EP3465732B1 - Magnet-free generation of ion pulses - Google Patents

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EP3465732B1
EP3465732B1 EP17726938.8A EP17726938A EP3465732B1 EP 3465732 B1 EP3465732 B1 EP 3465732B1 EP 17726938 A EP17726938 A EP 17726938A EP 3465732 B1 EP3465732 B1 EP 3465732B1
Authority
EP
European Patent Office
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ions
anode
potential
ion
electrons
Prior art date
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Active
Application number
EP17726938.8A
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German (de)
French (fr)
Other versions
EP3465732A1 (en
Inventor
Mihail Granovskiy
Juraj Bdzoch
Sergej Uchatsch
Anton Zimare
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vacom Vakuum Komponenten & Messtechnik GmbH
Original Assignee
Vacom Vakuum Komponenten & Messtechnik GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Vacom Vakuum Komponenten & Messtechnik GmbH filed Critical Vacom Vakuum Komponenten & Messtechnik GmbH
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Publication of EP3465732B1 publication Critical patent/EP3465732B1/en
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02Details
    • H01J49/10Ion sources; Ion guns
    • H01J49/14Ion sources; Ion guns using particle bombardment, e.g. ionisation chambers
    • H01J49/147Ion sources; Ion guns using particle bombardment, e.g. ionisation chambers with electrons, e.g. electron impact ionisation, electron attachment
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00Ion beam tubes
    • H01J27/02Ion sources; Ion guns
    • H01J27/08Ion sources; Ion guns using arc discharge
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34Dynamic spectrometers
    • H01J49/40Time-of-flight spectrometers

Definitions

  • the invention relates to a device for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere with the features of claim 1 and a method therefor with the features of claim 10.
  • EBIT electron beam ion trap
  • EBIT electron beam ion trap
  • an electron beam is used to generate ions.
  • High-energy electrons are used, with acceleration voltages in the range of more than 15 kV and electron currents of more than 20 mA.
  • complex magnetic fields with the corresponding coil devices are required, which must ensure a magnetic field strength in the range of more than 200 mT.
  • the ions are generated from the neutral gas particles in the electron beam by the well-known process of impact ionization.
  • the ions generated are stored in a cylindrically symmetrical structure, with the ions being enclosed in the radial direction via space charge forces and in the axial direction via additional electrodes.
  • the EBIT process has a number of disadvantages.
  • a first disadvantage is the considerable equipment required to generate and focus the electron beam, which is particularly evident in the magnetic field device. EBIT devices therefore take up a relatively large amount of space and, due to the high magnetic field strengths, cannot easily be combined with devices in the vicinity of the system that are sensitive to ambient magnetic fields. Accordingly, appropriate Shielding or a minimum structural distance is required, which further increases the space required by the device.
  • the EBIT process mainly produces multiply ionized ions due to the high-energy electrons, and the molecules present in the residual gas atmosphere are also broken down into smaller fragments to a considerable extent.
  • multiply charged ions and molecular fragments are a significant problem for downstream analytical processes, particularly for the purpose of residual gas analysis. This is because the ionized molecular fragments are in an excited, multiply ionized state. Their properties cannot therefore be easily compared with the data stored in relevant databases.
  • the original compounds in the residual gas are broken down, the original molecular aggregates present there are destroyed, so that they can no longer be detected directly, but only indirectly. This causes a certain analytical detection uncertainty.
  • Another disadvantage is the high emission current required of >20mA. The high heating power required to generate this emission current results in a high power and heat input into the entire arrangement and the adjacent vacuum chamber.
  • an electron beam is also used for ionization.
  • the electron beam is focused there via an arrangement of repeller electrodes.
  • an additional electrode arrangement is used which generates a potential that is attractive for ions by means of an additional storage electrode within the ionization volume and in particular within the ion storage space.
  • the method disclosed there has the disadvantage that the ions generated can only have a short lifespan because they are attracted to the storage electrode and neutralized.
  • the ion currents that can be generated, i.e. ultimately the number of stored ions, are therefore proportional to the pressure of the residual gas atmosphere.
  • the arrangement disclosed there is free of magnetic fields, the arrangement shown there is also characterized by a complicated storage electrode structure, with the acceleration voltages required at the electron source being in the range of 500 to 1000 V.
  • the energy distribution of the ions produced is also significantly higher than the thermal distribution in the residual gas atmosphere. This is particularly disadvantageous with regard to subsequent residual gas analysis, for example by measuring the time of flight of the ion packet, since the individual mass-separated ion packets diverge greatly in space during the flight, which generally reduces the resolution of the apparatus and requires longer flight distances.
  • EP 0 676 792 A2 discloses a device for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere, comprising an electron source for releasing electrons and an ion storage space which, solely as a result of the negative space charge distribution generated by the electrons, has a spatial potential distribution that is attractive for the ions generated by ionization of the residual gas atmosphere, wherein the particles of the residual gas can be ionized by the negative space charge and an attractive potential can be formed for the positive ions formed.
  • the ions are extracted by an electrode after a predetermined time.
  • This method is not always sufficiently sensitive for small partial prints.
  • a method and a device for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere are to be specified, in which the number of ions generated is essentially independent of the pressure of the residual gas atmosphere.
  • the method should also be able to be carried out at a low pressure in the residual gas and should deliver the largest possible quantity of ions for reliable ion detection.
  • the arrangement for carrying out the method should have a simple structure and be able to be carried out without the additional influence of magnetic fields.
  • the process should ensure that the energy distribution within the quantity of ions produced is as thermal as possible. The energy distribution of the ions should therefore not be given a falsifying or additional signature by the process of ion production itself.
  • the process of ion production and the device used should leave the molecules within the residual gas atmosphere as intact as possible even during ionization, and only singly charged ions should be produced.
  • the device claimed according to the invention for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere comprises an electron source for releasing electrons, an anode which is permeable to the electrons released by the electron source and has a negative space charge distribution formed by the electrons within an ion storage space at least partially surrounded by the anode, and a pulse electrode which is electrically insulated from the anode for extracting the ions from the storage space.
  • anode and the pulse electrode are at the same potential during the storage process.
  • the particles of the residual gas can be ionized by the negative space charge and an attractive potential is created for the positive ions formed, whereby the negative space charge forms a storage area for the ions generated.
  • a means for regulating the time interval between successive switching operations of the pulse electrode to a fixed predetermined strength of the measured released ion packet is also provided.
  • the device for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere thus comprises an electron source for releasing electrons and an anode permeable to the electrons released by the electron source with a negative space charge formed by the electrons within an ion storage space at least partially surrounded by the anode.
  • the ion storage space for the ions generated by ionization of the residual gas atmosphere has an attractive spatial potential distribution due to the negative space charge. Furthermore, a junction that closes the ion storage space in the emission direction and is based on an electrical Potential switchable and perforated pulse electrode provided for releasing an ion packet from the ion storage space.
  • the device according to the invention is based on the idea of ionizing and storing the particles of the residual gas in the attractive potential of a negative space charge cloud.
  • the negative space charge cloud or electron density is formed without further bundling or collimation and without the increase of additional electrodes in the axial direction.
  • the anode which is permeable to the emitted electrons, serves to form the negative space charge cloud.
  • the emitted electrons collect in the area of the permeable anode and form the space charge cloud, particularly in its interior.
  • the negative space charge cloud has a dual function: firstly, it ionizes the particles of the residual gas and secondly, it creates an attractive potential for the positive ions formed in it.
  • the positive ions accumulate in this attractive potential, so that the negative space charge cloud forms a storage area for the ions produced.
  • the anode and the pulse electrode are at the same potential during the storage process.
  • the electron source is designed as a hot cathode in the form of a ring filament that surrounds the electron-permeable anode. This means that the electron-permeable anode is exposed from all sides to the electrons emitted from the ring filament.
  • Other designs of the electron source are also conceivable in which the electrons are emitted from one or more sources and impact the anode at the appropriate points.
  • the decisive factor is the negative space charge distribution generated within the anode.
  • the acceleration voltage for the electrons can be significantly reduced.
  • the acceleration voltage applied to the hot cathode that is effective for the emitted electrons is a maximum of 200 volts.
  • the electron current can be significantly reduced.
  • the electron current emerging from the hot cathode is no more than 10mA; in particular, 2mA is sufficient for typical applications. This significantly reduces the power consumption and heat input in the sensor.
  • an electrostatic arrangement of focusing electrodes and/or a repeller surrounding the electron source is provided for additional alignment and shaping of the electron emission.
  • the focusing electrodes and/or the repeller serve in particular to direct the electrons not emitted in the direction of the electron-permeable anode in the direction of the electron-permeable anode, thus supporting the formation of the negative space charge.
  • the negative space charge distribution forms a potential well with respect to the anode and pulse electrode potential, which, if the negative space charge distribution is not compensated with ions, acts attractively on ions in the ionization volume and forms an electrostatic exit barrier for ions acting in all directions, thus enabling storage of ions until the negative space charge is compensated.
  • the pulse electrode can be switched to a negative potential compared to the anode, whereby the collected ions can be extracted in the direction of the pulse electrode.
  • the frequency for switching the pulse electrode is preferably a minimum of 0.1 Hz and a maximum of 1 MHz, in particular a minimum of 1 Hz and a maximum of 100 kHz.
  • the electron current generated by the electron source is a minimum of 1 ⁇ A and a maximum of 15 mA, in particular a minimum of 5 ⁇ A and a maximum of 2mA.
  • the acceleration voltage effective for the electrons generated at the electron source (1) due to the potential difference between the electron source (1) and the anode (2) is a minimum of 30V and a maximum of 400V, in particular a minimum of 70V and a maximum of 150V.
  • the anode that is permeable to the emitted electrons has a cylindrically symmetrical structure.
  • the outer surface of the cylinder can be designed parallel to the circumferential ring filament of the electron source, while the pulse electrode forms one of the two cover surfaces of the cylindrically symmetrical anode.
  • the cylindrically symmetrical structure promotes the multiple passage of the electrons through the ionization space, which increases the electron yield compared to directed beam paths and increases the storable charge with the same emission current due to the increased space charge in the storage space.
  • a detector arranged in the direction of flight of the ions can be provided to measure the ion current.
  • Electrons are emitted from an electron source and accelerated towards the ionization space through the permeable anode arrangement.
  • a negative space charge cloud is generated within the ionization space due to the electrons moving through the ionization space
  • the anode arrangement and a pulse electrode are connected to the same potential during the storage process.
  • Impact ionization of gas molecules and/or gas atoms occurs within the ionization space and the generated positively charged ions are stored in the attractive potential of the negatively charged space charge cloud as a positively charged ion reserve.
  • the pulse electrode is then switched to a potential relative to the anode potential and the ion supply located in the potential of the space charge cloud is accelerated out of the ionization space.
  • a determination of a total pressure is carried out in connection with this.
  • the time interval between successive switching operations of the pulse electrode is regulated to a fixed predetermined strength of the measured released ion packet, wherein the time interval between successive switching operations of the pulse electrode is a measure of the total pressure to be measured.
  • the basic idea of the process is to use a negative space charge cloud formed from released electrons for the impact ionization of neutral gas particles and to use the negative potential of the Space charge cloud is used simultaneously to collect and store the ions generated.
  • This negative potential is gradually filled with the positive ions generated until this potential is essentially balanced. Because the depth of the negative potential is essentially not dependent on the pressure of the surrounding gas atmosphere and this potential is constantly filled during the ionization of the gas particles, the number of ionized gas particles in the negative potential is largely independent of the pressure of the gas atmosphere, so that a pressure-independent ion packet can also be released.
  • the energy distribution of the ions within the storage potential is essentially thermal, the ions themselves are usually only positively charged due to the weak, low kinetic electron energy, with larger molecules essentially not being split into smaller fragments.
  • the process does not require complex magnetic focusing of an electron beam and can be operated at relatively low electron energies compared to the state of the art.
  • Complex storage electrodes for collecting the ions generated are also not required.
  • the electrons are emitted from the electron source from a hot cathode that surrounds the transmissive anode arrangement in a ring, whereby the electrons are accelerated in the field of the transmissive anode arrangement and form the negative space charge cloud.
  • the transmissive anode arrangement therefore only serves the purpose of concentrating the emitted electrons in a certain spatial region and thereby generating the ionizing and simultaneously storing space charge cloud.
  • the strength of the released ion pulse is adjusted over a time interval between successive switching operations of the pulse electrode, so that the strength of the ion pulse is proportional to the length of the time interval.
  • a determination of a total pressure can also be carried out.
  • the strength of the released ion current is determined at a fixed time interval between successive switching operations of the pulse electrode. measured, using the strength of the ion current as a measure of the total pressure to be measured.
  • a total pressure is also determined.
  • the time interval between successive switching operations of the pulse electrode is regulated to a fixed predetermined strength of the measured released ion packet, whereby the time interval between successive switching operations of the pulse electrode is a measure of the total pressure to be measured. Due to the strength of the ion packet being independent of the pressure, the ion source can be operated in a very wide pressure range from 1e-12 mbar to 2e-2 mbar.
  • Fig.1 shows an overall view of the device for ion generation, storage and release in section.
  • the device contains an electron source 1, which in the example presented here is designed as a hot cathode in the form of a ring filament.
  • the ring filament surrounds an anode 2 that is permeable to electrons.
  • a negative ionizing space charge 3 is generated by the emitted electrons, which is shown in the figure presented here by a dashed line. line.
  • the negative space charge extends in particular into an ion storage space 4, which is located inside the anode 2.
  • the anode 2 is electrically insulated from the pulse electrode 5.
  • the arrangement is additionally surrounded by focusing electrodes 6 and shielded from the outside.
  • the focusing electrodes in particular align the electrons emitted by the electron source in the direction of the anode 2, which is permeable to the electrons.
  • Fig.2 shows the Fig.1 shown arrangement in a perspective view.
  • the anode 2 which is permeable to electrons, is constructed here with cylindrical symmetry. It contains a surface area 7, which is designed as a sufficiently fine-meshed grid, sieve or conductive fabric.
  • the entire anode arrangement including the outer surface 7 and the pulse electrode 8, is gas-permeable and at the same time partially transparent to electrons.
  • the electron source is a ring filament 9 in the form of a ring-shaped hot cathode running parallel to the lateral surface 7 at a certain distance, which emits electrons at high temperature by means of thermal emission.
  • the electrons emitted from the hot cathode are emitted from all sides, including towards the outer surface 7 of the anode, and accelerated and penetrate the outer surface 7, penetrating the interior of the anode and ionizing the gas particles present there via the process of impact ionization.
  • the electrons form a negative space charge cloud, which represents an attractive potential for the positively charged ions.
  • the ions are thus collected in this attractive potential within the ion storage space 4 of the anode.
  • the pulse electrode 8 By switching the pulse electrode 8 to a negative potential, the ions can now be released from the ion storage space to the outside through the are accelerated through a pulse grid.
  • An ion packet is extracted.
  • the extraction direction of the ion packet is indicated by an arrow.
  • the pulse electrode can be switched to a potential that is positive compared to the anode in order to accelerate the collected ions in the opposite direction to the pulse electrode. If in this case the part of the anode that is in the direction of flight of the ions is also designed to be permeable to the ions, the collected ions can be extracted from the ion storage space in the opposite direction to the pulse electrode by a repulsive electrostatic interaction. In such a case, the pulse electrode can be designed to be impermeable to the ions and drives the positive ions out through the body of the anode.
  • Fig.3 shows the process of ion generation and storage in a series of process steps A to D.
  • the electron source 1 is inactive.
  • the anode 2 is at a positive potential V AN , which is essentially location-independent and constant over the cross section of the anode in its interior ion storage space 4.
  • state B the electron source 1 is activated.
  • the emitted electrons penetrate the anode and form a negative space charge cloud 3, particularly in the ion storage space 4.
  • the potential within the anode takes on a location-dependent value.
  • a potential well with a local potential minimum V min is formed in the central area of the space charge cloud and thus also of the ion storage space.
  • State C takes into account the impact ionization of the gas particles present in the ion storage space 4 due to the influence of the emitted electrons.
  • the positively charged ions are moved to the local minimum of the potential in the ion storage space and accumulate within the negative space charge cloud. Due to the attractive potential well, the ions are kept within the ionization volume, cannot collide with the electrodes surrounding the ionization space and are neutralized.
  • the potential is equalized over time, the depth of the local potential minimum within the ion storage space decreases and the potential minimum becomes increasingly flatter.
  • state D the potential minimum is filled by the positive ions.
  • the negative space charge of the electrons is completely compensated by the positive accumulated ions.
  • a relationship is now established as was the case in state A: an essentially location-independent constant electrostatic potential inside the anode.
  • the ions stored there can now be accelerated towards the pulse electrode under the attractive influence of the now activated pulse electrode 8 and released to the outside as an ion packet.
  • the pulse electrode is switched from the anode potential V AN to a more negative potential, whereby the generated ions are withdrawn from the ion storage space.
  • state B is again assumed, in which there is an empty, unfilled potential minimum within the ion storage space and which can be filled again and emptied of the ions stored there by passing through states C and D again.
  • This cyclic operation thus makes it possible to generate ion packets or ion pulses, i.e. spatially limited ion accumulations.
  • the time from state B to complete space charge compensation in state D is referred to below as the filling time.
  • the storage capacity of the ion source results from the positive ion charge stored in state D.
  • FIGS. 4a and 4b show a representation of the pulse electrode 8 with a pulse grid 5 incorporated therein.
  • a sheet metal disk serves as the basis for the pulse electrode 8.
  • a hexagonal honeycomb structure 10 is incorporated into the inner surface of the sheet metal disk, in particular cut into it by means of laser radiation, which has a diameter D PG . This increases the permeability of the pulse grid and ensures sufficient shielding from external fields.
  • the pulse electrode can be electrically contacted via metallic leads.
  • the pulse electrode can thus be activated via an external circuit
  • V Puls of a pulse generator (not shown here), which are required to extract the accumulated ions, are also transmitted to the pulse electrode.
  • Fig. 4b shows a detailed view of an example of a grid structure of the pulse grid 5.
  • the grid structure 10 consists of hexagonal openings 11 arranged in a honeycomb pattern, which are separated from one another by webs 12.
  • the geometric dimensions of the grid structure of the pulse grid are chosen in such a way that the extraction of the ions from the anode space is as loss-free as possible, with optimal shielding from external fields.
  • Corresponding transmission losses, which arise because ions neutralize themselves at the grid webs, can be minimized by appropriate dimensioning of the web width S and the mesh width G of the hexagonal openings 11.
  • the schematic structure of the cylindrically symmetrical arrangement of the ion source and the time-of-flight spectroscopic device shown essentially consists of three components. These components are the ion source, consisting of the electron source 1, the anode 2 and the pulse electrode 8. A repeller 13 is also provided and, as a second component, a time-of-flight (TOF) mass separator 14 connected to the ion source with a detector unit as the third component, which is designed here as a Faraday cup 15.
  • TOF time-of-flight
  • Electrons are released from the ring-shaped filament of the electron source by thermal emission, which are guided into the anode chamber inside due to the attractive potential of the anode. Then, collisions between the electrons and the neutral residual gas particles create positive Ions which, as mentioned, can be accumulated in the anode to a certain extent.
  • the pulse electrode By switching the pulse electrode to a potential V Pulse that is attractive to the ions, the accumulated ions are drawn out of the anode. This creates a potential that is attractive to the positive ions, which extracts and accelerates the collected ions into the time-of-flight mass separator. In this, the ions are separated from one another according to their mass using the principle of TOF mass spectroscopy.
  • temporally separated signals can be detected at the detector, which here is designed in the form of a Faraday cup 15.
  • time-of-flight mass separation is that it makes it possible to record an entire mass spectrum with one and the same detector using a single ion pulse.
  • the time t TOF required for the ions to travel a given distance S TOF between the release of the ion pulse and their impact on the detector is measured. Because all ions have the same charge and the accelerating potential is the same for all ions, it can be assumed that all ions have the same kinetic energy. More massive ions will travel at a lower speed than less massive ions and will therefore arrive at the detector later, i.e. after the less massive ions. After time-resolved detection on the Faraday cup, a mass is assigned to the respective flight times and a conclusion is drawn about the residual gas composition prevailing in the vacuum chamber.
  • the time-of-flight mass separator separates light ions from heavier ones. Since light ions are accelerated more strongly, they reach the Faraday cup at an earlier point in time. Individual peaks become visible at the Faraday cup depending on the time of detection. If individual masses differ sufficiently, the corresponding signals are shown separately in time in the spectrum, otherwise they will partially overlap.
  • the sum of the entire temporal signal of an ion pulse at the detector provides information about the total pressure within the chamber, while the analysis of the individual signal peaks allows a conclusion about the respective partial pressure.
  • the following section will provide a theoretical characterization of the ion source. To this end, the next sections will provide a computational estimate of selected characteristic variables, such as the field distribution within the anode, the storage capacity or the ion current and the resulting pressure-dependent filling time.
  • the electrons are, as already explained, directed into the anode due to the potential that is attractive to them. Here they cause a potential minimum due to negative space charge effects, which distorts the initially constant potential.
  • the negative space charge is simplified below as an electron density with a given radius r 0.
  • the field distribution in the presence of the electron density is divided into two areas.
  • the first area is formed by the space within the electron density with the radius r ⁇ r 0
  • the potential distribution V (r) for these two areas can be described as Dependence on r. For a given distance r AN the potential can be calculated in Fig.6 shown graphically.
  • the potential which depends on the radius r, can be approximately represented by the following curve:
  • V r V AT ⁇ V e ⁇ 2 ln r AT r + 1 ⁇ r 2 r 0 2
  • V r V AT ⁇ 2 V e ⁇ ln r AT r
  • the depth of the potential minimum is strongly dependent on the radius of the electron density.
  • the focusing electrodes 6 are indicated schematically. If the focusing electrode 6 is placed at a potential less than or equal to the potential of the electron source 1, the electrons emerging from the electron source 1 are focused in the direction of the anode.
  • N e m e 2 e 3 ⁇ ⁇ L ⁇ I e V e
  • the storage capacity N+ of the storage ion sources depends on the emission current I e .
  • the space charge density increases, which means that more ions can be stored in the negative space charge potential.
  • the electron current generated by the electron source 1 is a minimum of 1 ⁇ A and a maximum of 15 mA, in particular a minimum of 5 ⁇ A and a maximum of 2mA.
  • the heating power required to generate these emission currents is sufficiently low to cause only a small input of power and heat into the entire arrangement and the adjacent vacuum chamber.
  • the generated charge quantities of Q + ⁇ 2.0 ⁇ 10 -12 C are sufficiently high to be detected by simple detectors (e.g. Faraday cup type) with sufficient signal-to-noise ratio.
  • Fig.8 that when the acceleration voltage is increased from 70 V to 130 V, the storage capacity is reduced because the faster electrons generate a smaller negative space charge.
  • a charge of approx. 10 -14 C to 10 -11 C can be stored.
  • the filling time ie the time in which the negative electron space charge is completely compensated by stored ions, depends on the prevailing total pressure in the vacuum chamber. If the collection time t collection is varied, ie the time in which the ion collection process takes place unhindered, a signal dependent on this collection time will be generated, which will increase accordingly with the progress of t collection until the filling time t fill is reached, as in Fig.10 shown.
  • the filling time t fill also depends on the prevailing pressure p, since at higher pressures there are correspondingly more neutral gas particles which can fill the potential minimum more quickly after ionization.
  • p 1 > p 2 a decreasing filling time t fill , 1 ⁇ t fill , 2 can be observed, whereby the qualitative course of these curves will be similar.
  • the maximum number of ions released during a pulse depends only very weakly on the pressure. This is because the storage capacity of the ion source is determined exclusively by the depth of the potential formed by the negative space charge. As shown in the experimental data from Fig. 13 As can be seen, the maximum storable charge changes by about half while the pressure is varied by about 3 decades from about 5E-6 mbar to about 5E-9 mbar. Furthermore, the change in the storable charge decreases with decreasing pressure. This enables the ion source to be used over a very wide pressure range without a significant loss of measurement sensitivity.
  • the pulse electrode By switching the pulse electrode from the anode potential to a negative extraction potential, for example, the electric field within the anode is manipulated in such a way that the collected ions are accelerated out of the ionization volume and detected at the Faraday cup. If the pulse electrode is switched back to the anode potential, the original state is restored: electrons create a potential minimum in which ions are generated and The length of time that ions are collected until they are extracted by switching the pulse electrode is the collection time.
  • Fig. 13 It can be seen that the required collection time to generate e.g. 25 nVs signal at the detector is less than 1 ms for pressures p ⁇ 1E-7 mbar This device is therefore suitable for use as a "fast" total pressure sensor for detecting rapid pressure changes with response times ⁇ 1 ms.
  • Fig. 14 As shown, it is possible to separate the helium signal from the other residual gas components in time. Therefore, it is possible to use the total pressure sensor simultaneously as a helium detector, which also enables a helium leak test.
  • the measured values in Fig. 14 The underlying flight distance is only 2 cm, so that the sensor is very compact.
  • the device discussed here is highly compact, provides reliable total pressure determination and helium mass separation.
  • the dimensions of the sensor correspond to those of a conventional ionization vacuum gauge.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren hierfür mit den Merkmalen des Anspruchs 10.The invention relates to a device for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere with the features of claim 1 and a method therefor with the features of claim 10.

Aus dem Stand der Technik sind bereits Vorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen von Ionen aus eine Restgasatmosphäre bekannt. Physikalisch wird hierzu meist der Effekt der Stoßionisation eingesetzt, bei dem Elektronen auf die Teilchen der Restgasatmosphäre treffen und diese dabei ionisieren.Devices and methods for generating ions from a residual gas atmosphere are already known from the state of the art. Physically, the effect of impact ionization is usually used for this purpose, in which electrons hit the particles of the residual gas atmosphere and ionize them.

Bei einem ersten, als EBIT (electron beam ion trap) bekannten und z.B. in dem US-Patent US 6,717,155 offenbarten Verfahren wird ein Elektronenstrahl zur Ionenerzeugung eingesetzt. Dabei kommen hochenergetische Elektronen zur Anwendung, wobei mit Beschleunigungsspannungen im Bereich von mehr als 15 kV und Elektronenströmen von mehr als 20 mA gearbeitet wird. Zur Fokussierung des Elektronenstrahls auf einen möglichst geringen und scharf gebündelten Strahlquerschnitt sind aufwändig gestaltete Magnetfelder mit den entsprechenden Spulenvorrichtungen notwendig, die eine Magnetfeldstärke im Bereich von mehr als 200 mT gewährleisten müssen. Die Erzeugung der Ionen aus den neutralen Gasteilchen erfolgt dabei im Elektronenstrahl durch den bekannten Prozess der Stoßionisation. Die Speicherung der dabei erzeugten Ionen erfolgt in einem zylindersymmetrischen Aufbau, wobei der Einschluss der Ionen in radialer Richtung über Raumladungskräfte und in axialer Richtung über zusätzliche Elektroden erfolgt.In a first example, known as EBIT (electron beam ion trap) and described in the US patent US$6,717,155 In the method disclosed, an electron beam is used to generate ions. High-energy electrons are used, with acceleration voltages in the range of more than 15 kV and electron currents of more than 20 mA. In order to focus the electron beam on the smallest and most sharply focused beam cross-section possible, complex magnetic fields with the corresponding coil devices are required, which must ensure a magnetic field strength in the range of more than 200 mT. The ions are generated from the neutral gas particles in the electron beam by the well-known process of impact ionization. The ions generated are stored in a cylindrically symmetrical structure, with the ions being enclosed in the radial direction via space charge forces and in the axial direction via additional electrodes.

Das EBIT-Verfahren weist eine Reihe von Nachteilen auf. Ein erster Nachteil besteht in dem erheblichen apparativen Aufwand zur Erzeugung und Bündelung des Elektronenstrahls, der insbesondere in der Magnetfeldvorrichtung zum Ausdruck kommt. EBIT-Vorrichtungen nehmen daher einen verhältnismäßig großen Raum ein und sind wegen der hohen Magnetfeldstärken nicht ohne weiteres mit Vorrichtungen in der Nähe der Anlage kombinierbar, die empfindlich gegenüber magnetischen Umgebungsfeldern sind. Es sind somit entsprechende Abschirmung oder ein baulicher Mindestabstand erforderlich, wodurch der Platzbedarf der Vorrichtung entsprechend weiter zunimmt.The EBIT process has a number of disadvantages. A first disadvantage is the considerable equipment required to generate and focus the electron beam, which is particularly evident in the magnetic field device. EBIT devices therefore take up a relatively large amount of space and, due to the high magnetic field strengths, cannot easily be combined with devices in the vicinity of the system that are sensitive to ambient magnetic fields. Accordingly, appropriate Shielding or a minimum structural distance is required, which further increases the space required by the device.

Zudem werden bei dem EBIT-Verfahren auf Grund der hochenergetischen Elektronen vorwiegend mehrfach ionisierte Ionen erzeugt, wobei die in der Restgasatmosphäre vorhandenen Moleküle außerdem zu einem erheblichen Teil in kleinere Bruchstücke zerlegt werden. Solche mehrfach geladenen Ionen und Molekülbruchstücke sind jedoch für nachgeschaltete analytische Verfahren, insbesondere zum Zwecke einer Restgasanalyse, ein nicht unerhebliches Problem. Denn die ionisierten Molekülbruchstücke befinden sich in einem angeregten, mehrfach ionisierten Zustand. Deren Eigenschaften können daher nicht ohne weiteres durch einen Vergleich mit dem in einschlägigen Datenbanken gespeicherten Datenbestand verglichen werden. Außerdem werden beim Zerlegen ursprünglicher Verbindungen im Restgas die dort vorhandenen ursprünglichen molekularen Aggregate zerstört, sodass sich diese nicht mehr direkt, sondern nur noch indirekt nachweisen lassen. Dies bedingt eine gewisse analytische Nachweisunsicherheit. Ein weiterer Nachteil ist der hohe benötigte Emissionsstrom von >20mA. Durch die zum Erzeugen dieses Emissionsstroms benötigte hohe Heizleistung erfolgt ein hoher Leistungs- und Hitzeeintrag in die gesamte Anordnung und die angrenzende Vakuumkammer.In addition, the EBIT process mainly produces multiply ionized ions due to the high-energy electrons, and the molecules present in the residual gas atmosphere are also broken down into smaller fragments to a considerable extent. However, such multiply charged ions and molecular fragments are a significant problem for downstream analytical processes, particularly for the purpose of residual gas analysis. This is because the ionized molecular fragments are in an excited, multiply ionized state. Their properties cannot therefore be easily compared with the data stored in relevant databases. In addition, when original compounds in the residual gas are broken down, the original molecular aggregates present there are destroyed, so that they can no longer be detected directly, but only indirectly. This causes a certain analytical detection uncertainty. Another disadvantage is the high emission current required of >20mA. The high heating power required to generate this emission current results in a high power and heat input into the entire arrangement and the adjacent vacuum chamber.

Bei einem weiteren, aus dem US-Patent US 4,904,872 bekannten Verfahren wird ebenfalls ein Elektronenstrahl zur Ionisation verwendet. Die Fokussierung des Elektronenstrahls erfolgt dort über eine Anordnung von Repellerelektroden. Zur Speicherung der Ionen kommt dort eine zusätzliche Elektrodenanordnung zur Anwendung, die ein für Ionen attraktives Potential mittels einer zusätzlichen Speicherelektrode innerhalb des Ionisationsvolumens und insbesondere innerhalb des Ionenspeicherraums erzeugt. Das dort offenbarte Verfahren hat den Nachteil, dass die erzeugten Ionen eine nur kurze Lebensdauer aufweisen können, da sie von der Speicherelektrode angezogen und neutralisiert werden. Damit sind die erzeugbaren Ionenströme, d.h. letztlich die Anzahl der gespeicherten Ionen proportional vom Druck der Restgasatmosphäre abhängig. Die dort offenbarte Anordnung ist zwar magnetfeldfrei, jedoch zeichnet sich auch die dort gezeigte Anordnung durch einen komplizierten Speicherelektrodenaufbau aus, wobei die dort notwendigen Beschleunigungsspannungen an der Elektronenquelle im Bereich von 500 bis 1000 V liegen.In another example, from the US patent US$4,904,872 In the known methods, an electron beam is also used for ionization. The electron beam is focused there via an arrangement of repeller electrodes. To store the ions, an additional electrode arrangement is used which generates a potential that is attractive for ions by means of an additional storage electrode within the ionization volume and in particular within the ion storage space. The method disclosed there has the disadvantage that the ions generated can only have a short lifespan because they are attracted to the storage electrode and neutralized. The ion currents that can be generated, i.e. ultimately the number of stored ions, are therefore proportional to the pressure of the residual gas atmosphere. Although the arrangement disclosed there is free of magnetic fields, the arrangement shown there is also characterized by a complicated storage electrode structure, with the acceleration voltages required at the electron source being in the range of 500 to 1000 V.

Bei beiden bekannten Verfahren kommt es außerdem dazu, dass den erzeugten Ionen eine Energieverteilung aufgeprägt ist, die deutlich höher ist als die thermische Verteilung in der Restgasatmosphäre. Dies ist insbesondere auch in Hinblick auf eine nachgeschaltete Restgasanalyse über z.B. eine Flugzeitmessung des Ionenpaketes nachteilig, da die einzelnen massenseparierten Ionenpakete während der Flugzeit räumlich stark divergieren, wodurch das Auflösungsvermögen der Apparatur im Allgemeinen sich verringert bzw. längere Flugstrecken benötigt werden.In both known methods, the energy distribution of the ions produced is also significantly higher than the thermal distribution in the residual gas atmosphere. This is particularly disadvantageous with regard to subsequent residual gas analysis, for example by measuring the time of flight of the ion packet, since the individual mass-separated ion packets diverge greatly in space during the flight, which generally reduces the resolution of the apparatus and requires longer flight distances.

EP 0 676 792 A2 offenbart eine Vorrichtung zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre umfassend eine Elektronenquelle zum Freisetzen von Elektronen und einen lonen-Speicherraum der ausschließlich infolge der durch die Elektronen erzeugten negativen Raumladungsverteilung eine für die durch Ionisation der Restgasatmosphäre erzeugten Ionen attraktive räumliche Potentialverteilung aufweist, wobei durch die negative Raumladung die Teilchen des Restgases ionisierbar sind und ein attraktives Potential für die gebildeten positiven Ionen ausbildbar ist. Die Ionen werden nach einer vorbestimmten Zeit durch eine Elektrode extrahiert. EP 0 676 792 A2 discloses a device for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere, comprising an electron source for releasing electrons and an ion storage space which, solely as a result of the negative space charge distribution generated by the electrons, has a spatial potential distribution that is attractive for the ions generated by ionization of the residual gas atmosphere, wherein the particles of the residual gas can be ionized by the negative space charge and an attractive potential can be formed for the positive ions formed. The ions are extracted by an electrode after a predetermined time.

Dieses Verfahren ist für kleine Partialdrucke nicht immer ausreichend empfindlich.This method is not always sufficiently sensitive for small partial prints.

Es besteht somit die Aufgabe, den genannten Nachteilen abzuhelfen. Insbesondere sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre angegeben werden, bei dem die Zahl der erzeugten Ionen vom Druck der Restgasatmosphäre im Wesentlichen unabhängig ist. Das Verfahren soll auch bei einem niedrigen Druck im Restgas noch ausführbar sein und dabei möglichst große Ionenmengen für einen gesicherten Ionennachweis liefern. Die Anordnung zum Ausführen des Verfahrens soll einen einfachen Aufbau aufweisen und ohne den zusätzlichen Einfluss von Magnetfeldern ausgeführt werden können.The aim is therefore to remedy the disadvantages mentioned. In particular, a method and a device for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere are to be specified, in which the number of ions generated is essentially independent of the pressure of the residual gas atmosphere. The method should also be able to be carried out at a low pressure in the residual gas and should deliver the largest possible quantity of ions for reliable ion detection. The arrangement for carrying out the method should have a simple structure and be able to be carried out without the additional influence of magnetic fields.

Darüber hinaus soll das Verfahren eine möglichst thermische Energieverteilung innerhalb der erzeugten Ionenmenge sicherstellen. Der Energieverteilung der Ionen soll somit durch den Vorgang der Ionenerzeugung selbst keine verfälschende und zusätzliche Signatur aufgeprägt werden. Schließlich sollen das gesuchte Verfahren zur Ionenerzeugung und die dabei verwendete Vorrichtung die Moleküle innerhalb der Restgasatmosphäre auch während der Ionisierung möglichst intakt lassen, es sollen dabei möglichst nur einfach geladene Ionen erzeugt werden.In addition, the process should ensure that the energy distribution within the quantity of ions produced is as thermal as possible. The energy distribution of the ions should therefore not be given a falsifying or additional signature by the process of ion production itself. Finally, the process of ion production and the device used should leave the molecules within the residual gas atmosphere as intact as possible even during ionization, and only singly charged ions should be produced.

Die genannten Aufgaben werden mit einer Vorrichtung zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem entsprechenden Verfahren zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige bzw. vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens.The above objects are achieved with a device for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere having the features of claim 1 and with a corresponding method for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere with the features of claim 10. The subclaims contain expedient or advantageous embodiments of the device and the method.

Die erfindungsgemäß beanspruchte Vorrichtung zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre umfasst eine Elektronenquelle zum Freisetzen von Elektronen, eine für die von der Elektronenquelle freigesetzten Elektronen durchlässige Anode mit einer durch die Elektronen gebildeten negativen Raumladungsverteilung innerhalb eines von der Anode mindestens teilweise umgebenen Ionen-Speicherraums und einer von der Anode elektrisch isolierten Pulselektrode zum Extrahieren der Ionen aus dem Speicherraum. Erfindungsgemäß befinden sich innerhalb des Ionen-Speicherraumes keine weiteren Elektroden und der Ionen-Speicherraum weist ausschließlich infolge der durch die Elektronen erzeugten negativen Raumladungsverteilung eine für die durch Ionisation der Restgasatmosphäre erzeugten Ionen attraktive räumliche Potentialverteilung auf und speichert Ionen. Erfindungsgemäß liegen die Anode und die Pulselektrode während des Speichervorgangs auf einem gleichen Potential.The device claimed according to the invention for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere comprises an electron source for releasing electrons, an anode which is permeable to the electrons released by the electron source and has a negative space charge distribution formed by the electrons within an ion storage space at least partially surrounded by the anode, and a pulse electrode which is electrically insulated from the anode for extracting the ions from the storage space. According to the invention, there are no further electrodes within the ion storage space and the ion storage space has a spatial potential distribution which is attractive for the ions generated by ionization of the residual gas atmosphere and stores ions solely as a result of the negative space charge distribution generated by the electrons. According to the invention, the anode and the pulse electrode are at the same potential during the storage process.

Erfindungsgemäß sind durch die negative Raumladung die Teilchen des Restgases ionisierbar und es wird ein attraktives Potential für die gebildeten positiven Ionen ausgebildet, wobei die negative Raumladung einen Speicherbereich für die erzeugten Ionen bildet.According to the invention, the particles of the residual gas can be ionized by the negative space charge and an attractive potential is created for the positive ions formed, whereby the negative space charge forms a storage area for the ions generated.

Als erfindungswesentlicher Bestandteil der Vorrichtung ist außerdem ein Mittel zum Regeln des Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der Pulselektrode auf eine fest vorgegebene Stärke des gemessenen freigesetzten Ionenpaketes vorgesehen.As an essential component of the device according to the invention, a means for regulating the time interval between successive switching operations of the pulse electrode to a fixed predetermined strength of the measured released ion packet is also provided.

Die Vorrichtung zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre umfasst somit eine Elektronenquelle zum Freisetzen von Elektronen und eine für die von der Elektronenquelle freigesetzten Elektronen durchlässige Anode mit einer durch die Elektronen gebildeten negativen Raumladung innerhalb eines von der Anode mindestens teilweise umgebenen Ionen-Speicherraums.The device for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere thus comprises an electron source for releasing electrons and an anode permeable to the electrons released by the electron source with a negative space charge formed by the electrons within an ion storage space at least partially surrounded by the anode.

Dabei weist der Ionen-Speicherraum für die durch Ionisation der Restgasatmosphäre erzeugten Ionen infolge der negativen Raumladung eine attraktive räumliche Potentialverteilung auf. Weiterhin ist eine in Emissionsrichtung den Ionenspeicherraum abschließendes, auf ein elektrisches Potential schaltbare und perforierte Pulselektrode zum Freisetzen eines Ionenpaketes aus dem Ionenspeicherraum vorgesehen.The ion storage space for the ions generated by ionization of the residual gas atmosphere has an attractive spatial potential distribution due to the negative space charge. Furthermore, a junction that closes the ion storage space in the emission direction and is based on an electrical Potential switchable and perforated pulse electrode provided for releasing an ion packet from the ion storage space.

Der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt der Gedanke zugrunde, die Teilchen des Restgases im attraktiven Potential einer negativen Raumladungswolke zu ionisieren und zu speichern. Im Gegensatz zu dem bekannten EBIT-Verfahren, bei dem ein durch ein Magnetfeld stark kollimierter Elektronenstrahl verwendet wird, ist die negative Raumladungswolke bzw. Elektronendichte ohne weitere Bündelung oder Kollimierung ausgebildet und ohne die Zunahme von zusätzlichen Elektroden in axialer Richtung. Zum Formen der negativen Raumladungswolke dient die für die emittierten Elektronen durchlässige Anode. Die emittierten Elektronen sammeln sich im Bereich der durchlässigen Anode und bilden die Raumladungswolke insbesondere in deren Innenbereich aus.The device according to the invention is based on the idea of ionizing and storing the particles of the residual gas in the attractive potential of a negative space charge cloud. In contrast to the known EBIT method, in which an electron beam that is strongly collimated by a magnetic field is used, the negative space charge cloud or electron density is formed without further bundling or collimation and without the increase of additional electrodes in the axial direction. The anode, which is permeable to the emitted electrons, serves to form the negative space charge cloud. The emitted electrons collect in the area of the permeable anode and form the space charge cloud, particularly in its interior.

Die negative Raumladungswolke erfüllt eine Doppelfunktion: Sie ionisiert erstens die Teilchen des Restgases und bildet zweitens ein attraktives Potential für die darin gebildeten positiven Ionen aus. Die positiven Ionen sammeln sich in diesem attraktiven Potential an, sodass die negative Raumladungswolke einen Speicherbereich für die erzeugten Ionen bildet.The negative space charge cloud has a dual function: firstly, it ionizes the particles of the residual gas and secondly, it creates an attractive potential for the positive ions formed in it. The positive ions accumulate in this attractive potential, so that the negative space charge cloud forms a storage area for the ions produced.

Bei einer Ausführungsform liegen die Anode und die Pulselektrode während des Speichervorgangs auf dem gleichen Potential.In one embodiment, the anode and the pulse electrode are at the same potential during the storage process.

Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Elektronenquelle als eine die elektronendurchlässige Anode umgebende Glühkathode in Form eines Ringfilamentes ausgebildet. Hierdurch wird die elektronendurchlässige Anode von allen Seiten mit den aus dem Ringfilament emittierten Elektronen beaufschlagt. Denkbar sind auch andere Ausgestaltungen der Elektronenquelle bei denen die Elektronen aus einem oder mehreren Quellen emittiert werden und die Anode an entsprechenden Stellen beaufschlagen. Entscheidend ist am Ende die erzeugte negative Raumladungsverteilung innerhalb der Anode.In one embodiment of the device, the electron source is designed as a hot cathode in the form of a ring filament that surrounds the electron-permeable anode. This means that the electron-permeable anode is exposed from all sides to the electrons emitted from the ring filament. Other designs of the electron source are also conceivable in which the electrons are emitted from one or more sources and impact the anode at the appropriate points. In the end, the decisive factor is the negative space charge distribution generated within the anode.

Im Vergleich zu den bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik kann die Beschleunigungsspannung für die Elektronen deutlich reduziert werden. Bei einer Ausführungsform beträgt die an der Glühkathode anliegende für die emittierten Elektronen wirksame Beschleunigungsspannung maximal 200 Volt.Compared to the known prior art methods, the acceleration voltage for the electrons can be significantly reduced. In one embodiment, the acceleration voltage applied to the hot cathode that is effective for the emitted electrons is a maximum of 200 volts.

Im Vergleich zu den bekannten EBIT-Verfahren kann der Elektronenstrom deutlich reduziert werden. Bei einer Ausführungsform beträgt der aus der Glühkathode austretende Elektronenstrom nicht mehr als 10mA, insbesondere sind 2mA für typische Anwendungen ausreichend. Damit werden die Leistungsaufnahme und der Hitzeeintrag im Sensor deutlich reduziert.Compared to the known EBIT processes, the electron current can be significantly reduced. In one embodiment, the electron current emerging from the hot cathode is no more than 10mA; in particular, 2mA is sufficient for typical applications. This significantly reduces the power consumption and heat input in the sensor.

Bei einer Ausführungsform ist eine die Elektronenquelle umgebende elektrostatische Anordnung aus Fokussierelektroden und/oder einem Repeller für ein zusätzliches Ausrichten und Formen der Elektronenemission vorgesehen. Die Fokussierelektroden und/oder der Repeller dienen insbesondere dazu, die nicht in Richtung der elektronendurchlässigen Anode emittierten Elektronen in Richtung der elektronendurchlässigen Anode zu lenken somit die Herausbildung der negativen Raumladung zu unterstützen.In one embodiment, an electrostatic arrangement of focusing electrodes and/or a repeller surrounding the electron source is provided for additional alignment and shaping of the electron emission. The focusing electrodes and/or the repeller serve in particular to direct the electrons not emitted in the direction of the electron-permeable anode in the direction of the electron-permeable anode, thus supporting the formation of the negative space charge.

Die negative Raumladungsverteilung bildet während des Speichervorgangs eine Potentialmulde bezüglich des Anoden- und Pulselektrodenpotentials, die, wenn die negative Raumladungsverteilung nicht mit Ionen kompensiert ist, auf Ionen im Ionisationsvolumen attraktiv wirkt, und bildet eine in alle Richtungen wirkende elektrostatische Austrittsbarriere für Ionen und ermöglicht somit eine Speicherung von Ionen bis zur Kompensation der negativen Raumladung.During the storage process, the negative space charge distribution forms a potential well with respect to the anode and pulse electrode potential, which, if the negative space charge distribution is not compensated with ions, acts attractively on ions in the ionization volume and forms an electrostatic exit barrier for ions acting in all directions, thus enabling storage of ions until the negative space charge is compensated.

Zur Ionenextraktion ist die Pulselektrode auf ein im Vergleich zur Anode negatives Potential schaltbar, wobei die gesammelten Ionen in Richtung der Pulselektrode extrahierbar sind.For ion extraction, the pulse electrode can be switched to a negative potential compared to the anode, whereby the collected ions can be extracted in the direction of the pulse electrode.

Die Frequenz zum Schalten der Pulselektrode beträgt zweckmäßigerweise minimal 0.1 Hz und maximal 1 MHz, insbesondere minimal 1Hz, und maximal 100 kHz.The frequency for switching the pulse electrode is preferably a minimum of 0.1 Hz and a maximum of 1 MHz, in particular a minimum of 1 Hz and a maximum of 100 kHz.

Insbesondere beträgt der durch die Elektronenquelle erzeugte Elektronenstrom minimal 1µA und maximal 15 mA, insbesondere minimal 5µA und maximal 2mA.In particular, the electron current generated by the electron source is a minimum of 1µA and a maximum of 15 mA, in particular a minimum of 5µA and a maximum of 2mA.

Die für die an der Elektronenquelle (1) erzeugten Elektronen auf Grund der Potentialdifferenz zwischen Elektronenquelle (1) und Anode (2) wirksame Beschleunigungsspannung beträgt minimal 30V und maximal 400V, insbesondere minimal 70V und maximal 150V.The acceleration voltage effective for the electrons generated at the electron source (1) due to the potential difference between the electron source (1) and the anode (2) is a minimum of 30V and a maximum of 400V, in particular a minimum of 70V and a maximum of 150V.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist die für die emittierten Elektronen durchlässige Anode einen zylindersymmetrischen Aufbau auf. Hierbei kann die Mantelfläche des Zylinders parallel zu dem umlaufenden Ringfilament der Elektronenquelle ausgebildet sein, während die Pulselektrode eine der beiden Deckflächen der zylindersymmetrischen Anode bildet. Der zylindersymmetrische Aufbau begünstigt das mehrfache Passieren der Elektronen durch den Ionisationsraum, womit die Elektronenausbeute im Vergleich zu gerichteten Strahlgängen gesteigert wird und die speicherbare Ladung bei gleichem Emissionsstrom auf Grund der gesteigerten Raumladung im Speicherraum gesteigert wird.In a further embodiment, the anode that is permeable to the emitted electrons has a cylindrically symmetrical structure. The outer surface of the cylinder can be designed parallel to the circumferential ring filament of the electron source, while the pulse electrode forms one of the two cover surfaces of the cylindrically symmetrical anode. The cylindrically symmetrical structure promotes the multiple passage of the electrons through the ionization space, which increases the electron yield compared to directed beam paths and increases the storable charge with the same emission current due to the increased space charge in the storage space.

Ergänzend kann ein in Flugrichtung der Ionen angeordneter Detektor zur Messung des Ionenstroms vorgesehen sein.In addition, a detector arranged in the direction of flight of the ions can be provided to measure the ion current.

Das Verfahren zum Erzeugen, Speichern und gepulsten Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre erfolgt mit den folgenden erfindungswesentlichen Verfahrensschritten:
Es erfolgt ein Emittieren von Elektronen aus einer Elektronenquelle und deren Beschleunigung in Richtung des Ionisationsraumes durch die durchlässige Anodenanordnung.
The method for generating, storing and pulsed releasing ions from a residual gas atmosphere is carried out with the following method steps essential to the invention:
Electrons are emitted from an electron source and accelerated towards the ionization space through the permeable anode arrangement.

Es erfolgt eine Erzeugung einer negativen Raumladungswolke innerhalb des Ionisationsraumes aufgrund der sich durch den Ionisationsraum bewegenden ElektronenA negative space charge cloud is generated within the ionization space due to the electrons moving through the ionization space

Erfindungsgemäß erfolgt ein Anlegen der Anodenanordnung und einer Pulselektrode während des Speichervorgangs auf ein gleiches Potential.According to the invention, the anode arrangement and a pulse electrode are connected to the same potential during the storage process.

Es erfolgt eine Stoßionisation von Gasmolekülen und/oder Gasatomen innerhalb des Ionisationsraumes und ein Speichern der erzeugten positiv geladenen Ionen im attraktiven Potential der negativ geladenen Raumladungswolke als ein positiv geladener Ionenvorrat.Impact ionization of gas molecules and/or gas atoms occurs within the ionization space and the generated positively charged ions are stored in the attractive potential of the negatively charged space charge cloud as a positively charged ion reserve.

Es erfolgt sodann ein Schalten der Pulselektrode auf ein Potential bezüglich des Anodenpotentials und ein Beschleunigen des im Potential der Raumladungswolke befindlichen Ionenvorrats aus dem Ionisationsraum heraus.The pulse electrode is then switched to a potential relative to the anode potential and the ion supply located in the potential of the space charge cloud is accelerated out of the ionization space.

Hierdurch erfolgt eine Extraktion mindestens eines Teils des gespeicherten Ionenvorrates in Form eines Ionenpaketes.This results in the extraction of at least part of the stored ion pool in the form of an ion packet.

Es wird als Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens im Zusammenhang damit eine Bestimmung eines Totaldruckes ausgeführt. Dabei wird das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der Pulselektrode auf eine fest vorgegebene Stärke des gemessenen freigesetzten Ionenpaketes geregelt, wobei das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der Pulselektrode ein Maß des zu messenden Totaldrucks ist.As part of the method according to the invention, a determination of a total pressure is carried out in connection with this. The time interval between successive switching operations of the pulse electrode is regulated to a fixed predetermined strength of the measured released ion packet, wherein the time interval between successive switching operations of the pulse electrode is a measure of the total pressure to be measured.

Es erfolgt somit ein Emittieren von Elektronen aus einer Elektronenquelle und ein Beschleunigen der Elektronen in Richtung der durchlässigen Anodenanordnung. Die Elektronen passieren, falls sie nicht am Anodengitter verenden, dabei den Ionisationsraum (u.U. mehrfach) und bilden dabei eine negativ geladene Raumladungswolke aus.This results in electrons being emitted from an electron source and accelerated towards the permeable anode arrangement. If the electrons do not die on the anode grid, they pass through the ionization space (possibly several times) and form a negatively charged space charge cloud.

Unter anderem innerhalb der negativen Raumladungswolke erfolgt gleichzeitig eine Stoßionisation von Gasmolekülen und/oder Gasatomen. Die dabei erzeugten positiv geladenen Ionen werden im attraktiven Potential der negativ geladenen Raumladungswolke gesammelt und bilden einen dort gespeicherten positiv geladenen Ionenvorrat.At the same time, impact ionization of gas molecules and/or gas atoms occurs within the negative space charge cloud. The positively charged ions generated are collected in the attractive potential of the negatively charged space charge cloud and form a positively charged ion reserve stored there.

Es erfolgt im Anschluss daran ein Schalten einer ionendurchlässigen Pulselektrode auf ein negatives Potential und ein Beschleunigen des im Potential der Raumladungswolke befindlichen Ionenvorrats in Richtung der Pulselektrode. In Verbindung damit erfolgt ein Freisetzen mindestens eines im Feld der Pulselektrode aus dem attraktiven Potential heraus beschleunigten Teils des Ionenvorrates in Form eines Ionenpaketes durch das Pulsgitter.This is followed by switching an ion-permeable pulse electrode to a negative potential and accelerating the ion supply in the potential of the space charge cloud in the direction of the pulse electrode. In connection with this, at least one part of the ion supply accelerated out of the attractive potential in the field of the pulse electrode is released in the form of an ion packet through the pulse grid.

Grundgedanke des Verfahrens ist es, eine negative, aus freigesetzten Elektronen gebildete Raumladungswolke zum einen für die Stoßionisation von neutralen Gasteilchen zu nutzen, und andererseits das negative Potential der Raumladungswolke gleichzeitig zum Sammeln und Speichern der erzeugten Ionen zu verwenden. Dieses negative Potential wird somit nach und nach mit den erzeugten positiven Ionen aufgefüllt, bis dieses Potential im Wesentlichen ausgeglichen ist. Weil die Tiefe des negativen Potentials im Wesentlichen nicht vom Druck der umgebenden Gasatmosphäre abhängig ist und dieses Potential im Verlauf der Ionisierung der Gasteilchen stets aufgefüllt wird, ist die Anzahl der ionisierten Gasteilchen im negativen Potential weitgehend unabhängig vom Druck der Gasatmosphäre, sodass auch ein vom Druck unabhängiges Ionenpaket freigesetzt werden kann. Die Energieverteilung der Ionen innerhalb des Speicherpotentials ist im Wesentlichen thermisch, die Ionen selbst sind in der Regel aufgrund der schwachen geringen kinetischen Elektronenenergie nur einfach positiv geladen, wobei größere Moleküle im Wesentlichen nicht in kleinere Bruchstücke aufgespalten werden. Das Verfahren kommt ohne aufwändige magnetische Fokussierungen eines Elektronenstrahls aus und kann im Vergleich zum Stand der Technik bei verhältnismäßig geringen Elektronenenergien betrieben werden. Ebenso entfallen aufwändige Speicherelektroden zum Sammeln der erzeugten Ionen.The basic idea of the process is to use a negative space charge cloud formed from released electrons for the impact ionization of neutral gas particles and to use the negative potential of the Space charge cloud is used simultaneously to collect and store the ions generated. This negative potential is gradually filled with the positive ions generated until this potential is essentially balanced. Because the depth of the negative potential is essentially not dependent on the pressure of the surrounding gas atmosphere and this potential is constantly filled during the ionization of the gas particles, the number of ionized gas particles in the negative potential is largely independent of the pressure of the gas atmosphere, so that a pressure-independent ion packet can also be released. The energy distribution of the ions within the storage potential is essentially thermal, the ions themselves are usually only positively charged due to the weak, low kinetic electron energy, with larger molecules essentially not being split into smaller fragments. The process does not require complex magnetic focusing of an electron beam and can be operated at relatively low electron energies compared to the state of the art. Complex storage electrodes for collecting the ions generated are also not required.

Das Emittieren der Elektronen aus der Elektronenquelle erfolgt bei einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens aus einer ringförmig die transmissive Anodenanordnung umgebenden Glühkathode, wobei die Elektronen im Feld der transmissiven Anodenanordnung beschleunigt werden und die negative Raumladungswolke ausbilden. Die transmissive Anodenanordnung verfolgt somit nur den Zweck, die emittierten Elektronen in einem bestimmten Raumbereich zu konzentrieren und dabei die ionisierende und gleichzeitig speichernde Raumladungswolke zu erzeugen.In an advantageous embodiment of the method, the electrons are emitted from the electron source from a hot cathode that surrounds the transmissive anode arrangement in a ring, whereby the electrons are accelerated in the field of the transmissive anode arrangement and form the negative space charge cloud. The transmissive anode arrangement therefore only serves the purpose of concentrating the emitted electrons in a certain spatial region and thereby generating the ionizing and simultaneously storing space charge cloud.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Stärke des freigesetzten Ionenimpulses über ein Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der Pulselektrode eingestellt, sodass die Stärke des Ionenimpulses proportional zur Länge des Zeitintervalls ist.In one embodiment of the method, the strength of the released ion pulse is adjusted over a time interval between successive switching operations of the pulse electrode, so that the strength of the ion pulse is proportional to the length of the time interval.

Bei einer Abwandlung des Verfahrens kann neben dem Freisetzen des Ionenpakets auch eine Bestimmung eines Totaldruckes ausgeführt werden. Dabei wird bei einem fest vorgegebenen Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der Pulselektrode eine Stärke des freigesetzten Ionenstromes gemessen, wobei die Stärke des Ionenstroms als ein Maß des zu messenden Totaldrucks verwendet wird.In a modification of the method, in addition to the release of the ion packet, a determination of a total pressure can also be carried out. In this case, the strength of the released ion current is determined at a fixed time interval between successive switching operations of the pulse electrode. measured, using the strength of the ion current as a measure of the total pressure to be measured.

Erfindungswesentlich wird als Teil des Verfahrens neben dem Freisetzen des Ionenpakets auch eine Bestimmung eines Totaldruckes ausgeführt. Dabei wird wie erwähnt das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der Pulselektrode auf eine fest vorgegebene Stärke des gemessenen freigesetzten Ionenpaketes geregelt, wobei das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der Pulselektrode ein Maß des zu messenden Totaldrucks ist. Aufgrund der vom Druck unabhängigen Stärke des Ionenpaketes kann die Ionenquelle in einem sehr weiten Druckbereich von 1e-12 mbar bis 2e-2 mbar betrieben werden.Essential to the invention, as part of the method, in addition to releasing the ion packet, a total pressure is also determined. As mentioned, the time interval between successive switching operations of the pulse electrode is regulated to a fixed predetermined strength of the measured released ion packet, whereby the time interval between successive switching operations of the pulse electrode is a measure of the total pressure to be measured. Due to the strength of the ion packet being independent of the pressure, the ion source can be operated in a very wide pressure range from 1e-12 mbar to 2e-2 mbar.

Die Vorrichtung und das Verfahren sollen nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die Figuren 1 bis 14. Es werden für gleiche bzw. gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.The device and the method will be explained in more detail below using exemplary embodiments. The following are used for clarification: Figures 1 to 14 The same reference symbols are used for identical or equivalent parts.

Es zeigt:

Fig. 1
eine Gesamtdarstellung der Vorrichtung zu Ionenerzeugung, -speicherung und -freisetzung im Schnitt,
Fig. 2
eine Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 3
eine Darstellung des Vorgangs der Ionenerzeugung, -speicherung und - freisetzung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 4a und 4b
verschiedene Darstellungen einer beispielhaften Pulselektrode mit einem Pulsgitter,
Fig. 5
eine beispielhafte Darstellung der Vorrichtung zur Ionenerzeugung in Verbindung mit einer Sensorik für eine Flugzeit-Spektroskopie,
Fig. 6
eine beispielhafte Darstellung verschiedener Potentialverteilungen im Ionenspeicherraum infolge der durch die Elektronen bewirkten negativen Raumladung,
Fig. 7
eine Darstellung der Abhängigkeit der Anzahl der speicherbaren Ionen vom Emissionsstrom an der Elektronenquelle für zwei verschiedene auf die Elektronen wirkende Beschleunigungsspannungen,
Fig. 8
eine Darstellung der Abhängigkeit der speicherbaren Ladung vom Emissionsstrom an der Elektronenquelle für zwei verschiedene auf die Elektronen wirkende Beschleunigungsspannungen,
Fig. 9
eine Darstellung des zeitlichen Füllvorgangs für das attraktive Potential in Abhängigkeit von zwei verschiedenen Drücken,
Fig. 10
eine Darstellung der simulierten Fülldauer in Abhängigkeit vom Druck,
Fig. 11
eine Darstellung eines simulierten Sammeleffektes und einer sich daraus ergebenden Fülldauer für einen Druck von 10-5 mbar,
Fig. 12
eine Darstellung der experimentell bestimmten Fülldauer in Abhängigkeit vom Druck,
Fig. 13
beispielhafte Bestimmungen der gesammelten Ladung in Abhängigkeit vom der Sammelzeit und des Totaldrucks über eine Auswertung eines Integrals über ein Messsignal in einem Faraday-Becher,
Fig. 14
eine Darstellung der Flugzeiten von Ionen unterschiedlicher Massen.
It shows:
Fig.1
an overall view of the device for ion generation, storage and release in section,
Fig.2
a representation of the device Fig.1 in a perspective view,
Fig.3
a representation of the process of ion generation, storage and release in the device according to the invention,
Fig. 4a and 4b
various representations of an exemplary pulse electrode with a pulse grid,
Fig.5
an exemplary representation of the device for ion generation in conjunction with a sensor for time-of-flight spectroscopy,
Fig.6
an exemplary representation of various potential distributions in the ion storage space due to the negative space charge caused by the electrons,
Fig.7
a representation of the dependence of the number of storable ions on the emission current at the electron source for two different accelerating voltages acting on the electrons,
Fig.8
a representation of the dependence of the storable charge on the emission current at the electron source for two different accelerating voltages acting on the electrons,
Fig.9
a representation of the temporal filling process for the attractive potential depending on two different pressures,
Fig.10
a representation of the simulated filling time depending on the pressure,
Fig. 11
a representation of a simulated collection effect and a resulting filling time for a pressure of 10 -5 mbar,
Fig. 12
a representation of the experimentally determined filling time as a function of pressure,
Fig. 13
exemplary determinations of the collected charge as a function of the collection time and the total pressure via an evaluation of an integral over a measuring signal in a Faraday cup,
Fig. 14
a representation of the flight times of ions of different masses.

Fig. 1 zeigt eine Gesamtdarstellung der Vorrichtung zu Ionenerzeugung, - speicherung und -freisetzung im Schnitt. Die Vorrichtung enthält eine Elektronenquelle 1, die in dem hier vorliegenden Beispiel als eine Glühkathode in Form eines Ringfilamentes ausgebildet ist. Das Ringfilament umgibt eine für Elektronen durchlässige Anode 2. Innerhalb der Anode und im Raumbereich des Ringfilamentes wird durch die emittierten Elektronen eine negative ionisierende Raumladung 3 erzeugt, die in der hier vorliegenden Figur durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Die negative Raumladung reicht insbesondere in einen Ionen-Speicherraum 4 hinein, der sich im Inneren der Anode 2 befindet. Die Anode 2 ist von der Pulselektrode 5 elektrisch isoliert. Fig.1 shows an overall view of the device for ion generation, storage and release in section. The device contains an electron source 1, which in the example presented here is designed as a hot cathode in the form of a ring filament. The ring filament surrounds an anode 2 that is permeable to electrons. Within the anode and in the space area of the ring filament, a negative ionizing space charge 3 is generated by the emitted electrons, which is shown in the figure presented here by a dashed line. line. The negative space charge extends in particular into an ion storage space 4, which is located inside the anode 2. The anode 2 is electrically insulated from the pulse electrode 5.

Bei dem hier gegebenen Beispiel ist die Anordnung zusätzlich von Fokussierelektroden 6 umgeben und nach außen hin abgeschirmt. Die Fokussierelektroden bewirken insbesondere ein Ausrichten der von der Elektronenquelle emittierten Elektronen in Richtung der für die Elektronen durchlässigen Anode 2.In the example given here, the arrangement is additionally surrounded by focusing electrodes 6 and shielded from the outside. The focusing electrodes in particular align the electrons emitted by the electron source in the direction of the anode 2, which is permeable to the electrons.

Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 gezeigte Anordnung in einer perspektivischen Darstellung. Die für Elektronen durchlässige Anode 2 ist hier zylindersymmetrisch aufgebaut. Sie enthält eine Mantelfläche 7, die als ein hinreichend feinmaschiges Gitter, Sieb oder leitfähiges Gewebe ausgebildet ist. Die Stirnseite der Mantelfläche 7, d.h. eine der Grundflächen der zylindrischen Anode, wird durch die Pulselektrode 8 gebildet. Fig.2 shows the Fig.1 shown arrangement in a perspective view. The anode 2, which is permeable to electrons, is constructed here with cylindrical symmetry. It contains a surface area 7, which is designed as a sufficiently fine-meshed grid, sieve or conductive fabric. The front side of the surface area 7, ie one of the base surfaces of the cylindrical anode, is formed by the pulse electrode 8.

Die gesamte Anodenanordnung, einschließlich der Mantelfläche 7 und der Pulselektrode 8, ist gasdurchlässig und gleichzeitig für Elektronen teilweise transparent.The entire anode arrangement, including the outer surface 7 and the pulse electrode 8, is gas-permeable and at the same time partially transparent to electrons.

Als Elektronenquelle dient im hier vorliegenden Beispiel ein Ringfilament 9 in Form einer parallel zur Mantelfläche 7 in einem gewissen Abstand verlaufenden ringförmigen Glühkathode, die bei hoher Temperatur mittels thermischer Emission Elektronen emittiert.In the example presented here, the electron source is a ring filament 9 in the form of a ring-shaped hot cathode running parallel to the lateral surface 7 at a certain distance, which emits electrons at high temperature by means of thermal emission.

Die aus der Glühkathode emittierten Elektronen werden allseitig u.a. in Richtung der Mantelfläche 7 der Anode emittiert und beschleunigt und durchdringen die Mantelfläche 7, wobei diese in den Innenraum der Anode eindringen und die dort vorhandenen Gasteilchen über den Prozess der Stoßionisation ionisieren. Zugleich bilden die Elektronen eine negative Raumladungswolke aus, die für die positiv geladenen Ionen ein attraktives Potential darstellt. Die Ionen werden somit in diesem attraktiven Potential innerhalb des Ionen-Speicherraums 4 der Anode gesammelt. Über ein Schalten der Pulselektrode 8 auf ein negatives Potential können nun die Ionen aus dem Ionen-Speicherraum nach außen durch das Pulsgitter hindurch beschleunigt werden. Es wird dabei ein Ionenpaket extrahiert. Die Extraktionsrichtung des Ionenpakets ist durch einen Pfeil verdeutlicht.The electrons emitted from the hot cathode are emitted from all sides, including towards the outer surface 7 of the anode, and accelerated and penetrate the outer surface 7, penetrating the interior of the anode and ionizing the gas particles present there via the process of impact ionization. At the same time, the electrons form a negative space charge cloud, which represents an attractive potential for the positively charged ions. The ions are thus collected in this attractive potential within the ion storage space 4 of the anode. By switching the pulse electrode 8 to a negative potential, the ions can now be released from the ion storage space to the outside through the are accelerated through a pulse grid. An ion packet is extracted. The extraction direction of the ion packet is indicated by an arrow.

In einer alternativen Ausführungsform kann die Pulselektrode auf ein im Vergleich zur Anode positives Potential schaltbar sein, um die gesammelten Ionen entgegen der Richtung der Pulselektrode zu beschleunigen. Ist in diesem Fall zusätzlich der in Flugrichtung der Ionen liegende Teil der Anode für die Ionen durchlässig ausgeführt, können die gesammelten Ionen aus dem Ionenspeicherraum entgegen der Richtung der Pulselektrode durch eine abstoßende elektrostatische Wechselwirkung extrahiert werden. Die Pulselektrode kann in einem solchen Fall undurchlässig für die Ionen ausgebildet sein und treibt die positiven Ionen durch den Körper der Anode nach außen.In an alternative embodiment, the pulse electrode can be switched to a potential that is positive compared to the anode in order to accelerate the collected ions in the opposite direction to the pulse electrode. If in this case the part of the anode that is in the direction of flight of the ions is also designed to be permeable to the ions, the collected ions can be extracted from the ion storage space in the opposite direction to the pulse electrode by a repulsive electrostatic interaction. In such a case, the pulse electrode can be designed to be impermeable to the ions and drives the positive ions out through the body of the anode.

Fig. 3 zeigt den Prozess der Ionenerzeugung und Speicherung in einer Reihe von Verfahrensschritten A bis D. Im Zustand A ist die Elektronenquelle 1 inaktiv. Die Anode 2 befindet sich auf einem positiven Potential VAN, das über dem Querschnitt der Anode in deren im Inneren gelegenen Ionen-Speicherraum 4 im Wesentlichen ortsunabhängig und konstant ist. Fig.3 shows the process of ion generation and storage in a series of process steps A to D. In state A, the electron source 1 is inactive. The anode 2 is at a positive potential V AN , which is essentially location-independent and constant over the cross section of the anode in its interior ion storage space 4.

Im Zustand A sind Anode und Pulselektrode auf dem gleichen Potential VAN, so dass sich im Ionisationsvolumen ein konstantes Potential VAN einstellt.In state A, the anode and the pulse electrode are at the same potential V AN , so that a constant potential V AN is established in the ionization volume.

Im Zustand B wird die Elektronenquelle 1 aktiviert. Die emittierten Elektronen durchdringen die Anode und bilden insbesondere im Ionen-Speicherraum 4 eine negative Raumladungswolke 3 aus. Hierdurch nimmt das Potential innerhalb der Anode einen ortsabhängigen Wert an. Im zentralen Bereich der Raumladungswolke und damit auch des Ionen-Speicherraums bildet sich eine Potentialmulde mit einem lokalen Potentialminimum Vmin aus.In state B, the electron source 1 is activated. The emitted electrons penetrate the anode and form a negative space charge cloud 3, particularly in the ion storage space 4. As a result, the potential within the anode takes on a location-dependent value. In the central area of the space charge cloud and thus also of the ion storage space, a potential well with a local potential minimum V min is formed.

Zustand C berücksichtigt die Stoßionisation der im Ionen-Speicherraum 4 vorhandenen Gasteilchen durch den Einfluss der emittierten Elektronen. Die positiv geladenen Ionen werden in das lokale Minimum des Potentials im Ionen-Speicherraum bewegt und sammeln sich innerhalb der negativen Raumladungswolke an. Aufgrund der attraktiven Potentialmulde werden die Ionen innerhalb des Ionisationsvolumens gehalten, können nicht mit den den Ionisationsraum umgebenden Elektroden zusammenstoßen und neutralisiert werden. Das Potential wird mit fortlaufender Zeit ausgeglichen, die Tiefe des lokalen Potentialminimums innerhalb des Ionen-Speicherraums nimmt dabei ab und das Potentialminimum wird zunehmend flacher.State C takes into account the impact ionization of the gas particles present in the ion storage space 4 due to the influence of the emitted electrons. The positively charged ions are moved to the local minimum of the potential in the ion storage space and accumulate within the negative space charge cloud. Due to the attractive potential well, the ions are kept within the ionization volume, cannot collide with the electrodes surrounding the ionization space and are neutralized. The potential is equalized over time, the depth of the local potential minimum within the ion storage space decreases and the potential minimum becomes increasingly flatter.

Im Zustand D ist das Potentialminimum durch die positiven Ionen aufgefüllt. Die negative Raumladung der Elektronen ist vollständig durch die positiven angesammelten Ionen kompensiert. Es stellt sich nun in Hinblick auf das Potential im Inneren der Anode ein Verhältnis ein, wie er im Zustand A vorgelegen hat: ein im Wesentlichen ortsunabhängiges konstantes elektrostatisches Potential im Inneren der Anode. Die dort gespeicherten Ionen können nun unter dem attraktiven Einfluss der nun aktivierten Pulselektrode 8 zur Pulselektrode hin beschleunigt und nach außen als ein Ionenpaket abgegeben werden. Hierzu wird die Pulselektrode vom Anodenpotential VAN auf ein negativeres Potential geschaltet, wodurch die erzeugten Ionen aus dem Ionen-Speicherraum abgezogen werden.In state D, the potential minimum is filled by the positive ions. The negative space charge of the electrons is completely compensated by the positive accumulated ions. With regard to the potential inside the anode, a relationship is now established as was the case in state A: an essentially location-independent constant electrostatic potential inside the anode. The ions stored there can now be accelerated towards the pulse electrode under the attractive influence of the now activated pulse electrode 8 and released to the outside as an ion packet. For this purpose, the pulse electrode is switched from the anode potential V AN to a more negative potential, whereby the generated ions are withdrawn from the ion storage space.

Infolgedessen wird wieder der Zustand B eingenommen, bei dem innerhalb des Ionen-Speicherraums ein leeres ungefülltes Potentialmiminum vorliegt und das bei einem erneuten Durchlaufen der Zustände C und D erneut gefüllt und von den dort gespeicherten Ionen entleert werden kann. Dieser zyklische Betrieb erlaubt es somit, Ionenpakete bzw. Ionenpulse, d.h. räumlich begrenzte Ionenansammlungen, zu generieren. Die Zeit von Zustand B bis zur vollständigen Raumladungskompensation im Zustand D wird im folgendem als die Fülldauer bezeichnet. Aus der positiven Ionen-Ladung, welche im Zustand D gespeichert ist, ergibt sich die Speicherkapazität der Ionenquelle.As a result, state B is again assumed, in which there is an empty, unfilled potential minimum within the ion storage space and which can be filled again and emptied of the ions stored there by passing through states C and D again. This cyclic operation thus makes it possible to generate ion packets or ion pulses, i.e. spatially limited ion accumulations. The time from state B to complete space charge compensation in state D is referred to below as the filling time. The storage capacity of the ion source results from the positive ion charge stored in state D.

Die Figuren 4a und 4b zeigen eine Darstellung der Pulselektrode 8 mit einem darin eingearbeiteten Pulsgitter 5. Als Grundlage der Pulselektrode 8 dient hier eine Blechscheibe. In die Innenfläche der Blechscheibe ist im hier vorliegenden Beispiel eine sechseckige Wabenstruktur 10 eingearbeitet, insbesondere mittels Laserstrahlung hinein geschnitten, die einen Durchmesser DPG aufweist. Diese erhöht die Durchlässigkeit des Pulsgitters und gewährleistet eine ausreichende Abschirmung vor externen Feldern.The Figures 4a and 4b show a representation of the pulse electrode 8 with a pulse grid 5 incorporated therein. A sheet metal disk serves as the basis for the pulse electrode 8. In the example presented here, a hexagonal honeycomb structure 10 is incorporated into the inner surface of the sheet metal disk, in particular cut into it by means of laser radiation, which has a diameter D PG . This increases the permeability of the pulse grid and ensures sufficient shielding from external fields.

Über metallische Zuführungen kann die Pulselektrode elektrisch kontaktiert werden. Die Pulselektrode kann somit über eine externe Beschaltung aktiviert werden. Dabei ist es zum einen erforderlich, die Pulselektrode auf einem konstanten Potential VPG = VAN gemäß der Darstellung aus Fig. 3 zu halten, um die Ausbildung des Potentialminimums im Anodenraum zu gewährleisten. Zum anderen werden auch die attraktiven Pulse VPuls eines hier nicht dargestellten Pulsgenerators, die zur Extraktion der akkumulierten Ionen benötigt werden, auf die Pulselektrode übertragen.The pulse electrode can be electrically contacted via metallic leads. The pulse electrode can thus be activated via an external circuit On the one hand, it is necessary to keep the pulse electrode at a constant potential V PG = V AN as shown in Fig.3 to ensure the formation of the potential minimum in the anode chamber. On the other hand, the attractive pulses V Puls of a pulse generator (not shown here), which are required to extract the accumulated ions, are also transmitted to the pulse electrode.

Fig. 4b zeigt eine Detailansicht einer beispielhaften Gitterstruktur des Pulsgitters 5. Die Gitterstruktur 10 besteht im hier gegebenen Beispiel aus wabenartig angeordneten hexagonalen Durchbrüchen 11, die durch Stege 12 voneinander getrennt sind. Die geometrischen Maße der Gitterstruktur des Pulsgitters werden dabei so gewählt, dass eine möglichst verlustfreie Extraktion der Ionen aus dem Anodenraum, bei optimaler Abschirmung vor externen Feldern gewährleistet ist. Entsprechende Transmissionsverluste, die dadurch zustande kommen, dass sich Ionen an den Gitterstegen neutralisieren, können durch eine entsprechende Dimensionierung der Stegweite S und der Maschenweite G der hexagonalen Durchbrüche 11 minimiert werden. Fig. 4b shows a detailed view of an example of a grid structure of the pulse grid 5. In the example given here, the grid structure 10 consists of hexagonal openings 11 arranged in a honeycomb pattern, which are separated from one another by webs 12. The geometric dimensions of the grid structure of the pulse grid are chosen in such a way that the extraction of the ions from the anode space is as loss-free as possible, with optimal shielding from external fields. Corresponding transmission losses, which arise because ions neutralize themselves at the grid webs, can be minimized by appropriate dimensioning of the web width S and the mesh width G of the hexagonal openings 11.

Nachfolgend soll die Funktionsweise der Vorrichtung und des Verfahrens näher erläutert werden. Die nachfolgende Erläuterung der Ionenquelle erfolgt dabei in Verbindung mit der Erläuterung einer flugszeitspektroskopischen Vorrichtung.The functionality of the device and the method will be explained in more detail below. The following explanation of the ion source is given in conjunction with the explanation of a time-of-flight spectroscopy device.

Der in Fig. 5 dargestellte schematische Aufbau der zylindersymmetrischen Anordnung aus der Ionenquelle und der flugzeitspektroskopischen Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus drei Baugruppen. Bei diesen Baugruppen handelt es sich um die Ionenquelle, bestehend aus der Elektronenquelle 1, der Anode 2 und der Pulselektrode 8. Vorgesehen ist weiterhin ein Repeller 13 sowie als zweite Baugruppe ein sich an die Ionenquelle anschließender Flugzeit (time of flight, TOF)-Massenseparator 14 mit einer Detektor-Einheit als dritter Baugruppe, die hier als ein Farady-Cup 15 ausgebildet ist. Die gesamte Anordnung weist dabei die kompakte Bauform konventioneller Ionisations-Vakuummeter auf.The Fig.5 The schematic structure of the cylindrically symmetrical arrangement of the ion source and the time-of-flight spectroscopic device shown essentially consists of three components. These components are the ion source, consisting of the electron source 1, the anode 2 and the pulse electrode 8. A repeller 13 is also provided and, as a second component, a time-of-flight (TOF) mass separator 14 connected to the ion source with a detector unit as the third component, which is designed here as a Faraday cup 15. The entire arrangement has the compact design of conventional ionization vacuum meters.

Aus dem bspw. ringförmigen Filament der Elektronenquelle werden durch thermische Emission Elektronen freigesetzt, die aufgrund des anziehenden Potentials der Anode in den Anodenraum im Inneren gelenkt werden. Daraufhin entstehen durch Stöße der Elektronen mit den neutralen Restgasteilchen positive Ionen, die wie erwähnt bis zu einem bestimmen Maß in der Anode akkumuliert werden können.Electrons are released from the ring-shaped filament of the electron source by thermal emission, which are guided into the anode chamber inside due to the attractive potential of the anode. Then, collisions between the electrons and the neutral residual gas particles create positive Ions which, as mentioned, can be accumulated in the anode to a certain extent.

Durch das Schalten der Pulselektrode auf ein für die Ionen attraktives Potential VPuls werden die akkumulierten Ionen aus der Anode gezogen. Es entsteht ein für die positiven Ionen attraktives Potential, das die gesammelten Ionen in den Flugzeit-Massenseparator hinaus extrahiert und beschleunigt. In diesem werden die Ionen entsprechend ihrer Masse nach dem Prinzip der TOF Massenspektroskopie voneinander getrennt.By switching the pulse electrode to a potential V Pulse that is attractive to the ions, the accumulated ions are drawn out of the anode. This creates a potential that is attractive to the positive ions, which extracts and accelerates the collected ions into the time-of-flight mass separator. In this, the ions are separated from one another according to their mass using the principle of TOF mass spectroscopy.

Sind die Ionen entsprechende ihrer Masse getrennt, können am Detektor, der hier in Form eines Faraday-Cups 15 ausgebildet ist, zeitlich getrennte Signale detektiert werden.If the ions are separated according to their mass, temporally separated signals can be detected at the detector, which here is designed in the form of a Faraday cup 15.

Der Vorteil der Flugzeitmassenseparation liegt darin, dass es damit möglich ist, mit einem einzelnen Ionenpuls ein gesamtes Massenspektrum mit ein und demselben Detektor aufzunehmen. Gemessen wird dabei die Zeit tTOF, die für die Ionen benötigt wird, um eine gegebene Flugstrecke STOF zwischen dem Freisetzen des Ionenpulses und dem Auftreffen auf dem Detektor zurückzulegen. Weil sämtliche Ionen die gleiche Ladung aufweisen und für alle Ionen das beschleunigende Potential gleich ist, kann davon ausgegangen werden, dass sämtliche Ionen die gleiche kinetische Energie aufweisen. Massereichere Ionen werden hierbei eine geringere Geschwindigkeit als masseärmere Ionen aufweisen und somit später, d.h. nach den masseärmeren Ionen, am Detektor eintreffen. Nach einer zeitaufgelösten Detektion am Faraday-Cup wird nun den jeweiligen Flugzeiten eine Masse zugeordnet und somit einen Rückschluss auf die in der Vakuumkammer vorherrschende Restgaszusammensetzung gezogen.The advantage of time-of-flight mass separation is that it makes it possible to record an entire mass spectrum with one and the same detector using a single ion pulse. The time t TOF required for the ions to travel a given distance S TOF between the release of the ion pulse and their impact on the detector is measured. Because all ions have the same charge and the accelerating potential is the same for all ions, it can be assumed that all ions have the same kinetic energy. More massive ions will travel at a lower speed than less massive ions and will therefore arrive at the detector later, i.e. after the less massive ions. After time-resolved detection on the Faraday cup, a mass is assigned to the respective flight times and a conclusion is drawn about the residual gas composition prevailing in the vacuum chamber.

Die auf der Flugzeitstrecke entsprechend ihrer Masse getrennten Ionen können auch mit anderen Detektortypen elektrisch nachgewiesen werden. Ein Faraday-Cup bietet hier den Vorteil eines einfachen Aufbaus. Dieser besteht aus einem metallischen Becher 15c, der auf einem konstanten Potential VFC = 0V gehalten wird. Im Inneren des Bechers befindet sich das Metallplättchen 15b. Ein auf das Metallplättchen auftreffendes positives Ion erzeugt nun eine zusätzliche Nettoladung. Diese positive Ladung wird anschließend durch ein zum Metallplättchen hin fließendes Elektron neutralisiert. Der Strom IFC, der während der Entladung des Metallplättchens fließt, ist somit direkt proportional zur Anzahl der auftreffenden Ionen.The ions separated along the flight time according to their mass can also be electrically detected with other types of detectors. A Faraday cup offers the advantage of a simple structure. This consists of a metallic cup 15c, which is kept at a constant potential V FC = 0V. Inside the cup is the metal plate 15b. A positive ion striking the metal plate now generates an additional net charge. This positive charge is then neutralized by an electron flowing towards the metal plate. The current I FC , which flows during The current flowing through the metal plate during discharge is therefore directly proportional to the number of incident ions.

Wie bereits oben beschrieben werden durch den Flugzeit-Massenseparator leichte Ionen von den schwereren getrennt. Da leichte Ionen stärker beschleunigt werden erreichen diese den Faraday-Cup zu einem früheren Zeitpunkt. Dabei werden entsprechend der zeitlichen Detektion am Faraday-Cup einzelne Peaks sichtbar. Unterscheiden sich einzelne Massen ausreichend, werden die entsprechenden Signale zeitlich getrennt im Spektrum dargestellt, andernfalls werden sie sich zum Teil überlagern.As already described above, the time-of-flight mass separator separates light ions from heavier ones. Since light ions are accelerated more strongly, they reach the Faraday cup at an earlier point in time. Individual peaks become visible at the Faraday cup depending on the time of detection. If individual masses differ sufficiently, the corresponding signals are shown separately in time in the spectrum, otherwise they will partially overlap.

Die Summe über das gesamte zeitliche Signal eines Ionenpulses am Detektor liefert eine Aussage über den Totaldruck innerhalb der Kammer, während die Analyse der einzelnen Signalpeaks einen Rückschluss auf den jeweiligen Partialdruck erlaubt.The sum of the entire temporal signal of an ion pulse at the detector provides information about the total pressure within the chamber, while the analysis of the individual signal peaks allows a conclusion about the respective partial pressure.

Nachfolgend soll nun eine theoretische Charakterisierung der Ionenquelle erfolgen. Dazu wird in den nächsten Abschnitten eine rechnerische Abschätzung von ausgewählten charakteristischen Größen, wie bspw. der Feldverteilung innerhalb der Anode, der Speicherkapazität oder des Ionenstroms und der somit resultierenden Druck-abhängigen Fülldauer ausgeführt.The following section will provide a theoretical characterization of the ion source. To this end, the next sections will provide a computational estimate of selected characteristic variables, such as the field distribution within the anode, the storage capacity or the ion current and the resulting pressure-dependent filling time.

Da die Anode auf einem konstanten positiven Potential VAN gehalten wird, werden die Elektronen, wie bereits erläutert, aufgrund des für sie attraktiven Potentials in die Anode gelenkt. Hier verursachen sie aufgrund von negativen Raumladungseffekten ein Potentialminimum, das das anfänglich konstante Potential verzerrt.Since the anode is kept at a constant positive potential V AN , the electrons are, as already explained, directed into the anode due to the potential that is attractive to them. Here they cause a potential minimum due to negative space charge effects, which distorts the initially constant potential.

Die negative Raumladung wird nachfolgend vereinfacht als eine Elektronendichte mit einem gegebenen Radius r0 angenommen. Die Feldverteilung in Anwesenheit der Elektronendichte zerfällt hierbei in zwei Bereiche. Der erste Bereich wird durch den Raum innerhalb der Elektronendichte mit dem Radius r < r0 gebildet, der zweite Bereich wird durch die außerhalb der Elektronendichte liegende Umgebung mit r0 < r < rAN gebildet, wobei als Randbedingung V (r = rAN) = VAN gilt. Die Potentialverteilung V (r) für diese beiden Bereiche lässt sich dabei in Abhängigkeit von r berechnen. Für einen gegebenen Abstand rAN lässt sich das Potential in Fig. 6 gezeigt graphisch darstellen.The negative space charge is simplified below as an electron density with a given radius r 0. The field distribution in the presence of the electron density is divided into two areas. The first area is formed by the space within the electron density with the radius r < r 0 , the second area is formed by the environment outside the electron density with r 0 < r < r AN , where the boundary condition is V (r = r AN ) = V AN . The potential distribution V (r) for these two areas can be described as Dependence on r. For a given distance r AN the potential can be calculated in Fig.6 shown graphically.

Das vom Radius r abhängende Potential lässt sich durch folgenden Verlauf annähernd darstellen:
Innerhalb der Elektronendichte mit dem Radius r0 nimmt das Potential für r < r0 folgenden Verlauf an: V r = V AN V e 2 ln r AN r + 1 r 2 r 0 2

Figure imgb0001
The potential, which depends on the radius r, can be approximately represented by the following curve:
Within the electron density with radius r 0 the potential for r < r 0 takes the following course: V r = V AT V e 2 ln r AT r + 1 r 2 r 0 2
Figure imgb0001

Außerhalb der Elektronendichte, für r ≥ r0, kann das Potential wie folgt angesetzt werden: V r = V AN 2 V e ln r AN r

Figure imgb0002
Outside the electron density, for r ≥ r 0 , the potential can be set as follows: V r = V AT 2 V e ln r AT r
Figure imgb0002

Es ist deutlich zu sehen, dass die Tiefe des Potentialminimums stark von Radius der Elektronendichte abhängig ist. So resultiert bspw. bei einer Elektronendichte vom Radius r0 = 6mm ein Potentialminimum von VAN von ca. 2V, wohingegen eine auf den Radius r0 = 1mm fokussierte Elektronendichte bereits ein Potentialminimum von VAN von ca. 8V generiert. Es ist somit eine vorteilhafte Ausgestaltung, die vom Filament emittierten Elektronen in einem ausreichenden Maße zu fokussieren, um eine wirksame Speicherung der Ionen innerhalb des Potentialminimums zu gewährleisten. In Fig. 1 sind die Fokussierelektroden 6 schematisch angedeutet. Wird die Fokussierelektrode 6 auf ein Potential kleiner und gleich der Potential der Elektronenquelle 1 gelegt, werden die aus der Elektronenquelle 1 austretenden Elektronen in Richtung der Anode fokussiert.It is clearly visible that the depth of the potential minimum is strongly dependent on the radius of the electron density. For example, an electron density of radius r 0 = 6mm results in a potential minimum of V AN of approximately 2V, whereas an electron density focused on radius r 0 = 1mm already generates a potential minimum of V AN of approximately 8V. It is therefore an advantageous design to focus the electrons emitted by the filament to a sufficient extent to ensure effective storage of the ions within the potential minimum. In Fig.1 the focusing electrodes 6 are indicated schematically. If the focusing electrode 6 is placed at a potential less than or equal to the potential of the electron source 1, the electrons emerging from the electron source 1 are focused in the direction of the anode.

Zur rechnerischen Abschätzung der maximal speicherbaren Anzahl an Ionen, d.h. der Speicherkapazität N+ der Speicherionenquelle, kann in guter Näherung davon ausgegangen werden, dass eine Elektronendichte der Stromdichte je = ρe · ve eine negative Ladung von Qe = ρe ·V innerhalb eines Volumens V = A · ΔL enthält. A ist hierbei die Gitterfläche, durch die die Elektronen in den Anodenraum gelangen können, und ΔL entsprechend die Länge, die durch die Elektronen innerhalb der Anode zurückgelegt wird.To calculate the maximum number of ions that can be stored, ie the storage capacity N + of the storage ion source, it can be assumed to be a good approximation that an electron density of current density j e = ρ e · v e contains a negative charge of Q e = ρ e · V within a volume V = A · ΔL. A is the lattice area through which the electrons in the anode space, and ΔL corresponds to the length traveled by the electrons within the anode.

Zieht man die kinetische Energie der Elektronen nach Verlassen des Filamentes in Betracht, lässt sich die Ladungsdichte der Elektronen schreiben zu: ρ e = j e ν e = I e A m e 2 eV e

Figure imgb0003
Taking into account the kinetic energy of the electrons after leaving the filament, the charge density of the electrons can be written as: ρ e = j e ν e = I e A m e 2 eV e
Figure imgb0003

Dabei ist Ve = VAN - VFil die auf die Elektronen wirkende Beschleunigungsspannung aufgrund des Potentialunterschiedes zwischen Anode und Filament. Weiterhin gilt für die negative Ladungsdichte: ρ e = Q e V = N e e V

Figure imgb0004
Here V e = V AN - V Fil is the acceleration voltage acting on the electrons due to the potential difference between the anode and the filament. Furthermore, the following applies to the negative charge density: ρ e = Q e V = N e e V
Figure imgb0004

Werden beiden Gleichungen gleichgesetzt und nach der Anzahl der Elektronen Ne aufgelöst, so erhält man: N e = m e 2 e 3 Δ L I e V e

Figure imgb0005
If both equations are equated and solved for the number of electrons N e , we obtain: N e = m e 2 e 3 Δ L I e V e
Figure imgb0005

Die maximale Speicherkapazität ergibt sich dann, wenn die Anzahl der erzeugten Ionen N+ gleich der Anzahl der Elektronen Ne ist und somit N+ = Ne gilt. Fig. 7 zeigt hier die Abhängigkeit der Anzahl der speicherbaren Ionen Q+ = N+e vom Emissionsstrom Ie für zwei verschiedene auf die Elektronen wirkende Beschleunigungsspannungen. Der obere Graph zeigt den Verlauf für eine Spannung von Ve = 70 V, der untere Graph für eine Spannung von Ve = 120 V.The maximum storage capacity is achieved when the number of ions N+ produced is equal to the number of electrons N e and thus N+ = N e . Fig.7 shows the dependence of the number of storable ions Q + = N+e on the emission current I e for two different acceleration voltages acting on the electrons. The upper graph shows the curve for a voltage of V e = 70 V, the lower graph for a voltage of V e = 120 V.

Wie aus Gleichung (A) abzulesen ist, ist die Speicherkapazität N+ der Speicherionenquellen vom Emissionsstrom Ie abhängig. Durch eine Erhöhung des Emissionsstroms vergrößert sich die Raumladungsdichte, wodurch sich mehr Ionen im negativen Raumladungspotential speichern lassen. Dieser Zusammenhang ist für die sich ergebende speicherbare Ladung Q+ = N+e in Abhängigkeit von zwei verschiedenen Beschleunigungsspannungen der Elektronen Ve in Fig. 8 graphisch dargestellt.As can be seen from equation (A), the storage capacity N+ of the storage ion sources depends on the emission current I e . By increasing the emission current, the space charge density increases, which means that more ions can be stored in the negative space charge potential. This relationship is for the resulting storable charge Q + = N+e depending on two different acceleration voltages of the electrons V e in Fig.8 shown graphically.

Bei einem Emissionsstrom von Ie = 1mA, einer Beschleunigungsspannung der Elektronen von Ve = 70V und einer Länge des Speichervolumens von L = 1 cm ergibt sich somit die Anzahl der speicherbaren Ionen zu N+ ≈ 1.3 · 107. Das entspricht einer Ladung von Q+ = N+ e ≈ 2.0 · 10-12 C, die innerhalb einer Elektronendichte mit einer Stromstärke von Ie = 1mA maximal gespeichert werden kann. Allgemein beträgt der durch die Elektronenquelle 1 erzeugte Elektronenstrom minimal 1µA und maximal 15 mA, insbesondere minimal 5µA und maximal 2mA. Die zum Erzeugen dieser Emissionsströme benötigte Heizleistung ist hinreichend gering, um lediglich einen geringen Leistungs- und Hitzeeintrag in die gesamte Anordnung und die angrenzende Vakuumkammer zu bewirken. Die erzeugten Ladungsmengen von Q+ ≈ 2.0 · 10-12 C sind hinreichend hoch, um von einfachen Detektoren (bspw. nach Art eines Faraday-Cup) mit hinreichendem Signal-Rausch-Abstand detektiert zu werden.With an emission current of I e = 1mA, an acceleration voltage of the electrons of V e = 70V and a length of the storage volume of L = 1 cm, the number of ions that can be stored is N+ ≈ 1.3 · 10 7 . This corresponds to a charge of Q + = N+ e ≈ 2.0 · 10 -12 C, which can be stored within an electron density with a current of I e = 1mA at most. In general, the electron current generated by the electron source 1 is a minimum of 1µA and a maximum of 15 mA, in particular a minimum of 5µA and a maximum of 2mA. The heating power required to generate these emission currents is sufficiently low to cause only a small input of power and heat into the entire arrangement and the adjacent vacuum chamber. The generated charge quantities of Q + ≈ 2.0 · 10 -12 C are sufficiently high to be detected by simple detectors (e.g. Faraday cup type) with sufficient signal-to-noise ratio.

Ferner zeigt Fig. 8, dass bei einer Vergrößerung der Beschleunigungsspannung von 70 V auf 130 V die Speicherkapazität verkleinert wird, da die schnelleren Elektronen eine geringere negative Raumladung erzeugen. Außerdem kann bei den gewählten Beschleunigungsspannungen mit einem Emissionsstrom im Bereich 10µA bis 5mA eine Ladung von ca. 10-14 C bis 10-11 C gespeichert werden. Diese Ladungsmengen können ohne zusätzliche aufwendige Apparaturen, wie z.B. einem Sekundärelektronenvervielfacher, mit einem einfachen Faraday-Cup bei einem guten Signal-Rauschabstand detektiert werden.Furthermore, Fig.8 that when the acceleration voltage is increased from 70 V to 130 V, the storage capacity is reduced because the faster electrons generate a smaller negative space charge. In addition, with the selected acceleration voltages and an emission current in the range of 10µA to 5mA, a charge of approx. 10 -14 C to 10 -11 C can be stored. These charge quantities can be detected with a simple Faraday cup and a good signal-to-noise ratio without additional complex equipment, such as a secondary electron multiplier.

Die Fülldauer, d.h. die Zeit in der die negativen Elektronenraumladung vollständig durch gespeicherte Ionen kompensiert ist, ist abhängig von dem vorherrschendem Totaldruck in der Vakuumkammer. Variiert man die Sammelzeit tSammel, d.h. die Zeit in der Ionensammelprozess ungehindert stattfindet, so wird sich ein von dieser Sammelzeit abhängiges Signal einstellen, das mit fortschreitender tSammel entsprechend ansteigen wird, bis die Fülldauer tFüll erreicht ist, wie in Fig. 10 dargestellt.The filling time, ie the time in which the negative electron space charge is completely compensated by stored ions, depends on the prevailing total pressure in the vacuum chamber. If the collection time t collection is varied, ie the time in which the ion collection process takes place unhindered, a signal dependent on this collection time will be generated, which will increase accordingly with the progress of t collection until the filling time t fill is reached, as in Fig.10 shown.

Ab einem bestimmten Zeitpunkt tFüll ist das Potentialminimum vollständig mit positiven Ladungen kompensiert und das Messsignal VFC nimmt einen konstanten Wert an.From a certain point in time t fill the potential minimum is completely compensated with positive charges and the measuring signal V FC assumes a constant value.

Ferner ist die Füllzeit tFüll auch vom vorherrschenden Druck p abhängig, da bei höheren Drücken entsprechend mehr Neutralgasteilchen vorhanden sind, die nach der Ionisation das Potentialminimum schneller auffüllen können. Bei einem zunehmenden Druck p1 > p2 ist somit eine abnehmende Fülldauer tFüll, 1 < tFüll, 2 zu beobachten, wobei sich der qualitative Verlauf dieser Kurven ähneln wird.Furthermore, the filling time t fill also depends on the prevailing pressure p, since at higher pressures there are correspondingly more neutral gas particles which can fill the potential minimum more quickly after ionization. With an increasing pressure p 1 > p 2 a decreasing filling time t fill , 1 < t fill , 2 can be observed, whereby the qualitative course of these curves will be similar.

An dieser Stelle ist zu betonen, dass die maximale Anzahl der bei einem Puls freigesetzten Ionen nur sehr schwach vom Druck abhängt. Denn die Speicherkapazität der Ionenquelle wird ausschließlich durch die Tiefe des von der negativen Raumladung gebildeten Potentials bestimmt. Wie in den experimentellen Daten aus Fig. 13 zu sehen ist, ändert sich die maximal speicherbare Ladung um die ca. die Hälfte, während der Druck um ca. 3 Dekaden von ca. 5E-6 mbar zu ca. 5E-9 mbar variiert wird. Weiterhin nimmt die Änderung der speicherbaren Ladung mit sinkendem Druck ab. Das ermöglicht die Nutzung der Ionenquelle über einen sehr weiten Druckbereich ohne signifikanten Verlust der Messempfindlichkeit.At this point, it should be emphasized that the maximum number of ions released during a pulse depends only very weakly on the pressure. This is because the storage capacity of the ion source is determined exclusively by the depth of the potential formed by the negative space charge. As shown in the experimental data from Fig. 13 As can be seen, the maximum storable charge changes by about half while the pressure is varied by about 3 decades from about 5E-6 mbar to about 5E-9 mbar. Furthermore, the change in the storable charge decreases with decreasing pressure. This enables the ion source to be used over a very wide pressure range without a significant loss of measurement sensitivity.

Nach dem Auffüllen der Potentialmulde bilden sich weitere Ionen, die die bereits gespeicherten Ionen verdrängen. Dabei lassen sich Ionen höherer Massezahl im Allgemeinen schwerer verdrängen als Ionen kleiner Massenzahl. Deshalb kommt es zu einer Anreicherung von schweren Ionen und einer Verdrängung von leichten Ionen, wobei die Summe der Ionen und die gespeicherte Ladung erhalten bleiben. Einerseits kann dieser Effekt ausgenutzt werden, um die Nachweisfähigkeit der Anordnung für Ionen höherer Massezahl zu erhöhen. Andererseits kann dieser Effekt minimiert werden, indem die Ionenextraktion erfolgt, bevor die Potentialmulde vollständig aufgefüllt ist.After the potential well is filled, further ions are formed which displace the ions already stored. Ions with a higher mass number are generally more difficult to displace than ions with a lower mass number. This leads to an enrichment of heavy ions and a displacement of light ions, while the sum of the ions and the stored charge remain the same. On the one hand, this effect can be exploited to increase the detection ability of the arrangement for ions with a higher mass number. On the other hand, this effect can be minimized by ion extraction before the potential well is completely filled.

Zur theoretischen Abschätzung der oben erwähnten Fülldauer tFüll kann man sich erneut grundlegender Zusammenhänge bedienen. Ausgangspunkt ist wieder die elektrische Stromdichte j, die das Verhältnis der Stromstärke I zu einer ihr zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche A beschreibt. Weiterhin lässt sich die Stromdichte über die Raumladungsdichte ρ = n · e und die mittlere Driftgeschwindigkeit v der jeweiligen Ladungsträger ausdrücken. Bezogen auf die vom Filament mit VFil in Richtung Anode emittierten Elektronen, kann man mithilfe der Beziehung ν e = 2 e V AN V Fil m e

Figure imgb0006
also schreiben: j e = I e A = ρ e ν = n e e
Figure imgb0007
For the theoretical estimation of the filling time t Fill mentioned above, one can again use basic relationships. The starting point is again the electric current density j, which describes the ratio of the current intensity I to the cross-sectional area A available to it. Furthermore, the current density can be expressed using the space charge density ρ = n · e and the average drift velocity v of the respective charge carriers. In relation to the electrons emitted by the filament with V Fil towards the anode, one can use the relationship ν e = 2 e V AT V Fil m e
Figure imgb0006
so write: j e = I e A = ρ e ν = n e e
Figure imgb0007

Stellt man obige Gleichung nach ne um und multipliziert mit dem Volumen V erhält man die Anzahl freier Elektronen Ne innerhalb des betrachteten Volumens. Diese generieren, wie weiter oben beschrieben, eine negative Ladung Qe = Ne e. Um diese Ladung mit einer entsprechend positiven Ladung Q+ zu kompensieren, d.h. das Potentialminimum aufzufüllen, muss über eine entsprechende Zeit t der positive Ionenstrom I+ fließen. Es lässt sich somit zusammenfassen: Q e = N e e = ! Q + = I + t

Figure imgb0008
If you rearrange the above equation for n e and multiply it by the volume V, you get the number of free electrons N e within the volume in question. As described above, these generate a negative charge Q e = N e e. In order to compensate for this charge with a corresponding positive charge Q + , ie to fill the potential minimum, the positive ion current I+ must flow over a corresponding time t. It can therefore be summarized as follows: Q e = N e e = ! Q + = I + t
Figure imgb0008

Die Zeit tFüll, die benötigt wird, um die negative Ladung der Elektronen mit entsprechend positiven Ionen aufzufüllen beträgt damit: t Füll = Q e I + = Q e I e σ Δ L k B T p

Figure imgb0009
The time t fill required to fill the negative charge of the electrons with corresponding positive ions is therefore: t Fill = Q e I + = Q e I e σ Δ L k B T p
Figure imgb0009

Somit wird die Abhängigkeit der Fülldauer von Totaldruck deutlich. Eine graphische Darstellung dieser Abhängigkeit ist in Fig. 11 dargestellt.This clearly shows the dependence of the filling time on the total pressure. A graphical representation of this dependence is shown in Fig. 11 shown.

Für die Druck-abhängige Fülldauer wird ersichtlich, dass bei Druckbereichen von p = 10-7 ... 10-3 mbar Ionenströme von etwa I+ = 10-10 ... 10-6 A zu erwarten sind. Bei einem Emissionsstrom von Ie = 1 mA wird also nach etwa tFüll =10-3 ... 10-7 s das Potentialminimum im Anodenraum aufgefüllt sein.For the pressure-dependent filling time, it is clear that at pressure ranges of p = 10 -7 ... 10 -3 mbar, ion currents of approximately I+ = 10 -10 ... 10 -6 A are to be expected. With an emission current of I e = 1 mA, the potential minimum in the anode chamber will therefore be filled after approximately t fill = 10 -3 ... 10 -7 s.

Durch das Schalten der Pulselektrode vom Anodenpotential auf ein bspw. negatives Extraktionspotential wird das elektrische Feld innerhalb der Anode so manipuliert, dass die gesammelten Ionen aus dem Ionisationsvolumen heraus beschleunigt und am Faraday Becher detektiert werden. Wird die Pulselektrode zurück auf das Anodenpotential geschaltet, stellt sich der ursprüngliche Zustand ein: Elektronen erzeugen ein Potentialminimum in dem Ionen generiert und gesammelt werden. Die Zeitdauer, wie lange Ionen gesammelt werden, bis sie durch das Schalten der Pulselektrode extrahiert werden, ist die Sammelzeit.By switching the pulse electrode from the anode potential to a negative extraction potential, for example, the electric field within the anode is manipulated in such a way that the collected ions are accelerated out of the ionization volume and detected at the Faraday cup. If the pulse electrode is switched back to the anode potential, the original state is restored: electrons create a potential minimum in which ions are generated and The length of time that ions are collected until they are extracted by switching the pulse electrode is the collection time.

Trägt man, wie in Fig. 11, die gespeicherte Ionenladung über der zugehörigen Sammelzeit auf, so bestätigt sich die Annahme, dass bei einem definiertem Druck eine entsprechenden Anzahl an generierten Ionen die negative Ladung Qe ≈ -1·10-12 C des Potentialminimums mit fortschreitender Sammelzeit langsam auffüllen. Die gesammelte positive Ionenladung Q+ nimmt somit stetig zu und geht ab einer entsprechenden Zeit tFüll in einen konstanten Wert über. Bei dem hier gewählten Beispiel kann man somit aus dem Diagramm in Fig. 11 die Fülldauer zu tFüll ≈ 50 µs bestimmen.If you wear, as in Fig. 11 , the stored ion charge is plotted over the corresponding collection time, the assumption is confirmed that at a defined pressure a corresponding number of generated ions slowly fill the negative charge Q e ≈ -1·10 -12 C of the potential minimum as the collection time progresses. The collected positive ion charge Q + thus increases steadily and changes to a constant value after a corresponding time t fill . In the example chosen here, one can therefore deduce from the diagram in Fig. 11 Determine the filling time as t fill ≈ 50 µs.

Mit der hier entwickelten Speicherionenquelle ist es möglich, unterschiedlich starke Ionenpulse in Abhängigkeit von der Sammelzeit in der Anode zu generieren. Die Speicherung wurde dadurch realisiert, dass eine niederenergetische Elektronendichte aufgrund von Raumladungseffekten ein ausreichend tiefes Potentialminimum innerhalb der, ansonsten auf dem konstanten Potential VAN liegenden, Anode bewirkt.With the storage ion source developed here, it is possible to generate ion pulses of varying strengths depending on the collection time in the anode. Storage was achieved by a low-energy electron density, due to space charge effects, causing a sufficiently low potential minimum within the anode, which otherwise lies at the constant potential V AN .

In fortführenden Versuchen konnte die klare Abhängigkeit der, bis zur vollständigen Kompensation des Potentialminimums mit positiven Ionen, andauernden Zeit, der sog. Fülldauer, vom vorherrschenden Druck gezeigt werden, wie in Fig. 12 gezeigt ist.In further experiments, the clear dependence of the time required until the potential minimum is completely compensated with positive ions, the so-called filling time, on the prevailing pressure could be shown, as in Fig. 12 is shown.

Daraus ergibt sich die Möglichkeit, die Speicherionenquelle als einen Totaldrucksensor zu nutzen und als Maß für den Druck die messtechnisch einfach zugängliche benötigte Fülldauer heranzuziehen. Wie in Fig. 13 zu sehen ist, gibt es einen bei gleichbleibenden Betriebsparametern eineindeutigen Zusammenhang zwischen der Zeit zwischen zwei Extraktionspulsen, der in dieser Zeit gesammelten Ionenladung und dem vorherrschenden Totaldruck. Über eine entsprechende Auswerteelektronik kann daher aus der gesamten extrahierten Ionenladung und der eingestellten Zeit zwischen den Extraktionspulsen ein Rückschluss auf den vorherrschenden Totaldruck gezogen werden.This makes it possible to use the storage ion source as a total pressure sensor and to use the required filling time, which is easily accessible by measurement, as a measure of the pressure. As in Fig. 13 As can be seen, there is a clear connection between the time between two extraction pulses, the ion charge collected during this time and the prevailing total pressure, provided the operating parameters remain the same. Using appropriate evaluation electronics, a conclusion can be drawn about the prevailing total pressure from the total extracted ion charge and the set time between the extraction pulses.

Ebenso ist aus Fig. 13 ersichtlich, dass die benötigte Sammelzeit um bspw. 25 nVs Signal am Detektor zu erzeugen weniger als1 ms für Drücke p≥ 1E-7 mbar beträgt. Damit ist diese Vorrichtung zur Anwendung als "schneller" Totaldrucksensor zur Detektion schneller Druckänderungen mit Reaktionszeiten < 1 ms geeignet.Likewise, Fig. 13 It can be seen that the required collection time to generate e.g. 25 nVs signal at the detector is less than 1 ms for pressures p≥ 1E-7 mbar This device is therefore suitable for use as a "fast" total pressure sensor for detecting rapid pressure changes with response times < 1 ms.

Wie in Fig. 14 dargestellt, ist es möglich das Helium-Signal von den anderen Restgasbestanteilen zeitlich zu trennen. Daher ist es möglich den Totaldrucksensor zeitgleich als ein Helium-Detektor zu nutzen, womit auch eine Heliumdichtheitsprüfung möglich ist. Dabei beträgt die den Messwerten in Fig. 14 zu Grunde liegende Flugstrecke nur 2 cm, so dass der Sensor eine hohe Kompaktheit aufweist.As in Fig. 14 As shown, it is possible to separate the helium signal from the other residual gas components in time. Therefore, it is possible to use the total pressure sensor simultaneously as a helium detector, which also enables a helium leak test. The measured values in Fig. 14 The underlying flight distance is only 2 cm, so that the sensor is very compact.

Die hier behandelte Vorrichtung weist eine hohe Kompaktheit, eine zuverlässige Totaldruck-Bestimmung und eine Helium-Massenseparation auf. Dabei entspricht die Abmessung des Sensors der eines konventionellen Ionisations-Vakuummeters.The device discussed here is highly compact, provides reliable total pressure determination and helium mass separation. The dimensions of the sensor correspond to those of a conventional ionization vacuum gauge.

Durch die Möglichkeit einer nachfolgenden Datenverarbeitung kann des Weiteren durch die Bestimmung des Integrals über die gesamte Mess-Kurve direkt auf die gespeicherte Ionenladung je Puls zurückgerechnet werden, wodurch der Vergleich und die Bewertung unterschiedlicher Spektren bei divergierenden experimentellen Parametern erheblich erleichtert wird.Furthermore, the possibility of subsequent data processing allows the stored ion charge per pulse to be calculated directly by determining the integral over the entire measurement curve, which considerably facilitates the comparison and evaluation of different spectra with diverging experimental parameters.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren wurden anhand beispielhafter Ausführungsformen erläutert. Im Rahmen fachmännischer Handlungen sind weitere Ausgestaltungen, im Schutzbereich der Ansprüche, möglich. Diese ergeben sich ebenso aus den Unteransprüchen.The device according to the invention and the method according to the invention have been explained using exemplary embodiments. Further embodiments are possible within the scope of protection of the claims within the scope of expert actions. These also arise from the subclaims.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
ElektronenquelleElectron source
22
Für Elektronen durchlässige AnodeElectron-permeable anode
33
Negative ionisierende RaumladungNegative ionizing space charge
44
Ionen-SpeicherraumIon storage space
55
PulsgitterPulse grid
66
FokussierelektrodeFocusing electrode
77
MantelflächeShell surface
88th
PulselektrodePulse electrode
99
RingfilamentRing filament
1010
WabenstrukturHoneycomb structure
1111
Hexagonale DurchbrücheHexagonal breakthroughs
1212
StegeBridges
1313
RepellerRepeller
1414
Flugzeit-MassenseparatorTime-of-flight mass separator
1515
Faraday-Cup bzw. -BecherFaraday cup
15a15a
SchirmungsgitterShielding grid
15b15b
MetallplättchenMetal plates
15c15c
metallischer Bechermetallic cup

Claims (14)

  1. Device for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere,
    comprising
    an electron source (1) for releasing electrons,
    an anode (2) permeable to the electrons released by the electron source (1) with a negative space charge distribution (3) formed by the electrons within an ion storage space (4) at least partially surrounded by the anode (2) and a pulse electrode (8) electrically insulated from the anode (2) for extracting the ions from the storage space, wherein no further electrodes are located within the ion storage space (4) and the ion storage space (4) has a spatial potential distribution which is attractive for the ions generated by ionization of the residual gas atmosphere solely as a result of the negative space charge distribution generated by the electrons and stores ions and the anode (2) and the pulse electrode (8) are at the same potential during the storage process,
    wherein
    the particles of the residual gas can be ionized by the negative space charge and an attractive potential can be formed for the positive ions formed, wherein the negative space charge forms a storage area for the ions generated,
    with a means for regulating the time interval between successive switching operations of the pulse electrode to a fixed predetermined strength of the measured released ion packet.
  2. Device according to claim 1,
    characterized in that
    the negative space charge distribution during the storage process forms a potential well with respect to the anode and pulse electrode potential which, if the negative space charge distribution is not compensated with ions, acts attractively on ions in the ionization volume and forms an electrostatic exit barrier for ions in all directions and thus enables ions to be stored until the negative space charge is compensated.
  3. Device according to one of the preceding claims,
    characterized in that
    for ion extraction the pulse electrode (8) can be switched to a negative potential compared to the anode, whereby the collected ions can be at least partially extracted in the direction of the pulse electrode.
  4. Device according to one of the preceding claims,
    characterized in that
    the frequency for switching the pulse electrode (8) is at least 0.1 Hz and at most 1 MHz, in particular at least 1 Hz, and at most 100 kHz.
  5. Device according to one of the preceding claims,
    characterized in that
    the electron current generated by the electron source (1) is at least 1 µA and at most 15 mA, in particular at least 5 µA and at most 2 mA.
  6. Device according to one of the preceding claims,
    characterized in that
    the electron source (1) is designed as a glow cathode surrounding the electron-permeable anode (2) in the form of a ring filament (9).
  7. Device according to claim 1,
    characterized in that
    an electrostatic arrangement of focusing electrodes (6) and/or a repeller (13) surrounding the electron source (1) is provided for additional alignment and shaping of the electron emission.
  8. Device according to one of the preceding claims,
    characterized in that
    the anode (2), which is permeable to the emitted electrons, has a cylindrically symmetrical structure.
  9. Device according to one of the preceding claims,
    characterized in that
    a detector arranged in the direction of flight of the ions is provided for measuring the ion current.
  10. Method for the generating, storing and pulsed releasing of ions from a residual gas atmosphere, comprising the method steps of:
    - emitting electrons from an electron source (1) and accelerating them in the direction of the ionization space (4) through the permeable anode arrangement (2),
    - generating a negative space charge cloud within the ionization space due to the electrons moving through the ionization space (4),
    - applying the anode arrangement (2) and a pulse electrode (8) to the same potential during the storage process,
    - impact ionization of gas molecules and/or gas atoms within the ionization space (4) and storage of the generated positively charged ions in the attractive potential of the negatively charged space charge cloud as a positively charged ion supply,
    - switching the pulse electrode (8) to a potential with respect to the anode potential and accelerating the ion supply located in the potential of the space charge cloud out of the ionization space,
    - extracting at least part of the stored ion supply in the form of an ion packet,
    wherein a determination of a total pressure is carried out,
    in which the time interval between successive switching operations of the pulse electrode is regulated to a fixed predetermined strength of the measured released ion packet, wherein the time interval between successive switching operations of the pulse electrode is a measure of the total pressure to be measured.
  11. Method according to claim 10,
    characterized in that
    the electrons are emitted from the electron source from a glow cathode surrounding the transmissive anode arrangement in the form of a ring, wherein the electrons are accelerated in the field of the transmissive anode arrangement, pass the anode several times and form the negative space charge cloud in the ionization space (4).
  12. Method according to one of claims 10 or 11,
    characterized in that
    the electrical charge of the released ion packet is adjusted over a time interval between successive switching operations of the pulse electrode, wherein the electrical charge of the ion packet is proportional to the length of the time interval.
  13. Use of a device for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere according to claim 1 and a method according to claim 10 for determining a total pressure.
  14. Use of a device according to claim 13 as
    a helium detector, wherein a helium signal is separated from the other residual gas components and detected.
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