DE19953821C2 - Ionenquelle für die Elementanalytik an einer festen Werkstoffprobe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle für die Elementanalytik an einer festen Werkstoffprobe mittels Analyse der Ionen des Plasmas einer Niederdruckgasentladung.

Zur elementanalytischen Untersuchung von festen Werkstoffproben sind neben anderen Verfahren die optische Glimmentladungsspektroskopie (GD-OES) und die Glimmentladungs- Massenspektroskopie (GD-MS) bekannt.

Hierbei werden Ionenquellen eingesetzt, in denen zwischen zwei Elektroden in einem Arbeitsgas ein Plasma gezündet wird, wobei Material der auf Kathodenpotential liegenden Werkstoffprobe durch Sputtern in das Plasma eingetragen wird, welches anschließend massenspektrometrisch analysiert wird (N. Jakubowski, D. Stuewer, G. Toelg, Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 71 (1986), 183 [1]; DE 15 89 389 A1 [2]; Y. Shao and G. Horlick, Spectrochim. Acta, Vol. 46B, No. 2, 165-174 (1991) [3]; EP 0 448 061 A2 [4]; JP 8-210 979 A [5]).

In [2] ist eine Ionenquelle für die Spektralanalyse beschrieben, die aus einer Kammer zur Aufnahme der zu analysierenden Werkstoffprobe besteht, wobei die Kammer einen Einlasskanal und einen Absaugkanal für ein Arbeitsgas aufweist. Der Absaugkanal mündet in der Kammer nahe der Werkstoffprobe. Die Kammer ist mit einer Kathode und einer zylinderförmigen hohlen Anode ausgestattet, mit denen über der Werkstoffprobe ein Plasma erzeugt wird. Die Kammer ist an ihrem der Werkstoffprobe abgewandten Ende mit einem lichtdurchlässigen Fenster für die Spektrometrie des Plasmas ausgestattet. Dabei ist zur Vermeidung von Verunreinigungen des Fensters die Zufuhr des Arbeitsgases vom Fenster hin zur Werkstoffprobe realisiert.

Bei der GD-MS gelangen die Ionen über ein meist differentielles Pumpsystem durch eine der Werkstoffprobe gegenüberliegende ca. 1 mm große Öffnung. Die Größe dieser Öffnung und der in der Quelle herrschende Druck bestimmen den sich im Massenspektrometer einstellenden Druck. Durch das benötigte hohe Vakuum im Massenspektrometer müssen daher bei hohen Drücken kleine Öffnungen verwendet werden.

Der Druck des Arbeitsgases innerhalb der Quelle bestimmt sowohl bei der GD-OES als auch bei der GD-MS neben der Art der verwendeten Werkstoffprobe wesentlich den sich bei einer bestimmten Spannung einstellenden Entladungsstrom. Innerhalb eines weiten Arbeitsbereiches vergrößert sich mit steigendem Druck die Entladungsleistung und damit die Erosionsgeschwindigkeit.

Eine hohe Erosionsrate ist erforderlich, um möglichst schnell in das Probeninnere vorzudringen und damit effektiv tiefenaufgelöste Analysen durchführen zu können bzw. oberflächliche Verunreinigungen durch das sogenannte Vorsputtern schnell zu beseitigen. Durch die Variation des Druckes kann außerdem die Form des Kraterprofiles in Richtung einer hohen Tiefenauflösung optimiert werden.

Falls der Abstand zwischen den Elektroden kleiner ist als die mittlere freie Weglänge der Atome des Entladungsgases wird dort die Entladung begrenzt. Kleinere Abstände als ca. 0,1 mm können nicht verwendet werden, da die Re-Deposition des abgetragenen Probenmaterials auf der Probenoberfläche schnell zu Kurzschlüssen führt.

In kommerziellen und sämtlichen aus anderer Literatur bekannt gewordenen Anlagen auf dem Gebiet der GD-MS wird der Abstand zwischen den Elektroden der Entladungsquelle, d. h. zwischen Werkstoffprobe und Anode klein, typischerweise ≦ 0,5 mm gehalten. Nahezu ausschließlich werden bisher beide Elektroden in Probennähe durch isolierendes Material getrennt. Bei Steigerung der Leistung durch Erhöhung des Druckes kommt es in diesem Bereich zu Instabilitäten durch Überschläge und damit auch zur Verunreinigung des Plasmas. Das trifft sowohl für die bekannten Stäbchen- oder Pinquellen als auch für die Flachquellen zu.

In [1] und [3] wurden zylindrische Anoden angewendet, bei denen die materielle Begrenzung zwischen Anode und Kathode nicht in der Nähe der Werkstoffprobe, sondern im Außenbereich der Quelle erfolgt. Auf die effektive Evakuierung des Raumes zwischen der Anode und der Kathodenplatte gemäß [2] wurde jedoch in beiden Fällen verzichtet.

Vielmehr wird z. B in [3] sogar durch diesen Spalt das Arbeitsgas in der Quelle eingelassen, was zu einer lokalen Druckerhöhung an dieser Stelle führt. Die bei dieser Quelle vorhandenen Absaugungen dienen ausschließlich dem Evakuieren der Quelle vor der Analyse und werden während der Analyse geschlossen.

Die Bestimmung niedrigster Elementkonzentrationen im Bereich von 10^-9 µg/g erfordert die Messung sehr hohe Ionenintensitäten des Hauptelementes im Bereich von 10¹⁰ Ionen/s. Versuche haben ergeben, dass sich das Evakuieren des Zwischenraumes zwischen den Elektroden negativ auf den ins Massenspektrometer überführten Ionenstrom auswirkt. Höhere Gasdrücke und die damit verbundenen höheren Leistungen führen bei konstanter Spannung zwischen den Elektroden trotz einer erhöhten Sputterrate der Probe nicht zwangsläufig zu einer Erhöhung der in das Massenspektrometer überführten Teilchen und somit des analytischen Signals. Obwohl in der Literatur bisher nicht beschrieben, kann daraus geschlußfolgert werden, dass der nicht zum Massenspektrometer gerichtete Gasstrom zwischen den Elektroden den Transport der Ionen der Probe zum Massenspektrometer behindert.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass alle bisher bekannten Ionenquellen der GD-MS gegenüber der GD-OES in einem vergleichsweise niedrigen Druck- bzw. Leistungsbereich arbeiten. Typisch für GD-OES sind bei Ø8 mm und 1000 V 100 mA und in der GD-MS 10 mA. Da die Messung des Druckes in der Entladungsquelle meist nicht exakt ist und die Entladungsparameter bei einer definierten Werkstoffprobe durch Spannung und Strom definiert sind, kann auf die genaue Angabe des Druckes verzichtet werden. Erfahrungsgemäß liegt er in der GD-OES zwischen 1,33 und 13,33 mbar (1 und 10 Torr) und in der GD-MS eine Größenordnung niedriger.

Die Erfindung geht von der in [2] beschriebenen Ionenquelle aus, die aus einer Kammer zur Aufnahme der zu analysierenden Werkstoffprobe besteht und einen Einlasskanal und einen Absaugkanal für ein Arbeitsgas aufweist, wobei der Absaugkanal nahe der Werkstoffprobe in die Kammer mündet, die Kammer mit einer Kathode und einer zylinderförmigen hohlen Anode ausgestattet ist, mit denen über der Werkstoffprobe ein Plasma erzeugt wird, und die an ihrem der Werkstoffprobe abgewandtem Ende mit einem lichtdurchlässigen Fenster für die Spektrometrie des Plasmas ausgestattet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine leistungsfähigere, spektrometrisch universell anwendbare Ionenquelle für die Elementanalytik zu schaffen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die zylinderförmige hohle Anode in ihrem Inneren in axialer Richtung in zwei Kanäle unterteilt ist, wobei der eine Kanal mit dem lichtdurchlässigen Fenster abgeschlossen ist, der andere Kanal an seinem der Werkstoffprobe abgewandten Ende eine Öffnung für den Austritt der zu analysierenden Ionen in ein Massenspektrometer aufweist und seitlich der Öffnung ein zusätzlicher Kanal zum Absaugen von Arbeitsgas in den anderen Kanal mündet.

In vorteilhafter Weise ist der freie Querschnitt des zusätzlichen Kanals größer als der Querschnitt der Öffnung für den Austritt der zu analysierenden Ionen.

Zweckmäßigerweise kann an das lichtdurchlässige Fenster außerhalb der Quelle ein Lichtleiter angekoppelt ist.

Die erfindungsgemäße Ionenquelle ist sowohl für die optische Glimmentladungsspektroskopie als auch für die Glimmentladungs- Massenspektroskopie verwendbar. Mit dieser Ionenquelle ist es möglich, neben der hohen Stabilität der Entladung bei hohen Leistungsdichten auch den Ionenstrom um ca. 1 Größenordnung gegenüber den bekannten Quellen zu steigern. Die erfindungsgemäße Tonenquelle ist auch für mittels Hochfrequenz-Spannung angeregte Entladungen anwendbar. Die Anwendungsfelder der Erfindung sind somit die DC-GD-OES, die DC-GD-MS, die RF-GD-OES und die RF-GD-MS.

Nachstehend ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Tonenquelle.

Die dargestellte Ionenquelle ist sowohl für die optische Glimmentladungsspektroskopie als auch für die Glimmentladungs- Massenspektroskopie verwendbar. Sie ist mit einer Anode 1, einer Kathode 2 und einem Isolator 3 aufgebaut. Das Innere der Ionenquelle ist mit der an Kathode angeordneten Werkstoffprobe 4 und Dichtringen 5 und 6 dicht abgeschlossen. In der Ionenquelle wird über die Oberfläche der Werkstoffprobe 4 ein Arbeitsgas geleitet, das durch einen Einlasskanal 7 zugeführt und durch einen Absaugkanal 8 abgeführt wird. Das Arbeitsgas wird zwischen der Anode 1 und der Kathode 2 gezündet. Dadurch bildet sich ein Plasma 9 aus, in welches das Material der auf Kathodenpotential liegenden Werkstoffprobe 4 eingetragen wird.

Der Raum über der Werkstoffprobe 4 ist in zwei Kanäle 10; 11 unterteilt. Der Kanal 10 weist an seinem der Werkstoffprobe 4 abgewandten Ende eine Öffnung 12 auf, durch welche die in der Ionenquelle gebildeten Ionen für eine massenspektrometrische Untersuchung austreten können. Vor der Öffnung 12 zum Massenspektrometer mündet in der Anode 1 ein Kanal 14, durch den die Ionen während der Durchführung der Analyse in Richtung auf die Öffnung 12 gesaugt werden. Der Querschnitt der Mündung des Kanals 14 ist dabei größer bemessen, als der Querschnitt der Öffnung 12. Auf diese Weise wird, obwohl der Druck des Arbeitsgases zwischen den Elektroden 1; 2 erniedrigt wird, in vorteilhafter Weise eine Erhöhung der Entladungsleistung und eine Erhöhung der mit dem Massenspektrometer gemessenen Intensität erreicht.

Der Kanal 11 ist mit einem lichtdurchlässigen Fenster 13 abgeschlossen. Durch dieses tritt die vom Plasma 9 ausgehende Strahlung aus und kann so zur optischen Glimmentladungsspektroskopie genutzt werden.

Claims (3)

1. Ionenquelle für die Elementanalytik an einer festen Werkstoffprobe (4) mittels Analyse der Ionen des Plasmas (9) einer Niederdruckgasentladung, wobei die Ionenquelle aus einer Kammer zur Aufnahme der zu analysierenden Werkstoffprobe (4) besteht, die Kammer einen Einlasskanal (7) und einen Absaugkanal (8) für ein Arbeitsgas aufweist, wobei der Absaugkanal (8) nahe der Werkstoffprobe (4) in die Kammer mündet, die Kammer mit einer Kathode (2) und einer zylinderförmigen hohlen Anode (1) ausgestattet ist, mit denen über der Werkstoffprobe (4) ein Plasma (9) erzeugt wird, die Kammer an ihrem der Werkstoffprobe (4) abgewandtem Ende mit einem lichtdurchlässigen Fenster (13) für die Spektrometrie des Plasmas (9) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderförmige hohle Anode (1) in ihrem Inneren in axialer Richtung in zwei Kanäle (10, 11) unterteilt ist, wobei der eine Kanal (11) mit dem lichtdurchlässigen Fenster (13) abgeschlossen ist, der andere Kanal (10) an seinem der Werkstoffprobe (4) abgewandten Ende eine Öffnung (12) für den Austritt der zu analysierenden Ionen in ein Massenspektrometer aufweist und seitlich der Öffnung (12) ein zusätzlicher Kanal (14) zum Absaugen von Arbeitsgas in den anderen Kanal (10) mündet.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Querschnitt des zusätzlichen Kanals (14) größer ist als der Querschnitt der Öffnung (12) für den Austritt der zu analysierenden Ionen.

3. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an das lichtdurchlässige Fenster (13) außerhalb der Quelle ein Lichtleiter angekoppelt ist.