DE3128877A1

DE3128877A1 - Elektronenspektrometer fuer gasfoermige substanzen

Info

Publication number: DE3128877A1
Application number: DE19813128877
Authority: DE
Inventors: Georg Dr. 5000 Köln Krizek
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1981-07-22
Filing date: 1981-07-22
Publication date: 1983-02-17

Description

Elektronenspektrometer für gasförmige Substanzen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektronenspektrometer für gasförmige Substanzen mit einem Gehäuse, einem Analysator, einer dem Analysator vorgelagerten Kollisionskammer und einem Gaseinlaß für die zu untersuchenden Gase.
Elektronenspektrometer liefern - sei es aufgrund der Anwendung der Fotoelektronenspektrometrie (PES) oder Elektronenenergieverlust-Spektrometrie (ELS) - gute Ergebnisse bei-Strukturuntersuchungen von Gasen. Bei bekannten Elektronenspektrometern, wie sie z. B. im Handbuch "Molecular Photoelectron Spectroscopy" beschrieben sind, ist vor dem Elektronenanalysator - Zylinderkondensator, Kugelkondensator oder dgl. - eine Kollisionskammer angeordnet, innerhalb der ein W-Lichtstrahl das zu untersuchende Gas zwecks Erzeugung von Fotoelektronen trifft. Da außer für diesen eigentlichen Kollisionsvorgang im Gehäuse des Spektrometers Hochvakuum-Bedingungen herrschen müssen, muß ständig neues Gas zugeführt werden.
Die Versorgung eines Elektronenspektrometers mit dem zu untersuchenden Gas stellt ein besonderes Problem dar. Wesentlich ist zunächst, daß eine ausreichend dichte Gasatmosphäre zur Verfügung gestellt wird, damit die Wahrscheinlichkeit der Erzeugung von Fotoelektronen ausreichend hoch ist. Dabei sollen jedoch in den übrigen Teilen des Spektrometers Hochvakuum-Bedingungen aufrechterhalten und Verunreinigungen insbesondere des Analysators vermieden werden. Eine Möglichkeit besteht darin, das Gas in Form eines gerichteten Molekularstrahls einzulassen und diesen Molekularstrahl nach dem Beschuß mit W-Licht mittels eines Trichters oder dgl., an den eine Vakuumpumpe angeschlossen ist, einzufangen und wieder aus dem Spektrometergehäuse zu entfernen. Dieses Betriebsverfahren setzt allerdings das Vorhandensein einer ausreichend großen Menge des zu untersuchenden Gases voraus, da es mit einem hohen Gasverbrauch verbunden ist. Das ist in der Regel jedoch nicht der Fall, insbesondere dann nicht, wenn z. B.
Gase untersucht werden sollen, die von Feststoffen durch Erhitzen absublimieren. Auch bei der Untersuchung von korrosiven oder giftigen Gasen ist es erwünscht, den Gasverbrauch niedrig zu halten. Ein geringer Gasverbrauch wäre dann erreicht, wenn eine weitgehend geschlossene Zelle mit dem zu untersuchenden Gas als Kollisionskammer verwendet werden könnte. Bereits nach kurzer Zeit wird jedoch aus einer derartigen Zelle das zu untersuchende Gas durch die Eintrittsöffnung des W-Lichtes und insbesondere durch die Austrittsöffnung der Fotoelektronen in Richtung Analysator entwichen sein. Der besondere Nachteil wäre dann, daß die zu untersuchenden Gase sich auf den Oberflächen der Analysatorteile anlagern und dadurch unerwünschte Kontaminationen, die nachfolgende Messungen stören würden, erzeugen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektronenspektrometer für gasförmige Substanzen zu schaffen, bei dem die einander widersprechenden Forderungen nach geringem Gasverbrauch und geringer Kontamination optimal gelöst sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Elektronenspektrometer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Kollisionskammer Öffnungen für den Eintritt von W-Licht und/oder monochromatischen Elektronen und des zu untersuchenden Gases sowie Öffnungen für den Austritt der zu analysierenden Elektronen und des zu untersuchenden Gases aufweist, wobei die Gaseintritts- und Gasaustrittsöffnungen einander gegenüberliegen und der Gasaustrittsöffnung außerhalb der Kollisionskammer Kühlflächen vorgelagert sind. Die Kühlflächen (Kondensationsflächen, Adsorptionsflächen oder dgl., je nach Gasart) bewirken, daß auch mit geringer Geschwindigkeit durch die Kollisionskammer strömende Gase weitgehend ihre Richtung beibehalten und nach dem Durchtritt durch die Kollisionskammer kondensiert bzw. adsorbiert werden. Trotz geringen Gasverbrauchs kann deshalb eine relativ hohe Gasdichte in der Kollisionskammer aufrechterhalten werden, ohne daß das zu untersuchende Gas an den weiteren Teilen im Spektrometergehäuse, insbesondere an den Analysator-Teilen, Verunreinigungen verursacht.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen: Figur 1 eine Ansicht des Spektrometers, aus der auch ein Teil der Einbauteile ersichtlich ist, und Figur 2 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel.
Das in Figur 1 dargestellte Gehäuse 1 besteht im wesentlichen aus zwei einander durchdringenden, senkrecht zueinander angeordneten Rohrabschnitten 2 und 3 mit einem weiteren, senkrecht zu der durch die Rohrabschnitte 2 und 3 bestimmten Ebene gerichteten Anschlußstutzen 4. Dadurch werden insgesamt fünf Flanschanschlüsse 5 bis 9 gebildet.
Von den innerhalb des Gehäuses 1 befindlichen Teilen sind nur die Kollisionskammer 11 und eine als gewölbter Blechabschnitt ausgebildete Kühlfläche 12 dargestellt. Außerdem ist ein den Anschlußstutzen 4 durchsetzendes Gaseinlaßrohr 13 sichtbar, das vorzugsweise aus Molybdän besteht und beheizbar ist. Eine Stirnseite des Gaszuführungsrohres 13 endet im Bereich des Flansches 9, an den weitere Zuführungsmittel für die zu untersuchenden Gase anschließbar sind. Die vorzugsweise aus Titan bestehende Kollisionskammer 11 hat im wesentlichen die Form eines Quaders mit einer den Kühlflächen 12 zugewandten offenen Seite 14. Die der offenen Seite 14 gegenüberliegende Wandung 15 weist die Eintrittsöffnung 16 für die zu untersuchenden Gase auf. Die obere Wandung 17 ist mit einer Eintrittsöffnung 18 für den Eintritt von W-Licht ausgerüstet.
Die Anordnung ist insgesamt so getroffen, daß sich die Strömungsrichtung der zu untersuchenden Gase, angedeutet durch den Pfeil 19, und der W-Lichtstrahl, angedeutet durch die gestrichelte Linie 21, unter einem rechten Winkel kreuzen.
Senkrecht zu der durch die Gasströmungsrichtung und das W-Licht bestimmten Ebene verlassen die erzeugten Fotoelektronen die Kollisionskammer 11 (Pfeil 22). In dieser Richtung schließt sich der in Figur 1 nicht dargestellte Elektronenanalysator an. Die Wandung 23 der Kollisionskammer 11 weist dazu eine spaltförmige Austrittsöffnung 24 auf.
Der Halterung einer nicht dargestellten W-Lichtquelle dient ein am Flanschanschluß 6 befestigter Deckelflansch 25, der seinerseits einen Anschlußstutzen 26 für die W-Lichtquelle aufweist. An einem weiteren Anschlußstutzen 27 am Deckelflansch 25 ist eine Einrichtung zur Kälteerzeugung 28 angeflanscht. Diese kann z. B. als Refrigerator.ausgebildet sein.
An dieser Einrichtung 28 ist über Träger 29 die Kühlfläche 12 gehaltert und mit Kälte versorgt. Die Kühlfläche 12 ist derart gewölbt, daß nicht adsorbierte, sondern reflektierte Teilchen in Richtung Vakuumpumpe umgelenkt werden (Linie 29), welche beim dargestellten Ausführungsbeispiel an den Flanschanschluß 8 angeschlossen wird.
Flanschanschluß 7 ist mit einem Fenster 31 vakuumdicht verschlossen. Der Flanschanschluß 5 ist mit einem Deckelflansch 32 versehen, durch den,- in Figur 1 dargestellt,die elektrische Versorgung der im Spektrometer angeordneten Teile erfolgt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist der Analysator 34 dargestellt. Er ist als Zylinderkondensator mit Platten 35 und 36 ausgebildet, die über die vakuumdicht durch den Deckelflansch 32 durchgeführten Anschlüsse 37 und 38 mit Spannungen versorgt werden. An den Analysator 34 schließt sich ein Sekundär-Elektronen-Vervielfacher 39 an, dessen Versorgungsleitungen ebenfalls durch den Deckelflansch 32 hindurchgeführt und mit 41 und 42 bezeichnet sind.
Auf der dem Analysator 34 gegenüberliegenden Seite der Kollisionskammer 11 ist weiterhin eine Einrichtung zur Erzeugung monochromatischer Elektronen 43, bestehend aus der Elektronenquelle 44 und dem Zylinderkondensator 45, angeordnet. Für den Durchtritt der monochromatischen Elektronen ist die Wandung 46 der Kammer 11 mit einer Durchtrittsöffnung 47 versehen. Die Durchtrittsöffnung 47 und die Elektronenaustrittsöffnung 24 in der Wandung 23 der Kollisionskammer liegen auf einer Achse, welche senkrecht zum Uv-Licht (senkrecht zur Darstellungsebene) liegt.
Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kühlfläche als Käfig 51 ausgebildet, der zur Kollisionskammer 11 hin offen ist. Ein weiterer Unterschied gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 besteht darin, daß ein zusätzlicher Anschlußstutzen 52 am Spektrometergehäuse 1 vorgesehen ist, dessen Achse 53 in der Verlängerung der Richtung der einströmenden Gase (Pfeil 19) liegt und an den die für die Erzeugung und Aufrechterhaltung eines ausreichenden Vakuums im Spektrometergehäuse dienende Vakuumpumpe angeschlossen ist.
Mit dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann das über das Ventil 54 und über das Zuführungsrohr 13 der Kollisionskammer 11 zugeführte Gas entweder der Fotoelektronenspektrometrie (PES) oder der Elektronenenergieverlustspektrometrie (ELS) unterworfen werden. Bei der Fotoelektronenspektrometrie wird das in die Kollisionskammer 11 durch die Öffnung 16 einströmende Gas mit durch die Eintrittsöffnung 18 eintretendem W-Licht bestrahlt. Dabei entstehende Fotoelektronen verlassen die Kollisionskammer durch die Öffnung 24 und werden mit Hilfe des Analysators 34 und des Sekundär-Elektronenvervielfachers 35 registriert.
Bei der Elektronenenergieverlustspektrometrie wird das durch die Öffnung 16 in die Kollisionskammer 11 eintretende Gas mit monochromatischen Elektronen des Monochromators 43 beschossen. Die nach der Kollision interessierenden Elektronen verlassen die Kollisionskammer 11 ebenfalls durch die Öffnung 24 und werden mit Hilfe des Analysators 34 und des Sekundär-Elektronen-Vervielfachers 35 registriert.
Das zu untersuchende , die Kollisionskammer 11 durch die Öffnung 14 verlassende Gas kann eine relativ geringe Geschwindigkeit haben. Der gekühlte Käfig 51 verhindert weitestgehend eine Diffusion der zu untersuchenden Gase in den übrigen Raum des Spektrometergehäuses. Der Käfig 51 ist ebenfalls etwa quaderförmig gestaltet und kann in Richtung Pumpenanschluß 52 offen oder geschlossen sein.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist noch zwischen dem Analysator 34 und der Kollisionskammer 11 ein durch Wandungen begrenzter Zwischenraum 55 vorgesehen, dessen Wandung eine dem Käfig 51 zugewandte Durchbrechung 56 aufweist. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß die eventuell noch durch-die Öffnung 24 hindurchdringenden Moleküle des zu untersuchenden Gases nicht in den Analysator 34 eintreten, sondern ebenfalls in Richtung Käfig 51 abgezogen werden. Aus einem ähnlichen Grund kann auch der vorderste Abschnitt der zylindrischen Kondensatorplatte 36 eine in Richtung Käfig 51 gerichtete Durchbrechung aufweisen.
Charakteristisch für ein Elektronenspektrometer der beschriebenen Gattung sind die Verhältnisse Intensität zu Gasverbrauch und Intensität zu Auflösung. Diese charakteristischen Werte konnten mit Hilfe des erfindungsgemäßen Spektrometers wesentlich verbessert werden. Über lange Zeiträume (Monate) ist das erfindungsgemäße Spektrometer betreibbar, auch wenn die unterschiedlichsten Gase, seien sie giftig oder korrosiv, gemessen werden. Kontaminationen traten nicht mehr auf. In diesen Zeiten änderte sich auch die Auflösung des Spektrometers nicht.
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Claims

Elektronenspektrometer für gasförmige Substanzen ANSPRÜCHE Elektronenspektrometer für gasförmige Substanzen mit einem Gehäuse, einem Analysator, einer dem Analysator vorgelagerten Kollisionskammer und einem Gaseinlaß für die zu untersuchenden Gase, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollisionskammer (11) Öffnungen (18 bzw. 19) für den Eintritt von W-Licht und/oder monochromatischen Elektronen und des zu untersuchenden Gases sowie Öffnungen (24 bzw.

14) für den Austritt der zu analysierenden Elektronen und des zu untersuchenden Gases aufweist, wobei die Gaseintritts- und die Gasaustrittsöffnungen (16 bzw. 14) einander gegenüberliegen und der Gasaustrittsöffnung (14) außerhalb der Kollisionskammer (11) Kühlflächen (12, 51) vorgelagert sind.
2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflächen von einem sich im wesentlichen an die Kollisionskammer (11) anschließenden und sich in Strömungsrichtung der zu untersuchenden Gase erstreckenden Käfig (51) gebildet werden.
3. Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten, dem Durchtritt der zu untersuchenden Gase dienenden Öffnungen der Kollisionskammer (11) und des Käfigs (51) möglichst groß sind.

4. Spektrometer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrometergehäuse (1) einen Pumpenanschluß (52) aufweist, der in Strömungsrichtung der zu untersuchenden Gase der Kollisionskammer (11) und dem Käfig (51) nachgeordnet ist.

5. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlfläche ein gekühlter Blechabschnitt (12) ist.

6. Spektrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Blechabschnitt (12) derart gestaltet ist, daß er die nicht-kondensierten oder nicht-adsorbierten Teilchen der zu untersuchenden Gase in Richtung Pumpenanschluß (8) lenkt.

7. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollisionskammer (11) im wesentlichen die Form eines einseitig offenen Quaders hat.

8. Spektrometer nach Anschluß 7, dadurch gekennzeichnet, daß die offene Seite (14) der Kollisionskammer (11) die Gasaustrittsseite bildet, der in der gegenüberliegenden Wandung (15) der Kollisionskammer eine im wesentlichen kreisförmige Gaseinlaßöffnung (16) zugeordnet ist.

9. Spektrometer nach Anschluß 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere Wandungen (17, 23) der Kollisionskammer (11) mit Durchtrittsöffnungen (18, 24) für UV-Licht bzw. für durch Beschuß der zu untersuchenden Gase mit W-Licht entstehende Fotoelektronen versehen sind und daß der Durchtrittsöffnung (24) für die Elektronen der Analysator (34) zugeordnet ist.

10. Spektrometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen (17, 23) mit den Durchtrittsöffnungen (18, 24) aneinander angrenzen.

11. Spektrometer -nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wandung (46) der Kollisionskammer (11), die der Wandung (23) mit der Austrittsöffnung (24) für die Elektronen gegenüberliegt, eine Durchtrittsöffnung (47) für monochromatische Elektronen aufweist und daß dieser Durchtrittsöffnung ein im Gehäuse (1) des Spektrometers befindlicher Monochromator (43) zugeordnet ist.

12. Spektrometer nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Analysator (34) zugewandte Öffnung (24) der Kollisionskammer (11) eine Spaltöffnung ist.

13. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kollisionskammer (11) und dem Analysator (34) ein Zwischenraum (55) mit einer der Kühlfläche (51) zugewandten Durchbrechung (56) angeordnet ist.

14. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der - in Flugrichtung der zu analysierenden Elektronen gesehen - vorderste Abschnitt des Analysators (34) eine der Kühlfläche (51) zugewandte Durchbrechung aufweist.