DE1598150C3

DE1598150C3 - Ion source for mass spectrometers with a field ionization device and an electron impact ionization device

Info

Publication number: DE1598150C3
Application number: DE1598150A
Authority: DE
Inventors: Curt Dr. 2820 Platjenwerbe Brunnee; Kurt 2800 Bremen Elfenbein
Original assignee: Varian Mat GmbH
Current assignee: Varian Mat GmbH
Priority date: 1966-11-19
Filing date: 1966-11-19
Publication date: 1978-10-26
Also published as: GB1152757A; US3582645A; DE1598150A1; DE1598150B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle für Massenspektrometer mit einer Feldionisierungseinrichtung und einer Elektronenstoßionisierungseinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse.The invention relates to an ion source for mass spectrometers with a field ionization device and an electron impact ionization device in a common housing.

Bei bekannten Ionenquellen dieser Art (»Advances in Experimental Techniques Applications, and Theory of Field Ion Mass Spectrometry« aus »Institute of Petroleum/ASTM Mass Spectrometry Symposium« Paris, gedruckt in Bungay, Suffolk, 1964) sind die Ionisierungszonen der Feldionisierungseinrichtung und der Elektronenstoßionisierungseinrichtung räumlich getrennt angeordnet. Bei der Ionisierung von festen, in einem öfchen zu verdampfenden Substanzen muß das Öfchen jeweils unterschiedlich positioniert werden, um die entsprechende Ionisierungszone der Feld- oder Elektronenstoßionisierungseinrichtung in den Dampfstrahlbereich des öfchens zu bringen. Neben diesem mühsamen und zeitaufwendigen Justieraufwand ist die ^b0 gesonderte Anordnung einer Feld- und lonenstoßionisierungseinrichtung auch apparativ recht aufwendig.In known ion sources of this type ("Advances in Experimental Techniques Applications, and Theory of Field Ion Mass Spectrometry" from "Institute of Petroleum / ASTM Mass Spectrometry Symposium" Paris, printed in Bungay, Suffolk, 1964) are the ionization zones of the field ionization device and the electron impact ionization device spatially separated. When ionizing solid substances to be vaporized in an oven, the oven must be positioned differently in order to bring the corresponding ionization zone of the field or electron impact ionization device into the steam jet area of the oven. In addition to this laborious and time-consuming adjustment effort is the ^b0 separate arrangement of a field and lonenstoßionisierungseinrichtung proper equipment quite expensive.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Unzulänglichkeiten dieser bekannten Ionenquelle zu vermeiden und eine apparativ einfache ''"> Ionenquelle der genannten Art zu schaffen, die eine Feld- und Elektronensioßionisierung bei gleichbleibender .Stibstanzzuführiing ermöglicht.The object of the present invention is to remedy the shortcomings of this known ion source to avoid and to create an ion source of the type mentioned which is simple in terms of apparatus and which has a Field and electron ionization with constant .Stibstanzzuführiing enables.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die Ionisierungszonen der beiden lonisierungseinrichtungen in einer gemeinsamen lonisierungskammer räumlich zusammenfallen und daß eine mit einem lonendurchtrittsspalt versehene Wand dieser lonisierungskammer als Gegenelektrode für die Feidionisierungseinrichtung dient und alternativ mit einer jeweils für den Betrieb als Feldionisierungeinrichtung oder als Elektronenstoßionisierungseinrichtung geeigneten Spannung beaufschlagbar ist. Hierdurch kann lediglich durch Änderung des Potentials der den lonenaustrittsspalt aufweisenden Wand der lonisierungskammer dieselbe Probe während des Verdampfungsvorganges in apparativ einfacher Weise sowohl durch Feldionisierung als auch durch Elektronenstoßionisierung ionisiert werden, ohne daß die Substanzzufuhr, die auf die eine gemeinsame Ionisierungszone gerichtet ist, abgeändert werden muß.This object is achieved according to the invention in that the ionization zones of the two ionization devices coincide spatially in a common ionization chamber and that one with a wall of this ionization chamber provided with an ion passage gap as a counter electrode for the Feidionisierungseinrichtung serves and alternatively with one each for operation as a field ionization device or a voltage suitable as an electron impact ionization device can be applied. This can merely by changing the potential of the wall of the ionization chamber having the ion exit gap the same sample during the evaporation process in a simple manner both in terms of apparatus be ionized by field ionization as well as by electron impact ionization without the substance supply, to which a common ionization zone is directed must be modified.

Es ist bei lonenquellen mit anderen lonisierungseinrichtungen, z. B. einer thermischen Ionisierungsund Elektronenstoßionisierungseinrichtung (US-PS 31 15 591) oder einer Gasentladungs- und Elektronenstoßionisierungseinrichtung (US-PS 32 74 436), an sich bekannt, die Ionisierungszonen der beiden Ionisierungseinrichtungen räumlich anzunähern bzw. weitgehend zusammenfallen zu lassen. In Verbindung mit Feldionisierungseinrichtungen ist derartiges jedoch nicht bekanntgeworden. In the case of ion sources with other ionization devices, z. B. a thermal ionization and electron impact ionization device (U.S. Pat 31 15 591) or a gas discharge and electron impact ionization device (US-PS 32 74 436), known per se, to spatially approximate or largely approximate the ionization zones of the two ionization devices to collapse. However, nothing of this type has become known in connection with field ionization devices.

Eine besonders vorteilhafte konstruktive Lösung für eine erfindungsgemäße Ionenquelle besteht darin, daß die als Gegenelektrode dienende Wand der lonisierungskammer mit einem die Emitterelektrode der Feldionisierungseinrichtung umschließenden Kragen versehen ist, der Fenster zum Durchtritt der Elektronen in die lonisierungskammer beim Betrieb der Ionenquelle als Elektronenstoßionisierichtung aufweist.A particularly advantageous structural solution for an ion source according to the invention is that serving as a counter electrode wall of the ionization chamber with the emitter electrode of the The collar surrounding the field ionization device is provided, the window for the passage of the electrons having in the ionization chamber as an electron impact ionization direction during operation of the ion source.

Um die Beeinträchtigung durch Verunreinigungen der Emitterelektrode während der Elektronenstoßionisierung zu vermeiden, ist es gemäß der Erfindung vorteilhaft, wenn die Emitterelektrode aus der lonisierungskammer ausfahrbar ist. Zu diesem Zweck wird die Emitterelektrode von einem vorzugsweise schmalen schwertartigen Körper getragen und ist in einer dem lonenaustrittsspalt gegenüberliegenden Wand der lonisierungskammer eine öffnung vorgesehen.To avoid the deterioration caused by impurities in the emitter electrode during electron impact ionization To avoid it, it is advantageous according to the invention if the emitter electrode from the ionization chamber is extendable. For this purpose, the emitter electrode is preferably narrow sword-like body and is in a wall of the ionization chamber opposite the ion exit gap an opening is provided.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Es zeigtAn exemplary embodiment of the invention is illustrated in the drawing. It shows

Fig. 1 eine Ausführungsform einer Ionenquelle gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung undFig. 1 shows an embodiment of an ion source according to the invention in a schematic representation and

Fig. la einen Teilschnitt nach der Linie H-II der Fig. 1.FIG. 1 a is a partial section along the line H-II in FIG. 1.

Die Elektronenstoßionisierung und Feldionisierung erfolgen in der Ionenquelle nach Fig. 1 und la in einer gemeinsamen lonisierungskammer 1. Die Stoßionisierung erfolgt durch Stöße schneller Elektronen, die in üblicher Weise von einer z. B. auf +2900 V liegenden Glühkathode 2 emittiert, mittels einer Spannung von 100 V zwischen der Kathode und der lonisierungskammer beschleunigt werden und diese auf einer Flugbahn 3 durchlaufen. Nach Durchfliegen der lonisierungskammer 1 werden die Elektronen von einem Auffänger 4 aufgefangen. Die lonisierungskammer 1 ist zur Bildung eines definierten elektrischen Feldes mit geringem Feldgradienten von einem metallischen Gehäuse umschlossen. Dieses Gehäuse besteht aus einem Kästchen von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt, dessen Längsachse mit der Flugbahn 3 der Elektronen /iisamnienfällt. Das die lonisierungskammerThe electron impact ionization and field ionization take place in the ion source according to FIG. 1 and la in one common ionization chamber 1. The impact ionization takes place through collisions of fast electrons, which in usual way of a z. B. emitted at +2900 V hot cathode 2, by means of a voltage of 100 V are accelerated between the cathode and the ionization chamber and these on a trajectory 3 run through. After flying through the ionization chamber 1, the electrons are captured by a collector 4 caught. The ionization chamber 1 is to form a defined electrical field with a low Field gradients enclosed in a metallic housing. This housing consists of a Box of substantially rectangular cross-section, the longitudinal axis of which with the trajectory 3 of the Electrons fall. That the ionization chamber

1 umschließende Kästchen besteht aus zwei Teilen, einem kappenförmigen Teil 14 mit Rückwand 13, der die Ionisierungskammer 1 an fünf Seiten begrenzt, und der davon getrennt und isoliert angeordneten sechsten Wand 7, der Vorderwand des Kästchens, in welcher sich der Austrittsspalt 8 befindet. Der kappenförmige Teil 14, liegt auf einer Spannung von +3000 V, wodurch die Beschleunigungsspannung von 100 V zwischen der Kathode 2 und der Ionisierungskammer 1 für die Elektronen gebildet wird. In den in der Flugbahn 3 der Elektronen liegenden Seitenwänden des Teiles 14 sind Fenster 5 und 6 zum Durchtritt der Elektronen vorgesehen. Zum Austritt der in der Ionisierungskammer erzeugten Ionen ist in einer Wand 7, im folgenden Vorderwand genannt, ein Austrittsspalt 8 vorgesehen, vor dem, gegen das Kästchen isoliert, eine Linse 9 zum Herausziehen der Ionen aus dem Kästchen und zum Beschleunigen der Ionen in Richtung des Pfeiles 10 zum Trennrohr 11 des Massenspektrometer angebracht ist. Zwischen Linse 9 und Trennrohr 11 sind zur Beschleunigung und Fokussierung noch eine oder mehrere Blenden 12 vorgesehen.1 enclosing box consists of two parts, a cap-shaped part 14 with a rear wall 13, which the Ionization chamber 1 limited on five sides, and the sixth which is arranged separately and isolated therefrom Wall 7, the front wall of the box in which the exit gap 8 is located. The cap-shaped part 14, is at a voltage of +3000 V, whereby the acceleration voltage of 100 V between the Cathode 2 and the ionization chamber 1 for the electrons is formed. In the trajectory 3 of the Electrons lying sidewalls of part 14 are windows 5 and 6 for the passage of electrons intended. The exit of the ions generated in the ionization chamber is in a wall 7, as follows Called the front wall, an exit gap 8 is provided, in front of which, isolated from the box, a lens 9 for Pull the ions out of the box and accelerate the ions in the direction of arrow 10 to Separating tube 11 of the mass spectrometer is attached. Between the lens 9 and the separating tube 11 there are another or for acceleration and focusing several diaphragms 12 are provided.

Die Vorderwand 7 des Kästchens ist mit einem Umschalter 15 verbunden, durch den die Vorderwand entweder für den Betrieb als Elektronenstoßionisierungseinrichtung an eine Spannung von +2995 V oder für den Betrieb als Feldionisierungseinrichtung an eine Spannung von -9 kV gelegt wird.The front wall 7 of the box is connected to a switch 15 through which the front wall either for operation as an electron impact ionization device to a voltage of +2995 V or is applied to a voltage of -9 kV for operation as a field ionization device.

Beim Betrieb als Elektronenstoßionisierungsrichtung dient die Vorderwand mit ihrem Austrittsspalt 8 durch ihr kleines negatives Potential gegenüber dem kappenförmigen Teil 14 zur Unterstützung der Linse 9, um die durch Elektronenstoß in der Ionisierungskammer 1 gebildeten Ionen in Richtung des Pfeiles 10 zum Trennrohr 11 zu bewegen. Es sei bemerkt, daß für den Stoßionenbetrieb die Vorderwand 7 auch mit dem übrigen kappenförmigen Teil 14 mechanisch und elektrisch verbunden sein könnte, da der Durchgriff des Linsenfeldes durch den Austrittsspalt 8 zum Herausziehen der Ionen aus der Ionisierungskammer ausreichen kann.When operating as an electron impact ionization direction, the front wall with its exit slit 8 serves through their small negative potential with respect to the cap-shaped part 14 to support the lens 9 to the ions formed by electron impact in the ionization chamber 1 in the direction of arrow 10 to Separating tube 11 to move. It should be noted that for the impact ion operation, the front wall 7 also with the remaining cap-shaped part 14 could be mechanically and electrically connected, since the penetration of the Sufficient lens field through the exit slit 8 to pull the ions out of the ionization chamber can.

Beim Betrieb als Feldionisierungseinrichtung dient die Vorderwand 7 mit dem Austrittsspalt 8 als Gegenelektrode zur Emitterleketrode 16 und als Ziehblende für die Feldionen zur Bewegung dieser Feldionen in Richtung des Pfeiles 10 zum Trennrohr 11 des Massenspektrometer.When operated as a field ionization device, the front wall 7 with the exit gap 8 serves as a Counter electrode to the emitter electrode 16 and as a pulling diaphragm for the field ions to move them Field ions in the direction of arrow 10 to the separating tube 11 of the mass spectrometer.

Die Emitterelektrode 16 liegt in der Ionisierungskammer 1 auf der dem Austrittsspalt 8 gegenüberliegenden Seite der Flugbahn 3 für die Stoßionisierung, so daß sich bei beiden Ionisierungsarten im wesentlichen dieselbe Ionisierungszone 17 ergibt, die in der Zeichnung durchThe emitter electrode 16 lies in the ionization chamber 1 on the one opposite the exit gap 8 Side of the trajectory 3 for the impact ionization, so that the two types of ionization are essentially the same Ionization zone 17 results in the drawing by

Schraffur gekennzeichnet ist. Die Emitterelektrode kann aus einem sehr dünnen, parallel zur Flugbahn 3 bzw. zum Austrittsspalt 8 angeordneten Platindraht bestehen, der auf derselben Spannung von + 3000 V wie der kappenförmige Teil 14 gehalten werden kann. BeimHatching is marked. The emitter electrode can consist of a very thin one, parallel to the trajectory 3 or to the exit gap 8 arranged platinum wire exist, which is on the same voltage of + 3000 V as the cap-shaped part 14 can be held. At the

ίο Betrieb als Feldionsierungseinrichtung herrscht zwischen der Emitterelektrode 16 und der Gegenelektrode 7 somit eine Spannung von -12 kV. Dadurch wird im Bereich der Emitterelektrode infolge ihres kleinen Krümmungsradius eine so hohe Feldstärke erreicht, daßίο Operation as a field ionization device prevails between the emitter electrode 16 and the counter electrode 7 thus have a voltage of -12 kV. This will result in the Due to its small radius of curvature, the area of the emitter electrode has such a high field strength that

im Nachbarbereich der Emitterelektrode durch den sogenannten Tunneleffekt Feldionen gebildet werden.field ions are formed in the vicinity of the emitter electrode by the so-called tunnel effect.

Zur Verbesserung der Feldverteilung und der Ziehblendenwirkung ist die Gegenelektrode 7 mit einem die Emitterelektrode 16 umschließenden Kragen 18 versehen, der im Bereich der Flugbahn 3 mit Fenstern 19,20 für den Durchtritt der Elektronen beim Betrieb als Stoßionisierungseinrichtung versehen ist.To improve the field distribution and the effect of the draw diaphragm, the counter electrode 7 is provided a collar 18 which surrounds the emitter electrode 16 and which is provided with windows in the region of the trajectory 3 19.20 is provided for the passage of electrons when operating as an impact ionization device.

Die Emitterelektrode 16 wird von einem schwertartigen Körper 21 getragen, der von außen durch einenThe emitter electrode 16 is carried by a sword-like body 21, which is from the outside by a

Schlitz 22 der Rückwand 13 des kappenförmigen Teils 14 hindurchragt und an einem außerhalb des Teils 14 angebrachten, um eine Achse 23 schwenkbaren Hebel 24 angebracht ist. Durch ein Zugseil 32, das gegen das Gehäuse, z. B. durch einen Balg abgedichtet sein kann,The slot 22 of the rear wall 13 of the cap-shaped part 14 protrudes and at an outside of the part 14 attached, about an axis 23 pivotable lever 24 is attached. By a pulling rope 32, which is against the Housing, e.g. B. can be sealed by a bellows,

läßt sich der Hebel 24 verschwenken, um dadurch die Emitterelektrode 16 beim Betrieb der Ionenquelle als Elektronenstoßionisierungseinrichtung aus der Ionisierungskammer 1 auszufahren und eine allmähliche Verschmutzung der Emitterelektrode 16 durch auftreffende Elektronen zu vermeiden.the lever 24 can be pivoted to thereby the emitter electrode 16 when the ion source is operated as Electron impact ionization device from the ionization chamber 1 and a gradual To avoid contamination of the emitter electrode 16 by impinging electrons.

Aus F i g. la, die einen Teilschnitt längs der Linie H-II in F i g. 1 darstellt, geht die Anordnung eines Verdampfungsöfchens 25 hervor.
Falls bei der beschriebenen Einrichtung die Vorderwand 7 mit dem übrigen kappenförmigen Teil 14 sowohl beim Betrieb als Stoßionsisierungseinrichtung wie auch beim Betrieb als Feldionisierungseinrichtung auf gleichem Potential von 3 kV gehalten wird, müßte die Emitterelektrode auf ein entsprechend hohes Potential von beispielsweise +12 kV gelegt werden. Die dargestellte Ionenquelle eignet sich zur Analyse beliebiger Substanzen.From Fig. la, which is a partial section along the line H-II in F i g. 1 shows the arrangement of an evaporation furnace 25.
If, in the device described, the front wall 7 with the rest of the cap-shaped part 14 is kept at the same potential of 3 kV both when operating as an impact ionization device and when operating as a field ionization device, the emitter electrode would have to be placed at a correspondingly high potential of, for example, +12 kV. The ion source shown is suitable for the analysis of any substances.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Ion source for mass spectrometers with a field ionization device and an electron impact ionization device in a common housing, characterized in that the ionization zones (17) of the two ionization devices (16, 7; 2, 4) coincide spatially in a common ionization chamber (1) and that a wall (7) of this ionization chamber (1) provided with an ion passage gap (8) serves as a counter electrode for the field ionization device (16, 7) and alternatively with a voltage suitable for operation as a field ionization device or as an electron impact ionization device (2, 4) can be acted upon.

2. Ion source according to claim 1, characterized in that serving as a counter electrode Wall (7) of the ionization chamber (1) with an emitter electrode (16) of the field ionization device surrounding collar (18) is provided, the window (19, 20) for the passage of electrons into the ionization chamber (1) when the ion source is operated as an electron impact ionization device.

3. Ion source according to claim 1 or 2, characterized in that the emitter electrode (16) consists of the ionization chamber (1) can be extended.

4. Ion source according to claim 3, characterized in that for retraction and extension of the Emitter electrode (16) carried by a preferably narrow sword-like body (21), in a wall (13) of the ionization chamber (1) opposite the ion exit gap (8) Opening is provided.

5. Ion source according to claim 3 or 4, characterized in that the emitter electrode (16) on a pivot lever (24) is attached.

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