KR20220016843A - 이온화 장치 및 질량 분광계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온화 장치(12)에 관한 것으로서, 이온화 장치(12)는 용기(11) 내에 형성된 이온화 공간(10), 이온화 공간(10)에 이온화될 가스(2)를 공급하기 위한 입구 시스템(6), 이온화 공간(10)에 전자빔(19a)을 공급하기 위한 적어도 하나의 필라멘트(15a, 15b)를 갖는 전자 소스(14), 및 이온화된 가스(2a)를 이온화 공간(10) 밖으로 내보내기 위한 출구 시스템(13)을 포함한다. 필라멘트(15a, 15b)와 이온화 공간(10) 사이에는 적어도 2개의 전극(17a-c, 18a-c)을 포함하는 전자 광학 장치(16a, 16b)가 배치되고, 및/또는 이온화 장치(12)는 전자 소스(14)의 필라멘트(15a, 15b)에, 이온화 공간(10)의 압력(p)보다 낮은 압력(p_F)을 생성하도록 설계된 진공 발생 장치(21)를 갖는다. 본 발명은 또한 가스(2)의 질량 분광 분석을 위한 질량 분광계(1)에 관한 것으로서, 질량 분광계는 위에서 추가로 설명된 바와 같이 설계된 이온화 장치(12), 및 이온화 장치(12)에서 이온화된 분석 대상 가스(2a)의 검출을 위한 검출기(24)를 포함한다.

Description

이온화 장치 및 질량 분광계

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2019년 6월 6일에 출원된 독일 특허 출원 제 10 2019 208 278.5 호에 대한 우선권을 주장하는데, 그 전체 개시 내용은 본 출원의 개시 내용의 일부로 간주되며 인용에 의해 포함된다.

본 발명은 용기 내에 형성된 이온화 공간, 이온화될 가스를 이온화 공간에 공급하기 위한 입구 시스템, 이온화 공간에 전자빔을 공급하기 위한 적어도 하나의 필라멘트를 갖는 전자 소스(electron source), 및 이온화된 가스 또는 이온화된 가스 성분을 이온화 공간 밖으로 내보내기 위한 출구 시스템을 포함하는 이온화 장치에 관한 것이다. 이온화된 가스 또는 이온화된 가스 성분은 일반적으로 제어된 방식으로 이온화 공간 밖으로 안내된다. 이온화 장치는 공급된 (비이온화된) 가스 또는 가스 성분을 배출하기 위한 추가 출구 시스템을 구비할 수도 있다. 본 발명은 또한, 상술한 바와 같이 설계된 이온화 장치, 및 이온화 장치에서 이온화된 분석 대상 가스의 검출을 위한 검출기를 포함하는 가스의 질량 분광 분석을 위한 질량 분광계(mass spectrometer)에 관한 것이다.

가스의 이온화를 위한 이온화 장치는 예컨대 질량 분광법(mass spectrometry)을 통한 미량 분석(trace analysis)에 필요하다. 전자 이온화는 이온화될 가스에 부딪혀서 이온화하는 전자빔을 열이온 효과에 의해 생성하기 위해 이온화를 위한 필라멘트(전열선)가 있는 전자 소스를 사용한다.

분석 대상 가스가 예컨대 수소(H₂), 할로겐(F₂, Cl₂, Br₂), 할로겐 화합물(HX, CX_mH_n; X = 할로겐)과 같은 소위 S/C(반도체) 매트릭스 가스를 포함하는 경우, 이들 매트릭스 가스 또는 매트릭스 가스 이온과, 통상적으로 최대 2000℃의 온도에서 작동되는 필라멘트의 (금속성) 재료(예컨대, W, Re, ...)와의 해로운 반응이 있을 수도 있다. (양으로 하전된) 매트릭스 이온은 용기("소스 블록(source block)") 내에 형성된 이온화 공간으로부터 필라멘트 방향으로 가속되며, 이들이 필라멘트 표면에 도달할 때 통상적으로 약 70eV 정도의 운동 에너지를 갖는다.

매트릭스 가스(X_n) 또는 매트릭스 가스 이온(X_n ⁺)과 금속성 필라멘트 재료(Me)의 화학 반응은 특히 다음을 포함한다:

(1) X_n ＋ Me → MeX_n-m ＋ mX

(2) X_n ⁺ ＋ Me → Me⁺ ＋ X_n (스퍼터링)

(3) X_n ⁺ ＋ Me → MeX_n-m ⁺ ＋ mX (반응성 스퍼터링)

MeX_n-m ＋ mX⁺

두 번째 반응 (2)는 매트릭스 가스 이온(X_n ⁺)의 70ev의 운동 에너지에서 세 번째 반응 (3)보다 덜 일반적으로 발생한다. 반응 (1) 및 (3)은 X_n = H₂ 또는 X_n ⁺ = H⁺, H₂ ⁺, H₃ ⁺, N₂H⁺, N₄H⁺ 등일 때 특히 관련되지만, 이들 반응은 다른 S/C 가스의 경우에도 관련될 수 있다. 특히, 반응성 스퍼터링은 위에서 언급한 매트릭스 가스의 경우, 즉 필라멘트의 표면 재료의 화학적 제거에서 발생할 수 있다.

필라멘트는 평소에도(즉, S/C 가스가 있을 때만은 아님) 표면 재료의 화학적 제거에 의해 영향을 받는다. 그러나, 이온화 장치가 최대 약 0.01mbar의 높은 압력에서 작동되면, 필라멘트 재료의 제거율이 뚜렷하게 증가하고, 이는 필라멘트의 수명을 예컨대, 연속 작동에서 약 10주 미만까지 급격히 감소시킨다. 이러한 문제는 특히 상술한 S/C 매트릭스 가스의 존재 하에― 그러나 배타적인 것은 아님 ― 존재한다.

US 10,236,169 B2는 1차 플라즈마 영역에서 이온화 가스의 준안정 입자 및/또는 이온을 생성하기 위한 플라즈마 생성 장치를 갖는 이온화 장치를 설명한다. 이온화 가스의 준안정 입자 및/또는 이온은 글로우 방전(glow discharge)이 발생되는 2차 플라즈마 영역에 공급된다. 이온화될 가스는 본질적으로 이온화될 가스에 의해 생성되는, 압력이 예컨대 0.5mbar 내지 10mbar일 수 있는 2차 플라즈마 영역에서 이온화된다. 그러한 이온화 장치의 경우, 통상적으로 약 10^-4mbar 미만의 압력에서만 사용 가능한 이온화용 필라멘트의 사용을 생략할 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 문제는 전자 이온화에 의해 높은 압력에서도 가스의 효율적인 이온화가 가능한 이온화 장치 및 질량 분광계를 제공하는 것이다.

이 문제는 처음에 명시된 유형의 이온화 장치로서, 적어도 2개의 전극을 갖는 전자 광학 장치(electron optics)가 필라멘트와 이온화 공간 사이에 장착되어 있는 이온화 장치에 의해 해결된다. 전자 광학 장치는 통상적으로 적어도 2개, 임의 선택적으로(optionally) 3개 이상의 전극을 갖는 전극 배열체를 갖는다. 하나의 전극은 통상적으로 전자빔 또는 전자를 "게이트(gate)"하여 이온화 차단 방향으로 가속된 방식으로 이동시키기 위해 애노드(anode)로서 필요하다. 적어도 하나의 추가 전극은 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이 상이한 목적을 위해 사용될 수 있다. 전자빔이 통과하는 전극의 구멍은 통상적으로 공통 시선(line of sight)(직선)을 따라 진행되는데, 이를 따라 용기에도 개구가 형성되며, 이 개구를 통해 전자빔이 이온화 공간에 진입한다.

일 실시예에서, 전자 광학 장치는 전자빔을 이온화 공간 내에 집속시키도록 설계된다. 이를 위해, 전자 광학 장치는 예컨대 통상적으로 이온화 공간의 방향으로 직경이 감소하는 2개 이상의 전극을 가질 수도 있다. 이온화 공간 내에 전자빔을 집속시키는 것은 효율적인 이온화에 유리하다. 이를 위해, 전자 초점은 최대 개수의 전자가 이온화 공간에 들어갈 수 있도록 이온화 공간으로의 전자의 유입 개구에 위치된다. 동일한 포트를 통해 필라멘트 방향으로 용기로부터 나올 수 있는 위에서 추가로 설명된 매트릭스 가스의 이온들의 이온 빔 초점은 전자 초점과 상당히 다르다. 따라서, 필라멘트 표면의 방향으로 용기로부터 나오는 이온은 전자 광학 장치에 의해 상당히 발산(defocusing)되는데, 이는 추가적인 장점으로 이용되며, 필라멘트의 열화를 상쇄한다.

추가 실시예에서, 전자 광학 장치는 적어도 하나의 전극에서 필라멘트의 방출 전류를 측정하도록 설계된다. 이 경우, 전극은 열이온 효과로 인해 발생되는 전자류(electron current)를 측정하기 위한 센서 또는 측정 전극의 역할을 한다. 이것은 통상적으로 전자빔의 모든 전자가 특정한 전극의 개구를 통과하는 것이 아니며 따라서 전자 중 일부가 측정 전극과 부딪치거나 측정 전극을 향해 산란된다는 사실을 이용한다. 단위 시간 당 측정 전극에 충돌하는 전자의 수는 예컨대 전자 광학 장치 내에 또는 이온화 장치 내의 다른 곳에 배치된 고감도 전류 측정 장치, 전하 증폭기 등에 의해 측정될 수 있다.

본 실시예의 개발예에서, 이온화 장치는 필라멘트의 1차 전류 또는 방출 전류를 목표 방출 전류로 제어하기 위한 제어 장치를 포함한다. 제어 장치는 예컨대 필라멘트를 가열하는 역할을 하는 저항 히터의 전원에 작용할 수도 있다. 전원에 의해 발생하여 필라멘트를 통해 흐르는 전류는 필라멘트의 온도에, 그리고 그에 따라 방출 전류에 영향을 미친다. 대안적으로, 제어 장치는 방출 전류를 조정하기 위해 전자 광학 장치의 전극들 중 하나 또는 가능하게는 하나 초과에서 전압 또는 전위를 변경할 수 있다. 측정 전극에 의해 측정되는 실제 방출 전류는 예컨대 시간에 따라 일정하도록 선택될 수 있는 목표 방출 전류에 대응할 때까지 여기에서 변경된다.

추가 실시예에서, 전자 광학 장치는 용기의 개구로부터 멀어지는 전자빔의 편향(deflection)을 위한 적어도 하나의 스위칭 가능한(switchable) 전극을 갖는다. 스위칭 가능한 전극은 전자빔을 개구로부터 편향시켜서 전자빔이 이온화 공간으로 들어가는 것을 방지하는 역할을 한다. 이것은 예컨대 이미 이온화된 가스가 이온화 장치에 들어가는 경우 또는 빈 샘플을 취해야 하는 경우에 바람직하다. 전자빔의 편향에 의해 달성될 수 있는 것은 필라멘트를 그 목적으로 끄지 않은 상태에서도 전자빔이 이온화 공간에 들어가지 않는다는 것인데, 이는 필라멘트의 온도가 일정하게 유지됨을 의미한다.

추가 실시예에서, 필라멘트는 용기로부터 적어도 0.5㎝, 바람직하게는 적어도 3㎝, 특히 적어도 5㎝의 거리에 배치된다. 이온화 공간 또는 용기로부터의 비교적 먼 거리로 인해, 전자빔 개구를 통해 방출되는 매트릭스 가스 스트림이 크게 희석되거나 국부 가스 압력이 크게 감소하며, 이는 필라멘트 수명에 긍정적인 영향을 미친다. 이와 동시에, 필라멘트에 도달하는 이온화될 가스의 성분들의 이온 수가 감소된다. 전자 광학 장치의 도움으로 얻을 수 있는 것은 비교적 먼 거리에도 불구하고 충분히 많은 수의 전자가 이온화 공간에 들어가는 것이다.

추가 실시예에서, 전자 소스는 바람직하게는 각각 용기의 대향하는 개구들을 통해 전자빔을 공급하는 역할을 하는 2개의 필라멘트를 포함한다. 전자 소스에 2개의 필라멘트를 제공하면 하나의 필라멘트가 손상되거나 파손되어 교체해야 하는 경우 이온 소스의 지속적인 작동이 가능하다. 그러므로, 대개 이온화 장치의 작동에는 하나의 필라멘트만 사용되므로, 하나의 전자빔만 이온화 공간에 공급된다.

추가 실시예에서, 이온화 장치는 이온화 공간 내에 10^-4mbar 초과 1mbar 이하의 압력을 생성하도록 설계된다. 이온화 공간에 위에 명시된 범위 내의 비교적 높은 압력이 있는 경우, 압력 감소를 위한 추가 압력 스테이지의 제공 없이 분석 대상 가스를 입구 시스템을 통해 이온화 장치 내로 유입시키는 것이 임의 선택적으로 가능하다.

추가 실시예에서, 입구 시스템 및 출구 시스템의 유동 전도도(flow conductance)는 상이한 압력 범위들에 대해 설정된다. 유동 전도도 값은 국부 압력의 함수이다. 유동 전도도는 흡입 용량의 치수를 가지며, 예컨대 리터/초로 지정된다. 유동 전도도는 유동 저항의 역수이다. 입구 시스템, 보다 구체적으로는 분석 대상 가스를 수용한 처리 챔버에 용기("소스 블록")를 연결하는 예컨대 관형(예컨대, 주름관)의 구성요소는 통상적으로 출구 시스템보다 더 큰 유동 전도도(및 그에 따라 더 낮은 유동 저항)를 갖는다. 가장 단순한 경우에, 출구 시스템은 용기 상에 형성된 이온화된 가스를 위한 출구 개구일 수도 있다. 이온화될 가스를 용기 및 출구 개구 내로 도입하기 위한 관형 구성요소는 임의로 배열될 수 있지만, 또한 이온화 공간의 양측에 그리고 시선 상에 있을 수도 있다.

관형 구성요소의 단면 또는 직경은 이온화 공간의 단면 또는 직경에 해당할 수 있는 반면에, 출구 시스템, 가장 단순한 경우에는 출구 개구의 단면 또는 직경은 더 작다. 입구 시스템과 출구 시스템의 유동 전도도의 비율은 최대화될 이온화 공간 내 평균 압력(통상적으로 약 0.01mbar)을 결정한다.

본 발명의 추가 태양은 처음에 명시된 유형의 이온화 장치에 관한 것인데, 이는 특히 제 1 태양에 따라 구성될 수 있으며, 이온화 공간의 압력보다 낮은 압력을 전자 소스의 필라멘트에 생성하도록 구성된 진공 발생 장치를 포함한다. 위에서 추가로 설명된 바와 같이, 필라멘트는 통상적으로 비교적 낮은 압력에서 작동되는 반면에 비교적 높은 압력이 이온화 공간에 존재해야 한다. 따라서, 이온화 공간의 압력과 비교하여 필라멘트 영역의 압력을 감소시키기 위해, 필라멘트 환경 내에 진공 발생 장치가 배치되거나 진공 연결이 존재할 때 바람직한 것으로 밝혀졌다. 진공 발생 장치는 그 목적을 위해 제공된 별도의 진공 펌프, 예컨대 터보 분자 펌프일 수도 있다. 대안적으로, 진공 발생 장치는 소위 스플릿-플로우 펌프(split-flow pump), 즉 둘 이상의 서로 다른 가스 압력의 생성을 위한 둘 이상의 출구를 갖는 펌프를 포함하거나 그러한 펌프일 수도 있다. 필라멘트 영역 내의 압력의 생성을 위한 출구에 추가하여, 예컨대 이온화된 가스의 분석에 사용되는 검출기 내에 진공을 생성하기 위한 스플릿-플로우 펌프의 추가 출구가 활용될 수도 있다.

일 개발예에서, 진공 발생 장치는 필라멘트에 10^-8mbar 내지 10^-4mbar의 압력을 생성하도록 설계된다. 필라멘트가 약 10^-4mbar 미만의 압력에서 작동되는 경우, 이는 많은 수의 매트릭스 가스 이온이 필라멘트에 도달하여 필라멘트 재료의 열화로 이어지는 것을 방지할 수 있으므로 바람직하다.

본 발명의 다른 태양은, 위에 추가로 설명된 바와 같이 설계된 이온화 장치, 및 이온화 장치에서 이온화된 분석 대상 가스의 검출을 위한 검출기를 포함하는 질량 분광계에 관한 것이다. 질량 분광계는 통상적으로 이온화 공간으로부터 검출기로의 이온화된 가스의 전달 또는 제어된 안내를 위한 이온 전달 장치를 추가로 구비한다. 질량 분광계는 또한 하나 이상의 전극을 포함할 수 있는, 이온화 공간으로부터의 이온화된 가스의 임의 선택적인 펄스형 추출을 위한 추출 장치를 구비할 수도 있다.

본 발명의 추가 특징 및 장점은 후속되는 본 발명의 작업예의 설명, 본 발명에 필수적인 세부사항을 나타내는 도면, 및 청구범위로부터 명백하다. 개별 특징들은 각각 본 발명의 일 변형예에서 단독으로 또는 임의의 조합의 복수로 구현될 수도 있다.

작업예가 개략적인 도면에 도시되어 있으며, 후속되는 설명에서 밝혀진다. 도면은,
전자 광학 장치가 있는 전자 소스를 갖는 가스의 이온화를 위한 이온화 장치를 구비한 질량 분광계의 개략도를 도시한다.
후속되는 도면의 설명에서, 동일하거나 동일한 기능을 갖는 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용한다.

도 1은 이온화될 가스(2)의 질량 분광 분석을 위한 질량 분광계(1)를 개략적 형태로 도시한다. 가스(2)는 매트릭스 가스(3) 형태의 가스 성분, 및 추가의 가스 성분, 예컨대 기판의 에칭에서 형성된 에칭 생성물을 포함한다. 가스(2)는 도 1에는 일부만 도시되어 있는 처리 챔버(5)의 내부를 형성하는 질량 분광계(1) 외부의 처리 공간(4)에 존재한다. 질량 분광계(1)는 입구 시스템(6)을 통해 처리 챔버(5a)에 연결된다. 연결은 예컨대 플랜지에 의해 형성될 수도 있다. 에칭 처리에서 생성된 가스(2) 대신에, 코팅 처리, 처리 챔버(5)의 세정 등에서 형성되는 가스(2)를 질량 분광계(1)에 의해 분석하는 것도 가능하다.

입구 시스템(6)은 제어 가능한데, 이는 도시된 예에서 입구 시스템(6)이 개방 또는 폐쇄될 수 있게 하는 고속 스위칭 밸브(7)를 갖는다는 것을 의미한다. 밸브(7)는 제어 장치(8)를 이용하여 작동될 수 있다. 제어 장치(8)는 예컨대 입구 시스템(6)의 제어 및 질량 분광계(1)의 추가 기능을 가능하게 하도록 적절하게 프로그래밍된 데이터 처리 시스템(하드웨어, 소프트웨어 등)일 수도 있다(아래 참조).

입구 시스템(6)은 도시된 예에서 주름진 스테인리스강 호스 형태의 관형 구성요소(9)를 갖는다. 관형 구성요소(9)는 예컨대 나사 연결을 통해 질량 분광계(1)에 탈착 가능하게 연결된다. 주름형 호스 형태의 관형 구성요소(9)를 갖는 제어 가능한 입구 시스템(6)에 의해, 가스(2)는 질량 분광계(1)의 이온화 장치(12)의 금속성 가열 가능 용기(11)("소스 블록")의 내부를 형성하는 이온화 공간(10)으로 들어간다. 주름형 호스(9)는 대향하는 두 측면에서 개방된 이온화 공간(10)의 일 측면에서 종단된다. 이온화 장치(12)는 도시된 예에서 용기(11)의 이온화 공간(10)으로부터의 이온화된 가스(2a)의 배출을 위한 출구 개구(13)의 형태를 취하는 출구 시스템을 갖는다. 출구 개구(13)는 주름형 호스(9)와 반대되는 용기(11)의 측면에 형성된다.

도면에 도시된 예에서, 이온화 장치(12)는 제 1 및 제 2 필라멘트(전열선)(15a, 15b)가 있는 전자 소스(14)를 갖는다. 이온화 장치(12)는 각각의 필라멘트(15a, 15b)를 통한 열 흐름을 조정하기 위해 신호 목적으로 제어 장치(8)에 연결된다. 제어 장치(8)는 또한 신호 목적으로 제 1 및 제 2 전자 광학 장치(16a, 16b)에 연결된다. 제 1 전자 광학 장치(16a)는 제 1 필라멘트(15a)와 이온화 공간(10) 사이, 보다 구체적으로는 제 1 필라멘트(15a)와 (제 1) 전자빔(19a)의 이온화 공간(10)으로의 진입을 위한 제 1 개구(20a) 사이에 배치된다. 이에 상응하여, 제 2 전자 광학 장치(16b)는 제 2 필라멘트(15b)와 이온화 공간(10) 사이, 보다 구체적으로는 제 2 필라멘트(15b)와 제 2 전자빔(도면에 도시되지 않음)의 이온화 공간(10)으로의 진입을 위한 개구(20b)와의 사이에 배치된다. 제 1 전자 광학 장치(16a) 및 제 2 전자 광학 장치(16b)는 각각 도시된 예에서 제어 장치(8)에 의해 개별적으로 제어될 수 있는 3개의 전극(17a-c, 18a-c)을 갖는다. 개별 전자 광학 장치(16a, 16b)는 단지 예로서 3개의 전극(17a-c, 18a-c)을 가지며, 또한 더 많거나 더 적은 전극을 포함할 수도 있음이 명백할 것이다.

도면에서 명백한 바와 같이, 2개의 필라멘트(15a, 15b)가 전자 소스(14)에 제공되지만, 제 1 필라멘트(15a)만이 이온화 장치(12)의 작동 중에 전자빔(19a)을 생성하는데, 이는 개구(20a)를 통해 이온화 공간(10)에 공급된다. 대조적으로, 제 2 필라멘트(15a)는 이온화 장치(12)의 작동 중에 비활성 상태이다. 제 1 필라멘트(15a)가 이온화 장치(12)의 작동 중에 손상되거나 완전히 고장 난 경우, 2개의 필라멘트(15a, 15b)의 제공은 결함 있는 제 1 필라멘트(15a)가 교체되는 동안에 제 2 필라멘트(15b)에 의한 이온화 장치(12)의 지속적인 작동을 가능케 하며, 혹은 그 반대도 가능하다. 도시된 예에서, 개구(20a, 20b)는 필라멘트(15a, 15b)가 시선(직선)을 따라 서로 대향되도록 가열 가능 용기(11) 내에 서로 대향 배치되어 있다.

전자 소스(14), 보다 구체적으로는 도시된 예에서 2개의 필라멘트(15a, 15b)를 갖는 전자 소스(14)의 원통형 내부는 각각의 개구(20a, 20b)를 통해서만 용기(11) 내의 이온화 공간(10)에 연결된다. 각각의 필라멘트(15a, 15b)는 용기(11)로부터 거리(A)에 배치되는데, 이는 0.5㎝ 초과, 도시된 예에서는 약 3㎝이지만, 임의 선택적으로 5㎝ 초과일 수도 있다. 용기(11)로부터의 필라멘트(15a, 15b)의 비교적 큰 거리(A)는 전자 광학 장치(16a)에 의해 가능하게 되고, 이온화될 가스(2) 또는 이온화된 가스(2a)에 존재하는 매트릭스 가스(3) 또는 매트릭스 가스 이온과의 반응에 의한, 예컨대 텅스텐 또는 레늄인 필라멘트(15a, 15b)의 금속성 재료의 열화를 줄이는 역할을 한다.

이것은 도면에 도시된 이온화 장치(12)의 경우에 특히 유리한데, 이 이온화 장치(12)는 이온화 공간(10) 내에 비교적 높은 (정적) 압력(p)(약 10^-4mbar 내지 약 1mbar일 수 있으며 도시된 예에서는 약 0.01mbar임)을 생성하도록 설계된다. 이온화 공간(10) 내에 비교적 높은 압력(p)을 생성하기 위해, 입구 시스템(6)의 유동 전도도(C_E)는 출구 시스템(13)의 유동 전도도(C_A)보다 크다. 도시된 예에서, 입구 시스템(6)의 유동 전도도(C_E)는 관형 구성요소(9)에 의해, 보다 구체적으로는 관형 구성요소(9)의 직경(D_E)에 의해 사전 결정된다. 출구 시스템(13)의 유동 전도도(C_A)는 출구 개구의 직경(D_A)에 의해 사전 결정된다. 유동 전도도의 비율(C_E/C_A)은 통상적으로 최대화되어야 하는 이온화 공간(10) 내의 (평균) 압력(p)을 결정한다.

이온화 공간(10) 내의 높은 압력(p)의 효과는 일반적으로 매트릭스 가스(3)의 비교적 많은 수의 원자 또는 분자가 각각의 개구(20a, 20b)를 통해 용기(10)로부터 전자 소스(14)의 내부로 이동하여 각각의 필라멘트(15a, 15b)에 도달한다는 것이다.

도시된 예에서, 이온화 장치(12)는 전자 소스(14)의 내부에, 그리고 그에 따라 각각의 필라멘트(15a, 15b)에 이온화 공간(10)의 압력(p)보다 낮은 압력(p_F)을 생성하기 위해 터보 분자 펌프 형태의 진공 발생 장치(21)를 구비한다. 각각의 필라멘트(15a, 15b) 영역의 압력(p_F)은 예컨대 약 10^-8mbar와 10^-4mbar 사이의 간격 내에 있을 수도 있다. 더 낮은 압력(p_F)은 필라멘트(15a, 15b)의 재료와 반응할 수 있는 매트릭스 가스(3)의 입자들의 수를 뚜렷하게 감소시킨다. 이러한 방식으로, 필라멘트(15a, 15b)의 수명을 증가시킬 수 있다.

도시된 예에서, 각각의 전자 광학 장치(16a, 16b)의 3개의 전극(17a-c, 18a-c)은 이온화 공간(10) 내의 초점 위치(F)에 전자빔(19a)을 집속시키도록 설계된다. 이를 위해, 전극(17a-c, 18a-c)은 각각 중심 구멍을 갖는데, 구멍들의 직경은 각각의 필라멘트(15a, 15b)로부터의 거리가 증가함에 따라 감소한다. 개구(20b)를 통해 이온화 공간(10)을 나와서 전자 소스(14)로 들어가는 매트릭스 가스(3)의 이온의 초점은 그들의 현저하게 더 큰 질량으로 인해 전자빔(19a)의 초점 위치(F)와는 상당히 다르기 때문에, 이온 매트릭스 가스(3)의 이온들은 필라멘트(15a, 15b)에 부딪치기 전에 이온화 공간(10)을 빠져나갈 때 전자 광학 장치(16a, 16b)에 의해 발산된다. 이것은 각 필라멘트(15a, 15b)의 재료와의 반응 가능성을 줄여서 필라멘트의 수명을 증가시킨다.

도면에 도시된 예에서, 전자 광학 장치(16a), 보다 구체적으로 제 2 전극(17b)은 제 1 필라멘트(15a)의 방출 전류(I_E)를 측정하는 역할을 한다. 방출 전류(I_E)는 단위 시간 당 제 1 필라멘트(15a)로부터 방출되는 전자의 수를 의미하는 것으로 이해된다. 방출 전류(I_F)의 척도는 소정 시간 간격 내에 제 2 전극(17b)과 충돌하는 전자의 수이다. 이것은 제 1 필라멘트(15a)로부터 나오는 대체로 본질적으로 일정한 비율의 전자가 제 2 전극(17b)에 부딪친다는 사실을 이용하고, 따라서, 이것은 (비례) 방출 전류(I_F)의 측정을 위한 측정 전극 또는 센서로서 작용할 수 있다. 단위 시간 당 제 2 전극(17b)에 충돌하는 전하 또는 전자의 수는 예컨대 전자 광학 장치(16a)의 일부를 형성하는 예컨대 전하 증폭기 등의 형태의 전류 측정 장치(도시되지 않음)를 사용하여 측정될 수도 있다. 제어 장치(8)는 전자 광학 장치(16a)와 접촉해 있고, 필라멘트(15a)의 방출 전류(I_F)를, 제어 장치(8)의 메모리 장치에 기록되며 통상적으로 분석 대상 가스(2)에 따라 결정되는 일정한 목표 방출 전류(I_F,S)로 제어하도록 설계된다. 방출 전류(I_F)의 제어를 위해, 제어 장치(8)는 제 1 필라멘트(15a)를 통한 전류 및 그에 따른 온도를 변경하기 위해 전류 소스에 작용할 수도 있다.

전자 광학 장치(16a)의 제 3 전극(17c)은 도시된 예에서 스위칭 가능한데, 이는 그것의 전위가 적어도 2개의 상이한 전위값 사이에서 전환될 수 있음을 의미한다. 스위칭 상태에서, 제 3 전극(17c)에 인가된 전위 또는 제 1 필라멘트(15a)의 전위차가 충분히 크면, 전자빔(19a)은 다시 필라멘트의 방향으로 또는 제 3 전극(17c) 쪽으로 개구(20a)로부터 멀어지게 편향되며, 개구(20a)를 통해 이온화 공간(10)으로 진입하지 않는다. 이것은, 예컨대 이미 이온화된 가스가 이온화 장치(12)에 들어가는 경우 또는 빈 샘플을 취해야 하는 경우에 바람직하다. 제 2 전자 광학 장치(16b)의 제 3 전극(18c)은 이에 상응하게 설계된다. 스위칭 가능한 제 3 전극(17c, 18c)으로 인해, 전자빔(19a)이 이온화 공간(10)에 들어가지 않으면 필라멘트(15a, 15b)를 끄거나 냉각시킬 필요가 없으므로, 필라멘트(15a, 15b)의 온도가 일정하게 유지된다. 따라서, 전자 소스(14)가 펄스 방식으로 작동될 수 있어서, 전자빔(19a)은 가스(2)의 질량 분광 분석에 유용한 경우에만 이온화 공간(10)에 진입한다.

질량 분광계(1)에서, 출구 개구(13) 형태의 출구 시스템은 이온화 공간(10)으로부터 검출기(24)로의 이온화된 가스(2a)의 전달을 위한 이온 전달 장치(22)로 이어지는데, 여기에서는 이온화된 가스(2a)가 질량 분광법에 의해 분석된다. 도시된 예에서, 이온 전달 장치(22)는 이온화된 가스(2a)를 이온화 공간(10)으로부터 추출하고 이를 이온 전달 장치의 방향으로 가속하며 임의 선택적으로 이를 집속시킨 후 검출기(24)에서 질량별로 분리하기 위해 전극 배열체 형태의 추출 장치(23)를 갖는다.

위에서 추가로 설명된 조치에 의하면, 높은 압력(p)에서의 분석 대상 가스(2)의 이온화를 위해 설계된 질량 분광계(1) 내의 필라멘트(들)(15a, 15b)의 수명을 뚜렷하게 증가시킬 수 있다. 또한, 각각의 필라멘트(15a, 15b)의 안정적인 방출 전류(I_E,S)를 설정하는 것이 가능하다. 위에서 추가로 설명된 이온화 장치(12)는 질량 분광계(1)뿐만 아니라 가스가 비교적 높은 압력에서 이온화되어야 하는 많은 다른 사용 분야에서 사용될 수 있음이 명백할 것이다.

Claims (12)

1. 이온화 장치(12)로서,
   챔버(11) 내에 형성된 이온화 공간(10),
   상기 이온화 공간(10)에 이온화될 가스(2)를 공급하기 위한 입구 시스템(6),
   상기 이온화 공간(10)에 전자빔(19a)을 공급하기 위한 적어도 하나의 필라멘트(15a, 15b)를 갖는 전자 소스(electron source)(14), 및
   이온화된 가스(2a)를 상기 이온화 공간(10) 밖으로 내보내기 위한 출구 시스템(13)을 포함하는, 이온화 장치(2)에 있어서,
   적어도 2개의 전극(17a-c, 18a-c)을 포함하는 전자 광학 장치(electron optics)(16a, 16b)가 상기 필라멘트(15a, 15b)와 상기 이온화 공간(10) 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는
   이온화 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전자 광학 장치(16a, 16b)는 상기 전자빔(19a)을 상기 이온화 공간(10) 내에 집속시키도록 구성되는
   이온화 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 전자 광학 장치(16a, 16b)는 적어도 하나의 전극(17b, 18b)에서 필라멘트(15a, 15b)의 방출 전류(I_F)를 측정하도록 구성되는
   이온화 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 필라멘트(15a, 15b)의 방출 전류(I_F)를 목표 방출 전류(I_F,S)로 제어하기 위한 제어 장치(8)를 더 포함하는
   이온화 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전자 광학 장치(16a, 16b)는 용기(11)의 개구(20a, 20b)로부터 멀어지게 전자빔(19a)을 편향시키기 위한 적어도 하나의 스위칭 가능한 전극(17c, 18c)을 갖는
   이온화 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 필라멘트(15a, 15b)는 상기 챔버(11)로부터 적어도 0.5㎝, 바람직하게는 적어도 3㎝, 특히 적어도 5㎝의 거리(A)에 배치되는
   이온화 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전자 소스(14)는 바람직하게는 각각 상기 챔버(11)의 대향하는 개구(20a, 20b)를 통해 하나의 전자빔(19a)을 공급하는 역할을 하는 2개 이상의 필라멘트(15a, 15b)를 포함하는
   이온화 장치.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 이온화 공간(10) 내에 10^-4mbar 초과 1mbar 이하의 압력(p)을 생성하도록 구성되는
   이온화 장치.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 입구 시스템(6)의 유동 전도도(C_E)가 상기 출구 시스템(13)의 유동 전도도(C_A)보다 더 큰
   이온화 장치.
10. 제 1 항의 전제부, 특히 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 소스(12)의 필라멘트(15a, 15b)에, 상기 이온화 공간(10)의 압력(p)보다 낮은 압력(p_F)을 생성하도록 구성된 진공 발생 장치(21)를 구비하는
    이온화 장치.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 필라멘트(15a, 15b)에 10^-8mbar와 10^-4mbar 사이의 압력(p_F)을 생성하도록 구성된
    이온화 장치.
12. 가스(2)의 질량 분광 분석을 위한 질량 분광계(1)에 있어서,
    제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 이온화 장치(12), 및
    상기 이온화 장치(12)에서 이온화된 분석 대상 가스(2a)를 검출하기 위한 검출기(24)를 포함하는
    질량 분광계.

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