EP0084086A2

EP0084086A2 - Lasermikrosonde

Info

Publication number: EP0084086A2
Application number: EP82109634A
Authority: EP
Inventors: Hans-Josef Dr. Heinen; Stefan Meier; Henning Vogt
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1982-01-16
Filing date: 1982-10-19
Publication date: 1983-07-27
Also published as: DE3201264A1; EP0084086A3

Abstract

Bei einer Lasermikrosonde mit einem Pulslaser zur Anregung von Proben (1) und mit einem eine Flugstrecke (4) umfassenden Flugzeit-Massenspektrometer (4, 5) ist der Flugzeitstrecke (4) ein Elektrodensystem (9) vorgelagert, welches der Formung eines zeitlich definierten Ionenpulses aus dem durch die Anregung der Probe (1) entstehenden Plasma dient.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lasermikrosonde mit einem Pulslaser zur Anregung einer Probe und mit einem eine Flugstrecke umfassenden Flugzeit-Massenspektrometer.
Lasermikrosonden dieser Art sind seit längerer Zeit bekannt (vgl. Nature, Vol.256, Juli 10, 1975) und auf dem Markt.
Die Anwendung eines Flugzeit-Massenspektrometers als Massenanalysator hat sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen, da die für ein Flugzeit-Massenspektrometer notwendige Voraussetzung des Vorliegens von Ionenpulsen infolge der gepulsten Probenanregung erfüllt ist. Die Ausnutzung der Vorteile der Flugzeit-Massenspektroskopie (empfindlich, schnell vorliegende Ergebnisse über den gesamten Massenbereich) war deshalb in einfacher Weise möglich.
Hinsichtlich der Auflösung entsprachen die Meßergebnisse jedoch nicht immer den Erwartungen. Insbesondere bei der Analyse von Festkörperproben (nicht-transparenten, vorzugsweise anorganischen Proben) traten LInienverbreiterungen auf, die das Erkennen nahe beieinander liegender Massen erschwerten.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Lasermikrosonde der eingangs genannten Art mit in einfacher Weise verbessertem Auflösungsvermögen zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Flugzeitstrecke des Flugzeit-Massenspektrometers ein Elektrodensystem für die Formung eines zeitlich definierten Ionenpulses aus dem durch die Anregung der Probe entstehenden Plasma vorgelagert ist. Diese Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß selbst bei kürzesten, im ps-Bereich liegenden Laserpulsen - insbesondere bei der Anregung von Festkörper-Oberflächen - das durch den Laserpuls im Bereich der Probenoberfläche erzeugte Ionen-Plasma wesentlich länger vorhanden ist, als es nach der Zeitdauer des Laserpulses zu erwarten ist. Ein definierter Startzeitpunkt für die zu analysierenden Ionen ist deshalb trotz kurzer Laserpulse nicht gegeben. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Elektrodensystems ist es jetzt möglich,einen zeitlich definierten Ionenpuls aus dem durch die Laseranregung entstandenen Plasma zu formen und dem Flugzeit-Massenspektrometer zuzuführen. Verschmierungen infolge des für eine längere Zeit bestehenden Plasmas treten nicht mehr auf; wodurch eine wesentliche Verbesserung der Auflösung erzielt wird.
Weitere Vorteile und Einzelheiten sollen anhand der Figuren 1 bis 7 erläutert werden. Die Figuren zeigen schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele und jeweils den zugehörigen Potentialverlauf an den erfindungsgemäßen Elektroden.
Bei den in den Figuren 1, 3 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen sind jeweils die Probe mit 1, der Strahlengang des Laserpulses mit 2, das Laserlichtobjektiv mit 3, die FLugzeitstrecke mit 4 und der nachgeordnete Ionendetektor mit 5 bezeichnet. Die in den Figuren 1 und 5 dargestellten Proben sind nicht transparent, so daß das Laserlichtobjektiv 3 auf der zu untersuchenden Seite der Festkörper-Oberfläche angeordnet sein muß. Die Probe 1 nach Fig. 3 ist transparent, so daß das Laserlicht durch die Probe hindurch, also auf der dem Laserobjektiv 3 gegenüberliegenden Seite der Probe, fokussiert werden und dort die gewünschte Anregung des Probenmaterials bewirken kann.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Flugstrecke 4 eine aus zwei Rohrabschnitten 6 und 7 bestehende Ionenoptik 8 vorgelagert. Diese hat die Aufgabe, die erzeugten Ionen von der Probe her abzusaugen. Außerdem läßt die Ionenoptik 8 nur Ionen aus einem bestimmten Energieintervall durch. Schließlich richtet die Ionenoptik 8 das Ionenbündel parallel aus, so daß es nach dem Durchfliegen der Driftstrecke 4 den Ionendetektor 5 erreicht. Zwischen der Probe 1 und der lonenoptik 8 ist ein Gitter 9 angeordnet, das in der erfindungsgemäßen Weise der Formung eines seitlich definierten Ionenpulses aus dem infolge der Bestrahlung im Bereich der Probenoberfläche entstehenden Plasma dient. Der dazu im Falle der Analyse positiver Ionen notwendige Potentialverlauf an der Elektrode 9 ist in Fig. 2 dargestellt. Zum Zeitpunkt O, dem Zeitpunkt des Laserpulses, liegt ein positives Potential U₁an der Elektrode 9. Der Spannungswert ist so gewählt, daß positive Ionen nicht in die Ionenoptik 8 eintreten können. Für die Zeitdauer (t₂-t₁) hat die Elektrode 9 ein negatives Potential (U₂), so daß positive Ionen durch das Gitter 9 hindurchtreten können. Danach hat die Elektrode 9 wieder das Potential U₁, so daß das "Zeitfenster" genau definiert ist und Zeitverschmierungen infolge eines länger bestehenden Plasmas nicht mehr auftreten. Bei der Analyse negativer Ionen ist ein entsprechender, zur t-Achse spiegelbildlicher Potentialverlauf zu wählen.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist eine Ionenoptik nicht vorhanden. Dem Flugzeitrohr 4 vorgelagert ist lediglich eine Saugelektrode 11. Zwischen dieser Saugelektrode 11 und dem Flugzeitrohr 4 ist ein Ablenkkondensator 12 mit Platten 13 und 14 angeordnet. Mit Ablenkplatten dieser Art kann der gleiche Zweck, d. h. ein zeitlich definierter Ionendurchlaß, erreicht werden. Liegt z. B. die Platte 14 ständig auf Erd- oder einem anderen bestimmten Potential, dann werden die Ionen nur dann durchgelassen, wenn die Platte 12 das gleiche Potential hat. Solange an diesen Platten unterschiedliche Potentiale liegen (vgl. Fig. 4, Erdpotential und das Potential U₃), können Ionen beider Polaritäten die Flugzeitstrecke 4 nicht erreichen. Unter bestimmten Umständen kann die Platte 14 auch entfallen.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wieder mit einer der Flugstrecke 4 vorgelagerten Ionenoptik 8. Zwischen der Ionenoptik 8 und der Probe 1 befinden sich zwei Gitterelektroden 15 und 16, deren zeitliche Potentialverläufe in den Figuren 6 und 7 dargestellt sind. Das Gitter 15 dient wieder - wie zu den Figuren 1 und 2 beschrieben - der Unterdrückung positiver Ionen außer für die Zeitdauer (t₂-t₁). Am Gitter 16 liegt (vgl. Fig. 7) außer für die Zeitdauer (t₂-t₁) ständig ein negatives Potential U₄, dessen Größe'so gewählt ist, daß Elektronen, die einen Signaluntergrund verursachen können, zurückgehalten werden.
In allen Figuren sind die "Zeitfenster" gegeben durch die Differenz (t₂-t₁). Die durch diese Zeitdifferenz gegebene Zeitdauer liegt zweckmäßigerweise in der Größenordnung von etwa 100 x 10^-9 sec. Durch Verschieben oder Variieren dieses Zeitfensters können die Messungen nicht nur optimiert werden; es können darüber hinaus sogar Untersuchungen über den Mechanismus der Laser-Wechselwirkung durchgeführt werden.

Claims

1. Lasermikrosonde mit einem Pulslaser zur Anregung einer Probe und mit einem eine Flugstrecke umfassenden Flugzeit-Massenspektrometer, dadurch gekennzeichnet , daß der Flugzeitstrecke (4) ein Elektrodensystem (9; 12 oder 15, 16) für die Formung eines zeitlich definierten Ionenpulses aus dem durch die Anregung der Probe entstehenden Plasma vorgelagert ist.

2. Lasermikrosonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Gitterelektrode (9) vorgesehen ist.

3. Lasermikrosonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine oder zwei Ablenkplatten (13, 14) vorgesehen sind.

4. Lasermikrosonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Elektroden (15, 16) vorgesehen sind, von denen die eine der Formung des Ionenimpulses und die andere der Unterdrückung von Elektronen dient.

5. Lasermikrosonde nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem Elektrodensystem (9; 12 oder 15, 16) und der Flugstrecke (4) eine Ionenoptik angeordnet ist.