung wahrend der Bewegung des Clusters zu der Grenzflache. Schließlich ist es auch möglich, daß die Beladung erst an der Grenzflache selbst erfolgt (siehe Fig. 2) .FIG. 1 illustrates the principles of a cluster fragmentation according to the invention in accordance with a first embodiment of the invention. The left part of FIG. 1 shows the initial situation of a cluster 2 moving towards the target 1 at a predetermined average speed. The target 1 forms the interface for fragmentation compared to the reaction space that the cluster is moving. Cluster 2 consists of a specific carrier substance, which preferably contains at least partially molecules with a permanent molecular dipole moment. Cluster 2 is loaded with a reaction partner (not shown), which has entered into a chemical reaction with the carrier substance, the result of which has been generated by a pair of charge carriers with different signs (anions 3, cations 4). According to the invention, the cluster to be fragmented is loaded with the reaction partner before fragmentation. Depending on the application, this can already be done when the cluster is formed. The reaction partner can in particular consist of the same material as the carrier substance of the cluster, ie the starting materials involved in the reaction can be components of the cluster itself. Alternatively, the loading takes place during the movement of the cluster to the interface. Finally, it is also possible that the loading only takes place at the interface itself (see FIG. 2).
Der Cluster 2 besteht beispielsweise aus S0-Molekulen und ist mit einem Na-Atom beladen. Die Beladung ist durch Kollision eines Clusterstrahls mit einem Natriumatomstrahl oder einem Natriumdampf erfolgt. Die Reaktion zwischen der Tragersubstanz Schwefeldioxid und dem Reaktionspartner Natrium besteht in der spontanen Abgabe eines Elektrons vom Natrium an die umgebenden S02-Molekule unter Bildung des Schwefeldioxid-Anions 3 und des Natrium-Kations 4. Schwefeldioxid wird als Tragersubstanz für den Cluster aus den folgenden Gründen bevorzugt. Es ist chemisch stabil, zeigt keine Wasserstoff-Bindungen oder Auto- dissoziat onserschemungen und besitzt e ne relativ hohe Elektronenaffmitat (EA) von rund 1 eV. Dieser hohe EA-Wert erleichtert die Bildung stabiler Anionen-Cluster. Em weiterer Vorteil von Schwefeldioxid besteht darin, daß aus dieser Tragersubstanz Cluster einfach bei Raumtemperatur erzeugt werden können (siehe unten) . Im linken Teil von Fig. 1 stellt der Cluster 2 auch nach der Ladungstrennung noch ein nach außen neutrales Teilchen dar, da die inneren Ladungen entgegengesetzt gleich groß sind.Cluster 2 consists, for example, of S0 molecules and is loaded with a Na atom. The loading was carried out by collision of a cluster beam with a sodium atom beam or a sodium vapor. The reaction between the carrier substance sulfur dioxide and the reactant sodium consists in the spontaneous release of an electron from the sodium to the surrounding SO 2 molecules with the formation of the sulfur dioxide anion 3 and the sodium cation 4. Sulfur dioxide is the carrier substance for the cluster of the following Reasons preferred. It is chemically stable, shows no hydrogen bonds or auto-dissociation, and has a relatively high electron affinity (EA) of around 1 eV. This high EA value facilitates the formation of stable anion clusters. Another advantage of sulfur dioxide is that clusters can be easily generated from this carrier substance at room temperature (see below). In the left part of FIG. 1, the cluster 2 still represents an externally neutral particle after the charge separation, since the inner charges are of the same size in opposite directions.
Die Bewegung (in der Fig. 1 nach rechts) des Clusters 2 fuhrt zu einem nicht dargestellten Zusammenprall mit dem Target 1, in dessen Ergebnis der Cluster m Fragmente 5, 6 und 7 zerfallt, die sich aufgrund eines Stoßes gegen die starre Grenz- A 6 fläche nach links bewegen. Im rechten Teil von Fig. 1 ist die Situation nach dem Zusammenprall zwischen dem Cluster 2 und dem Target 1 dargestellt. Die Clusterfragmente 5, 6 und 7 entfernen sich von der Grenzflache, wobei sich das Kation 4 bzw. das Anion 3 auf verschiedenen Fragmenten 5 bzw. 6 befinden. Durch die Tragheitsbewegung der Clusterfragmente 5 und 6 wird die gegenseitige Coulomb-Anziehung überwunden. Nach der Fragmentation fallt die gegenseitige Abschirmung der Ladungsträger 3, 4 fort, so daß mit den Fragmenten 5, 6 zwei nach außen geladene freie Teilchen entstehen, die für eine weitere Anwendung zur Verfugung stehen (siehe unten) .The movement (to the right in FIG. 1) of the cluster 2 leads to a collision (not shown) with the target 1, as a result of which the cluster disintegrates into fragments 5, 6 and 7, which collide against the rigid boundary A 6 Move area to the left. The right part of FIG. 1 shows the situation after the collision between cluster 2 and target 1. The cluster fragments 5, 6 and 7 move away from the interface, the cation 4 and the anion 3 being on different fragments 5 and 6, respectively. The inertial movement of cluster fragments 5 and 6 overcomes the mutual Coulomb attraction. After the fragmentation, the mutual shielding of the charge carriers 3, 4 ceases, so that the fragments 5, 6 form two free particles which are charged to the outside and are available for further use (see below).
Figur 2 illustriert eine abgewandelte Ausfuhrungsform der Erfindung, bei der die Beladung des Clusters mit dem Reaktionspartner erst beim Zusammenprall mit der Grenzflache erfolgt. Entsprechend dem linken Teil von Fig. 2 bewegt sich der Cluster 10 auf die Oberflache des Targets 1 zu, das beispielsweise aus Gold besteht und auf seiner Oberflache Adsorbate 11 trägt, die die Reaktionspartner zur Ladungstragertrennung im Cluster darstellen. Die Bedeckung der Substratoberflache erfolgt über eine Reaktionspartner-Zufuhreinrichtung 12, die beispielsweise durch einen Verdampfungsofen gebildet wird. Er- findungsgemaß kann vorgesehen sein, daß durch die Reaktionspartner-Zufuhreinrichtung 12 laufend Adsorbate auf die Substratoberflache zugeführt werden, um bei vorausgegangenen Clu- ster-Oberflachenstoßen abgetragene Adsorbate zu ersetzen und so eine im zeitlichen Mittel konstante Oberflachenbedeckung aufrechzuerhalten. Damit wird eine wahrend des Cluster- beschusses kontinuierlich arbeitende Ionenquelle bereitgestellt.FIG. 2 illustrates a modified embodiment of the invention, in which the cluster is loaded with the reaction partner only when it collides with the boundary surface. According to the left part of FIG. 2, the cluster 10 moves towards the surface of the target 1, which, for example, consists of gold and carries adsorbates 11 on its surface, which represent the reaction partners for charge carrier separation in the cluster. The substrate surface is covered by a reactant supply device 12, which is formed, for example, by an evaporation furnace. According to the invention, it can be provided that adsorbates are continuously fed onto the substrate surface by the reactant supply device 12 in order to replace adsorbates worn away in previous clusters of the surface and thus to maintain a surface coverage that is constant over time. This provides an ion source that works continuously during cluster bombardment.
Während des nicht dargestellten Zusammenstoßes des Clusters 10 mit der adsorbatbedeckten Oberfläche des Targets 1 nimmt der Cluster 10 mindestens ein Adsorbat-Atom oder -Molekül vom Target 1 auf. Das Atom oder Molekül wird als Reaktionspartner in der Tragersubstanz des Clusters gelost. Im Cluster kommt es unmittelbar zur chemischen Reaktion zwischen dem aufgenommenen Reaktionspartner und mindestens einem Clusterbestandteil, die zu ionischen Produkten fuhrt (Ladungstragertrennung) . Nach dem Zusammenstoß des Clusters 10 mit der adsorbatbedeckten Oberflache des Substrats 1 (siehe Fig. 2, rechter Teil) entfernen sich die durch die Wechselwirkung des Clusters an der Grenzflache gebildeten Clusterfragmente 13, 14 und 15 von der Oberflache des Substrats 1. Die durch die Aufnahme des Adsorbats 11 im Cluster 10 entstandenen ionischen Produkte befinden sich auf verschiedenen Fragmenten 13, 14 und entfernen sich voneinander. Wiederum wird die zur Überwindung der gegenseitigen Coulomb-Anziehung erforderliche Energie durch die Tragheitsbewegung der Clusterfragmente aufgebracht. Die Clusterfragmente 13, 14 bilden nach außen geladene, freie Teilchen, die der weiteren Anwendung zur Verfugung stehen.During the collision, not shown, of the cluster 10 with the adsorbate-covered surface of the target 1, the cluster 10 picks up at least one adsorbate atom or molecule from the target 1. The atom or molecule is dissolved as a reaction partner in the carrier substance of the cluster. It happens in the cluster directly to the chemical reaction between the reactant taken up and at least one cluster component, which leads to ionic products (charge carrier separation). After the cluster 10 collides with the adsorbate-covered surface of the substrate 1 (see FIG. 2, right part), the cluster fragments 13, 14 and 15 formed by the interaction of the cluster at the interface are removed from the surface of the substrate 1 The absorption of the adsorbate 11 in the cluster 10 resulting ionic products are on different fragments 13, 14 and are separated from one another. Again, the energy required to overcome the mutual Coulomb attraction is applied by the inertial movement of the cluster fragments. The cluster fragments 13, 14 form externally charged, free particles which are available for further use.
Der in Fig. 2 illustrierte Vorgang ist die Basis für verschiedene Anwendungen der erfindungsgemaßen Clusterfragmentation. Durch die Bestrahlung der Targetoberflache mit einem Clusterstrahl unter laufender Adsorbat-Zufuhr wird beispielsweise eine kontinuierlich arbeitende Ionenquelle gebildet. Statt eines flachigen Targets 1 kann auch em nach Art einer Maske anwendungsabhangig mit vorbestimmten Randern begrenzt gebildetes Substrat vorgesehen sein, das bei Bestrahlung mit Clustern eine lokale Ionenquelle m t bestimmten geometrischen Eigenschaften bildet. Alternativ können mit dem Verfahren gezielt Adsorbate von der Oberflache aufgenommen und einer Analyse unterzogen werden. Hierzu werden die geladenen Fragmente unter Verwendung elektrischer Felder beispielsweise m em Massenspektrometer überfuhrt.The process illustrated in FIG. 2 is the basis for various applications of the cluster fragmentation according to the invention. By irradiating the target surface with a cluster beam while continuously supplying adsorbate, a continuously working ion source is formed, for example. Instead of a flat target 1, it is also possible to provide a substrate which is formed in a manner dependent on the application with predetermined margins in the manner of a mask and which forms a local ion source m t of certain geometric properties when irradiated with clusters. Alternatively, adsorbates can be picked up from the surface and subjected to an analysis using the method. For this purpose, the charged fragments are transferred using electrical fields, for example a mass spectrometer.
Fig. 2 illustriert gleichzeitig die Anwendung der erfindungsgemaßen Clusterfragmentation zur Quantifizierung und Analyse von Clustern und Aerosolpartikeln insbesondere natürlichen Ursprungs. In diesem Fall stellt das einfallende Teilchen 10 einen Cluster oder em Aerosolteilchen mit eventuell unbekann- ter Zusammensetzung dar, welches durch geeignete Vorrichtungen aus einem Probenraum in den Clusterfragmentationsraum überfuhrt wurde. Dem Cluster bzw. Aerosolteilchen 10 wird vor der Fragmentation em Reaktionspartner zugeführt, der zur Bildung von Ladungstragerpaaren im Cluster bzw. Aerosolteilchen 10 fuhrt. Die Zufuhr kann, wie dargestellt, im Stoß mit einer reaktionspartnerbedeckten Oberflache erfolgen. Da Aerosolpartikel naturlichen Ursprungs einen hohen Anteil an Wasser und anderen polaren Molekülen enthalten, ist als Reaktionspartner ein Alkalimetall-Atom besonders vorteilhaft, da das Alkaliatom polarer Umgebung spontan sein Valenzelektron abgibt unter Bildung eines Alkalimetall-Kations . Desgleichen sind alle Atome mit einer niedrigen Ionisationsenergie unter 10 eV geeignet, insbesondere auch Vertreter der 3. Hauptgruppe. Die mittels der Clusterfragmentation freigesetzten geladenen Bruchstucke können einer Ladungsmengenbestimmung zugeführt werden, um die Konzentration der ursprünglichen Cluster/Aerosole im Probenvolumen zu bestimmen und/oder einer massenspektrometrischen Analyse zur Bestimmung der Zusammensetzung der Ausgangscluster bzw. -aerosole.2 simultaneously illustrates the use of the cluster fragmentation according to the invention for the quantification and analysis of clusters and aerosol particles, in particular of natural origin. In this case, the incident particle 10 constitutes a cluster or an aerosol particle with possibly unknown ter composition, which was transferred by suitable devices from a sample room into the cluster fragmentation room. Before the fragmentation, the reaction partner is fed to the cluster or aerosol particle 10, which leads to the formation of charge carrier pairs in the cluster or aerosol particle 10. As shown, the supply can take place in a bump with a surface covered with reaction partners. Since aerosol particles of natural origin contain a high proportion of water and other polar molecules, an alkali metal atom is particularly advantageous as a reaction partner, since the alkali atom of a polar environment spontaneously releases its valence electron to form an alkali metal cation. Likewise, all atoms with a low ionization energy below 10 eV are suitable, especially representatives of the 3rd main group. The charged fragments released by means of the cluster fragmentation can be fed to a charge quantity determination in order to determine the concentration of the original clusters / aerosols in the sample volume and / or a mass spectrometric analysis to determine the composition of the starting clusters or aerosols.
E besonderer und unerwarteter Gesichtspunkt der Erfindung ist darin zu sehen, daß für die m Fig. 2 illustrierte Ladungstrennung nach der Beladung mit dem Reaktionspartner wahrend des Zusammenstoßes mit der Grenzflache lediglich em sehr kurzes Zeitfenster m der Größenordnung von 1 ps oder weniger zur Verfugung steht. Diese kurze Zeit genügt, um eine ausreichende Trennung der delokalisierten Ladungsträger zu erzielen.A special and unexpected aspect of the invention is to be seen in the fact that for the charge separation illustrated in FIG. 2 after loading with the reaction partner, only a very short time window m of the order of 1 ps or less is available during the collision with the interface. This short time is sufficient to achieve sufficient separation of the delocalized charge carriers.
Eine alternative Anwendung des m Fig. 2 gezeigten Prinzips wird im folgenden unter Bezug auf die in Fig. 3 illustrierte Analyse von Oberflachen erläutert. Das Target wird durch em Substrat 21 gebildet. Das Substrat 21 besteht beispielsweise aus Silizium. Auf der zu analysierenden Oberflache des Substrats 21 befinden sich gemäß Fig. 3 (Imker Teil) Adsorbate z.B. m Form von Sub-Monolagen elektrisch neutraler Alka- limetallatome (z.B. Li, K, Na oder Cs) . Die Bewegung des Clusters 20 führt zum Zusammenstoß mit der Oberfläche, wobei der Cluster 20 ein Alkalimetall-Atom 22 aufnimmt. Wiederum gibt das Alkalimetall durch die Wechselwirkung mit den polaren S02- Molekülen spontan ein Valenzelektron an die Clusterumgebung ab, wobei ein Alkali-Kation 23 und ein Schwefeldioxid-Anion 24 gebildet werden. Die Situation nach dem nicht dargestellten Zusammenstoß ist im rechten Teil von Fig. 3 dargestellt. Die im Ergebnis der Clusterfragmentation gebildeten Clusterfrag- mente 25, 26 und 27 entfernen sich von der Oberfläche des Substrats 21, wobei sich die im ursprünglichen Cluster 20 getrennten Ladungsträger 23, 24 auf verschiedenen Fragmenten 26, 27 befinden und voneinander entfernen. Wie bei den oben erläuterten Beispielen wird die Coulomb-Anziehung durch die Trägheitsbewegung der ionisierten Clusterfragmente kompensiert .An alternative application of the principle shown in FIG. 2 is explained below with reference to the analysis of surfaces illustrated in FIG. 3. The target is formed by the substrate 21. The substrate 21 is made of silicon, for example. 3 (beekeeping part) there are adsorbates, for example in the form of sub-monolayers of electrically neutral alkali metal, on the surface of the substrate 21 to be analyzed. lime metal atoms (e.g. Li, K, Na or Cs). The movement of the cluster 20 leads to a collision with the surface, the cluster 20 receiving an alkali metal atom 22. Again, the alkali metal spontaneously releases a valence electron to the cluster environment through the interaction with the polar SO 2 molecules, an alkali cation 23 and a sulfur dioxide anion 24 being formed. The situation after the collision, not shown, is shown in the right part of FIG. 3. The cluster fragments 25, 26 and 27 formed as a result of the cluster fragmentation move away from the surface of the substrate 21, the charge carriers 23, 24 separated in the original cluster 20 being located on different fragments 26, 27 and moving away from one another. As with the examples explained above, the Coulomb attraction is compensated for by the inertial movement of the ionized cluster fragments.
Die nach der räumlichen Trennung gewonnenen freien Ionen 26, 27 können in einem Massenspektrometer analysiert werden, um die Zusammensetzung der aufgenommenen Oberflächenadsorbate zu bestimmen.The free ions 26, 27 obtained after the spatial separation can be analyzed in a mass spectrometer in order to determine the composition of the recorded surface adsorbates.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Analyse von Oberflächenabsorbaten auf eine Vielzahl von Elementen ausgedehnt werden kann. Allgemein sind alle Elemente nachweisbar, die eine genügend geringe Ionisierungsenergie besitzen. Es werden vorzugsweise Elemente mit Ionisierungsenergien unterhalb von 6.5 eV nachgewiesen. Zu diesen zählen neben den genannten Alkalimetallen auch die Elemente In, Y, Gd, U, Er, T , Tu, Sn, Ce, Pr, Ba, Rb, Yb, Tl, Th, Sr, La, Nd, Ra, Pu, Fr, AI und Ga. Besonderes Interesse besteht bspw. bei der Spurenanalyse von radioaktiven Substanzen, wie z. B. Plutonium. Die mit dem erfindungsgemäßen Analyseverfahren erzielte Empfindlichkeit beträgt ca. 1000 Atome/cm2. Dies entspricht einer Bedeckung von 1010 Monolagen. Hinzu kommt, dass mit einer Clusterbestrahlung große Flächen (z. B. 1 cm2) des zu ana- lysierenden Substrats erfasst werden, so dass ein rasterartiges Abtasten großer Oberflächen effektiv möglich ist. Dies stellt einen entscheidenden Vorteil gegenüber anderen höchst empfindlichen Verfahren zur Spurenanalyse, wie z. B. dem SIMS- Verfahren, dar, bei dem lediglich kleine Messflecken im Sub- mm-Bereich erfassbar sind. Mit dem SIMS-Verfahren lasst sich bspw. innerhalb faktisch interessierender Messzeiten eine größere Oberfläche, bspw. die Oberfläche eines Behälters für radioaktives Material, nicht abtasten.A particular advantage of the invention is that the analysis of surface absorbates can be extended to a large number of elements. In general, all elements can be detected that have a sufficiently low ionization energy. Elements with ionization energies below 6.5 eV are preferably detected. In addition to the alkali metals mentioned, these also include the elements In, Y, Gd, U, Er, T, Tu, Sn, Ce, Pr, Ba, Rb, Yb, Tl, Th, Sr, La, Nd, Ra, Pu, Fr, AI and Ga. There is particular interest, for example, in the trace analysis of radioactive substances, such as. B. Plutonium. The sensitivity achieved with the analysis method according to the invention is approximately 1000 atoms / cm 2 . This corresponds to a coverage of 10 10 monolayers. In addition, large areas (e.g. 1 cm 2 ) of the ana- lysing substrate are detected, so that a raster-like scanning of large surfaces is effectively possible. This is a decisive advantage over other highly sensitive methods for trace analysis, such as. B. the SIMS method, in which only small measuring spots in the sub-mm range can be detected. With the SIMS method, for example, a larger surface, for example the surface of a container for radioactive material, cannot be scanned within measurement times that are actually of interest.
Das in Fig. 3 illustrierte Verfahren kann entsprechend auch zur Reinigung von Substratoberflachen verwendet werden. Gemäß Fig. 4 (linker Teil) bewegt sich ein Cluster 30 aus polaren Molekülen (z. B. Schwefeldioxid) auf das zu reinigende Substrat 31 zu. Das Substrat 31 ist mit elektrisch neutralen Ad- sorbaten, z.B. Alkalimetall-Adsorbaten 32 verunreinigt. Beim nicht dargestellten Zusammenstoß des Clusters 30 mit dem Substrat 31 wird das Adsorbat 32 aufgenommen und mit den Cluster- fragmenten entfernt. Im rechten Teil von Fig. 4 ist die Situation nach dem Zusammenstoß illustriert. Die Menge des Ad- sorbats auf dem Substrat 31 ist reduziert. Die Verunreinigungen werden von der Grenzflache abgetragen und gleichzeitig in ionische Teilchen überfuhrt, die besonders einfach mit elektromagnetischen Mitteln abgesaugt werden können. Wiederum können die freien Ionen einer Analyse zur Bestimmung der Zusammensetzung der Oberflachenverunreinigung unterzogen werden. Bei bekannter Art der Verunreinigung kann auf die massenspekt- roskopische Analyse auch verzichtet werden und statt dessen eine Ladungsmessung erfolgen. Mit der Ladungsmessung wird die Gesamtladung einer der beiden Polaritäten ermittelt und daraus unmittelbar auf den Grad der Verunreinigung bzw. der Fortschritt der Reinigung zuruckgeschlossen .The method illustrated in FIG. 3 can accordingly also be used for cleaning substrate surfaces. 4 (left part), a cluster 30 of polar molecules (e.g. sulfur dioxide) moves towards the substrate 31 to be cleaned. The substrate 31 is covered with electrically neutral adsorbates, e.g. Alkali metal adsorbates 32 contaminated. When the cluster 30, not shown, collides with the substrate 31, the adsorbate 32 is taken up and removed with the cluster fragments. In the right part of Fig. 4 the situation after the collision is illustrated. The amount of adsorbate on the substrate 31 is reduced. The contaminants are removed from the interface and at the same time converted into ionic particles, which can be extracted particularly easily with electromagnetic means. Again, the free ions can be subjected to an analysis to determine the composition of the surface contamination. If the type of contamination is known, it is also possible to dispense with the mass-spectroscopic analysis and instead carry out a charge measurement. With the charge measurement, the total charge of one of the two polarities is determined, and the degree of contamination or the progress of the cleaning process can be directly deduced from this.
Eine Erweiterung des in Fig. 2 illustrierten Prinzips der Clu- sterbeladung an der Grenzflache (sogenannte "Pickup"-Beladung) gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung ist Fig. ist m Fig. 5 dargestellt. Entsprechend dem linken Teil von Fig. 5 bewegt sich em großer Cluster 40 aus Molekülen geringer Elektronenaffmitat , z. B. aus Ammoniak-Molekülen auf das Target 41 zu. Die Grenzflache wird durch den Übergang zwischen der Gasphase und dem Target, z.B. aus Gold, gebildet. Die Grenzflache ist mit elektrisch neutralen Alkalimetall-Adsor- baten 42, z.B. Li, K, Na oder Cs, und weiteren neutralen Molekülen 43 belegt. Die Moleküle 43 umfassen beispielsweise organische Moleküle oder Makromoleküle, wie z.B. einen DNA-Abschnitt. Wahrend des nicht dargestellten Zusammenstoßes zwischen dem Cluster 40 und dem Target 41 kann der Cluster 40, wie oben beschrieben, das Alkalimetall-Adsorbat 42 und/oder das neutrale Molekül 43 aufnehmen und von der Grenzflache 41 ablosen.An extension of the principle of cluster loading at the boundary surface (so-called "pickup" loading) illustrated in FIG. 2 according to a further embodiment of the invention is FIG. is shown in Fig. 5. According to the left part of FIG. 5, a large cluster 40 of molecules with low electron affinity, e.g. B. from ammonia molecules to the target 41. The interface is formed by the transition between the gas phase and the target, for example made of gold. The interface is covered with electrically neutral alkali metal adsorbents 42, for example Li, K, Na or Cs, and other neutral molecules 43. The molecules 43 comprise, for example, organic molecules or macromolecules, such as a DNA section. During the collision (not shown) between the cluster 40 and the target 41, the cluster 40, as described above, can absorb the alkali metal adsorbate 42 and / or the neutral molecule 43 and detach it from the interface 41.
Nimmt der Cluster 40 beim Zusammenstoß allem das Molekül 43 auf und kommt es zu keiner Reaktion zwischen dem Cluster und dem Molekül, so erfolgt allem dessen Transfer in die Gasphase. Nach der Verkleinerung der Clusterhulle um das Molekül 43 durch die stoßmduzierte Fragmentation kann es durch Abdampfen einzelner Bausteine des jeweiligen Clusterfragments zu einem thermischen Energieentzug kommen, so daß am Ende das neutrale Molekül mit nur minimaler innerer energetischer Anregung in die Gasphase gebracht wird. Die Zahl der Clusterbausteme, die das Molekül umgeben, kann dabei bis auf 0 reduziert werden. Diese Verfahrensweise stellt eine extrem schonende Überführung neutraler Moleküle in die Gasphase dar, die insbesondere für empfindliche, biologisch wirksame Makromoleküle von InteresseIf the cluster 40 picks up all of the molecule 43 during the collision and there is no reaction between the cluster and the molecule, everything is transferred into the gas phase. After the cluster envelope around the molecule 43 has been reduced in size by the shock-reduced fragmentation, individual components of the respective cluster fragment can be evaporated, so that thermal energy can be withdrawn, so that in the end the neutral molecule is brought into the gas phase with only minimal internal energetic excitation. The number of cluster building systems that surround the molecule can be reduced to 0. This procedure represents an extremely gentle transfer of neutral molecules into the gas phase, which is of particular interest for sensitive, biologically active macromolecules
Nimmt der Cluster 40 beim Zusammenstoß mit der Grenzflache allem das Alkalimetall-Adsorbat 42 auf, so gibt dieses durch die Wechselwirkung mit den polaren Ammoniak-Molekülen des Clusters 40 spontan em Valenzelektron an die Umgebung im Cluster ab, wobei em Alkali-Kation 44 und em delokalisiertes Elektron 45 gebildet werden. Wegen der fehlenden Elektronenaffmi- äffinitat von molekularem Ammoniak kommt es jedoch nicht zur Bildung von Ammoniak-Anionen. Das delokalisierte Elektron kann entweder durch Dipol-Kafige im Cluster stabilisiert werden oder noch wahrend des Zusammenstoßes in den Gold-Festkorper übergehen oder ein freies Elektron außerhalb des Clusters bilden.If the cluster 40 absorbs all of the alkali metal adsorbate 42 when it collides with the interface, this spontaneously releases a valence electron to the environment in the cluster through the interaction with the polar ammonia molecules of the cluster 40, with an alkali cation 44 and em delocalized electron 45 are formed. Because of the lack of electron affinity However, the affinity of molecular ammonia does not lead to the formation of ammonia anions. The delocalized electron can either be stabilized by dipole cages in the cluster or can pass into the gold solid during the collision or form a free electron outside the cluster.
Nimmt der Cluster 40 beim Zusammenstoß sowohl das Alkali- Adsorbat 42 als auch das neutrale Molekül 43 auf, so ergeben sich wiederum die oben beschriebenen Ablaufe, wobei zusatzlich das delokalisierte Elektron durch das Molekül 43 stabilisiert werden kann. Des weiteren kann auch das Alkali-Kation 44 auf demselben Clusterfragment wie das Molekül 43 zu liegen kommen, so daß mit dem Transfer des Moleküls 43 in die Gasphase simultan auch dessen Ionisierung erzielt wird. Nach dieser zerstörungsfreien Ionisierung kann das Molekül-Ion, das sich außerdem durch eine niedrige kinetische Energie auszeichnet, direkt einer massenspektroskopischen Analyse unterzogen werden.If the cluster 40 receives both the alkali adsorbate 42 and the neutral molecule 43 during the collision, the processes described above again arise, with the delocalized electron additionally being able to be stabilized by the molecule 43. Furthermore, the alkali cation 44 can also lie on the same cluster fragment as the molecule 43, so that the ionization is simultaneously achieved with the transfer of the molecule 43 into the gas phase. After this non-destructive ionization, the molecular ion, which is also characterized by a low kinetic energy, can be subjected directly to a mass spectroscopic analysis.
Figur 6 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel einer erfindungsgemaßen Vorrichtung zur Untersuchung und/oder Modifizierung von Grenzflachen in Form eines Clusterstrahlsystems. Das Clusterstrahlsystem befindet sich in einer (nicht dargestellten) mehrteiligen Reaktionskammer, die beispielsweise wie eine herkömmliche Zweikammer-Molekularstrahlapparatur (Hintergrunddruck ohne Clusterstrahl 10~ mbar ... 10~ mbar) aufgebaut ist. Das Clusterstrahlsystem umfaßt eine Clustererzeugungseinrichtung 60, 61, gegebenenfalls mit einem Strahlbegrenzer 63, eine Cluster- fragmentationseinrichtung 62 und eine Meßeinrichtung 64. Des weiteren können Steuer- und Lenkeinrichtungen für die ionisierten Clusterfragmente vorgesehen sein, die jedoch an sich als Manipulatoren für geladene Teilchen bekannt und daher nicht gesondert eingezeichnet sind. Die Clustererzeugungseinrichtung umfaßt eine Düse 60 und ein Versorgungssystem 61. Die Düse ist vorzugsweise eine gepulst betriebene Düse mit anwendungsabhangig gewählten Parametern, kann aber auch A3 dungsabhangig gewählten Parametern, kann aber auch kontinuierlich betrieben werden.FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a device according to the invention for examining and / or modifying boundary surfaces in the form of a cluster beam system. The cluster beam system is located in a multi-part reaction chamber (not shown), which is constructed, for example, like a conventional two-chamber molecular beam apparatus (background pressure without cluster beam 10 ~ mbar ... 10 ~ mbar). The cluster beam system comprises a cluster generating device 60, 61, optionally with a beam limiter 63, a cluster fragmentation device 62 and a measuring device 64. Furthermore, control and steering devices can be provided for the ionized cluster fragments, which, however, are known per se as manipulators for charged particles are therefore not shown separately. The cluster generating device comprises a nozzle 60 and a supply system 61. The nozzle is preferably a pulsed nozzle with parameters selected depending on the application, but can also A3 parameters depending on the application, but can also be operated continuously.
Typische Parameter für den gepulsten Betrieb sind beispielsweise ein Dusendurchmesser von 0.5 mm, eine Pulsbreite von 400 μs und em Stagnationsdruck von bis zu 20 bar. Über das Versorgungssystem 61 wird der Düse ein Arbeitsgas zugeführt, das aus der Tragersubstanz der zu erzeugenden Cluster oder aus einem Gasgemisch aus der Tragersubstanz und einem inerten Zusatz oder aus einem Gasgemisch aus der Tragersubstanz und dem Reaktionspartner besteht. Das Arbeitsgas ist beispielsweise ein Gemisch aus Schwefeltetrafluorid und Helium. An der Düse 60 wird das Arbeitsgas mit einem bestimmten, anwendungsabhan- gig gewählten Expansionsverhaltnis (z.B. 1:30) expandiert. Im stromabwärts nach der Düse 60 gelegenen Teil der Reaktionskammer herrscht em Druck von rund 10"3 mbar. Nach der Expansion erfolgt die Clusterbildung in an sich bekannter Weise durch Kondensation. Die Clustergrößenverteilung kann mit einer Bremsfeldtechnik, wie sie z.B. von 0. S. Hagena et al. in "J. Chem. Phys.", Band 56, 1972, Seite 1793 ff, beschrieben wird, unter Verwendung einer 30 eV Elektronenstoßionisierung gemessen werden.Typical parameters for pulsed operation include a nozzle diameter of 0.5 mm, a pulse width of 400 μs and a stagnation pressure of up to 20 bar. A working gas is supplied to the nozzle via the supply system 61, which consists of the carrier substance of the clusters to be generated or of a gas mixture of the carrier substance and an inert additive or of a gas mixture of the carrier substance and the reaction partner. The working gas is, for example, a mixture of sulfur tetrafluoride and helium. At the nozzle 60, the working gas is expanded with a specific expansion ratio chosen for the application (for example 1:30). A pressure of around 10 -3 mbar prevails in the part of the reaction chamber located downstream of the nozzle 60. After the expansion, the clustering takes place in a manner known per se by condensation et al. in "J. Chem. Phys. ", Volume 56, 1972, page 1793 ff., Can be measured using 30 eV electron impact ionization.
Der Zusatz des inerten Gases bei der Clustererzeugung dient der Beeinflussung der Clustergeschwindigkeit bei der Clustererzeugung. Als Inertgase werden beispielsweise Ne, He oder H2 verwendet . Die Clustergroßen und -geschwmdigkeiten hangen von der Inertgasmenge und den Gasdrucken bei der Expansion ab. Bei den oben genannten Parametern ergeben sich für die Clustergeschwindigkeit Werte im Bereich von 750 ms" bis 2.5 • 103 ms-1 und eine mittlere Clustergroße im Bereich von 1 bis 750 Atomen oder Molekülen.The addition of the inert gas during cluster generation serves to influence the cluster speed during cluster generation. For example, Ne, He or H 2 are used as inert gases. The cluster sizes and speeds depend on the amount of inert gas and the gas pressures during expansion. With the above parameters, the cluster speed results in values in the range from 750 ms " to 2.5 • 10 3 ms -1 and an average cluster size in the range from 1 to 750 atoms or molecules.
Der aus der Dusenoffnung austretende Clusterstrahl wird durch den Strahlbegrenzer 63 (sogenannter Skimmer) in seiner radialen Ausdehnung beschrankt und trifft auf die Clusterfragmenta- Vi tionsemπchtung, die beim dargestellten Beispiel durch eine m der Strahlrichtung angeordnete Festkorperoberflache 62 (Target) gebildet wird.The radial extension of the cluster jet emerging from the nozzle opening is restricted by the jet limiter 63 (so-called skimmer) and strikes the cluster fragments. Vi tionsemπchtung, which in the example shown is formed by a solid surface 62 arranged in the beam direction (target).
Der Skimmer dient einer Druckuntersetzung und der Einführung einer Ortsauflosung bei der Targetbestrahlung (Bestrahlung bestimmter Probenbereich) . Die Durchfuhrung der Clusterfragmentation bei einem Druck, der kleiner als der Atmospharendruck ist, besitzt den Vorteil, daß dadurch eine größere freie Weglange für die sich bewegenden Cluster und ionisierten Clusterfragmente bereitgestellt wird. Die radiale Beschrankung des Clusterstrahls ermöglicht es, ortsaufgeloste Ionensignale von der Grenzflache zu erhalten und damit eine ortsaufgeloste Oberflachenanalyse (bis in den mm... μm-Bereich) durchzufuhren. Die Festkorperoberflache 62 bildet die Grenzflache zur Clusterfragmentation und besteht beispielsweise aus einem Die- lektπum, Silizium, Gold oder Stahl. Der Abstand des Targets (Festkorperoberflache 62) von der Düse betragt bei einem Meßaufbau beispielsweise rund 30 cm. Der Clusterstrahldurchmes- ser auf dem Target betragt rund 8 mm. Es kann vorgesehen sein, daß das Target mit einer Temperierungsemrichtung (nicht dargestellt) auf eine bestimmte Betriebstemperatur, z.B. im Bereich von 400 K bis 600 K temperiert wird, um Bedingungen einzustellen, unter denen schwach gebundene molekulare Adsorbate bereits desorbiert sind. Nach Ablauf der oben beschriebenen Clusterfragmentationsvorgange an der Festkorperoberflache 62 bewegen sich die Clusterfragmente entgegengesetzt zur ursprunglichen Strahlrichtung, wobei sie in die Meßeinrichtung 64 abgelenkt werden.The skimmer serves to reduce the pressure and introduce a spatial resolution during target irradiation (irradiation of certain sample areas). Carrying out the cluster fragmentation at a pressure which is lower than the atmospheric pressure has the advantage that it provides a greater free path for the moving clusters and ionized cluster fragments. The radial restriction of the cluster beam makes it possible to obtain spatially resolved ion signals from the interface and thus to carry out a spatially resolved surface analysis (down to the mm ... μm range). The solid surface 62 forms the interface to the cluster fragmentation and consists, for example, of a dielectric, silicon, gold or steel. The distance of the target (solid surface 62) from the nozzle is, for example, around 30 cm in a test setup. The cluster beam diameter on the target is around 8 mm. It can be provided that the target with a temperature control device (not shown) to a certain operating temperature, e.g. is tempered in the range from 400 K to 600 K in order to set conditions under which weakly bound molecular adsorbates have already been desorbed. After the above-described cluster fragmentation processes on the solid surface 62, the cluster fragments move in the opposite direction to the original beam direction, being deflected into the measuring device 64.
Die Meßeinrichtung 64 ist em Massenspektrometer, vorzugsweise e Flugzeitmassenspektrometer, das zur Massenanalyse der ionisierten Clusterfragmente vorgesehen ist. Em Flugzeitmassenspektrometer besitzt gegenüber einem alternativ einsetzbaren Quadrupolmassenspektrometer den Vorteil, auch größere Massen, z.B. oberhalb der Masse 200, analysieren zu können. %$The measuring device 64 is a mass spectrometer, preferably a time-of-flight mass spectrometer, which is provided for the mass analysis of the ionized cluster fragments. A time-of-flight mass spectrometer has the advantage over an alternative quadrupole mass spectrometer that it is also possible to analyze larger masses, for example above mass 200. % $
Figur 7 zeigt die positiven und negativen Massenspektren der Kationen bzw. Anionen bei der erfindungsgemaßen Clusterfragmentation. auf einer Goldoberflache. Das gewählte reaktive System besteht aus einem Cluster aus polaren S02-Molekulen und auf der Stoßoberflache befindlichen Alkali-Atomen. Die Reaktion im Cluster besteht m der spontanen Abgabe des Alkali-Valenz-Elektrons an em S02-Molekul, vermittelt durch die polare Umgebung. Es kommt zur Bildung von Alkalikationen und S0-Anιonen, die durch die Clusterfragmentation auf Cluster- bruchstucke zu liegen kommen und raumlich voneinander getrennt werden. Die Massenskala (Abszisse) ist in Einheiten von S02- Massen aufgetragen. Die Ordinate stellt die gemessene Ionenzahl bzw. Ionenmtens tat (willkürliche Einheiten) dar. Die zwei Anionen-Spektren (unten) zeigen erwartungsgemäß Maxima der Form (S02)nS02 . Bei einem Experiment mit einer zusätzlichen Cs-Belegung der Oberflache (unteres Anionen-Spektrum) wird dieses Ergebnis reproduziert, wobei jedoch die Zahl der Anionen-Fragmente erhöht ist.FIG. 7 shows the positive and negative mass spectra of the cations or anions in the cluster fragmentation according to the invention. on a gold surface. The selected reactive system consists of a cluster of polar SO 2 molecules and alkali atoms on the collision surface. The reaction in the cluster consists of the spontaneous release of the alkali valence electron onto an S0 2 molecule, mediated by the polar environment. Alkaline cations and SO anions are formed, which come to rest on cluster fragments due to the cluster fragmentation and are spatially separated from one another. The mass scale (abscissa) is plotted in units of S0 2 masses. The ordinate represents the measured ion number or ion intensity (arbitrary units). As expected, the two anion spectra (below) show maxima of the form (S0 2 ) n S0 2 . In an experiment with an additional Cs coating on the surface (lower anion spectrum), this result is reproduced, but the number of anion fragments is increased.
Bei den zwei Kationen-Spektren (oben) zeigen sich ausschließlich Maxima der Form (S02)n M+ mιt M = Na, K, Cs . Erwartungsgemäß tragen alle positiven Clusterfragmente em Alkalikation. Bei zusatzlicher Belegung der Oberflache mit Cäsium werden die mit den Pfeilen markierten Cs+ (S02) n-Maxιma wesentlich verstärkt (oberstes Kationen-Spektrum) . Analoge Fragmentmassenspektren wurden auch bei anderen polaren Molekülen, mit H20-, NH_ und SF-Clustern, gefunden, wobei sich jeweils bestätigt, daß die positiv geladenen Clusterfragmente jeweils em Alkali- metallatom enthalten, das von der bestrahlten Grenzflache aufgenommen worden ist.The two cation spectra (above) show only maxima of the form (S0 2 ) n M + mιt M = Na, K, Cs. As expected, all positive cluster fragments have alkali application. If the surface is additionally coated with cesium, the Cs + (S0 2 ) n -Maxιma marked with the arrows are significantly strengthened (uppermost cation spectrum). Analog fragment mass spectra were also found in other polar molecules, with H 2 O, NH_ and SF clusters, it being confirmed that the positively charged cluster fragments each contain an alkali metal atom which has been taken up by the irradiated interface.
Das Clusterstrahlsystem 6 gemäß Fig. 6 kann dahingehend modifiziert sein, daß anstelle der Meßeinrichtung 64 oder ergänzend zu dieser eine Ladungsmeßeinrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen ist. Diese besteht beispielsweise aus einem m ge- ringem Abstand vor der Festkorperoberflache 62 angeordneten Gitter, das gegenüber dem Massenpotential mit einer vorbestimmten Spannung beaufschlagt ist. Je nach Polarität der Spannung wird ein Ionenfragmenttyp zum Gitter abgezogen, wahrend sich der jeweils andere Typ auf der Festkörperoberflache 62 absetzt, so daß diese aufgeladen wird. Mit einem Ladungs- meßgerat wird diese Aufladung gemessen. Aus der gemessenen Ladungsmenge laßt sich direkt die Zahl der ionisierten Fragmente ableiten.The cluster beam system 6 according to FIG. 6 can be modified such that a charge measuring device (not shown) is provided instead of or in addition to the measuring device 64. This consists, for example, of a m annular distance in front of the solid surface 62 arranged grid, which is applied to the mass potential with a predetermined voltage. Depending on the polarity of the voltage, one type of ion fragment is subtracted from the grid, while the other type settles on the solid surface 62 so that it is charged. This charge is measured with a charge measuring device. The number of ionized fragments can be derived directly from the measured amount of charge.
Eine weitere Anwendung des erfindungsgemaßen Clusterfragmentationsverfahrens ist in Fig. 8 am Beispiel eines Ionentriebwerks illustriert. Das Ionentriebwerk 7 umfaßt eine Clustererzeugungsemrichtung 70, 71, eine Clusterfragmentationsemπch- tung 72, 73, Steuer- und Lenkeinrichtungen 74, 75 und Beschleunigungseinrichtungen 76, 77. Das gesamte Ionentriebwerk ist zum Betrieb in einem evakuierten Reaktionsraum im Labor oder auch im Weltall ausgelegt. Die Clustererzeugungsemrichtung umfaßt wiederum eine gepulst betriebene Düse 70 und ein Versorgungssystem 71. Ein Gasgemisch, z.B. aus Schwefeldioxid und Helium bzw. H2, wird vom Versorgungssystem 71 zur Düse 70 gefuhrt und nach Durchtritt durch diese expandiert. Das Expan- sionsverhaltnis betragt beispielsweise 1:10. Der aus der Du- senöffnung austretende Clusterstrahl trifft auf das Target 72 der Clusterfragmentationseinrichtung, zu der ferner die Adsor- batzufUhreinrichtungen 73 gehören. Das Target 72 liegt auf Erdpotential und wird wahrend des Betriebs des Ionentriebwerks kontinuierlich von den Adsorbatzufuhremrichtungen 73, z.B. in Form von Verdampfungsofen, mit Adsorbaten belegt. Es werden Cluster aus polaren Tragermolekulen und Adsorbate aus Alkalimetallatomen, z.B. Cäsium, bevorzugt. Die im Verlauf des Zusammenstoßes der Cluster mit dem adsorbatbelegten Target 72 entstehenden positiven und negativen Clusterfragmente werden mit Hilfe der Abzugsgitter 74 raumlich getrennt und mittels magnetischer und/oder elektrischer Lenkeinrichtungen 75 in die gewünschte Richtung abgelenkt. Anschließend treten die ge- trennten Fragmente m die Beschleunigungeinrichtung 76, 77 e , die Elektrodenrohren 76 und Austrittsgitter 77 umfaßt. Die Elektrodenrohren 76 bestehen aus Metall und werden mit einem zeitlich veränderlichen, den Clusterpulsen (Aufprall z.B. alle 100 ms) angepaßten elektrischen Potential gegenüber dem Massepotential beaufschlagt. Das Austrittsgitter 77 liegt auf Massepotential. Die Elektrodenrohren 76 werden so angesteuert, daß nach Eintreten der Clusterfragmente eine polaπtatsabhan- gige Beschleunigung h zum Austrittsgitter erfolgt. Zur Einstellung der gewünschten Potentiale werden Spannungen in Hohe von typischerweise einigen 10 kV an die Elektrodenrohren 76 angelegt .A further application of the cluster fragmentation method according to the invention is illustrated in FIG. 8 using the example of an ion engine. The ion engine 7 comprises a cluster generation device 70, 71, a cluster fragmentation device 72, 73, control and steering devices 74, 75 and acceleration devices 76, 77. The entire ion engine is designed for operation in an evacuated reaction space in the laboratory or in space. The cluster generating device in turn comprises a pulsed nozzle 70 and a supply system 71. A gas mixture, for example of sulfur dioxide and helium or H 2 , is fed from the supply system 71 to the nozzle 70 and, after passing through it, is expanded. The expansion ratio is 1:10, for example. The cluster jet emerging from the nozzle opening strikes the target 72 of the cluster fragmentation device, which furthermore includes the adsorber feed devices 73. The target 72 is at earth potential and is continuously coated with adsorbates by the adsorbate supply devices 73, for example in the form of an evaporation furnace, during the operation of the ion engine. Clusters of polar carrier molecules and adsorbates of alkali metal atoms, for example cesium, are preferred. The positive and negative cluster fragments which arise in the course of the collision of the clusters with the adsorbate-covered target 72 are spatially separated with the aid of the extraction grids 74 and deflected in the desired direction by means of magnetic and / or electrical steering devices 75. Then the separated fragments m the acceleration device 76, 77 e, which includes electrode tubes 76 and outlet grille 77. The electrode tubes 76 are made of metal and are subjected to a time-varying electrical potential which is adapted to the cluster pulses (impact, for example, every 100 ms) with respect to the ground potential. The outlet grid 77 is at ground potential. The electrode tubes 76 are actuated in such a way that after the cluster fragments have entered, a polarity-dependent acceleration h to the outlet grid takes place. To set the desired potentials, voltages of typically a few 10 kV are applied to the electrode tubes 76.
Em besonderer Vorteil des Ionentriebwerks 7 gegenüber herkömmlichen Ionentriebwerken besteht darin, daß durch die Clusterfragmentation simultan jeweils zwei geladene Fragmente erzeugt werden, die beide für die Schuberzeugung verwendet werden können. Des weiteren können mit der Clusterfragmentation besonders schwere Ionen bereitgestellt werden, so daß der Schub des Ionentriebwerks erhöht wird.A particular advantage of the ion engine 7 over conventional ion engines is that the cluster fragmentation generates two charged fragments simultaneously, both of which can be used for thrust generation. In addition, particularly heavy ions can be provided with the cluster fragmentation, so that the thrust of the ion engine is increased.
Das erfmdungsgemaße Clusterfragmentierungsverfahren kann durch geeignete Auswahl des Tragermaterials der Cluster und der Geometrie des Aufpralls der Cluster auf eine Grenzflache dazu eingerichtet werden, dass im Ergebnis der Clustererzeu- gung vorwiegend besonders große, positiv geladene Clusterfrag- mente auftreten. Die Erzeugung besonders großer Fragmente, die im Wesentlichen nahezu die gleiche Große wie die Ausgangs- cluster aufweisen, besitzt insbesondere Vorteile beim Betrieb des Ionentriebwerks. Die großen Clusterfragmente besitzen eine große Masse und damit einen hohen Impuls. Die Material- und Geometrieanpassung basiert auf dem folgenden Konzept.The cluster fragmentation method according to the invention can be set up by suitable selection of the carrier material of the clusters and the geometry of the impact of the clusters on an interface so that particularly large, positively charged cluster fragments predominate as a result of the cluster generation. The generation of particularly large fragments, which are essentially the same size as the starting clusters, has particular advantages in the operation of the ion engine. The large cluster fragments have a large mass and therefore a high momentum. The material and geometry adjustment is based on the following concept.
Als Tragermaterial wird eine Substanz ohne oder mit einer ver- nachlassigbar geringen molekularen Elektronenaffinitat verwendet. Beispiele hierfür sind durch NH3 oder H20 gegeben. Im Un- 1% terschied zur Verwendung von S02 mit einer hohen molekularen Elektronenafmitat (siehe oben) wird das im Cluster vorhandene Elektron des Ladungstragerpaares nicht vom Tragermateπal aufgenommen. Statt dessen geht es zum Target oder auch in den freien Raum über. Im Ergebnis liegen lediglich positive (und ggf. neutrale) Clusterfragmente vor. Zur Forderung des Übergangs des Elektrons auf das Target besteht dieses vorzugsweise aus einem Metall mit einer hohen Austrittsarbeit (z. B. Wolfram) .A substance without or with a negligibly low molecular electron affinity is used as the carrier material. Examples of this are given by NH 3 or H 2 0. In the 1% difference to the use of S0 2 with a high molecular electron afmitate (see above), the electron of the charge carrier pair present in the cluster is not taken up by the carrier material. Instead, it goes to the target or the free space. The result is only positive (and possibly neutral) cluster fragments. To request the transition of the electron to the target, the latter preferably consists of a metal with a high work function (e.g. tungsten).
Um nun das verbleibende positiv geladene Clusterfragment möglichst groß zu bilden, erfolgt em Aufprall auf die Grenzflache unter einem Winkel ungleich 0° (bezogen auf die Oberflachennormale) . Es wird em streifender Einfall bei z. B. 70 bis nahezu 90° (bezogen auf die Oberflachennormale) realisiert, bei dem relativ wenige kinetische Energie auf den Cluster übertragen und zu dessen Fragmentation verwendet wird. Im Ergebnis der Fragmentation liegen verhältnismäßig große Fragmente vor. Bspw. kann bei Aufprall auf die Grenzflache mit Clustern aus z. B. 100 Atomen mit streifenden Einfall nach der Fragmentation immer noch e positiv geladenes Fragment mit z. B. 80 bis 90 Atomen vorhanden sein.In order to make the remaining positively charged cluster fragment as large as possible, it hits the interface at an angle not equal to 0 ° (based on the surface normal). It will grapple with z. B. 70 to almost 90 ° (based on the surface normal), in which relatively little kinetic energy is transferred to the cluster and used for its fragmentation. The fragmentation results in relatively large fragments. For example. can with clusters of z. B. 100 atoms with grazing incidence after fragmentation still e positively charged fragment with z. B. 80 to 90 atoms.
Die Erzeugung vorwiegend positiver Clusterfragmente ist m Figur 9 illustriert. Figur 9 zeigt das Ergebnis der massen- spektrometischen Untersuchung von Fragmenten bei streifendem Aufprall auf em mit Na-Atomen belegtes Target mit NH3- Clustern (Kurven A, B) bzw. S02-dotιerten NH3-Clustern (Kurve C) . Im linken Teil von Figur 9 sind die im Zeitverlauf eintreffenden Cluster mit verschiedenen Massen gezeigt. Im rechten Teil von Figur 9 ist die Massenverteilung der Cluster auf einem engen Zeitbereich illustriert. Die Analyse der positiven Cluster (Kurve A) ergibt bei reinen NH3-Clustern em Bild analog zu Figur 7. Die Maxima entsprechend den Vielfachen der solvatisierten Nationen sind erkennbar. Bei der Messung von negativ geladenen Clustern (Kurve B) finden sich keine Maxima. Es sind keine negativ geladenen Cluster nachweisbar. Die negativen Ladungsträger (Elektronen) sind zum Target oder m den freien Raum geflossen. Erfolgt eine Dotierung der Cluster mit S02, so wird auch im negativen Kanal des Massenspektrometers das von Figur 7 bekannte Bild gemessen. In diesem Fall werden die Elektronen von S02 übernommen. Entsprechend negativ geladene Clusterfragmente sind nachweisbar.The generation of predominantly positive cluster fragments is illustrated in FIG. 9. FIG. 9 shows the result of the mass spectrometric analysis of fragments in grazing impact on a target coated with Na atoms with NH 3 clusters (curves A, B) or SO 2 -doped NH 3 clusters (curve C). In the left part of FIG. 9, the clusters arriving over time are shown with different masses. The right part of FIG. 9 illustrates the mass distribution of the clusters over a narrow time range. The analysis of the positive clusters (curve A) in the case of pure NH 3 clusters gives an image analogous to FIG. 7. The maxima corresponding to the multiples of the solvated nations can be seen. There are no maxima when measuring negatively charged clusters (curve B). No negatively charged clusters are detectable. The negative charge carriers (electrons) flowed to the target or the free space. If the clusters are doped with S0 2 , the image known from FIG. 7 is also measured in the negative channel of the mass spectrometer. In this case, the electrons are taken from S0 2 . Correspondingly negatively charged cluster fragments are detectable.
Gegenüber den erläuterten Beispielen kann die Erfindung wie folgt modifiziert sein. Zur Beladung der Cluster mit dem Reaktionspartner können bereits bei der Clustererzeugung die Tragersubstanz und die Reaktionspartner als zwei Reaktionspartner beteiligt sein (z.B.H20 und NH3) . Der Cluster wird dann bei der adiabatischen Expansion eines Gemisches beider Reaktionspartner aufgebaut. Dies besitzt den Vorteil einer hohen sowie über die Gaszusammensetzung einstellbaren Dichte reaktiver Teilchen im Cluster. Zur Beladung der Cluster beim Zusammenstoß mit der Grenzflache kann anstelle der beschriebenen Belegung der Grenzflache mit Adsorbaten auch vorgesehen sein, daß der Reaktionspartner selbst Bestandteil der Grenzflache ist oder diese bildet. Dies hat den Vorteil, daß über die Flachendichte der Reaktionspartner die Menge an Ladungstragerpaaren im Cluster gesteuert werden kann. Gegenüber der Gasphase-Beladung besteht der Vorteil, daß jeder Cluster mit der Oberflache und damit potentiell mit Reaktionspartnern m Wechselwirkung tritt, so daß geringe Wirkungsgrade entsprechend den geringeren Stoßquerschnitten m der Gasphase vermieden werden. Anwendungsab- hangig ist es möglich, einzelne Cluster oder Clusterstrahlen zu fragmentieren.Compared to the examples explained, the invention can be modified as follows. To load the clusters with the reaction partner, the carrier substance and the reaction partner can be involved as two reaction partners (eg H 2 0 and NH 3 ) during the cluster generation. The cluster is then built up during the adiabatic expansion of a mixture of both reactants. This has the advantage of a high density of reactive particles in the cluster that can be adjusted via the gas composition. To load the clusters in the event of a collision with the interface, instead of covering the interface with adsorbates as described, it can also be provided that the reactant itself is part of the interface or forms it. This has the advantage that the amount of charge carrier pairs in the cluster can be controlled via the surface density of the reactants. Compared to gas phase loading, there is the advantage that each cluster interacts with the surface and thus potentially with reactants, so that low efficiencies corresponding to the smaller cross sections of the gas phase are avoided. Depending on the application, it is possible to fragment individual clusters or cluster beams.
Es können bei der Clustererzeugung für die adiabatische Expansion spezielle Vorkehrungen zur Steuerung der Gaszusammensetzung, der Temperatur der Expansionsduse und des Expansionsdruckes zur Beeinflussung der Clustergeschwmdigkeit und mittleren Clustergroße im Strahl vorgesehen sein. Dies hat den Vorteil, daß die Ladungstragererzeugung bei der Clusterfragmenta- tion durch Einstellung der Clustergroße und der kinetischen Energie der Cluster beeinflußt wird. Durch Mischen leichter Gaskomponenten mit schwereren Gaskomponenten laßt sich die Geschwindigkeit der schwereren Komponenten erhohen (sogenannte "Seeded-Beam"-Technιk) . Der verfugbare Energiebereich pro Teilchen liegt hierbei im Bereich von rund 0.1 bis 1 eV.In the cluster generation for the adiabatic expansion, special precautions can be provided to control the gas composition, the temperature of the expansion nozzle and the expansion pressure to influence the cluster speed and average cluster size in the jet. This has the advantage that the generation of charge carriers in cluster fragments tion is influenced by setting the cluster size and the kinetic energy of the clusters. By mixing light gas components with heavier gas components, the speed of the heavier components can be increased (so-called "seeded beam" technology). The available energy range per particle is in the range of around 0.1 to 1 eV.
Bei der Clustererzeugung kann em Schritt zur Ionisierung der Cluster mit einer anschließenden Beschleunigung der Cluster- lonen m elektromagnetischen Feldern vorgesehen sein. Die Ionisierung kann entsprechend dem erfindungsgemaßen Cluster- fragmentationsverfahren oder nach einem herkömmlichen Ionisierungsverfahren erfolgen. Die Verwendung ionisierter Cluster zur weiteren Clusterfragmentation besitzt den Vorteil, daß die für die Clusterfragmentation relevante kinetische Energie über einen großen Bereich frei eingestellt werden kann. Dementsprechend laßt sich beispielsweise em mehrfacher Durchlauf des erfindungsgemaßen Clusterfragmentationsverfahrens sequentiell durchfuhren. Em erster Durchlauf ist auf die Erzeugung geladener Clusterfragmente gerichtet, die dann z.B. m elektromagnetischen Feldern beschleunigt werden, um mittels eines weiteren Durchlaufs erneut geladene Clusterfragmente zu erzeugen, die jedoch Eigenschaften m einem anderen Bereich des Parameterraums der kinetischen Energie besitzen.During the cluster generation, a step for ionizing the clusters with a subsequent acceleration of the cluster ions in electromagnetic fields can be provided. The ionization can take place according to the cluster fragmentation method according to the invention or according to a conventional ionization method. The use of ionized clusters for further cluster fragmentation has the advantage that the kinetic energy relevant for the cluster fragmentation can be set freely over a large range. Accordingly, a multiple run of the cluster fragmentation method according to the invention can be carried out sequentially, for example. A first run is directed to the generation of loaded cluster fragments, which are then e.g. m electromagnetic fields are accelerated in order to generate recharged cluster fragments by means of a further pass, which, however, have properties in another area of the parameter space of the kinetic energy.
Wird die Grenzflache zur Clusterfragmentation durch Gold gebildet, so besitzt dies den Vorteil, daß die Adsorptionsenergien auf Goldoberflachen verhältnismäßig gering sind. Damit wird das Beladen des Clusters mit dem Reaktionspartner in Form eines Adsorbats auf der Grenzflache wegen des geringen Energieaufwands gefordert. Ferner ist Gold als Metall leitfahig, so daß sich bei entsprechender elektrischer Beschaltung die Grenzflache auch bei langem Verfahrensbetrieb nicht aufladt . Der Goldoberflache kann em beliebiges elektrisches Potential aufgeprägt werden, so daß das Entstehungspotential der gewonnenen Ladungsträger festgelegt und zur Manipulation der La- M dungsträger, insbesondere bei ihrer Beschleunigung, verwendet werden kann. Ein erfindungsgemaßes Clusterstrahlsystem kann zur Einstellung eines bestimmten Entstehungspotentials der Clusterfragmente mit einer Vorrichtung zur Einstellung des elektrischen Potentials der Grenzfläche ausgestattet sein.If the interface to the cluster fragmentation is formed by gold, this has the advantage that the adsorption energies on gold surfaces are relatively low. This requires the cluster to be loaded with the reaction partner in the form of an adsorbate on the interface because of the low energy consumption. Furthermore, gold is conductive as a metal, so that with appropriate electrical wiring the interface does not charge up even after a long process operation. Any gold potential can be impressed on the gold surface, so that the potential of the charge carriers obtained is determined and used to manipulate the charge. Mung carrier, especially when accelerating, can be used. A cluster beam system according to the invention can be equipped with a device for setting the electrical potential of the interface in order to set a certain potential for formation of the cluster fragments.
Wird die Clusterfragmentation an Halbleiteroberflachen ausgeführt, so besitzt dies den Vorteil, daß diese insbesondere mit hoher Reinheit kommerziell gut verfugbar sind. Außerdem sind die Oberflacheneigenschaften von Halbleitern gut bekannt. Halbleiteroberflachen können mit einer besonders geringen Rauhigkeit hergestellt werden, die sich über einen verstärkten Ladungstragereinfang durch die Oberflache nachteilig auf die Ladungstragerausbeute ausüben konnte. Schließlich sind Halbleiter über die Dotierung in ihrer Leitfähigkeit und auch in den elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der Grenzfläche veränderlich. Bei geeigneter Dotierung kann eine elektrische Aufladung der Grenzflache auch bei längerem Verfahrensbetrieb vermieden werden. Wiederum läßt sich auch das Entstehungspotential der erzeugten Fragmentionen einstellen.If the cluster fragmentation is carried out on semiconductor surfaces, this has the advantage that these are commercially available, in particular with high purity. In addition, the surface properties of semiconductors are well known. Semiconductor surfaces can be produced with a particularly low roughness, which could adversely affect the charge carrier yield through an increased charge carrier capture through the surface. Finally, semiconductors can be changed in their conductivity and also in the electrical and dielectric properties of the interface via the doping. With a suitable doping, electrical charging of the interface can be avoided even during long process operation. Again, the generation potential of the fragment ions generated can be adjusted.
Die Clustererzeugung durch Uberschallexpansion eines Gases oder Gasgemisches besitzt den Vorteil, daß die Cluster in hoher Dichte in Form eines gerichteten Strahls entstehen. Der Clusterstrahl hat sich bereits nach rund 10 Dusendurchmes- sernausgebildet . Des weiteren erhalten die Cluster bereits bei der Erzeugung genügend kinetische Energie, so daß eine Nachbeschleunigung der Cluster nicht zwingend erforderlich ist. Schließlich können bereits bei der Expansion verhältnismäßig leicht gasformige Reaktionspartner in die Cluster eingebaut werden. Der Strahldurchmesser am Target ist proportional zum Düse-Target-Abstand und betragt z.B. bei einem Abstand von 30 cm und Verwendung eines Skimmers rund 8 mm.The cluster generation by supersonic expansion of a gas or gas mixture has the advantage that the clusters arise in high density in the form of a directed beam. The cluster jet has already developed after around 10 nozzle diameters. Furthermore, the clusters receive enough kinetic energy during generation, so that the cluster does not have to be re-accelerated. After all, relatively easy gaseous reactants can be built into the clusters during expansion. The jet diameter at the target is proportional to the nozzle-target distance and is e.g. at a distance of 30 cm and using a skimmer around 8 mm.
Die Echtzeitfahigkeit der Analyse und Messung der Clusterfrag- mente ermöglicht es, das Clusterfragmentationsverfahren in ein Regelverfahren einzubinden, um je nach dem Verfahrenserfolg oder dem Fortschritt der Oberflächenmodifizierung Verfahrensparameter nachregulieren zu können. The real-time capability of analyzing and measuring the cluster fragments enables the cluster fragmentation process to be integrated into one Integrate control processes so that process parameters can be readjusted depending on the process success or the progress of the surface modification.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Clusterfragmentation mit den Schritten: Erzeugung mindestens eines Clusters, der eine Tragersubstanz enthalt, und1. A method for cluster fragmentation with the steps: generation of at least one cluster which contains a carrier substance, and
Fragmentation des Clusters m Clusterfragmente, dadurch gekennzeichnet, daß der Cluster vor der Fragmentation mit mindestens einem Reaktionspartner beladen wird, der von der Tragersubstanz chemisch verschieden ist und nach der Fragmentation Teil mindestens eines Clusterfragments ist.Fragmentation of the cluster m cluster fragments, characterized in that the cluster is loaded with at least one reaction partner which is chemically different from the carrier substance and which is part of at least one cluster fragment after the fragmentation.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Cluster mit mindestens einem Reaktionspartner beladen wird, der mit der Tragersubstanz im Cluster spontan oder von außen angeregt em Paar elektrisch ungleich geladener Ladungsträger bildet, und wahrend der Fragmentation mindestens em elektrisch geladenes Clusterfragment gebildet wird.2. The method according to claim 1, in which the cluster is loaded with at least one reaction partner which spontaneously or externally excitedly forms a pair of electrically unevenly charged charge carriers with the carrier substance in the cluster, and at least one electrically charged cluster fragment is formed during the fragmentation.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem der Cluster zusatzlich mit einem elektrisch neutralen Molekül beladen wird.3. The method according to claim 2, wherein the cluster is additionally loaded with an electrically neutral molecule.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem zur Manipulierung der neutralen Moleküle diese als Adsorbatbelegung auf eine Festkorperoberflache aufgebracht und von der Festkorperober- flache m em geladenes Clusterfragment überfuhrt werden.4. The method according to claim 3, in which, for the manipulation of the neutral molecules, these are applied as adsorbate coating to a solid surface and transferred from the solid surface m em charged cluster fragment.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Clusterfragmentation durch Zusammenstoß des Clusters mit einer bewegten oder ruhenden Grenzflache oder durch Strahlungsanregung erfolgt. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the cluster fragmentation takes place by collision of the cluster with a moving or stationary interface or by radiation excitation.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem die Grenzflache eine Gasphase/Flussigkeits- oder Gasphase/Festkorper- Grenzflache ist.6. The method of claim 5, wherein the interface is a gas phase / liquid or gas phase / solid interface.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem die Grenzflache durch eine Festkorperoberflache aus einem Metall, einem Halbleiter oder einem Dielektrikum gebildet wird.7. The method according to claim 6, wherein the interface is formed by a solid surface made of a metal, a semiconductor or a dielectric.
8. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem die Grenzflache mit den Reaktionspartner-Adsorbaten mit einer Flachendichte belegt wird, die im zeitlichen Mittel einen vorbestimmten Wert besitzt .8. The method according to claim 6, wherein the interface with the reactant adsorbates is covered with a surface density which has a predetermined value on average over time.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beladung mit dem Reaktionspartner wahrend der Clustererzeugung, wahrend der Clusterbewegung zur Grenzflache durch Wechselwirkung mit mindestens einem Gasphase-Teilchen des Reaktionspartners und/oder wahrend des Zusammenstoßes mit der Grenzflache durch Aufnahme von Reaktionspartner-Adsorbaten in den Cluster erfolgt.9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the loading with the reaction partner during the cluster generation, during the cluster movement to the interface by interaction with at least one gas phase particle of the reaction partner and / or during the collision with the interface by receiving reaction partner adsorbates done in the cluster.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Tragersubstanz polare Moleküle oder Molekulgruppen und als Reaktionspartner Atome und/oder Moleküle oder Atomoder Molekulgruppen mit niedriger Ionisationsenergie verwendet werden.10. The method according to any one of the preceding claims, in which polar molecules or molecular groups are used as the carrier substance and atoms and / or molecules or atomic or molecular groups with low ionization energy are used as reaction partners.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem als Reaktionspartner Alkalimetallatome verwendet werden.11. The method according to claim 10, in which alkali metal atoms are used as reactants.
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Vielzahl von zu fragmentierenden Clustern durch Uberschallexpansion eines Gases und/oder eines Gasgemisches mittels einer Dusenanordnung erzeugt wird.12. The method according to any one of the preceding claims, wherein a plurality of clusters to be fragmented by Ultrasonic expansion of a gas and / or a gas mixture is generated by means of a nozzle arrangement.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem die erzeugten Cluster einer geometrischen Strahlbegrenzung zur Bestrahlung einer Grenzflache entsprechend einem vorbestimmten Muster unterzogen werden.13. The method according to claim 12, in which the generated clusters are subjected to a geometric beam limitation for irradiating an interface in accordance with a predetermined pattern.
14. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Cluster vor dem Zusammenstoß ionisiert und die ionisierten Cluster, insbesondere ihre kinetische Energie, durch elektrische und/oder magnetische Felder beeinflußt werden.14. The method according to any one of the preceding claims, wherein the cluster ionizes before the collision and the ionized clusters, in particular their kinetic energy, are influenced by electrical and / or magnetic fields.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem die Ionisierung der Cluster nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 erfolgt.15. The method according to claim 14, wherein the ionization of the clusters takes place according to a method according to one of claims 1 to 13.
16. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Clusterfragmente einer Zahlung, einer massenspekt- roskopischen Untersuchung oder einer Stoffanalyse unterzogen werden.16. The method according to any one of the preceding claims, in which the cluster fragments are subjected to a payment, a mass spectroscopic examination or a substance analysis.
17. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Fragmentation des Clusters durch streifenden Einfall des Clusters auf eine Grenzflache erfolgt.17. The method according to any one of the preceding claims, wherein the fragmentation of the cluster takes place by grazing incidence of the cluster on an interface.
18. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Tragersubstanz aus einer chemischen Verbindung besteht, die eine so geringe Elektronenaffinitat besitzt, dass Elektronen nicht auf einem Clusterfragment gebunden werden.18. The method according to any one of the preceding claims, wherein the carrier substance consists of a chemical compound which has such a low electron affinity that electrons are not bound to a cluster fragment.
19. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche: zur Aufnahme von Oberflachenadsorbaten von einer Oberflache, die einer Analyse unterzogen werden sollen, zur Aufnahme von Verunreinigungen von Festkorperoberflachen zu deren Reinigung, oder zur Erzeugung von geladenen Clusterfragmenten aus Clustern und Aereosolen, die einer Ladungsmessung oder massenspektrometrischen Analyse unterzogen werden sollen.19. Use of a method according to one of the preceding claims: for taking up surface adsorbates from a surface that are to be subjected to an analysis, for taking up contaminants from solid surfaces for their cleaning, or for generating charged cluster fragments from clusters and aereosols that are to be subjected to a charge measurement or mass spectrometric analysis.
20. Verfahren zum Betrieb eines Ionentriebwerks, bei dem die geladenen Teilchen zur Ausbildung des Triebwerkvorschubs durch Clusterfragmente gebildet werden, die nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 erzeugt worden sind.20. A method for operating an ion engine, in which the charged particles for forming the engine advance are formed by cluster fragments which have been generated by a method according to one of claims 1 to 16.
21. Clusterstrahlsystem, das umfaßt: eine Clustererzeugungsemrichtung (60,61), eine Clusterfragmentationse richtung (62), und eine Meßeinrichtung und /oder eine Manipulationseinrichtung (64) für Clusterfragmente.21. A cluster beam system comprising: a cluster generating device (60, 61), a cluster fragmentation device (62), and a measuring device and / or a manipulation device (64) for cluster fragments.
22. Clusterstrahlsystem gemäß Anspruch 21, bei dem die Meßeinrichtung (64) em Massenspektrometer ist.22. Cluster beam system according to claim 21, wherein the measuring device (64) is a mass spectrometer.
23. Clusterstrahlsystem gemäß Anspruch 21 oder 22, bei dem die Meßeinrichtung (64) eine Ladungsmeßeinrichtung ist.23. Cluster beam system according to claim 21 or 22, wherein the measuring device (64) is a charge measuring device.
24. Clusterstrahlsystem gemäß Anspruch 21 bis 23, bei dem die Manipulationseinrichtung (64) eine Elektroden- und/oder Spuleneinrichtung zur Erzeugung zeitlich konstanter oder zeitlich veränderlicher elektromagnetischer Felder umfaßt.24. Cluster beam system according to claim 21 to 23, wherein the manipulation device (64) comprises an electrode and / or coil device for generating time-constant or time-varying electromagnetic fields.
25. Clusterstrahlsystem gemäß einem der Ansprüche 21 bis 24, bei dem zwischen der Clustererzeugungsemrichtung (60,61) und der Clusterfragmentationsemrichtung (62) em Strahl- begrenzer (63) vorgesehen ist, um den Strahl gemäß eines vorbestimmten Musters zu formen.25. Cluster beam system according to one of claims 21 to 24, in which between the cluster generating device (60, 61) and the cluster fragmentation device (62) em beam limiter (63) is provided to shape the beam according to a predetermined pattern.
26. Clusterstrahlsystem gemäß einem der Ansprüche 21 bis 25, bei dem mindestens eine Reaktionspartner-Zufuhreinrichtung vorgesehen ist.26. Cluster beam system according to one of claims 21 to 25, in which at least one reaction partner supply device is provided.
27. Clusterstrahlsystem gemäß Anspruch 26, bei dem die Reaktionspartner-Zufuhremπchtung durch einen Verdampfungsofen gebildet wird.27. A cluster beam system according to claim 26, wherein the reactant supply means is formed by an evaporation furnace.
28. Clusterstrahlsystem gemäß einem der Ansprüche 21 bis 27, bei dem eine Einrichtung zur Einstellung des elektrischen Potentials der Clusterfragmentationsemrichtung (62) vorgese¬28. Cluster beam system according to one of claims 21 to 27, in which a device for adjusting the electrical potential of the cluster fragmentation device (62) is vorese¬
29. Ionentriebwerk (7), das umfaßt: eine Clustererzeugungsemrichtung (70,71), eine Clusterfragmentationsemrichtung (72,73), Steuer- und Lenkeinrichtungen (74,75), und eine Beschleunigungseinrichtung (76,77). 29. An ion engine (7) comprising: a cluster generator (70,71), a cluster fragmentator (72,73), steering and steering means (74,75), and an accelerator (76,77).
EP00956226A 1999-07-21 2000-07-20 Method and device for cluster fragmentation Expired - Lifetime EP1200984B1 (en)

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