DE2143460A1 - Hochdruckionenquelle fuer ionenoptische analysengeraete und beschleunigeranlagen - Google Patents

Description

Dr. Hans Knof
2 Norderstedt 1
Am 3?orstteich 17

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Hochdruckionenquelle für ionenoptische Analysengeräte und Beschleunigeranlagen

Anmelder: Knof, Hans, Dr.j 2 Norderstedt

Erfinder: Ehof, nans, Dr.; 2 Norderstedt; Krafft, Dieter, Dipl.-Phys.; Hausen, Volker; 2 üamburg

Die vorliegende Erfindung betrifft die konstruktion einer Ionenquelle, die bei hohen Gasdrücken bis zu etwa 1 Torr im Gaseinlaßrohr betrieben werden kann, indem durch geeignete Potentialabs chirmungen und Potentialeinstellungen Gasentladungen oder ihxnkenüberschläge vermieden werden. .Diese Ionenquelle läßt sich daher bei hohen Drücken stabil betreiben und eignet sich insbesondere auch als Elektronenanlagerungsionenquelie in der Massenspektrometrie.

In Ionenquellen werden Atome oder Moleküle eines Gases bzw. üestkörpers ionisiert und die so gebildeten Ionen in eine Richtung beschleunigt und fokussiert, damit ein gebündelter Ionenstrahl entsteht, der dann z. B. in einen Beschleuniger oder in ein !»iassenspektrometer geleitet wird. Dabei kann einmal die Erzeugung atomarer Ionen, wie für Beschleuniger, erforderlich sein, oder die möglichst schonende Ionisation neutraler Moleküle, wie für den Nachweis in der Analytik der Massenspektrometrie.

IHir die üxassenspektr ome trie gibt es bekanntlich verschiedene Typen von lonenquellen. Eine häufig benutzte Ionenquelle ist die Elektronenstoßionenquelle zur Erzeugung positiver oder negativer Ionen, die mit einer Elektronenenergie von 7 bis 200 eV betrieben wird. Die Moleküle von Probensubstanzen werden dabei meist zerschlagen, so daß vor allem bei Gemischen nicht mehr sicher auf die Ausgangssubstanz geschlossen werden kann. Eine Ionenquelle, welche diese Bruchstückbildung vermeidet, ist die Peldionenquelle.

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die auch als Pelddesorptionsionenquelle betrieben werden kann. Sie arbeitet jedoch instabil und kann für quantitative Messungen nur bedingt eingesetzt werden, ferner ist ihre Empfindlichkeit wesentlich geringer als die der Elektronenstoßionenquelle. Beide Quellen arbeiten nur bei Drücken bis zu 1U^-4" Torr. Ein höherer Druck in der Ionenquelle ist zum empfindlicheren Substanznachweis aber erforderlich.

Eine Ionenquelle, die mit höheren ü-asdrücken, bis zu einigen lorr, betrieben werden kann, ist z. 3. die chemische Ionenquelle. In dieser Ionenquelle kann durch Elektronenstoß ein Hilfsgas, z. B. Methan, ionisiert werden, das dann seine Ladung an das zugemischte Probengas abgibt. Dabei können sich durch Ionenmolekülreaktionen die erzeugten Ionen von den üiolekülen der Pr oben sub stan ζ unter-' scheiden. Ferner ist der Partialdruck der Probensubstanz in der Ionenquelle neben dem des Hilfsgases nicht einwandfrei bestimmbar, so daß quantitative Messungen kaum durchführbar sind.

Eine weitere Ionenquelle, die bei Drücken von einigen Torr betrieben werden kann, ist die Elektronenanlagerungsionenquelle nach von Ardenne (Zeitschrift für angewandte Physik, Band 11, 1959, S. 121 j Tabellen zur angewandten Physik, Band 1, Berlin 1962). Sie wird entweder als Gasentladungsquelle betrieben, in der ständig eine Gasentladung in einem Hilfsgas im Ionisierungsraum brennt, oder als abgewandelte Elektronenstoßionenquelle, indem aus dem nilfsgas durch Beschüß mit -Elektronen der Energie des Auftrittspotentials Sekundäreelektronen erzeugt werden. In beiden " Fällen können sich die niederenergetischen freien Elektronen an die Moleküle oder Atome des dem Hilfsgas zugemischten Probeagases anlagern und somit negative Ionen erzeugen. Auch hier ist der Partialdruck der Probensubstanz in der Ionenquelle neben dem des Hilfsgases nicht einwandfrei bestimmbar, so daß nur qualitative Messungen möglich sind.

us bleibt damit der Bedarf nach einer Ionenquelle bestehen, die bei Gasdrücken oberhalb 10""⁴ ±orr bis zu etwa 1 Torr stabil betrieben werden kann. Eine solche Ionenquelle ermöglicht beia Betrieb als Elektronenanlagerungsionenquelle quantitative massenspektrometrie ehe Messungen, wie sie besonders für die Analyse von

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Vielkomponentengemischen erforderlich sind, -ß'erner können Komplexbildungen untersucht werden, die das "Verständnis für üonden sationserseheinungen fördern.

vorläufige Konstruktion auf dieses Ziel hin wird in der Zeitschrift für Naturforschung, Band 25a, 197U, S. 849, beschrieben. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß der auf die Eintrittsöffnung des Ionisierungsraumes fernfokussierte Elektronenstrahl durch ein mit flüssigem Stickstoff gekühltes Rohr geführt wird. Dadurch wird die heiße Kathode zur Vermeidung der Rückdiffusion von Pyrolyseprodukten vom Ionisierungsraum getrennt. Im Unterschied dazu kennt die Elektronenanlagerungsionenquelle nach von Ardenne eine solche !Fernfokussierung nicht, weiterhin · werden die Elektronen auf so hohe Energien beschleunigt, z. is. auf 800 eV, daß auch bei höherem Gasdruck die Elektronen nicht so leicht aus der vorgesehenen Bahn abgelenkt werden. Beim Eintritt in den Ionisierungsraum werden die Elektronen auf eine Energie abgebremst, die noch νielfaehionisation zuläßt, z. B. auf 200 eV. Im Gegensatz zu anderen Elektronenanlagerungsionenquellen kann diese vorläufige Ionenquelle mit dem Probengas allein betrieben werden und ist nicht auf ein Hilfsgas angewiesen. Sie lief jedoch so instabil, daß nur in Ausnahmefällen bei Drücken oberhalb von 10""* Torr im Quellenraum quantitative Messungen möglich waren, nei diesen Drücken traten leicht Fehlströme durch vras ent ladungen oder Funkenüberschläge auf, die zu .fotentialänderungen und damit zu starken Schwankungen des Ionenstromes führten.

Deshalb war eine ^mkonstruktion der Ionenquelle erforderlich, um die störenden Gasentladungen oder Funkenüberschläge zu vermeiden.

Eine solche ionenquelle ist dadurch gekennzeichnet, daß sie durch geeignete Potentialabschirmungen und Potentialeinstellungen auch bei hohen Drücken stabil betrieben werden kann. Eine schematische Skizze ist mit der Figur 1 gegeben.

juer gegenüber Gasentladungen oder üunkenüberschlagen anfällige Ionenweg wird durch ein Drahtnetz (.Pos. 1), welches auf das

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Potential des Ionisierungsraumes gelegt wird, gegenüber der auf irdpotential liegenden Umgebung abgeschirmt. Dieses .Drahtgitter verhindert, daß Ladungsträger in den ^uellenraum gelangen und dort zu unselbständigen Entladungen führen.

Die Gaszufuhr erfolgt in einem ^etallrohr (Pos. 2), das ebenfalls einschließlich des metallischen Dosierventils auf das Bezugspotential des Ionisierungsraumes gelegt ist. Das Metallrohr wird .hochspannungsisoliert aus der Ionenquelle herausgeführt. Der Abschluß kann auch durch ein nichtleitendes Dosierventils erfolgen. Die andere Seite des Dosierventils steht unter dem Sättigungsdampfdruck bei Flüssigkeiten oder Peststoffen oder entsprechenden Drücken bei Gasen. Die Einführung des Elektronenweges in den Ionisierungsraum erfolgt über eine Elektrode oder Blende (Pos. 3), die in die Wandung des Ionisierungsraumes hineinragt. Die Bepumpung des Kühlrohres zwischen Kathode und Ionisierungsraum erfolgt allein durch ein Drahtgitter (Pos. 4), im Anodenrohr in der Nähe der Kathode, das unmittelbar vor dem Pumpstutzen einer Hochvakuumpumpe liegt. Da der Pumpstutzenquerschnitt groß gegenüber dieser Öffnung im Anodenrohr ist, kann der Kaum zwischen dem auf z. B. 2,2 kV liegenden Anodenrohr und der äußeren Wandung durchweg auf Hochvakuum gehalten werden. Damit werden auch hier Gasentladungen oder Funkenüberschlage vermieden.

Die stabile Betriebsweise der erfindungsgemäßen Ionenquelle hat ihre Ursache in der Vermeidung von Gasentladungen und i'unkenüberschlägen in den Teilen der ionenquelle, deren Potentiale für die .erzeugung eines stabilen lonenstromes wesentlich sind. D_as wird für den lonenweg dadurch erreicht, daß die Blenden und Elektroden desselben durch ein auf z. B,- 2,9 kV gelegtes Drahtnetz mit positiver oder negativer Spannung gegen Erdpotential von unselbständigen Gasentladungen freigehalten werden. In der Gaszufuhr können Entladungen erfindungsgemäß bei hohen Betriebsdrücken dadurch vermieden werden, indem daS -^ohrstück der Gaszufuhr einschließlich des Dosierventils in Metall ausgeführt und z. -d. auf ein Potential von 2,9 kV* positiv oder negativ gegen Erdpotential gelegt wird. Dann befindet sich das Gas in einem i'aradaykäfig und eine Entladung kann dort nicht zünden. Das Zünden einer Gasentladung im

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Elektronenweg wird dadurch vermieden, indem die Einführung der Blende oder Elektrode in den Stoßraum so ausgeführt ist, daß kein für eine Zündung einer Entladung ausreichender Kathodenfall aufgebaut werden kann. Am anderen Ende des Elektronenweges wird durch geeignete vakuumleitung erreicht, daß das aus dem Anodenrohr austretende Gas sofort abgepumpt wird. Dadurch kann in dem Raum zwischen Anodenrohr, das z. B. auf 2,2 kV positiv oder negativ liegt, und der auf Erdpotential liegenden Außenwandung ein so gutes Vakuum gehalten werden, daß auch hier keine Gasentladung zündet.

Mit der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Apparatur war es insbesondere möglich, Elektronenanlagerungsmassenspektrometrie zu betreiben. Dabei wurden das Drahtgitter des Ionenweges auf das negative Potential des Ionisierungsraumes und die drei anderen .ölenden nur wenige Volt positiv dagegen verschoben gelegt, gekannte Konstruktionen werden dagegen ζ. ΐ. mit mehreren hundert Volt betrieben, kleine Blendenspannungen sind jedoch bei Elektronenanlagerungsmassenspektrometrie besonders wichtig, da die negativen -i-onen durch Elektronenanlagerung nur bei kleinen Elektronenenergien gebildet werden können. Dann können aber auch geringe elektrische Streufelder, die von den Blenden in den Ionisierungsraum einwirken, die Betriebsweise der Ionenquelle negativ beeinflussen. Dieser Effekt wird durch die erfindungsgemäße Potentialeinstellung vermjfläen.

Bei Ausführung einer Elektronenanlagerungsmassenspektrometriemessungkonnte mit einer Apparatur gemäß Abbildung 2 bei einem Probendampfdruck im Vorrats behälter von 180 Torr mit Aceton, im Gaszufuhrrohr zur Ionenquelle mit 1 Torr und im Quellenraum mit

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1,5 . 10 Torr gearbeitet werden. Die Potentiale der Gaszufuhr und des Ionenweges betrugen dabei -2,9 kV für den Ionisierungsraum, - 2,9 kV für das Gaszufuhrrohr und Dosierventil, - 2,9 kV für die 1. Blende, - 2,895 kV für die 2. Blende, - 2,830 kV für die 3. Blende und - 2,9 kV für das Drahtnetz. Die Potentiale des Elektronenweges betrugen dabei - 2,1 kV für die Blende am Stoßraum, - 2,2 kV für das Anodenrohr und - 3»1 kV für die Kathode. Mit diesen Betriebsbedingungen war es möglich, Elektronenanlagerungsmassenspektren zu erhalten, deren Bruchstückionen wesentlich intensitätsärmer waren als die Molekülionen und auch als die der dimeren Ionen.

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Ferner konnte die Druckabhängigkeit der Ionenintensität im Druckbeaieh. von 5.10 Torr bis 10" Torr im Ionenquellenraum gemessenwerden.

Weitere ^ersuche wurden mit organischen Substanzen, wie .Benzol, Cyclohexan, Ameisensäure, Essigsäure, Methanol, Äthanol, u. a. sowie mit Wasser durchgeführt. Es" zeigte sich immer wieder, daß das Molekülion, sowie auch die Komplexionen, intensiver waren als die Bruchstückionen. Eine Ausnahme bildete Cyclohexan, bei dem offensichtlich kein negatives Molekülion existierte.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   /i.ßlne Hochdruckionenquelle, dadurch gekennzeichnet, daß sie ohne Hilfsgas betrieben werden kann, Gasentladungen und i'unkenüberschläge vermieden werden und die für quantitative Messungen geeignet ist.
2. 2. Hochdruckionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenweg durch ein Drahtnetz abgeschirmt wird, das Graszuleitungsrohr aus Metall ist, die Blende zwischen Anodenrohr und Ionisierungsraum in die Wandung der Ionenquelle hineinragt oder daß das Anodenrohr nur mit einer durch ein Drahtnetz abgeschirmten Abpumpöffnung versehen ist, die vor dem Absaugstutzen der Pumpe liegt.
3. 3. Hochdruckionenquelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Formgebung und Wahl der Abstände

   W einzelner -Bauelemente, z. B. Drahtnetz, Blenden, Gaszuleitungsroh, erreicht wird, daß sie etwa auf dasselbe Potential gelegt werden können wie der -i-onisierungsraum.
4. 4. Hochdruck!onenquelle nach Anspruch 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß beim betrieb als -ßlektronenanlagerungsionenquelle die Messungen am Probengas ohne Hilfsgas durchgeführt werden können, wodurch ein stabiler intensiver Strom an Molekülionen und £omplexionen bei starker -Reduktion von Bruchetückionen möglich ist.

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