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WO2017211627A1 - Magnet-free generation of ion pulses - Google Patents

Magnet-free generation of ion pulses Download PDF

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Publication number
WO2017211627A1
WO2017211627A1 PCT/EP2017/063084 EP2017063084W WO2017211627A1 WO 2017211627 A1 WO2017211627 A1 WO 2017211627A1 EP 2017063084 W EP2017063084 W EP 2017063084W WO 2017211627 A1 WO2017211627 A1 WO 2017211627A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ions
anode
electrons
ion
potential
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2017/063084
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Mihail Granovskij
Juraij BDZOCH
Sergej Uchatsch
Anton Zimare
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vacom Vakuum Komponenten & Messtechnik GmbH
Original Assignee
Vacom Vakuum Komponenten & Messtechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vacom Vakuum Komponenten & Messtechnik GmbH filed Critical Vacom Vakuum Komponenten & Messtechnik GmbH
Priority to EP17726938.8A priority Critical patent/EP3465732B1/en
Priority to PL17726938.8T priority patent/PL3465732T3/en
Publication of WO2017211627A1 publication Critical patent/WO2017211627A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02Details
    • H01J49/10Ion sources; Ion guns
    • H01J49/14Ion sources; Ion guns using particle bombardment, e.g. ionisation chambers
    • H01J49/147Ion sources; Ion guns using particle bombardment, e.g. ionisation chambers with electrons, e.g. electron impact ionisation, electron attachment
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00Ion beam tubes
    • H01J27/02Ion sources; Ion guns
    • H01J27/08Ion sources; Ion guns using arc discharge
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34Dynamic spectrometers
    • H01J49/40Time-of-flight spectrometers

Definitions

  • the invention relates to an apparatus for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere having the features of claim 1 and a method therefor having the features of claim 11.
  • the prior art already provides apparatus and methods for
  • EBIT electron beam ion trap
  • a first disadvantage is the considerable expenditure on apparatus for generating and bundling the electron beam, which in particular in the magnetic field device for
  • a method and an apparatus for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere are to be specified, in which the number of ions generated by the pressure of the residual gas atmosphere in
  • the process should still be executable even at a low pressure in the residual gas and thereby deliver the largest possible ion quantities for a secured ion detection.
  • the arrangement for carrying out the method should have a simple structure and can be carried out without the additional influence of magnetic fields.
  • the method should ensure the best possible thermal energy distribution within the generated quantity of ions.
  • the energy distribution of the ions should thus by the process of ion generation itself no
  • the desired process for ion generation and the device used in the process should leave the molecules within the residual gas atmosphere as intact as possible during the ionization, it should as possible only be easily charged ions are generated.
  • the apparatus for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere comprises an electron source for releasing electrons and an anode permeable to the electrons released by the electron source having a negative space charge formed by the electrons within an ion storage space at least partially surrounded by the anode ,
  • Residual gas atmosphere generated an attractive spatial potential distribution due to the negative space charge. Furthermore, an in
  • the device according to the invention is based on the idea of ionizing and storing the particles of the residual gas in the attractive potential of a negative space charge cloud.
  • the negative space charge cloud or electron density is without further
  • the anode is permeable to the emitted electrons.
  • the emitted electrons collect in the region of the permeable anode and form the space charge cloud, in particular in its inner region.
  • the negative space charge cloud fulfills a dual function: first, it ionizes the particles of the residual gas and second, it forms an attractive potential for the positive ions formed therein.
  • the positive ions accumulate in this attractive potential, so that the negative space charge cloud a
  • the anode and the pulse electrode are at the same potential during the storage process.
  • the electron source is in the form of a hot cathode surrounding the electron-permeable anode Ring filament formed.
  • the electron-permeable anode is exposed from all sides with the electrons emitted from the ring filament.
  • other embodiments of the electron source in which the electrons are emitted from one or more sources and act on the anode at appropriate locations.
  • the decisive factor is the generated negative space charge distribution within the anode at the end.
  • the acceleration voltage for the electrons can be significantly reduced.
  • the acceleration voltage applied to the hot cathode for the emitted electrons is at most 200 volts.
  • the electron current can be significantly reduced.
  • the electron current exiting the hot cathode is not more than 10mA, in particular, 2mA is sufficient for typical applications. This significantly reduces the power consumption and the heat input in the sensor.
  • a surrounding the electron source In one embodiment, a surrounding the electron source
  • the focusing electrodes and / or the repeller are used, in particular, to direct the electrons not emitted in the direction of the electron-permeable anode in the direction of the electron-permeable anode, thus assisting the formation of the negative space charge.
  • the negative space charge distribution forms a potential well with respect to the anode and pulse electrode potentials, which, when the negative space charge distribution is not ion-compensated, is attractive to ions in the ionization volume and forms an omnidirectional electrostatic exit barrier for ions, thus enabling one
  • the pulse electrode is switchable to a negative potential compared to the anode, whereby the collected ions are extractable in the direction of the pulse electrode.
  • the frequency for switching the pulse electrode is expediently at least 0.1 Hz and at most 1 M Hz, in particular at least 1 Hz, and at most 100 kHz.
  • the electron current generated by the electron source is a minimum of ⁇ and a maximum of 15 mA, in particular a minimum of 5 ⁇ and a maximum of 2mA.
  • Acceleration voltage is a minimum of 30V and a maximum of 400V, in particular a minimum of 70V and a maximum of 150V.
  • the anode which is permeable to the emitted electrons has a cylindrically symmetrical structure.
  • the cylindrically symmetric structure promotes the multiple passing of the electrons through the
  • Emission current is increased due to the increased space charge in the storage space.
  • a detector arranged in the direction of flight of the ions may be used for
  • Measurement of the ion current can be provided.
  • the method for generating, storing and pulsed release of ions from a residual gas atmosphere is carried out with the following method steps: There is an emitting of electrons from an electron source and a
  • Space charge cloud out.
  • Within the negative space charge cloud occurs simultaneously an impact ionization of gas molecules and / or gas atoms.
  • the generated positively charged ions are collected in the attractive potential of the negatively charged space charge cloud and form a positively charged ion reservoir stored there.
  • the basic idea of the method is to use a negative space charge cloud formed from released electrons firstly for the impact ionization of neutral gas particles and secondly as the negative potential of the
  • This negative potential is thus gradually filled with the generated positive ions until this potential is substantially balanced. Because the depth of the negative potential is not substantially dependent on the pressure of the surrounding gas atmosphere and this potential is always filled in the course of ionization of the gas particles, the number of ionized gas particles in the negative potential is largely independent of the pressure of the gas atmosphere, so that one of the pressure independent ion packet can be released.
  • Storage potential is essentially thermal, the ions themselves are usually only positively charged due to the weak low kinetic electron energy, with larger molecules are essentially not split into smaller fragments.
  • the method does not require complicated magnetic focusing of an electron beam and can be operated at comparatively low electron energies compared to the prior art. Likewise, expensive storage electrodes for collecting the generated ions are eliminated.
  • the emitting of the electrons from the electron source takes place in an advantageous embodiment of the method from an annular transmissive Anode arrangement surrounding hot cathode, wherein the electrons are accelerated in the field of the transmissive anode assembly and the negative
  • the transmissive anode arrangement thus pursues only the purpose of concentrating the emitted electrons in a certain area of space and thereby the ionizing and simultaneously storing
  • the strength of the released ion pulse over a time interval between successive
  • Ion pulse is proportional to the length of the time interval.
  • Ion packets also a determination of a total pressure to be performed.
  • a strength of the liberated ion current is measured at a fixed predetermined time interval between successive switching operations of the pulse electrode, wherein the strength of the ionic current is used as a measure of the total pressure to be measured.
  • Ion packets also a determination of a total pressure to be performed.
  • the time interval between successive switching operations of the pulse electrode is controlled to a fixed predetermined strength of the measured released ion packet, wherein the time interval between successive switching operations of the pulse electrode is a measure of the total pressure to be measured. Due to the independent of the pressure strength of the ion packet, the
  • Ion source can be operated in a very wide pressure range of le-12 mbar to 2e-2 mbar. The device and the method will be described below with reference to
  • FIG. 1 is an overall view of the device for ion generation, storage and release in section,
  • FIG. 2 shows a representation of the device from FIG. 1 in a perspective view
  • FIG. 3 shows a representation of the process of ion generation, storage and release in the device according to the invention
  • FIGS. 4a and 4b show different representations of an exemplary pulse electrode with a pulse grid
  • Fig. 5 shows an exemplary illustration of the device for generating ions in connection with a sensor for a time-of-flight spectroscopy
  • Fig. 6 is an exemplary representation of various potential distributions in
  • FIG. 7 is an illustration of the dependence of the number of storable ions on the emission current at the electron source for two different acceleration voltages acting on the electrons,
  • Fig. 8 is an illustration of the dependency of the storable charge on
  • Fig. 9 is an illustration of the time filling process for the attractive potential as a function of two different pressures
  • Fig. 10 a representation of the simulated filling time as a function of the pressure
  • Fig. 11 is a representation of a simulated collecting effect and a consequent filling time for a pressure of 10 "5 mbar
  • 12 shows a representation of the experimentally determined filling time as a function of the pressure
  • FIG. 14 is a representation of the flight times of ions of different masses.
  • Fig. 1 shows an overall view of the apparatus for ion generation, storage and release in section.
  • the device contains a
  • Electron source 1 which is formed in the present example as a hot cathode in the form of a ring filament.
  • the ring filament surrounds an anode 2 which is permeable to electrons.
  • anode 2 which is permeable to electrons.
  • a negative ionizing space charge 3 is generated by the emitted electrons, which is indicated in the present figure by a dashed line.
  • the negative space charge extends in particular into an ion storage space 4, which is located in the interior of the anode 2.
  • the anode 2 is electrically isolated from the pulse electrode 5.
  • the arrangement is additionally of
  • Focusing electrodes 6 surrounded and shielded to the outside.
  • Electron source emitted electrons in the direction of the electron-permeable anode. 2
  • Fig. 2 shows the arrangement shown in Fig. 1 in a perspective
  • the electron-permeable anode 2 is constructed here cylindrically symmetrical. It contains a lateral surface 7, which is designed as a sufficiently fine-meshed grid, sieve or conductive fabric.
  • the front of the electron-permeable anode 2 is constructed here cylindrically symmetrical. It contains a lateral surface 7, which is designed as a sufficiently fine-meshed grid, sieve or conductive fabric.
  • the entire anode arrangement, including the lateral surface 7 and the pulse electrode 8, is gas-permeable and at the same time partially transparent to electrons.
  • the electron source used in the present example is a ring filament 9 in the form of a ring-shaped hot cathode which extends at a certain distance parallel to the lateral surface 7 and emits electrons at high temperature by means of thermal emission.
  • the electrons emitted from the hot cathode are mutually u .a. emitted in the direction of the lateral surface 7 of the anode and accelerated and penetrate the lateral surface 7, wherein these penetrate into the interior of the anode and ionize the gas particles present there via the process of impact ionization.
  • the electrons form a negative space charge cloud, which represents an attractive potential for the positively charged ions.
  • the ions are thus collected in this attractive potential within the ion storage space 4 of the anode.
  • the extraction direction of the ion packet is illustrated by an arrow.
  • the pulse electrode may be switchable to a positive potential compared to the anode in order to accelerate the collected ions against the direction of the pulse electrode.
  • the collected ions can be extracted from the ion storage space counter to the direction of the pulse electrode by a repulsive electrostatic interaction.
  • the pulse electrode may in such a case be impermeable to the ions and drive the positive ions out through the body of the anode.
  • Fig. 3 shows the process of ion generation and storage in a series of process steps A to D.
  • the electron source 1 is inactive.
  • the anode 2 is at a positive potential V AN , which is above the
  • Cross-section of the anode in the ion storage space 4 located therein is substantially location-independent and constant.
  • the anode and the pulse electrode are at the same potential V AN , so that a constant potential V AN is established in the ionization volume.
  • the electron source 1 is activated.
  • the emitted electrons penetrate the anode and form, in particular in the ion storage space 4, a negative space charge cloud 3.
  • the potential within the anode assumes a location-dependent value.
  • State C takes into account the impact ionization of the gas particles present in the ion storage space 4 by the influence of the emitted electrons.
  • the positively charged ions are moved to the local minimum of the potential in the ion storage space and accumulate within the negative
  • Ionization space surrounding electrodes collide and neutralized.
  • the potential is compensated with continuous time, the depth of the local potential minimum within the ion storage space decreases and the potential minimum becomes increasingly flatter.
  • state D the potential minimum is filled up by the positive ions.
  • the negative space charge of the electrons is completely through the positive
  • the state B is again assumed, in which there is an empty unfilled potential minima within the ion storage space and which can be refilled when the states C and D are re-run and emptied by the ions stored there.
  • This cyclic operation thus allows ion packets or ion pulses, ie spatially limited Ion accumulations, generate.
  • the time from state B to complete space charge compensation in state D will be referred to hereafter as the fill duration. From the positive ion charge, which is stored in the state D, results in the storage capacity of the ion source.
  • FIGS. 4a and 4b show a representation of the pulse electrode 8 with a pulse grid 5 incorporated therein.
  • the basis for the pulse electrode 8 is a sheet-metal disk.
  • a hexagonal honeycomb structure 10 is incorporated, in particular cut by means of laser radiation, which has a diameter D PG . This increases the permeability of the pulse grid and ensures adequate shielding against external fields.
  • the pulse electrode Via metallic feeds, the pulse electrode can be electrically contacted.
  • S of a pulse generator not shown here, which are required for the extraction of the accumulated ions, transmitted to the pulse electrode.
  • the lattice structure 10 consists of honeycomb-like hexagonal openings 11, which are separated from one another by webs 12.
  • the geometric dimensions of the grid structure of the pulse grid are chosen so that a loss-free as possible extraction of the ions from the anode chamber, with optimal shielding against external fields is guaranteed.
  • Corresponding transmission losses, which are due to the fact that ions neutralize at the lattice webs, can be minimized by an appropriate dimensioning of the web width S and the mesh size G of the hexagonal openings 11.
  • Arrangement of the ion source and the time of flight spectroscopic device consists essentially of three modules. These assemblies are the ion source, consisting of the electron source 1, the anode 2 and the pulse electrode 8. Also provided is a repeller 13 as well as a second assembly of a time-of-flight (TOF) mass separator adjoining the ion source 14 with a detector unit as the third module, which is designed here as a Farady cup 15. The entire arrangement has the compact design of conventional ionization vacuum gauge.
  • TOF time-of-flight
  • Ring-shaped filament of the electron source electrons are released by thermal emission, due to the attractive
  • Potentials of the anode are directed into the anode compartment inside. Thereupon, by collisions of the electrons with the neutral residual gas particles, positive ions are formed which, as mentioned, can be accumulated to a certain extent in the anode.
  • time-separated signals can be detected at the detector, which is designed here in the form of a Faraday cup 15.
  • the advantage of the time-of-flight mass separation lies in the fact that it is thus possible to record an entire mass spectrum with one single ion pulse with one and the same detector. In this case, the time t T0F required for the ions is measured by a given distance S T OF between the
  • Metal platelets are neutralized by flowing electrons.
  • the current I FC flowing during discharge of the metal plate is thus directly proportional to the number of impinging ions.
  • the time-of-flight mass separator separates light ions from the heavier ones. As light ions accelerate faster, they reach the Faraday Cup at an earlier point in time. In this case, according to the temporal detection at the Faraday Cup individual peaks visible. If individual masses differ sufficiently, the
  • the negative space charge is subsequently assumed to be simplified as an electron density with a given radius r 0 .
  • the field distribution in the presence of the electron density decays here into two areas.
  • the first region is formed by the space within the electron density with the radius r ⁇ r 0
  • the potential distribution V (r) for these two ranges can be calculated as a function of r. For a given distance r AN , the potential in FIG. 6 graphically.
  • the potential can be set as follows:
  • the depth of the potential minimum is strongly dependent on the radius of the electron density.
  • the focusing electrodes 6 are indicated schematically. If the focusing electrode 6 is set to a potential smaller and equal to the potential of the electron source 1, the electrons emerging from the electron source 1 are focused in the direction of the anode.
  • Anode space, and AL corresponding to the length traveled by the electrons within the anode.
  • V e V AN - V FN which acts on the electrons
  • the upper graph shows the progression for one
  • the number of storable ions thus becomes N + 1.3 1 10 7 .
  • the electron current generated by the electron source 1 is minimal ⁇ and a maximum of 15 mA, in particular minimal 5 ⁇ and a maximum of 2 mA. the heating power needed to generate this emission currents is sufficiently small to cause only a small power and heat input into the entire assembly and the adjacent vacuum chamber.
  • the amounts of charge generated by Q + "2.0 1 10" 12 C are sufficiently high to be detected by simple detectors (for example, in the manner of a Faraday Cup) with sufficient signal-to-noise ratio.
  • Fig. 8 shows that as the accelerating voltage is increased from 70V to 130V, the storage capacity is decreased because the faster electrons generate a smaller negative space charge.
  • a charge of approx. 10 "14 C to 10 " 11 C can be stored at the selected acceleration voltages with an emission current in the range 10 ⁇ to 5mA. These amounts of charge can without additional expensive equipment, such.
  • a photomultiplier can be detected with a simple Faraday Cup with a good signal-to-noise ratio.
  • the filling time i. the time in which the negative electron space charge is completely compensated by stored ions depends on this
  • the filling time t FÜM is also dependent on the prevailing pressure p, since at higher pressures correspondingly more neutral gas particles are present, which can fill up the potential minimum faster after ionization.
  • p the prevailing pressure
  • a decreasing filling time t FÜM /! ⁇ t FÜM / 2 and the qualitative course of these curves will be similar.
  • the storage capacity of the ion source is determined solely by the depth of the potential formed by the negative space charge. As in the
  • the maximum storable charge changes by about half, while the pressure is varied by about 3 decades from about 5E-6 mbar to about 5E-9 mbar. Furthermore, the change in the storable charge decreases with decreasing pressure. This allows the use of the ion source over a very wide pressure range without significant loss of measurement sensitivity.
  • the electrical current density j which describes the ratio of the current intensity I to a cross-sectional area A available to it.
  • Negative extraction potential manipulates the electric field inside the anode so that the collected ions are accelerated out of the ionization volume and detected on the Faraday cup.
  • the pulse electrode is switched back to the anode potential, the original state sets in: electrons generate a potential minimum in which ions are generated and collected. The period of time ions are collected until they are extracted by the switching of the pulse electrode is the collection time.
  • the storage was realized by having a
  • the required collection time is, for example,.
  • Total pressure sensor suitable for detecting fast pressure changes with reaction times ⁇ 1 ms. As shown in FIG. 14, it is possible to temporally separate the helium signal from the other residual gas components. Therefore it is possible the
  • Total pressure sensor at the same time to use as a helium detector, whereby a helium leak test is possible.
  • the flight path underlying the measured values in FIG. 14 is only 2 cm, so that the sensor has a high altitude
  • the device treated here has a high compactness, a reliable total pressure determination and a helium mass separation.
  • the dimension of the sensor corresponds to that of a conventional ionization vacuum gauge.

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Abstract

The invention relates to a device and to a method for generating, storing, and liberating ions from a residual gas atmosphere, comprising an electron source for liberating electrons, an anode that is permeable to the electrons liberated by the electron source and has a negative spatial charge distribution, formed by the electrons, within an ion storage chamber at least partly surrounded by the anode, and a pulse electrode, isolated electrically from the anode, for extracting the ions from the storage chamber, wherein there are no further electrodes within the ion storage chamber and the ion storage chamber has a spatial potential distribution that is attractive to the ions generated by ionization of the residual gas atmosphere exclusively on the basis of the negative spatial charge distribution produced by the electrons, and stores ions.

Description

Magnetfreie Erzeugung von Ionenpulsen  Magnet-free generation of ion pulses

Beschreibung description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren hierfür mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Aus dem Stand der Technik sind bereits Vorrichtungen und Verfahren zum The invention relates to an apparatus for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere having the features of claim 1 and a method therefor having the features of claim 11. The prior art already provides apparatus and methods for

Erzeugen von Ionen aus eine Restgasatmosphäre bekannt. Physikalisch wird hierzu meist der Effekt der Stoßionisation eingesetzt, bei dem Elektronen auf die Teilchen der Restgasatmosphäre treffen und diese dabei ionisieren. Bei einem ersten, als EBIT (electron beam ion trap) bekannten und z. B. in dem US-Patent US 6,717, 155 offenbarten Verfahren wird ein Elektronenstrahl zur Ionenerzeugung eingesetzt. Dabei kommen hochenergetische Elektronen zur Anwendung, wobei mit Beschleunigungsspannungen im Bereich von mehr als 15 kV und Elektronenströmen von mehr als 20 mA gearbeitet wird. Zur Generating ions from a residual gas atmosphere known. Physically, the effect of impact ionization is usually used, in which electrons strike the particles of the residual gas atmosphere and thereby ionize them. At a first, known as EBIT (electron beam ion trap) and z. For example, in US Pat. No. 6,717,155, an electron beam is used to generate ions. In this case, high-energy electrons are used, with acceleration voltages in the range of more than 15 kV and electron currents of more than 20 mA is used. to

Fokussierung des Elektronenstrahls auf einen möglichst geringen und scharf gebündelten Strahlquerschnitt sind aufwändig gestaltete Magnetfelder mit den entsprechenden Spulenvorrichtungen notwendig, die eine Magnetfeldstärke im Bereich von mehr als 200 mT gewährleisten müssen. Die Erzeugung der Ionen aus den neutralen Gasteilchen erfolgt dabei im Elektronenstrahl durch den bekannten Prozess der Stoßionisation. Die Speicherung der dabei erzeugten Ionen erfolgt in einem zylindersymmetrischen Aufbau, wobei der Einschluss der Ionen in radialer Richtung über Raumladungskräfte und in axialer Richtung über zusätzliche Elektroden erfolgt. Das EBIT-Verfahren weist eine Reihe von Nachteilen auf. Ein erster Nachteil besteht in dem erheblichen apparativen Aufwand zur Erzeugung und Bündelung des Elektronenstrahls, der insbesondere in der Magnetfeldvorrichtung zum Focusing the electron beam on the smallest possible and sharply focused beam cross section requires elaborate magnetic fields with the corresponding coil devices, which must ensure a magnetic field strength in the range of more than 200 mT. The generation of the ions from the neutral gas particles takes place in the electron beam through the known process of impact ionization. The storage of the ions thus generated takes place in a cylindrically symmetrical structure, the inclusion of the ions in the radial direction via space charge forces and in the axial direction via additional electrodes. The EBIT process has a number of disadvantages. A first disadvantage is the considerable expenditure on apparatus for generating and bundling the electron beam, which in particular in the magnetic field device for

Ausdruck kommt. EBIT-Vorrichtungen nehmen daher einen verhältnismäßig großen Raum ein und sind wegen der hohen Magnetfeldstärken nicht ohne weiteres mit Vorrichtungen in der Nähe der Anlage kombinierbar, die empfindlich gegenüber magnetischen Umgebungsfeldern sind . Es sind somit entsprechende Abschirmung oder ein baulicher Mindestabstand erforderlich, wodurch der Expression comes. Therefore, the use of a large enough magnetic field strength in combination with devices close to the equipment that are sensitive to ambient magnetic fields is not easy for an EBIT device. There are thus corresponding Shielding or a minimum physical distance required, causing the

Platzbedarf der Vorrichtung entsprechend weiter zunimmt. Space requirement of the device continues to increase accordingly.

Zudem werden bei dem EBIT-Verfahren auf Grund der hochenergetischen In addition, in the EBIT process due to the high-energy

Elektronen vorwiegend mehrfach ionisierte Ionen erzeugt, wobei die in derProduces electrons predominantly multiply ionized ions, wherein in the

Restgasatmosphäre vorhandenen Moleküle außerdem zu einem erheblichen Teil in kleinere Bruchstücke zerlegt werden. Solche mehrfach geladenen Ionen und Molekülbruchstücke sind jedoch für nachgeschaltete analytische Verfahren, insbesondere zum Zwecke einer Restgasanalyse, ein nicht unerhebliches Problem. Denn die ionisierten Molekülbruchstücke befinden sich in einem angeregten, mehrfach ionisierten Zustand. Deren Eigenschaften können daher nicht ohne weiteres durch ein Vergleich mit dem in einschlägigen Datenbanken Residual gas atmosphere existing molecules are also decomposed to a considerable extent in smaller fragments. However, such multiply charged ions and molecular fragments are a not inconsiderable problem for downstream analytical methods, in particular for the purpose of residual gas analysis. Because the ionized molecular fragments are in an excited, multi-ionized state. Their properties can not therefore easily be compared with those in relevant databases

gespeicherten Datenbestand verglichen werden. Außerdem werden beim Zerlegen ursprünglicher Verbindungen im Restgas die dort vorhandenen ursprünglichen molekularen Aggregate zerstört, sodass sich diese nicht mehr direkt, sondern nur noch indirekt nachweisen lassen. Dies bedingt eine gewisse analytische stored data to be compared. In addition, when decomposing original compounds in the residual gas, the original molecular aggregates present there are destroyed so that they can no longer be detected directly, but only indirectly. This requires a certain analytical

Nachweisunsicherheit. Ein weiterer Nachteil ist der hohe benötigte Proof uncertainty. Another disadvantage is the high required

Emissionsstrom von > 20mA. Durch die zum Erzeugen dieses Emissionsstroms benötigte hohe Heizleistung erfolgt ein hoher Leistungs- und Hitzeeintrag in die gesamte Anordnung und die angrenzende Vakuumkammer. Emission current of> 20mA. The high heating power required to produce this emission current results in a high power and heat input into the entire arrangement and the adjacent vacuum chamber.

Bei einem weiteren, aus dem US-Patent US 4,904,872 bekannten Verfahren wird ebenfalls ein Elektronenstrahl zur Ionisation verwendet. Die Fokussierung des Elektronenstrahls erfolgt dort über eine Anordnung von Repellerelektroden. Zur Speicherung der Ionen kommt dort eine zusätzliche Elektrodenanordnung zur Anwendung, die ein für Ionen attraktives Potential mittels einer zusätzlichen Speicherelektrode innerhalb des Ionisationsvolumens und insbesondere innerhalb des lonenspeicherraums erzeugt. Das dort offenbarte Verfahren hat den Nachteil, dass die erzeugten Ionen eine nur kurze Lebensdauer aufweisen können, da sie von der Speicherelektrode angezogen und neutralisiert werden. Damit sind die erzeugbaren Ionenströme, d. h. letztlich die Anzahl der gespeicherten Ionen proportional vom Druck der Restgasatmosphäre abhängig . Die dort offenbarte Anordnung ist zwar magnetfeldfrei, jedoch zeichnet sich auch die dort gezeigte Anordnung durch einen komplizierten Speicherelektrodenaufbau aus, wobei die dort notwendigen Beschleunigungsspannungen an der Elektronenquelle im Another method known from US Pat. No. 4,904,872 also uses an electron beam for ionization. The focusing of the electron beam takes place there via an arrangement of repeller electrodes. For storing the ions, an additional electrode arrangement is used there, which generates an attractive potential for ions by means of an additional storage electrode within the ionization volume and in particular within the ion storage space. The method disclosed there has the disadvantage that the ions produced can have a short life, since they are attracted to the storage electrode and neutralized. Thus, the producible ion currents, i. H. Ultimately, the number of stored ions depends proportionally on the pressure of the residual gas atmosphere. Although the arrangement disclosed therein is free of magnetic fields, however, the arrangement shown there is also characterized by a complicated storage electrode structure, the acceleration voltages necessary there being present at the electron source in the

Bereich von 500 bis 1000 V liegen. Bei beiden bekannten Verfahren kommt es außerdem dazu, dass den erzeugten Ionen eine Energieverteilung aufgeprägt ist, die deutlich höher ist als die thermische Verteilung in der Restgasatmosphäre. Dies ist insbesondere auch in Hinblick auf eine nachgeschaltete Restgasanalyse über z. B. eine Flugzeitmessung des Ionenpaketes nachteilig, da die einzelnen massenseparierten Ionenpakete während der Flugzeit räumlich stark divergieren, wodurch das Range from 500 to 1000V. In both known methods, it is also the case that the ions produced an energy distribution is impressed, which is significantly higher than the thermal distribution in the residual gas atmosphere. This is especially with regard to a downstream residual gas analysis over z. B. a time-of-flight measurement of the ion packet disadvantageous because the individual mass-separated ion packets diverge spatially strong during the flight time, causing the

Auflösungsvermögen der Apparatur im Allgemeinen sich verringert bzw. längere Flugstrecken benötigt werden. Resolution of the apparatus generally decreases or longer routes are needed.

Es besteht somit die Aufgabe, den genannten Nachteilen abzuhelfen. It is therefore the task to remedy the disadvantages mentioned.

Insbesondere sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre angegeben werden, bei dem die Zahl der erzeugten Ionen vom Druck der Restgasatmosphäre im In particular, a method and an apparatus for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere are to be specified, in which the number of ions generated by the pressure of the residual gas atmosphere in

Wesentlichen unabhängig ist. Das Verfahren soll auch bei einem niedrigen Druck im Restgas noch ausführbar sein und dabei möglichst große Ionenmengen für einen gesicherten Ionennachweis liefern. Die Anordnung zum Ausführen des Verfahrens soll einen einfachen Aufbau aufweisen und ohne den zusätzlichen Einfluss von Magnetfeldern ausgeführt werden können.  Is essentially independent. The process should still be executable even at a low pressure in the residual gas and thereby deliver the largest possible ion quantities for a secured ion detection. The arrangement for carrying out the method should have a simple structure and can be carried out without the additional influence of magnetic fields.

Darüber hinaus soll das Verfahren eine möglichst thermische Energieverteilung innerhalb der erzeugten Ionenmenge sicherstellen. Der Energieverteilung der Ionen soll somit durch den Vorgang der Ionenerzeugung selbst keine In addition, the method should ensure the best possible thermal energy distribution within the generated quantity of ions. The energy distribution of the ions should thus by the process of ion generation itself no

verfälschende und zusätzliche Signatur aufgeprägt werden. Schließlich sollen das gesuchte Verfahren zur Ionenerzeugung und die dabei verwendete Vorrichtung die Moleküle innerhalb der Restgasatmosphäre auch während der Ionisierung möglichst intakt lassen, es sollen dabei möglichst nur einfach geladene Ionen erzeugt werden. distorting and additional signature to be imprinted. Finally, the desired process for ion generation and the device used in the process should leave the molecules within the residual gas atmosphere as intact as possible during the ionization, it should as possible only be easily charged ions are generated.

Die genannten Aufgaben werden mit einer Vorrichtung zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem entsprechenden Verfahren zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige bzw. The above objects are achieved with a device for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere having the features of claim 1 and with a corresponding method for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere having the features of claim 10. The dependent claims contain appropriate or

vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens. Die Vorrichtung zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre umfasst eine Elektronenquelle zum Freisetzen von Elektronen und eine für die von der Elektronenquelle freigesetzten Elektronen durchlässige Anode mit einer durch die Elektronen gebildeten negativen Raumladung innerhalb eines von der Anode mindestens teilweise umgebenen Ionen-Speicherraums. advantageous embodiments of the device and the method. The apparatus for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere comprises an electron source for releasing electrons and an anode permeable to the electrons released by the electron source having a negative space charge formed by the electrons within an ion storage space at least partially surrounded by the anode ,

Dabei weist der Ionen-Speicherraum für die durch Ionisation der Here, the ion storage space for by ionization of

Restgasatmosphäre erzeugten Ionen infolge der negativen Raumladung eine attraktive räumliche Potentialverteilung auf. Weiterhin ist eine in Residual gas atmosphere generated an attractive spatial potential distribution due to the negative space charge. Furthermore, an in

Emissionsrichtung den Ionenspeicherraum abschließendes, auf ein elektrisches Potential schaltbare und perforierte Pulselektrode zum Freisetzen eines  Emission direction the ion storage space final, switchable to an electric potential and perforated pulse electrode to release a

Ionenpaketes aus dem Ionenspeicherraum vorgesehen. Der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt der Gedanke zugrunde, die Teilchen des Restgases im attraktiven Potential einer negativen Raumladungswolke zu ionisieren und zu speichern. Im Gegensatz zu dem bekannten EBIT-Verfahren, bei dem ein durch ein Magnetfeld stark kollimierter Elektronenstrahl verwendet wird, ist die negative Raumladungswolke bzw. Elektronendichte ohne weitere Ion packet provided from the ion storage space. The device according to the invention is based on the idea of ionizing and storing the particles of the residual gas in the attractive potential of a negative space charge cloud. In contrast to the known EBIT method, in which a strongly collimated by a magnetic field electron beam is used, the negative space charge cloud or electron density is without further

Bündelung oder Kollimierung ausgebildet und ohne die Zunahme von zusätzlichen Elektroden in axialer Richtung. Zum Formen der negativen Raumladungswolke dient die für die emittierten Elektronen durchlässige Anode. Die emittierten Elektronen sammeln sich im Bereich der durchlässigen Anode und bilden die Raumladungswolke insbesondere in deren Innenbereich aus. Bundling or collimation formed and without the increase of additional electrodes in the axial direction. To form the negative space charge cloud, the anode is permeable to the emitted electrons. The emitted electrons collect in the region of the permeable anode and form the space charge cloud, in particular in its inner region.

Die negative Raumladungswolke erfüllt eine Doppelfunktion : Sie ionisiert erstens die Teilchen des Restgases und bildet zweitens ein attraktives Potential für die darin gebildeten positiven Ionen aus. Die positiven Ionen sammeln sich in diesem attraktiven Potential an, sodass die negative Raumladungswolke einen The negative space charge cloud fulfills a dual function: first, it ionizes the particles of the residual gas and second, it forms an attractive potential for the positive ions formed therein. The positive ions accumulate in this attractive potential, so that the negative space charge cloud a

Speicherbereich für die erzeugten Ionen bildet. Storage area for the generated ions forms.

Bei einer Ausführungsform liegen die Anode und die Pulselektrode während des Speichervorgangs auf dem gleichen Potential. Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Elektronenquelle als eine die elektronendurchlässige Anode umgebende Glühkathode in Form eines Ringfilamentes ausgebildet. Hierdurch wird die elektronendurchlässige Anode von allen Seiten mit den aus dem Ringfilament emittierten Elektronen beaufschlagt. Denkbar sind auch andere Ausgestaltungen der Elektronenquelle bei denen die Elektronen aus einem oder mehreren Quellen emittiert werden und die Anode an entsprechenden Stellen beaufschlagen. Entscheidend ist am Ende die erzeugte negative Raumladungsverteilung innerhalb der Anode. In one embodiment, the anode and the pulse electrode are at the same potential during the storage process. In one embodiment of the device, the electron source is in the form of a hot cathode surrounding the electron-permeable anode Ring filament formed. As a result, the electron-permeable anode is exposed from all sides with the electrons emitted from the ring filament. Also conceivable are other embodiments of the electron source in which the electrons are emitted from one or more sources and act on the anode at appropriate locations. The decisive factor is the generated negative space charge distribution within the anode at the end.

Im Vergleich zu den bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik kann die Beschleunigungsspannung für die Elektronen deutlich reduziert werden. Bei einer Ausführungsform beträgt die an der Glühkathode anliegende für die emittierten Elektronen wirksame Beschleunigungsspannung maximal 200 Volt.  In comparison with the known prior art methods, the acceleration voltage for the electrons can be significantly reduced. In one embodiment, the acceleration voltage applied to the hot cathode for the emitted electrons is at most 200 volts.

Im Vergleich zu den bekannten EBIT-Verfahren kann der Elektronenstrom deutlich reduziert werden. Bei einer Ausführungsform beträgt der aus der Glühkathode austretende Elektronenstrom nicht mehr als 10mA, insbesondere sind 2mA für typische Anwendungen ausreichend. Damit werden die Leistungsaufnahme und der Hitzeeintrag im Sensor deutlich reduziert. Compared to the known EBIT methods, the electron current can be significantly reduced. In one embodiment, the electron current exiting the hot cathode is not more than 10mA, in particular, 2mA is sufficient for typical applications. This significantly reduces the power consumption and the heat input in the sensor.

Bei einer Ausführungsform ist eine die Elektronenquelle umgebende In one embodiment, a surrounding the electron source

elektrostatische Anordnung aus Fokussierelektroden und/oder einem Repeller für ein zusätzliches Ausrichten und Formen der Elektronenemission vorgesehen. Die Fokussierelektroden und/oder der Repeller dienen insbesondere dazu, die nicht in Richtung der elektronendurchlässigen Anode emittierten Elektronen in Richtung der elektronendurchlässigen Anode zu lenken somit die Herausbildung der negativen Raumladung zu unterstützen. electrostatic arrangement of focusing electrodes and / or a repeller for additional alignment and shaping of the electron emission provided. The focusing electrodes and / or the repeller are used, in particular, to direct the electrons not emitted in the direction of the electron-permeable anode in the direction of the electron-permeable anode, thus assisting the formation of the negative space charge.

Die negative Raumladungsverteilung bildet während des Speichervorgangs eine Potentialmulde bezüglich des Anoden- und Pulselektrodenpotentials, die, wenn die negative Raumladungsverteilung nicht mit Ionen kompensiert ist, auf Ionen im Ionisationsvolumen attraktiv wirkt, und bildet eine in alle Richtungen wirkende elektrostatische Austrittsbarriere für Ionen und ermöglicht somit eine The negative space charge distribution forms a potential well with respect to the anode and pulse electrode potentials, which, when the negative space charge distribution is not ion-compensated, is attractive to ions in the ionization volume and forms an omnidirectional electrostatic exit barrier for ions, thus enabling one

Speicherung von Ionen bis zur Kompensation der negativen Raumlaudung.  Storage of ions up to the compensation of the negative Raumlaudung.

Zur Ionenextraktion ist die Pulselektrode auf ein im Vergleich zur Anode negatives Potential schaltbar, wobei die gesammelten Ionen in Richtung der Pulselektrode extrahierbar sind . Die Frequenz zum Schalten der Pulselektrode beträgt zweckmäßigerweise minimal 0.1 Hz und maximal 1 M Hz, insbesondere minimal 1 Hz, und maximal 100 kHz. For ion extraction, the pulse electrode is switchable to a negative potential compared to the anode, whereby the collected ions are extractable in the direction of the pulse electrode. The frequency for switching the pulse electrode is expediently at least 0.1 Hz and at most 1 M Hz, in particular at least 1 Hz, and at most 100 kHz.

Insbesondere beträgt der durch die Elektronenquelle erzeugte Elektronenstrom minimal ΙμΑ und maximal 15 mA, insbesondere minimal 5μΑ und maximal 2mA. In particular, the electron current generated by the electron source is a minimum of ΙμΑ and a maximum of 15 mA, in particular a minimum of 5μΑ and a maximum of 2mA.

Die für die an der Elektronenquelle (1) erzeugten Elektronen auf Grund der Potentialdifferenz zwischen Elektronenquelle (1) und Anode (2) wirksame The electrons generated at the electron source (1) due to the potential difference between electron source (1) and anode (2) are effective

Beschleunigungsspannung beträgt minimal 30V und maximal 400V, insbesondere minimal 70V und maximal 150V. Acceleration voltage is a minimum of 30V and a maximum of 400V, in particular a minimum of 70V and a maximum of 150V.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist die für die emittierten Elektronen durchlässige Anode einen zylindersymmetrischen Aufbau auf. Hierbei kann die Mantelfläche des Zylinders parallel zu dem umlaufenden Ringfilament der In another embodiment, the anode which is permeable to the emitted electrons has a cylindrically symmetrical structure. In this case, the lateral surface of the cylinder parallel to the circumferential annular filament of the

Elektronenquelle ausgebildet sein, während die Pulselektrode eine der beiden Deckflächen der zylindersymmetrischen Anode bildet. Der zylindersymmetrische Aufbau begünstigt das mehrfache Passieren der Elektronen durch den Be formed electron source, while the pulse electrode forms one of the two top surfaces of the cylindrically symmetric anode. The cylindrically symmetric structure promotes the multiple passing of the electrons through the

Ionisationsraum, womit die Elektronenausbeute im Vergleich zu gerichteten Strahlgängen gesteigert wird und die speicherbare Ladung bei gleichem Ionization space, whereby the electron yield is increased compared to directed beam paths and the storable charge at the same

Emissionsstrom auf Grund der gesteigerten Raumladung im Speicherraum gesteigert wird. Emission current is increased due to the increased space charge in the storage space.

Ergänzend kann ein in Flugrichtung der Ionen angeordneter Detektor zur In addition, a detector arranged in the direction of flight of the ions may be used for

Messung des Ionenstroms vorgesehen sein. Measurement of the ion current can be provided.

Das Verfahren zum Erzeugen, Speichern und gepulsten Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre erfolgt mit den folgenden Verfahrensschritten : Es erfolgt ein Emittieren von Elektronen aus einer Elektronenquelle und einThe method for generating, storing and pulsed release of ions from a residual gas atmosphere is carried out with the following method steps: There is an emitting of electrons from an electron source and a

Beschleunigen der Elektronen in Richtung der durchlässigen Anodenanordnung. Die Elektronen passieren, falls sie nicht am Anodengitter verenden, dabei den Ionisationsraum (u . U. mehrfach) und bilden dabei eine negativ geladene Accelerating the electrons towards the transmissive anode assembly. If they do not die at the anode grid, the electrons pass the ionization space (possibly several times) and form a negatively charged one

Raumladungswolke aus. Unter anderem innerhalb der negativen Raumladungswolke erfolgt gleichzeitig eine Stoßionisation von Gasmolekülen und/oder Gasatomen. Die dabei erzeugten positiv geladenen Ionen werden im attraktiven Potential der negativ geladenen Raumladungswolke gesammelt und bilden einen dort gespeicherten positiv geladenen Ionenvorrat. Space charge cloud out. Among other things, within the negative space charge cloud occurs simultaneously an impact ionization of gas molecules and / or gas atoms. The generated positively charged ions are collected in the attractive potential of the negatively charged space charge cloud and form a positively charged ion reservoir stored there.

Es erfolgt im Anschluss daran ein Schalten einer ionendurchlässigen Pulselektrode auf ein negatives Potential und ein Beschleunigen des im Potential der This is followed by switching an ion-permeable pulse electrode to a negative potential and accelerating the in the potential of

Raumladungswolke befindlichen Ionenvorrats in Richtung der Pulselektrode. In Verbindung damit erfolgt ein Freisetzen mindestens eines im Feld der Space charge cloud ion storage in the direction of the pulse electrode. In conjunction with this, a release of at least one in the field of

Pulselektrode aus dem attraktiven Potential heraus beschleunigten Teils des Ionenvorrates in Form eines Ionenpaketes durch das Pulsgitter.  Pulse electrode accelerated from the attractive potential part of the Ionenvorrates in the form of an ion packet through the pulse grid.

Grundgedanke des Verfahrens ist es, eine negative, aus freigesetzten Elektronen gebildete Raumladungswolke zum einen für die Stoßionisation von neutralen Gasteilchen zu nutzen, und andererseits das negative Potential der The basic idea of the method is to use a negative space charge cloud formed from released electrons firstly for the impact ionization of neutral gas particles and secondly as the negative potential of the

Raumladungswolke gleichzeitig zum Sammeln und Speichern der erzeugten Ionen zu verwenden. Dieses negative Potential wird somit nach und nach mit den erzeugten positiven Ionen aufgefüllt, bis dieses Potential im Wesentlichen ausgeglichen ist. Weil die Tiefe des negativen Potentials im Wesentlichen nicht vom Druck der umgebenden Gasatmosphäre abhängig ist und dieses Potential im Verlauf der Ionisierung der Gasteilchen stets aufgefüllt wird, ist die Anzahl der ionisierten Gasteilchen im negativen Potential weitgehend unabhängig vom Druck der Gasatmosphäre, sodass auch ein vom Druck unabhängiges Ionenpaket freigesetzt werden kann. Die Energieverteilung der Ionen innerhalb des Space charge cloud to use simultaneously for collecting and storing the ions generated. This negative potential is thus gradually filled with the generated positive ions until this potential is substantially balanced. Because the depth of the negative potential is not substantially dependent on the pressure of the surrounding gas atmosphere and this potential is always filled in the course of ionization of the gas particles, the number of ionized gas particles in the negative potential is largely independent of the pressure of the gas atmosphere, so that one of the pressure independent ion packet can be released. The energy distribution of the ions within the

Speicherpotentials ist im Wesentlichen thermisch, die Ionen selbst sind in der Regel aufgrund der schwachen geringen kinetischen Elektronenenergie nur einfach positiv geladen, wobei größere Moleküle im Wesentlichen nicht in kleinere Bruchstücke aufgespalten werden. Das Verfahren kommt ohne aufwändige magnetische Fokussierungen eines Elektronenstrahls aus und kann im Vergleich zum Stand der Technik bei verhältnismäßig geringen Elektronenenergien betrieben werden. Ebenso entfallen aufwändige Speicherelektroden zum Sammeln der erzeugten Ionen. Das Emittieren der Elektronen aus der Elektronenquelle erfolgt bei einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens aus einer ringförmig die transmissive Anodenanordnung umgebenden Glühkathode, wobei die Elektronen im Feld der transmissiven Anodenanordnung beschleunigt werden und die negative Storage potential is essentially thermal, the ions themselves are usually only positively charged due to the weak low kinetic electron energy, with larger molecules are essentially not split into smaller fragments. The method does not require complicated magnetic focusing of an electron beam and can be operated at comparatively low electron energies compared to the prior art. Likewise, expensive storage electrodes for collecting the generated ions are eliminated. The emitting of the electrons from the electron source takes place in an advantageous embodiment of the method from an annular transmissive Anode arrangement surrounding hot cathode, wherein the electrons are accelerated in the field of the transmissive anode assembly and the negative

Raumladungswolke ausbilden. Die transmissive Anodenanordnung verfolgt somit nur den Zweck, die emittierten Elektronen in einem bestimmten Raumbereich zu konzentrieren und dabei die ionisierende und gleichzeitig speichernde Train space cloud. The transmissive anode arrangement thus pursues only the purpose of concentrating the emitted electrons in a certain area of space and thereby the ionizing and simultaneously storing

Raumladungswolke zu erzeugen. Create space charge cloud.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Stärke des freigesetzten Ionenimpulses über ein Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden In one embodiment of the method, the strength of the released ion pulse over a time interval between successive

Schaltvorgängen der Pulselektrode eingestellt, sodass die Stärke des Switching the pulse electrode set so that the strength of the

Ionenimpulses proportional zur Länge des Zeitintervalls ist. Ion pulse is proportional to the length of the time interval.

Bei einer Abwandlung des Verfahrens kann neben dem Freisetzen des In a modification of the method, in addition to the release of the

Ionenpakets auch eine Bestimmung eines Totaldruckes ausgeführt werden. Dabei wird bei einem fest vorgegebenen Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der Pulselektrode eine Stärke des freigesetzten Ionenstromes gemessen, wobei die Stärke des Ionenstroms als ein Maß des zu messenden Totaldrucks verwendet wird . Bei einer Abwandlung des Verfahrens kann neben dem Freisetzen des Ion packets also a determination of a total pressure to be performed. In this case, a strength of the liberated ion current is measured at a fixed predetermined time interval between successive switching operations of the pulse electrode, wherein the strength of the ionic current is used as a measure of the total pressure to be measured. In a modification of the method, in addition to the release of the

Ionenpakets auch eine Bestimmung eines Totaldruckes ausgeführt werden. Dabei wird das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der Pulselektrode auf eine fest vorgegebene Stärke des gemessenen freigesetzten Ionenpaketes geregelt, wobei das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der Pulselektrode ein Maß des zu messenden Totaldrucks ist. Aufgrund der vom Druck unabhängigen Stärke des Ionenpaketes kann die  Ion packets also a determination of a total pressure to be performed. In this case, the time interval between successive switching operations of the pulse electrode is controlled to a fixed predetermined strength of the measured released ion packet, wherein the time interval between successive switching operations of the pulse electrode is a measure of the total pressure to be measured. Due to the independent of the pressure strength of the ion packet, the

Ionenquelle in einem sehr weiten Druckbereich von le-12 mbar bis 2e-2 mbar betrieben werden. Die Vorrichtung und das Verfahren sollen nachfolgend anhand von Ion source can be operated in a very wide pressure range of le-12 mbar to 2e-2 mbar. The device and the method will be described below with reference to

Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die Figuren 1 bis 14. Es werden für gleiche bzw. gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet. Es zeigt: Fig . 1 eine Gesamtdarstellung der Vorrichtung zu Ionenerzeugung, -speicherung und -freisetzung im Schnitt, Embodiments will be explained in more detail. For clarity, Figures 1 to 14 are used. The same reference numerals are used for identical or equivalent parts. It shows: Fig. 1 is an overall view of the device for ion generation, storage and release in section,

Fig . 2 eine Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht, Fig. FIG. 2 shows a representation of the device from FIG. 1 in a perspective view, FIG.

Fig . 3 eine Darstellung des Vorgangs der Ionenerzeugung, -speicherung und - freisetzung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 4a und 4b verschiedene Darstellungen einer beispielhaften Pulselektrode mit einem Pulsgitter, Fig. 3 shows a representation of the process of ion generation, storage and release in the device according to the invention, FIGS. 4a and 4b show different representations of an exemplary pulse electrode with a pulse grid,

Fig . 5 eine beispielhafte Darstellung der Vorrichtung zur Ionenerzeugung in Verbindung mit einer Sensorik für eine Flugzeit-Spektroskopie, Fig. 5 shows an exemplary illustration of the device for generating ions in connection with a sensor for a time-of-flight spectroscopy,

Fig . 6 eine beispielhafte Darstellung verschiedener Potentialverteilungen imFig. 6 is an exemplary representation of various potential distributions in

Ionenspeicherraum infolge der durch die Elektronen bewirkten negativen Raumladung, Fig . 7 eine Darstellung der Abhängigkeit der Anzahl der speicherbaren Ionen vom Emissionsstrom an der Elektronenquelle für zwei verschiedene auf die Elektronen wirkende Beschleunigungsspannungen, Ion storage space due to the negative space charge caused by the electrons, Fig. 7 is an illustration of the dependence of the number of storable ions on the emission current at the electron source for two different acceleration voltages acting on the electrons,

Fig . 8 eine Darstellung der Abhängigkeit der speicherbaren Ladung vom Fig. 8 is an illustration of the dependency of the storable charge on

Emissionsstrom an der Elektronenquelle für zwei verschiedene auf die Emission current at the electron source for two different on the

Elektronen wirkende Beschleunigungsspannungen, Electron-acting acceleration voltages,

Fig . 9 eine Darstellung des zeitlichen Füllvorgangs für das attraktive Potential in Abhängigkeit von zwei verschiedenen Drücken, Fig. 9 is an illustration of the time filling process for the attractive potential as a function of two different pressures,

Fig . 10 eine Darstellung der simulierten Fülldauer in Abhängigkeit vom Druck, Fig. 10 a representation of the simulated filling time as a function of the pressure,

Fig. 11 eine Darstellung eines simulierten Sammeleffektes und einer sich daraus ergebenden Fülldauer für einen Druck von 10"5 mbar, Fig. 12 eine Darstellung der experimentell bestimmten Fülldauer in Abhängigkeit vom Druck, Fig. 11 is a representation of a simulated collecting effect and a consequent filling time for a pressure of 10 "5 mbar, 12 shows a representation of the experimentally determined filling time as a function of the pressure,

Fig. 13 beispielhafte Bestimmungen der gesammelten Ladung in Abhängigkeit vom der Sammelzeit und des Totaldrucks über eine Auswertung eines13 shows exemplary determinations of the collected charge as a function of the collection time and the total pressure via an evaluation of a

Integrals über ein Messsignal in einem Faraday-Becher, Integrals via a measurement signal in a Faraday cup,

Fig. 14 eine Darstellung der Flugzeiten von Ionen unterschiedlicher Massen. Fig . 1 zeigt eine Gesamtdarstellung der Vorrichtung zu Ionenerzeugung, - speicherung und -freisetzung im Schnitt. Die Vorrichtung enthält eine 14 is a representation of the flight times of ions of different masses. Fig. 1 shows an overall view of the apparatus for ion generation, storage and release in section. The device contains a

Elektronenquelle 1, die in dem hier vorliegenden Beispiel als eine Glühkathode in Form eines Ringfilamentes ausgebildet ist. Das Ringfilament umgibt eine für Elektronen durchlässige Anode 2. Innerhalb der Anode und im Raumbereich des Ringfilamentes wird durch die emittierten Elektronen eine negative ionisierende Raumladung 3 erzeugt, die in der hier vorliegenden Figur durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Die negative Raumladung reicht insbesondere in einen Ionen-Speicherraum 4 hinein, der sich im Inneren der Anode 2 befindet. Die Anode 2 ist von der Pulselektrode 5 elektrisch isoliert. Electron source 1, which is formed in the present example as a hot cathode in the form of a ring filament. The ring filament surrounds an anode 2 which is permeable to electrons. Within the anode and in the spatial region of the ring filament, a negative ionizing space charge 3 is generated by the emitted electrons, which is indicated in the present figure by a dashed line. The negative space charge extends in particular into an ion storage space 4, which is located in the interior of the anode 2. The anode 2 is electrically isolated from the pulse electrode 5.

Bei dem hier gegebenen Beispiel ist die Anordnung zusätzlich von In the example given here, the arrangement is additionally of

Fokussierelektroden 6 umgeben und nach außen hin abgeschirmt. Die Focusing electrodes 6 surrounded and shielded to the outside. The

Fokussierelektroden bewirken insbesondere ein Ausrichten der von der Focusing electrodes effect in particular an alignment of the

Elektronenquelle emittierten Elektronen in Richtung der für die Elektronen durchlässigen Anode 2. Electron source emitted electrons in the direction of the electron-permeable anode. 2

Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 gezeigte Anordnung in einer perspektivischen Fig. 2 shows the arrangement shown in Fig. 1 in a perspective

Darstellung. Die für Elektronen durchlässige Anode 2 ist hier zylindersymmetrisch aufgebaut. Sie enthält eine Mantelfläche 7, die als ein hinreichend feinmaschiges Gitter, Sieb oder leitfähiges Gewebe ausgebildet ist. Die Stirnseite der Presentation. The electron-permeable anode 2 is constructed here cylindrically symmetrical. It contains a lateral surface 7, which is designed as a sufficiently fine-meshed grid, sieve or conductive fabric. The front of the

Mantelfläche 7, d . h. eine der Grundflächen der zylindrischen Anode, wird durch die Pulselektrode 8 gebildet.  Lateral surface 7, d. H. one of the bases of the cylindrical anode is formed by the pulse electrode 8.

Die gesamte Anodenanordnung, einschließlich der Mantelfläche 7 und der Pulselektrode 8, ist gasdurchlässig und gleichzeitig für Elektronen teilweise transparent. Als Elektronenquelle dient im hier vorliegenden Beispiel ein Ringfilament 9 in Form einer parallel zur Mantelfläche 7 in einem gewissen Abstand verlaufenden ringförmigen Glühkathode, die bei hoher Temperatur mittels thermischer Emission Elektronen emittiert. The entire anode arrangement, including the lateral surface 7 and the pulse electrode 8, is gas-permeable and at the same time partially transparent to electrons. The electron source used in the present example is a ring filament 9 in the form of a ring-shaped hot cathode which extends at a certain distance parallel to the lateral surface 7 and emits electrons at high temperature by means of thermal emission.

Die aus der Glühkathode emittierten Elektronen werden allseitig u .a. in Richtung der Mantelfläche 7 der Anode emittiert und beschleunigt und durchdringen die Mantelfläche 7, wobei diese in den Innenraum der Anode eindringen und die dort vorhandenen Gasteilchen über den Prozess der Stoßionisation ionisieren. Zugleich bilden die Elektronen eine negative Raumladungswolke aus, die für die positiv geladenen Ionen ein attraktives Potential darstellt. Die Ionen werden somit in diesem attraktiven Potential innerhalb des Ionen-Speicherraums 4 der Anode gesammelt. Über ein Schalten der Pulselektrode 8 auf ein negatives Potential können nun die Ionen aus dem Ionen-Speicherraum nach außen durch dasThe electrons emitted from the hot cathode are mutually u .a. emitted in the direction of the lateral surface 7 of the anode and accelerated and penetrate the lateral surface 7, wherein these penetrate into the interior of the anode and ionize the gas particles present there via the process of impact ionization. At the same time, the electrons form a negative space charge cloud, which represents an attractive potential for the positively charged ions. The ions are thus collected in this attractive potential within the ion storage space 4 of the anode. By switching the pulse electrode 8 to a negative potential, the ions can now be expelled from the ion storage space to the outside

Pulsgitter hindurch beschleunigt werden. Es wird dabei ein Ionenpaket extrahiert. Die Extraktionsrichtung des Ionenpakets ist durch einen Pfeil verdeutlicht. Pulse grid accelerated through. It is an ion packet extracted. The extraction direction of the ion packet is illustrated by an arrow.

In einer alternativen Ausführungsform kann die Pulselektrode auf ein im Vergleich zur Anode positives Potential schaltbar sein, um die gesammelten Ionen entgegen der Richtung der Pulselektrode zu beschleunigen. Ist in diesem Fall zusätzlich der in Flugrichtung der Ionen liegende Teil der Anode für die Ionen durchlässig ausgeführt, können die gesammelten Ionen aus dem Ionenspeicherraum entgegen der Richtung der Pulselektrode durch eine abstoßende elektrostatische Wechselwirkung extrahiert werden. Die Pulselektrode kann in einem solchen Fall undurchlässig für die Ionen ausgebildet sein und treibt die positiven Ionen durch den Körper der Anode nach außen. In an alternative embodiment, the pulse electrode may be switchable to a positive potential compared to the anode in order to accelerate the collected ions against the direction of the pulse electrode. In this case, in addition, if the part of the anode lying in the direction of flight of the ions is permeable to the ions, the collected ions can be extracted from the ion storage space counter to the direction of the pulse electrode by a repulsive electrostatic interaction. The pulse electrode may in such a case be impermeable to the ions and drive the positive ions out through the body of the anode.

Fig. 3 zeigt den Prozess der Ionenerzeugung und Speicherung in einer Reihe von Verfahrensschritten A bis D. Im Zustand A ist die Elektronenquelle 1 inaktiv. Die Anode 2 befindet sich auf einem positiven Potential VAN, das über dem Fig. 3 shows the process of ion generation and storage in a series of process steps A to D. In state A, the electron source 1 is inactive. The anode 2 is at a positive potential V AN , which is above the

Querschnitt der Anode in deren im Inneren gelegenen Ionen-Speicherraum 4 im Wesentlichen ortsunabhängig und konstant ist. Im Zustand A sind Anode und Pulselektrode auf dem gleichen Potential VAN, so dass sich im Ionisationsvolumen ein konstantes Potential VAN einstellt. Im Zustand B wird die Elektronenquelle 1 aktiviert. Die emittierten Elektronen durchdringen die Anode und bilden insbesondere im Ionen-Speicherraum 4 eine negative Raumladungswolke 3 aus. Hierdurch nimmt das Potential innerhalb der Anode einen ortsabhängigen Wert an. Im zentralen Bereich der Cross-section of the anode in the ion storage space 4 located therein is substantially location-independent and constant. In state A, the anode and the pulse electrode are at the same potential V AN , so that a constant potential V AN is established in the ionization volume. In state B, the electron source 1 is activated. The emitted electrons penetrate the anode and form, in particular in the ion storage space 4, a negative space charge cloud 3. As a result, the potential within the anode assumes a location-dependent value. In the central area of

Raumladungswolke und damit auch des Ionen-Speicherraums bildet sich eine Potentialmulde mit einem lokalen Potentialminimum Vmin aus. Space charge cloud and thus also the ion storage space forms a potential well with a local potential minimum V min .

Zustand C berücksichtigt die Stoßionisation der im Ionen-Speicherraum 4 vorhandenen Gasteilchen durch den Einfluss der emittierten Elektronen. Die positiv geladenen Ionen werden in das lokale Minimum des Potentials im Ionen- Speicherraum bewegt und sammeln sich innerhalb der negativen State C takes into account the impact ionization of the gas particles present in the ion storage space 4 by the influence of the emitted electrons. The positively charged ions are moved to the local minimum of the potential in the ion storage space and accumulate within the negative

Raumladungswolke an. Aufgrund der attraktiven Potentialmulde werden die Ionen innerhalb des Ionisationsvolumens gehalten, können nicht mit den den Space charge cloud on. Due to the attractive potential well, the ions are held within the ionization volume, can not with the

Ionisationsraum umgebenden Elektroden zusammenstoßen und neutralisiert werden. Das Potential wird mit fortlaufender Zeit ausgeglichen, die Tiefe des lokalen Potentialminimums innerhalb des Ionen-Speicherraums nimmt dabei ab und das Potentialminimum wird zunehmend flacher. Im Zustand D ist das Potentialminimum durch die positiven Ionen aufgefüllt. Die negative Raumladung der Elektronen ist vollständig durch die positiven Ionization space surrounding electrodes collide and neutralized. The potential is compensated with continuous time, the depth of the local potential minimum within the ion storage space decreases and the potential minimum becomes increasingly flatter. In state D, the potential minimum is filled up by the positive ions. The negative space charge of the electrons is completely through the positive

angesammelten Ionen kompensiert. Es stellt sich nun in Hinblick auf das Potential im Inneren der Anode ein Verhältnis ein, wie er im Zustand A vorgelegen hat: ein im Wesentlichen ortsunabhängiges konstantes elektrostatisches Potential im Inneren der Anode. Die dort gespeicherten Ionen können nun unter dem attraktiven Einfluss der nun aktivierten Pulselektrode 8 zur Pulselektrode hin beschleunigt und nach außen als ein Ionenpaket abgegeben werden. Hierzu wird die Pulselektrode vom Anodenpotential VAN auf ein negativeres Potential geschaltet, wodurch die erzeugten Ionen aus dem Ionen-Speicherraum accumulated ions compensated. Now, with regard to the potential inside the anode, a ratio arises, as it was in state A: a substantially location-independent constant electrostatic potential inside the anode. The ions stored there can now be accelerated towards the pulse electrode under the attractive influence of the now activated pulse electrode 8 and released to the outside as an ion packet. For this purpose, the pulse electrode is switched from the anode potential V AN to a more negative potential, whereby the ions generated from the ion storage space

abgezogen werden. subtracted from.

Infolgedessen wird wieder der Zustand B eingenommen, bei dem innerhalb des Ionen-Speicherraums ein leeres ungefülltes Potentialmiminum vorliegt und das bei einem erneuten Durchlaufen der Zustände C und D erneut gefüllt und von den dort gespeicherten Ionen entleert werden kann. Dieser zyklische Betrieb erlaubt es somit, Ionenpakete bzw. Ionenpulse, d. h. räumlich begrenzte Ionenansammlungen, zu generieren. Die Zeit von Zustand B bis zur vollständigen Raumladungskompensation im Zustand D wird im folgendem als die Fülldauer bezeichnet. Aus der positiven Ionen-Ladung, welche im Zustand D gespeichert ist, ergibt sich die Speicherkapazität der Ionenquelle. As a result, the state B is again assumed, in which there is an empty unfilled potential minima within the ion storage space and which can be refilled when the states C and D are re-run and emptied by the ions stored there. This cyclic operation thus allows ion packets or ion pulses, ie spatially limited Ion accumulations, generate. The time from state B to complete space charge compensation in state D will be referred to hereafter as the fill duration. From the positive ion charge, which is stored in the state D, results in the storage capacity of the ion source.

Die Figuren 4a und 4b zeigen eine Darstellung der Pulselektrode 8 mit einem darin eingearbeiteten Pulsgitter 5. Als Grundlage der Pulselektrode 8 dient hier eine Blechscheibe. In die Innenfläche der Blechscheibe ist im hier vorliegenden Beispiel eine sechseckige Wabenstruktur 10 eingearbeitet, insbesondere mittels Laserstrahlung hinein geschnitten, die einen Durchmesser DPG aufweist. Diese erhöht die Durchlässigkeit des Pulsgitters und gewährleistet eine ausreichende Abschirmung vor externen Feldern. FIGS. 4a and 4b show a representation of the pulse electrode 8 with a pulse grid 5 incorporated therein. The basis for the pulse electrode 8 is a sheet-metal disk. In the inner surface of the sheet-metal disk, in the present example, a hexagonal honeycomb structure 10 is incorporated, in particular cut by means of laser radiation, which has a diameter D PG . This increases the permeability of the pulse grid and ensures adequate shielding against external fields.

Über metallische Zuführungen kann die Pulselektrode elektrisch kontaktiert werden. Die Pulselektrode kann somit über eine externe Beschaltung aktiviert werden. Dabei ist es zum einen erforderlich, die Pulselektrode auf einem konstanten Potential VPG = VAN gemäß der Darstellung aus Fig . 3 zu halten, um die Ausbildung des Potentialminimums im Anodenraum zu gewährleisten. Zum anderen werden auch die attraktiven Pulse VPU|S eines hier nicht dargestellten Pulsgenerators, die zur Extraktion der akkumulierten Ionen benötigt werden, auf die Pulselektrode übertragen. Via metallic feeds, the pulse electrode can be electrically contacted. The pulse electrode can thus be activated via an external wiring. It is necessary on the one hand, the pulse electrode at a constant potential V PG = V AN as shown in FIG. 3 to ensure the formation of the potential minimum in the anode compartment. On the other hand, the attractive pulses V PU | S of a pulse generator, not shown here, which are required for the extraction of the accumulated ions, transmitted to the pulse electrode.

Fig. 4b zeigt eine Detailansicht einer beispielhaften Gitterstruktur des Pulsgitters 5. Die Gitterstruktur 10 besteht im hier gegebenen Beispiel aus wabenartig angeordneten hexagonalen Durchbrüchen 11, die durch Stege 12 voneinander getrennt sind. Die geometrischen Maße der Gitterstruktur des Pulsgitters werden dabei so gewählt, dass eine möglichst verlustfreie Extraktion der Ionen aus dem Anodenraum, bei optimaler Abschirmung vor externen Feldern gewährleistet ist. Entsprechende Transmissionsverluste, die dadurch zustande kommen, dass sich Ionen an den Gitterstegen neutralisieren, können durch eine entsprechende Dimensionierung der Stegweite S und der Maschenweite G der hexagonalen Durchbrüche 11 minimiert werden. 4b shows a detailed view of an exemplary lattice structure of the pulse grid 5. In the example given here, the lattice structure 10 consists of honeycomb-like hexagonal openings 11, which are separated from one another by webs 12. The geometric dimensions of the grid structure of the pulse grid are chosen so that a loss-free as possible extraction of the ions from the anode chamber, with optimal shielding against external fields is guaranteed. Corresponding transmission losses, which are due to the fact that ions neutralize at the lattice webs, can be minimized by an appropriate dimensioning of the web width S and the mesh size G of the hexagonal openings 11.

Nachfolgend soll die Funktionsweise der Vorrichtung und des Verfahrens näher erläutert werden. Die nachfolgende Erläuterung der Ionenquelle erfolgt dabei in Verbindung mit der Erläuterung einer flugszeitspektroskopischen Vorrichtung . Der in Fig. 5 dargestellte schematische Aufbau der zylindersymmetrischen Below, the operation of the device and the method will be explained in more detail. The following explanation of the ion source takes place in connection with the explanation of a time-of-flight spectroscopic device. The illustrated in Fig. 5 schematic structure of the cylindrically symmetric

Anordnung aus der Ionenquelle und der flugzeitspektroskopischen Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus drei Baugruppen. Bei diesen Baugruppen handelt es sich um die Ionenquelle, bestehend aus der Elektronenquelle 1, der Anode 2 und der Pulselektrode 8. Vorgesehen ist weiterhin ein Repeller 13 sowie als zweite Baugruppe ein sich an die Ionenquelle anschließender Flugzeit (time of flight, TOF)-Massenseparator 14 mit einer Detektor-Einheit als dritter Baugruppe, die hier als ein Farady-Cup 15 ausgebildet ist. Die gesamte Anordnung weist dabei die kompakte Bauform konventioneller Ionisations-Vakuummeter auf. Arrangement of the ion source and the time of flight spectroscopic device consists essentially of three modules. These assemblies are the ion source, consisting of the electron source 1, the anode 2 and the pulse electrode 8. Also provided is a repeller 13 as well as a second assembly of a time-of-flight (TOF) mass separator adjoining the ion source 14 with a detector unit as the third module, which is designed here as a Farady cup 15. The entire arrangement has the compact design of conventional ionization vacuum gauge.

Aus dem bspw. ringförmigen Filament der Elektronenquelle werden durch thermische Emission Elektronen freigesetzt, die aufgrund des anziehenden From the example. Ring-shaped filament of the electron source electrons are released by thermal emission, due to the attractive

Potentials der Anode in den Anodenraum im Inneren gelenkt werden. Daraufhin entstehen durch Stöße der Elektronen mit den neutralen Restgasteilchen positive Ionen, die wie erwähnt bis zu einem bestimmen Maß in der Anode akkumuliert werden können. Potentials of the anode are directed into the anode compartment inside. Thereupon, by collisions of the electrons with the neutral residual gas particles, positive ions are formed which, as mentioned, can be accumulated to a certain extent in the anode.

Durch das Schalten der Pulselektrode auf ein für die Ionen attraktives Potential Vpuis werden die akkumulierten Ionen aus der Anode gezogen. Es entsteht ein für die positiven Ionen attraktives Potential, das die gesammelten Ionen in den Flugzeit-Massenseparator hinaus extrahiert und beschleunigt. In diesem werden die Ionen entsprechend ihrer Masse nach dem Prinzip der TOF By switching the pulse electrode to an attractive potential Vpuis for the ions, the accumulated ions are drawn out of the anode. The result is a potential attractive to the positive ions, which extracts and accelerates the collected ions into the time-of-flight mass separator. In this ion according to their mass according to the principle of TOF

Massenspektroskopie voneinander getrennt. Mass spectroscopy separated.

Sind die Ionen entsprechende ihrer Masse getrennt, können am Detektor, der hier in Form eines Faraday-Cups 15 ausgebildet ist, zeitlich getrennte Signale detektiert werden. Der Vorteil der Flugzeitmassenseparation liegt darin, dass es damit möglich ist, mit einem einzelnen Ionenpuls ein gesamtes Massenspektrum mit ein und demselben Detektor aufzunehmen. Gemessen wird dabei die Zeit tT0F, die für die Ionen benötigt wird, um eine gegebene Flugstrecke STOF zwischen dem If the ions are separated according to their mass, time-separated signals can be detected at the detector, which is designed here in the form of a Faraday cup 15. The advantage of the time-of-flight mass separation lies in the fact that it is thus possible to record an entire mass spectrum with one single ion pulse with one and the same detector. In this case, the time t T0F required for the ions is measured by a given distance S T OF between the

Freisetzen des Ionenpulses und dem Auftreffen auf dem Detektor zurückzulegen. Weil sämtliche Ionen die gleiche Ladung aufweisen und für alle Ionen das beschleunigende Potential gleich ist, kann davon ausgegangen werden, dass sämtliche Ionen die gleiche kinetische Energie aufweisen. Massereichere Ionen werden hierbei einer geringere Geschwindigkeit als masseärmere Ionen aufweisen und somit später, d. h. nach den masseärmeren Ionen, am Detektor eintreffen. Nach einer zeitaufgelösten Detektion am Faraday-Cup wird nun den jeweiligen Flugzeiten eine Masse zugeordnet und somit einen Rückschluss auf die in der Vakuumkammer vorherrschende Restgaszusammensetzung gezogen. Releasing the ion pulse and the impact on the detector cover. Since all ions have the same charge and the accelerating potential is the same for all ions, it can be assumed that all ions have the same kinetic energy. Massier ions will have a lower velocity than lower mass ions and thus later, ie after the lower mass ions, arrive at the detector. After a time-resolved detection at the Faraday Cup, a mass is now assigned to the respective flight times and thus a conclusion drawn on the prevailing in the vacuum chamber residual gas composition.

Die auf der Flugzeitstrecke entsprechend ihrer Masse getrennten Ionen können auch mit anderen Detektortypen elektrisch nachgewiesen werden. Ein Faraday- Cup bietet hier den Vorteil eines einfachen Aufbaus. Dieser besteht aus einem metallischen Becher 15c, der auf einem konstanten Potential VFC = 0V gehalten wird. Im Inneren des Bechers befindet sich das Metallplättchen 15b. Ein auf das Metallplättchen auftreffendes positives Ion erzeugt nun eine zusätzliche The separated on the flight time distance according to their mass ions can be detected electrically with other types of detectors. A Faraday Cup offers the advantage of a simple structure. This consists of a metallic cup 15c, which is held at a constant potential V FC = 0V. Inside the cup is the metal plate 15b. A positive ion impinging on the metal plate now creates an additional one

Nettoladung. Diese positive Ladung wird anschließend durch ein zum Net charge. This positive charge is then passed through to the

Metallplättchen hin fließendes Elektron neutralisiert. Der Strom IFC, der während der Entladung des Metallplättchen fließt, ist somit direkt proportional zur Anzahl der auftreffenden Ionen. Metal platelets are neutralized by flowing electrons. The current I FC flowing during discharge of the metal plate is thus directly proportional to the number of impinging ions.

Wie bereits oben beschrieben werden durch den Flugzeit-Massenseparator leichte Ionen von den schwereren getrennt. Da leichte Ionen stärker beschleunigt werden erreichen diese den Faraday-Cup zu einem früheren Zeitpunkt. Dabei werden entsprechend der zeitlichen Detektion am Faraday-Cup einzelne Peaks sichtbar. Unterscheiden sich einzelne Massen ausreichend, werden die As described above, the time-of-flight mass separator separates light ions from the heavier ones. As light ions accelerate faster, they reach the Faraday Cup at an earlier point in time. In this case, according to the temporal detection at the Faraday Cup individual peaks visible. If individual masses differ sufficiently, the

entsprechenden Signale zeitlich getrennt im Spektrum dargestellt, andernfalls werden sie sich zum Teil überlagern. corresponding signals are shown separated in time in the spectrum, otherwise they will partly overlap.

Die Summe über das gesamte zeitliche Signal eines Ionenpulses am Detektor liefert eine Aussage über den Totaldruck innerhalb der Kammer, während die Analyse der einzelnen Signalpeaks einen Rückschluss auf den jeweiligen The sum over the entire temporal signal of an ion pulse at the detector provides a statement about the total pressure within the chamber, while the analysis of the individual signal peaks a conclusion on the respective

Partialdruck erlaubt. Partial pressure allowed.

Nachfolgend soll nun eine theoretische Charakterisierung der Ionenquelle erfolgen. Dazu wird in den nächsten Abschnitten eine rechnerische Abschätzung von ausgewählten charakteristischen Größen, wie bspw. der Feldverteilung innerhalb der Anode, der Speicherkapazität oder des Ionenstroms und der somit resultierenden Druck-abhängigen Fülldauer ausgeführt. Da die Anode auf einem konstanten positiven Potential VAN gehalten wird, werden die Elektronen, wie bereits erläutert, aufgrund des für sie attraktiven Potentials in die Anode gelenkt. Hier verursachen sie aufgrund von negativen The following is a theoretical characterization of the ion source. For this purpose, in the next sections, a computational estimation of selected characteristic variables, such as, for example, the field distribution within the anode, the storage capacity or the ion current and the resulting pressure-dependent filling duration are carried out. Since the anode is kept at a constant positive potential V AN , the electrons, as already explained, are directed into the anode because of their attractive potential. Here they cause negative

Raumladungseffekten ein Potentialminimum, das das anfänglich konstante Potential verzerrt. Space charge effects a potential minimum that distorts the initially constant potential.

Die negative Raumladung wird nachfolgend vereinfacht als eine Elektronendichte mit einem gegebenen Radius r0 angenommen. Die Feldverteilung in Anwesenheit der Elektronendichte zerfällt hierbei in zwei Bereiche. Der erste Bereich wird durch den Raum innerhalb der Elektronendichte mit dem Radius r < r0 gebildet, der zweite Bereich wird durch die außerhalb der Elektronendichte liegende Umgebung mit r0 < r < rAN gebildet, wobei als Randbedingung V (r = rAN) = VAN gilt. Die Potentialverteilung V (r) für diese beiden Bereiche lässt sich dabei in Abhängigkeit von r berechnen. Für einen gegeben Abstand rAN lässt sich das Potential in Fig . 6 gezeigt graphisch darstellen. The negative space charge is subsequently assumed to be simplified as an electron density with a given radius r 0 . The field distribution in the presence of the electron density decays here into two areas. The first region is formed by the space within the electron density with the radius r <r 0 , the second region is formed by the outside of the electron density environment with r 0 <r <r AN , where as boundary condition V (r = r AN ) = V AN holds. The potential distribution V (r) for these two ranges can be calculated as a function of r. For a given distance r AN , the potential in FIG. 6 graphically.

Das vom Radius r abhängende Potential lässt sich durch folgenden Verlauf annähernd darstellen : The potential dependent on the radius r can be approximated by the following course:

Innerhalb der Elektronendichte mit dem Radius r0 nimmt das Potential für r < r0 folgenden Verlauf an :

Figure imgf000018_0001
Within the electron density with the radius r 0 , the potential for r <r 0 assumes the following course:
Figure imgf000018_0001

Außerhalb der Elektronendichte, für r > r0, kann das Potential wie folgt angesetzt werden :

Figure imgf000018_0002
Outside the electron density, for r> r 0 , the potential can be set as follows:
Figure imgf000018_0002

Es ist deutlich zu sehen, dass die Tiefe des Potentialminimums stark von Radius der Elektronendichte abhängig ist. So resultiert bspw. bei einer Elektronendichte vom Radius r0 = 6mm ein Potentialminimum von VAN von ca. 2V, wohingegen eine auf den Radius r0 = 1mm fokussierte Elektronendichte bereits ein Potentialminimum von VAN von ca. 8V generiert. Es ist somit eine vorteilhafte Ausgestaltung, die vom Filament emittierten Elektronen in einem ausreichenden Maße zu fokussieren, um eine wirksame Speicherung der Ionen innerhalb des Potentialminimums zu gewährleisten. In Fig. 1 sind die Fokussierelektroden 6 schematisch angedeutet. Wird die Fokussierelektrode 6 auf ein Potential kleiner und gleich der Potential der Elektronenquelle 1 gelegt, werden die aus der Elektronenquelle 1 austretenden Elektronen in Richtung der Anode fokussiert. It can clearly be seen that the depth of the potential minimum is strongly dependent on the radius of the electron density. For example, with an electron density of radius r 0 = 6 mm, a potential minimum of V AN of approx. 2V results, whereas an electron density focused on the radius r 0 = 1 mm already results Potential minimum of V AN of about 8V generated. It is thus an advantageous embodiment to focus the electrons emitted by the filament to a sufficient extent in order to ensure effective storage of the ions within the potential minimum. In Fig. 1, the focusing electrodes 6 are indicated schematically. If the focusing electrode 6 is set to a potential smaller and equal to the potential of the electron source 1, the electrons emerging from the electron source 1 are focused in the direction of the anode.

Zur rechnerischen Abschätzung der maximal speicherbaren Anzahl an Ionen, d . h. der Speicherkapazität N+ der Speicherionenquelle, kann in guter Näherung davon ausgegangen werden, dass eine Elektronendichte der Stromdichte je = pe ' ve eine negative Ladung von Qe = pe 'V innerhalb eines Volumens V = A AL enthält. A ist hierbei die Gitterfläche, durch die die Elektronen in den For the mathematical estimation of the maximum storable number of ions, d. H. the storage capacity N + of the storage ion source, it can be assumed in good approximation that an electron density of the current density j e = p e 'v e contains a negative charge of Q e = p e ' V within a volume V = A AL. Here A is the lattice surface through which the electrons enter the

Anodenraum gelangen können, und AL entsprechend die Länge, die durch die Elektronen innerhalb der Anode zurückgelegt wird . Anode space, and AL corresponding to the length traveled by the electrons within the anode.

Zieht man die kinetische Energie der Elektronen nach Verlassen des If one pulls the kinetic energy of the electrons after leaving the

Filamentes in Betracht, lässt sich die Ladungsdichte der Elektronen schreiben zu :

Figure imgf000019_0001
Filamentes, the charge density of the electrons can be written to:
Figure imgf000019_0001

Dabei ist Ve = VAN - VFN die auf die Elektronen wirkende Where V e = V AN - V FN which acts on the electrons

Beschleunigungsspannung aufgrund des Potentialunterschiedes zwischen Anode und Filament. Weiterhin gilt für die negative Ladungsdichte:

Figure imgf000019_0002
Acceleration voltage due to the potential difference between anode and filament. Furthermore, for the negative charge density:
Figure imgf000019_0002

Werden beiden Gleichungen gleichgesetzt und nach der Anzahl der Elektronen Ne aufgelöst, so erhält man : If both equations are equated and resolved according to the number of electrons N e , we obtain:

(A)(A)

Figure imgf000019_0003
Die maximale Speicherkapazität ergibt sich dann, wenn die Anzahl der erzeugten Ionen N+ gleich der Anzahl der Elektronen Ne ist und somit N+ = Ne gilt. Fig. 7 zeigt hier die Abhängigkeit der Anzahl der speicherbaren Ionen Q+ = N+e vom Emissionsstrom Ie für zwei verschiedene auf die Elektronen wirkende
Figure imgf000019_0003
The maximum storage capacity results when the number of ions generated is N + equal to the number of electrons N e and thus N + = N e . 7 shows here the dependence of the number of storable ions Q + = N + e on the emission current I e for two different electrons acting on the electrons

Beschleunigungsspannungen. Der obere Graph zeigt den Verlauf für eine Acceleration voltages. The upper graph shows the progression for one

Spannung von Ve = 70 V, der untere Graph für eine Spannung von Ve = 120 V. Voltage of V e = 70 V, the lower graph for a voltage of V e = 120 V.

Wie aus Gleichung (A) abzulesen ist, ist die Speicherkapazität N + der As can be seen from equation (A), the storage capacity N + is the

Speicherionenquellen vom Emissionsstrom Ie abhängig . Durch eine Erhöhung des Emissionsstroms vergrößert sich die Raumladungsdichte, wodurch sich mehr Ionen im negativen Raumladungspotential speichern lassen. Dieser Storage ion sources of the emission current I e dependent. Increasing the emission current increases the space charge density, which allows more ions to be stored in the negative space charge potential. This

Zusammenhang ist für die sich ergebende speicherbare Ladung Q+ = N+e in Abhängigkeit von zwei verschiedenen Beschleunigungsspannungen der Elektronen Ve in Fig. 8 graphisch dargestellt. The relationship is shown graphically for the resulting storable charge Q + = N + e as a function of two different acceleration voltages of the electrons V e in FIG.

Bei einem Emissionsstrom von Ie = 1mA, einer Beschleunigungsspannung der Elektronen von Ve = 70V und einer Länge des Speichervolumens von L = 1 cm ergibt sich somit die Anzahl der speicherbaren Ionen zu N+ « 1.3 1 107. Das entspricht einer Ladung von Q+ = N+ e « 2.0 1 10"12 C, die innerhalb einer Elektronendichte mit einer Stromstärke von Ie = 1mA maximal gespeichert werden kann. Allgemein beträgt der durch die Elektronenquelle 1 erzeugte Elektronenstrom minimal ΙμΑ und maximal 15 mA, insbesondere minimal 5μΑ und maximal 2mA . Die zum Erzeugen dieser Emissionsströme benötigte Heizleistung ist hinreichend gering, um lediglich einen geringen Leistungs- und Hitzeeintrag in die gesamte Anordnung und die angrenzende Vakuumkammer zu bewirken. Die erzeugten Ladungsmengen von Q+ « 2.0 1 10"12 C sind hinreichend hoch, um von einfachen Detektoren (bspw. nach Art eines Faraday-Cup) mit hinreichendem Signal-Rausch-Abstand detektiert zu werden. Ferner zeigt Fig. 8, dass bei einer Vergrößerung der Beschleunigungsspannung von 70 V auf 130 V die Speicherkapazität verkleinert wird, da die schnelleren Elektronen eine geringere negative Raumladung erzeugen. Außerdem kann bei den gewählten Beschleunigungsspannungen mit einem Emissionsstrom im Bereich 10μΑ bis 5mA eine Ladung von ca. 10"14 C bis 10"11 C gespeichert werden. Diese Ladungsmengen können ohne zusätzliche aufwendige Apparaturen, wie z. B. einem Sekundärelektronenvervielfacher, mit einem einfachen Faraday-Cup bei einem guten Signal-Rauschabstand detektiert werden. With an emission current of I e = 1 mA, an acceleration voltage of the electrons of V e = 70 V and a length of the storage volume of L = 1 cm, the number of storable ions thus becomes N + 1.3 1 10 7 . This corresponds to a charge of Q + = N + e "2.0 1 10" 12 C, which can be maximally stored within an electron density at a current of I e = 1mA. In general, the electron current generated by the electron source 1 is minimal ΙμΑ and a maximum of 15 mA, in particular minimal 5μΑ and a maximum of 2 mA. the heating power needed to generate this emission currents is sufficiently small to cause only a small power and heat input into the entire assembly and the adjacent vacuum chamber. the amounts of charge generated by Q + "2.0 1 10" 12 C are sufficiently high to be detected by simple detectors (for example, in the manner of a Faraday Cup) with sufficient signal-to-noise ratio. Further, Fig. 8 shows that as the accelerating voltage is increased from 70V to 130V, the storage capacity is decreased because the faster electrons generate a smaller negative space charge. In addition, a charge of approx. 10 "14 C to 10 " 11 C can be stored at the selected acceleration voltages with an emission current in the range 10μΑ to 5mA. These amounts of charge can without additional expensive equipment, such. B. a photomultiplier can be detected with a simple Faraday Cup with a good signal-to-noise ratio.

Die Fülldauer, d.h. die Zeit in der die negativen Elektronenraumladung vollständig durch gespeicherte Ionen kompensiert ist, ist abhängig von dem The filling time, i. the time in which the negative electron space charge is completely compensated by stored ions depends on this

vorherrschendem Totaldruck in der Vakuumkammer. Variiert man die Sammelzeit sammei, d.h. die Zeit in der Ionensammelprozess ungehindert stattfindet, so wird sich ein von dieser Sammelzeit abhängiges Signal einstellen, das mit prevailing total pressure in the vacuum chamber. If one varies the collection time sammei, i. the time in which ion collecting process takes place unhindered, so will depend on this collecting time dependent signal that with

fortschreitender tSammei entsprechend ansteigen wird, bis die Fülldauer tFÜM erreicht ist, wie in Fig. 10 dargestellt. progressing t Sa mmei will increase accordingly until the filling time t FÜM is reached, as shown in Fig. 10.

Ab einem bestimmten Zeitpunkt tFÜM ist das Potentialminimum vollständig mit positiven Ladungen kompensiert und das Messsignal VFC nimmt einen From a certain point in time t FÜM the potential minimum is completely compensated with positive charges and the measuring signal V FC decreases

konstanten Wert an. constant value.

Ferner ist die Füllzeit tFÜM auch vom vorherrschenden Druck p abhängig, da bei höheren Drücken entsprechend mehr Neutralgasteilchen vorhanden sind, die nach der Ionisation das Potentialminimum schneller auffüllen können. Bei einem zunehmenden Druck Pi > p2 ist somit eine abnehmende Fülldauer tFÜM/ ! < tFÜM/ 2zu beobachten, wobei sich der qualitative Verlauf dieser Kurven ähneln wird. Furthermore, the filling time t FÜM is also dependent on the prevailing pressure p, since at higher pressures correspondingly more neutral gas particles are present, which can fill up the potential minimum faster after ionization. With an increasing pressure Pi> p 2 , a decreasing filling time t FÜM /! <t FÜM / 2 and the qualitative course of these curves will be similar.

An dieser Stelle ist zu betonen, dass die maximale Anzahl der bei einem Puls freigesetzten Ionen nur sehr schwach vom Druck abhängt. Denn die At this point it should be emphasized that the maximum number of ions released during a pulse depends very little on the pressure. Because the

Speicherkapazität der Ionenquelle wird ausschließlich durch die Tiefe des von der negativen Raumladung gebildeten Potentials bestimmt. Wie in den The storage capacity of the ion source is determined solely by the depth of the potential formed by the negative space charge. As in the

experimentellen Daten aus Fig. 13 zu sehen ist, ändert sich die maximal speicherbare Ladung um die ca. die Hälfte, während der Druck um ca. 3 Dekaden von ca. 5E-6 mbar zu ca. 5E-9 mbar variiert wird. Weiterhin nimmt die Änderung der speicherbaren Ladung mit sinkendem Druck ab. Das ermöglicht die Nutzung der Ionenquelle über einen sehr weiten Druckbereich ohne signifikanten Verlust der Messempfindlichkeit. 13, the maximum storable charge changes by about half, while the pressure is varied by about 3 decades from about 5E-6 mbar to about 5E-9 mbar. Furthermore, the change in the storable charge decreases with decreasing pressure. This allows the use of the ion source over a very wide pressure range without significant loss of measurement sensitivity.

Nach dem Auffüllen der Potentialmulde bilden sich weitere Ionen, die die bereits gespeicherten Ionen verdrängen. Dabei lassen sich Ionen höherer Massezahl im Allgemeinen schwerer verdrängen als Ionen kleiner Massenzahl. Deshalb kommt es zu einer Anreicherung von schweren Ionen und einer Verdrängung von leichten Ionen, wobei die Summe der Ionen und die gespeicherte Ladung erhalten bleiben. Einerseits kann dieser Effekt ausgenutzt werden, um die After the potential well has been filled up, further ions are formed which displace the already stored ions. In this case, ions of higher mass number are generally harder to displace than ions of small mass number. Therefore, an accumulation of heavy ions and a displacement of light ions occurs, whereby the sum of the ions and the stored charge are obtained stay. On the one hand, this effect can be exploited to the

Nachweisfähigkeit der Anordnung für Ionen höherer Massezahl zu erhöhen.  Detection capability of the arrangement for ions of higher mass number to increase.

Andererseits kann diese Effekt minimieren werden, indem die Ionenextraktion erfolgt, bevor die Potentialmulde vollständig aufgefüllt ist.  On the other hand, this effect can be minimized by ion extraction before the potential well is completely filled.

Zur theoretischen Abschätzung der oben erwähnten Fülldauer tFÜM kann man sich erneut grundlegender Zusammenhänge bedienen. Ausgangspunkt ist wieder die elektrische Stromdichte j, die das Verhältnis der Stromstärke I zu einer ihr zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche A beschreibt. Weiterhin lässt sich die Stromdichte über die Raumladungsdichte p = n e und die mittlere For the theoretical estimation of the above-mentioned filling time t FÜM , one can once again make use of fundamental relationships. The starting point is again the electrical current density j, which describes the ratio of the current intensity I to a cross-sectional area A available to it. Furthermore, the current density can be about the space charge density p = n e and the average

Driftgeschwindigkeit v der jeweiligen Ladungsträger ausdrücken. Bezogen auf die vom Filament mit VFM in Richtung Anode emittierten Elektronen, kann man mithilfe der Beziehung

Figure imgf000022_0001
also schreiben : Express drift velocity v of the respective charge carriers. Based on the electrons emitted by the filament with V FM towards the anode, one can use the relationship
Figure imgf000022_0001
so write:

Je =— = Pe - v = neeve Je = - = Pe - v = n e ev e

A  A

Stellt man obige Gleichung nach ne um und multipliziert mit dem Volumen V erhält man die Anzahl freier Elektronen Ne innerhalb des betrachteten Volumens. Diese generieren, wie weiter oben beschrieben, eine negative Ladung Qe = Ne e. Um diese Ladung mit einer entsprechend positiven Ladung Q+ zu kompensieren, d.h. das Potentialminimum aufzufüllen, muss über eine entsprechende Zeit t der positive Ionenstrom 1+ fließen. Es lässt sich somit zusammenfassen : If the above equation is converted to n e and multiplied by the volume V, one obtains the number of free electrons N e within the considered volume. These generate, as described above, a negative charge Q e = N e e. In order to compensate for this charge with a correspondingly positive charge Q + , ie to fill up the potential minimum, the positive ion current 1 + must flow over a corresponding time t. It can thus be summarized:

Qe = Nee=Q+ = I+ t Q e = Ne e = Q + = I + t

Die Zeit tFÜN, die benötigt wird, um die negative Ladung der Elektronen mit entsprechend positiven Ionen aufzufüllen beträgt damit: The time t FIVE required to fill up the negative charge of the electrons with correspondingly positive ions is thus:

tiit p ii

Figure imgf000022_0002
Somit wird die Abhängigkeit der Fülldauer von Totaldruck deutlich. Eine graphische Darstellung dieser Abhängigkeit ist in Fig. 11 dargestellt. Für die Druck-abhängige Fülldauer wird ersichtlich, dass bei Druckbereichen von p = 10"7 . . . 10"3 mbar Ionenströme von etwa 1+ = 10"10 . . . 10"6 A zu erwarten sind . Bei einem Emissionsstrom von Ie = 1 mA wird also nach etwa tFÜN = 10"3 . . . 10"7 s das Potentialminimum im Anodenraum aufgefüllt sein. Durch das Schalten der Pulselektrode vom Anodenpotential auf ein bspw.
Figure imgf000022_0002
Thus, the dependence of the filling time of total pressure becomes clear. A graphical representation of this dependence is shown in FIG. 11. For the pressure-dependent fill time that at pressure ranges of p = 10. "7.. 10" is visible, 3 mbar ion currents of about 1 + 10 = "10... 10" 6 A can be expected. In an emission current of Ie = 1 mA is thus after about Fuen t = 10 "3... 10" s have filled the minimum potential in the anode chamber 7. By switching the pulse electrode from the anode potential to a bspw.

negatives Extraktionspotential wird das elektrische Feld innerhalb der Anode so manipuliert, dass die gesammelten Ionen aus dem Ionisationsvolumen heraus beschleunigt und am Faraday Becher detektiert werden. Wird die Pulselektrode zurück auf das Anodenpotential geschaltet, stellt sich der ursprüngliche Zustand ein : Elektronen erzeugen ein Potentialminimum in dem Ionen generiert und gesammelt werden. Die Zeitdauer, wie lange Ionen gesammelt werden, bis sie durch das Schalten der Pulselektrode extrahiert werden, ist die Sammelzeit. Negative extraction potential manipulates the electric field inside the anode so that the collected ions are accelerated out of the ionization volume and detected on the Faraday cup. When the pulse electrode is switched back to the anode potential, the original state sets in: electrons generate a potential minimum in which ions are generated and collected. The period of time ions are collected until they are extracted by the switching of the pulse electrode is the collection time.

Trägt man, wie in Fig . 11, die gespeicherte Ionenladung über der zugehörigen Sammelzeit auf, so bestätigt sich die Annahme, dass bei einem definiertem Druck eine entsprechenden Anzahl an generierten Ionen die negative Ladung Qe « - Γ 10"12 C des Potentialminimums mit fortschreitender Sammelzeit langsam auffüllen. Die gesammelte positive Ionenladung Q+ nimmt somit stetig zu und geht ab einer entsprechenden Zeit tFÜM in einen konstanten Wert über. Bei dem hier gewählten Beispiel kann man somit aus dem Diagramm in Fig. 11 die If you wear, as in Fig. 11, the stored ion charge over the associated collection time, the assumption is confirmed that at a defined pressure, a corresponding number of generated ions slowly fill up the negative charge Q e «- Γ 10 " 12 C of the potential minimum as the collection time increases Therefore, the positive ion charge Q + increases steadily and changes to a constant value as of a corresponding time t FÜM In the example selected here, the graph of FIG

Fülldauer zu tFÜN « 50 ps bestimmen. Fill time to t FIVE determine 50 ps.

Mit der hier entwickelten Speicherionenquelle ist es möglich, unterschiedlich starke Ionenpulse in Abhängigkeit von der Sammelzeit in der Anode zu With the storage ion source developed here, it is possible to different ion pulses as a function of the collection time in the anode

generieren. Die Speicherung wurde dadurch realisiert, dass eine to generate. The storage was realized by having a

niederenergetische Elektronendichte aufgrund von Raumladungseffekten ein ausreichend tiefes Potentialminimum innerhalb der, ansonsten auf dem Low energy electron density due to space charge effects a sufficiently low potential minimum within the, otherwise on the

konstanten Potential VAN liegenden, Anode bewirkt. In fortführenden Versuchen konnte die klare Abhängigkeit der, bis zur constant potential V AN lying, anode causes. In continuing experiments, the clear dependency of, until

vollständigen Kompensation des Potentialminimums mit positiven Ionen, andauernden Zeit, der sog. Fülldauer, vom vorherrschenden Druck gezeigt werden, wie in Fig. 12 gezeigt ist. complete compensation of the potential minimum with positive ions, continuous time, the so-called filling time, are shown by the prevailing pressure, as shown in FIG. 12.

Daraus ergibt sich die Möglichkeit, die Speicherionenquelle als einen This gives the possibility of the storage ion source as a

Totaldrucksensor zu nutzen und als Maß für den Druck die messtechnisch einfach zugängliche benötigte Fülldauer heranzuziehen. Wie in Fig. 13 zusehen ist gibt es einen bei gleichbleibenden Betriebsparametern eineindeutigen Zusammenhang zwischen der Zeit zwischen zwei Extraktionspulsen, der in dieser Zeit To use the total pressure sensor and to use as measurement of the pressure the metrologically easily accessible required filling time. As can be seen in FIG. 13, there is a one-to-one correspondence between the time between two extraction pulses during steady-state operating parameters

gesammelten Ionenladung und dem vorherrschendem Totaldruck. Über eine entsprechende Auswerteelektronik kann daher aus der gesamten extrahierten Ionenladung und der eingestellten Zeit zwischen den Extraktionspulsen ein Rückschluss auf den vorherrschenden Totaldruck gezogen werden. collected ion charge and the prevailing total pressure. By means of a corresponding evaluation electronics, a conclusion can be drawn about the prevailing total pressure from the total extracted ion charge and the set time between the extraction pulses.

Ebenso ist aus Fig. 13 ersichtlich, dass die benötigte Sammelzeit um bspw. Likewise, it can be seen from FIG. 13 that the required collection time is, for example,.

25 nVs Signal am Detektor zu erzeugen weniger alsl ms für Drücke p> 1 E-7 mbar beträgt. Damit ist diese Vorrichtung zur Anwendung als„schneller" 25 nVs signal at the detector to generate less than ms for pressures p> 1 E-7 mbar. So this device is for use as "faster"

Totaldrucksensor zur Detektion schneller Druckänderungen mit Reaktionszeiten < 1 ms geeignet. Wie in Fig . 14 dargestellt, ist es möglich das Helium-Signal von den anderen Restgasbestanteilen zeitlich zu trennen. Daher ist es möglich den Total pressure sensor suitable for detecting fast pressure changes with reaction times <1 ms. As shown in FIG. 14, it is possible to temporally separate the helium signal from the other residual gas components. Therefore it is possible the

Totaldrucksensor zeitgleich als ein Helium-Detektor zu nutzen, womit auch eine Heliumdichtheitsprüfung möglich ist. Dabei beträgt die den Messwerten in Fig. 14 zu Grunde liegende Flugstrecke nur 2 cm, so dass der Sensor eine hohe Total pressure sensor at the same time to use as a helium detector, whereby a helium leak test is possible. In this case, the flight path underlying the measured values in FIG. 14 is only 2 cm, so that the sensor has a high altitude

Kompaktheit aufweist. Has compactness.

Die hier behandelte Vorrichtung weist eine hohe Kompaktheit, eine zuverlässige Totaldruck-Bestimmung und eine Helium-Massenseparation auf. Dabei entspricht die Abmessung des Sensors der eines konventionellen Ionisations-Vakuummeters. The device treated here has a high compactness, a reliable total pressure determination and a helium mass separation. The dimension of the sensor corresponds to that of a conventional ionization vacuum gauge.

Durch die Möglichkeit einer nachfolgenden Datenverarbeitung kann des Weiteren durch die Bestimmung des Integrals über die gesamte Mess-Kurve direkt auf die gespeicherte Ionenladung je Puls zurückgerechnet werden, wodurch der Vergleich und die Bewertung unterschiedlicher Spektren bei divergierenden experimentellen Parametern erheblich erleichtert wird . Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren wurden anhand beispielhafter Ausführungsformen erläutert. Im Rahmen fachmännischer Handlungen sind weitere Ausgestaltungen möglich. Diese ergeben sich ebenso aus den Unteransprüchen. By the possibility of a subsequent data processing can be further calculated back by the determination of the integral over the entire measurement curve directly to the stored ion charge per pulse, whereby the comparison and the evaluation of different spectra at divergent experimental parameters is greatly facilitated. The device according to the invention and the method according to the invention were explained by means of exemplary embodiments. In the context of expert actions, further refinements are possible. These are also apparent from the dependent claims.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

1 Elektronenquelle 1 electron source

2 Für Elektronen durchlässige Anode  2 Electron-permeable anode

3 Negative ionisierende Raumladung  3 Negative ionizing space charge

4 Ionen-Speicherraum  4 ion storage space

5 Pulsgitter  5 pulse grid

6 Fokussierelektrode  6 focusing electrode

7 Mantelfläche  7 lateral surface

8 Pulselektrode  8 pulse electrode

9 Ringfilament  9 ring filament

10 Wabenstruktur  10 honeycomb structure

11 Hexagonale Durchbrüche  11 hexagonal breakthroughs

12 Stege  12 bars

13 Repeller  13 repellers

14 Flugzeit-Massenseparator  14 time-of-flight mass separator

15 Faraday-Cup bzw. -Becher  15 Faraday cups

15a Schirmungsgitter  15a shielding grid

15b Metallplättchen  15b metal plate

15c metallischer Becher  15c metallic mug

Claims

Patentansprüche Patent claims 1. Vorrichtung zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer1. Device for generating, storing and releasing ions from a Restgasatmosphäre, residual gas atmosphere, u mfassend full eine Elektronenq uelle (1) zu m Freisetzen von Elektronen, eine für die von der Elektronenquelle (1) freigesetzten Elektronen durchlässige Anode (2) mit einer durch die Elektronen gebildeten negativen Raumladungsverteilung (3) innerhalb eines von der Anode (2) mindestens teilweise umgebenen Ionen-Speicherraums (4) und einer von der Anode (2) elektrisch isolierten Pulselektrode (8) zum Extrahieren der Ionen aus dem Speicherraum , an electron source (1) for releasing electrons, an anode (2) permeable to the electrons released by the electron source (1) with a negative space charge distribution (3) formed by the electrons within an at least partially surrounded by the anode (2). Ion storage space (4) and a pulse electrode (8) electrically insulated from the anode (2) for extracting the ions from the storage space, wobei sich innerhalb des Ionen-Speicherraumes (4) keine weiteren Elektroden befinden und der Ionen-Speicherraum (4) ausschließlich infolge der durch die Elektronen erzeugten negativen whereby there are no further electrodes within the ion storage space (4) and the ion storage space (4) is exclusively due to the negative ones generated by the electrons Raumladungsverteilung eine für die durch Ionisation der Space charge distribution for the ionization of the Restgasatmosphäre erzeugten Ionen attraktive räumliche Residual gas atmosphere generated ions attractive spatial Potentialverteilung aufweist und Ionen speichert. Has potential distribution and stores ions. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2. Device according to claim 1, dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that die Anode (2) und Pulselektrode (8) während des Speichervorgangs auf dem gleichen Potential liegen. the anode (2) and pulse electrode (8) are at the same potential during the storage process. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, 3. Device according to claim 1 or 2, dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that die negative Raumladungsverteilung während des Speichervorgangs eine Potentialmulde bezüglich des Anoden- und Pulselektrodenpotentials bildet, die, wenn die negative Raumladungsverteilung nicht mit Ionen kompensiert ist, auf Ionen im Ionisationsvolumen attraktiv wirkt und eine in alle Richtungen eine elektrostatische Austrittsbarriere für Ionen bildet und somit eine Speicherung von Ionen bis zur Kompensation der negativen Raumlaudung ermöglicht. the negative space charge distribution during the storage process forms a potential well with respect to the anode and pulse electrode potential, which, if the negative space charge distribution is not compensated for with ions, has an attractive effect on ions in the ionization volume and forms an electrostatic exit barrier for ions in all directions and thus enables storage of Ions until the negative charge in the room can be compensated. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that zur Ionenextraktion die Pulselektrode (8) auf ein im Vergleich zur Anode negatives Potential schaltbar ist , wodurch die gesammelten Ionen mindestens teilweise in Richtung der Pulselektrode extrahierbar sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, For ion extraction, the pulse electrode (8) can be switched to a negative potential compared to the anode, whereby the collected ions can be at least partially extracted in the direction of the pulse electrode. Device according to one of the preceding claims, dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that die Frequenz zum Schalten der Pulselektrode (8) minimal 0.1 Hz und maximal 1 MHz, insbesondere minimal 1Hz, und maximal 100 kHz, beträgt. the frequency for switching the pulse electrode (8) is a minimum of 0.1 Hz and a maximum of 1 MHz, in particular a minimum of 1Hz and a maximum of 100 kHz. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 5. Device according to one of the preceding claims, dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that der durch die Elektronenquelle (1) erzeugte Elektronenstrom minimal ΙμΑ und maximal 15 mA, insbesondere minimal 5μΑ und maximal 2mA , beträgt. the electron current generated by the electron source (1) is a minimum of ΙμΑ and a maximum of 15 mA, in particular a minimum of 5μΑ and a maximum of 2mA. 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 6. Device according to one of the preceding claims, dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that die für die an der Elektronenquelle (1) erzeugten Elektronen auf Grund der Potentialdifferenz zwischen Elektronenquelle (1) und Anode (2) wirksame Beschleunigungsspannung minimal 30V und maximal 400V, insbesondere minimal 70V und maximal 150V, beträgt. the effective acceleration voltage for the electrons generated at the electron source (1) due to the potential difference between the electron source (1) and the anode (2) is a minimum of 30V and a maximum of 400V, in particular a minimum of 70V and a maximum of 150V. 7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 7. Device according to one of the preceding claims, dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that die Elektronenquelle (1) als eine die elektronendurchlässige Anode (2) umgebende Glühkathode in Form eines Ringfilamentes (9) ausgebildet ist. the electron source (1) is designed as a hot cathode surrounding the electron-permeable anode (2) in the form of a ring filament (9). 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, 8. Device according to claim 1, dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that eine die Elektronenquelle (1) umgebende elektrostatische Anordnung aus Fokussierelektroden (6) und/oder einem Repeller (13) für ein zusätzliches Ausrichten und Formen der Elektronenemission vorgesehen ist. an electrostatic arrangement of focusing electrodes (6) and/or a repeller (13) surrounding the electron source (1) is provided for additional alignment and shaping of the electron emission. 9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 9. Device according to one of the preceding claims, dadurch gekennzeichnet, dass die für die emittierten Elektronen durchlässige Anode (2) einen characterized in that the anode (2) which is permeable to the emitted electrons zylindersymmetrischen Aufbau aufweist. Has a cylindrically symmetrical structure. 10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 10. Device according to one of the preceding claims, dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that ein in Flugrichtung der Ionen angeordneter Detektor zur Messung des Ionenstroms vorgesehen ist. a detector arranged in the direction of flight of the ions is provided for measuring the ion current. 11. Verfahren zum Erzeugen, Speichern und gepulsten Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre mit den Verfahrensschritten : 11. Process for generating, storing and pulsed release of ions from a residual gas atmosphere with the process steps: - Emittieren von Elektronen aus einer Elektronenquelle (1) und - Emitting electrons from an electron source (1) and Beschleunigung in Richtung des Ionisationsraumes (4) durch die durchlässigen Anodenanordnung (2), Acceleration towards the ionization space (4) through the permeable anode arrangement (2), - Erzeugung einer negativen Raumladungswolke innerhalb des - Creation of a negative space charge cloud within the Ionisationsraumes aufgrund der sich durch den Ionisationsraum (4) bewegenden Elektronen, Ionization space due to the electrons moving through the ionization space (4), - Stoßionisation von Gasmolekülen und/oder Gasatomen innerhalb des Ionisationsraumes (4) und Speichern der erzeugten positiv geladenen Ionen im attraktiven Potential der negativ geladenen - Impact ionization of gas molecules and/or gas atoms within the ionization space (4) and storage of the positively charged ions generated in the attractive potential of the negatively charged ones Raumladungswolke als ein positiv geladener Ionenvorrat, Space charge cloud as a positively charged ion supply, - Schalten einer Pulselektrode (8) auf ein Potential bezüglich des - Switching a pulse electrode (8) to a potential relative to the Anodenpotentials und Beschleunigen des im Potential der Anode potential and acceleration of the potential of the Raumladungswolke befindlichen Ionenvorrats heraus aus dem Space charge cloud out of the ion supply Ionisationsraum , ionization room, - Extraktion mindestens eines Teils des gespeicherten Ionenvorrates in Form eines Ionenpaketes. - Extraction of at least part of the stored ion supply in the form of an ion packet. 12. Verfahren nach Anspruch 11, 12. Method according to claim 11, dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that das Emittieren der Elektronen aus der Elektronenquelle aus einer ringförmig die transmissive Anodenanordnung umgebenden Glühkathode erfolgt, wobei die Elektronen im Feld der transmissiven Anodenanordnung beschleunigt werden, die Anode mehrfach passieren und die negative Raumladungswolke im Ionisationsraum (4) ausbilden. The electrons are emitted from the electron source from a hot cathode surrounding the transmissive anode arrangement in a ring, with the electrons being accelerated in the field of the transmissive anode arrangement, passing through the anode several times and forming the negative space charge cloud in the ionization space (4). 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass 13. Method according to one of claims 11 or 12, characterized in that die elektrische Ladung des freigesetzten Ionenpaketes über ein the electrical charge of the released ion packet Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der Time interval between successive switching operations Pulselektrode eingestellt wird, wobei die elektrische Ladung des Pulse electrode is set, whereby the electrical charge of the Ionenpaketes proportional zur Länge des Zeitintervalls ist. Ion packet is proportional to the length of the time interval. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, 14. Method according to one of claims 11 to 13, dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that eine Bestimmung eines Totaldruckes ausgeführt wird, wobei bei einem fest vorgegebenen Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden a determination of a total pressure is carried out, with a fixed time interval between successive Schaltvorgängen der Pulselektrode eine Stärke des freigesetzten Switching processes of the pulse electrode a strength of the released Ionenpaketes gemessen wird, wobei die Stärke des Ionenpaketes ein Maß des zu messenden Totaldrucks ist. Ion packet is measured, the strength of the ion packet being a measure of the total pressure to be measured. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, 15. Method according to one of claims 11 to 13, dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that eine Bestimmung eines Totaldruckes ausgeführt wird, wobei das a determination of a total pressure is carried out, whereby the Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der Time interval between successive switching operations Pulselektrode auf eine fest vorgegebene Stärke des gemessenen freigesetzten Ionenpaketes geregelt wird, wobei das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der Pulselektrode ein Maß des zu messenden Totaldrucks ist. Pulse electrode is regulated to a fixed predetermined strength of the measured released ion packet, the time interval between successive switching operations of the pulse electrode being a measure of the total pressure to be measured.
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