DE2128132A1

DE2128132A1 - Vorrichtung zur Messung der Intensität eines Ionenstrahls

Info

Publication number: DE2128132A1
Application number: DE19712128132
Authority: DE
Inventors: Norman Richard Sonning Reading Berkshire DaIy (Großbritannien)
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1970-06-09
Filing date: 1971-06-05
Publication date: 1971-12-16
Also published as: US3774028A; DE7121967U

Description

PATENTANWALT Telefon: (0271)32409

Köln 106931, Essen 20342

Abs.: Potentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner StraBe 227 Deutsche Bank AG., Postfach 462 Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.) Pü/sch -5.JlIHl 1971

UNITED KINGDOH ATOMIC MERGY AUTHORITY, 11, Charles II Street,

London, S.¥_O1, England

Für diese Anmeldung werden die Prioritäten aus den "britischen Patentanmeldungen Nr. 28 001/70 vom 9. Juni 1970 und Nr. 56 327/70 vom 26. November 1970 in Anspruch genommen.

Vorrichtung zur Messung der Intensität eines Ionenstrahls

(Zusatz zu Patent . ..„ .... (Patentanmeldung ί

P 1 806 041o8 - Anwaltsakte 68 093)

Kur zbe s ehr eibung

Bei einer bekannten Vorrichtung zur Messung von Energieselektiven Ionen, die hauptsächlich für die Verwendung bei Massenspektrometern bestimmt ist, gelangen die Ionen durch eine ausgesparte Elektrode bzw. Lochelektrode zu einer Elektrode, an die eine variable Bremsspannung angelegt wird.

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Der zentrale Teil der letzteren Elektrode wird durch, einen. Szintillator eingenommen, jenseits dessen ein Fotoelektronenvervielfacher /photomultiplier/ angeordnet ist» Wenn die Bremsspannung die Spannung der Ionon-Lieferquelle erreicht oder übersteigt, werden alle Ionen zu der ausgesparten Elektrode zurückgeworfen, um Sekundär elektronen zu erzeugen, welche nach, dem Szintillator hin beschleunigt worden, um einen. Ausgang /output/ zu erzeugen,, Wenn die Bremsspannung niedriger als die Spannung der Lieferquelle ist, werden lediglich Ionen von geringerer Energie, nämlich metastabile Fragmentionen, auf diese Weise zurückgeworfen«
Bei der vorliegenden Erfindung wird die vorerwähnte ausgesparte Elektrode, anstatt geerdet zu werden oder erdnahe zu sein, bei einer hohen Spannung mit einem zu dem Vorzeichen der Bremsspannung entgegengesetzten Vorzeichen gehalten, was die Empfindlichkeit erhöht« Im Bedarfsfall wird ein Transversalfeld durch einen asymmetrischen Vorsprung der ausgesparten Elektrode erzeugt, um zu verhindern, daß Ionen durch die Aussparung zurückgeworfen werden, wodurch die Empfindlichkeit weiter erhöht wird=

?§2ugnahme_auf_Parallelanmeldungen

Die bekannte, vorstehend beschriebene Vorrichtung ist m Gegenstand der britischen Patentschrift 1 171 700=

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Intensität eines Ionenstrahls und auf geeignete Verfahren für Massenspektrometer und stellt eine Abänderung bzw. Verbesserung der Vorrichtung dar, die in der britischen Patentschrift 1 171 700 beschrieben ist.

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BAD ORIGINAL

In der genannten Patentschrift wird eine Vorrichtung zur Messung der Intensität'eines Ionenstrahls beschrieben und beansprucht, die sich für die Verwendung bei Massenspektrometern eignet und eine erste ausgesparte Elektrode zum Zulassen oder Durchlassen des■Ionenstrahls aufweist; ferner eine erste Bremselektrode, die jenseits der ersten ausgesparten Elektrode angeordnet ist, um ein elektrisches Bremsfeld an die Ionen zu übermitteln, die durch die Aussparung hindurchgelangen, ferner einen Detektor zum Ermitteln bzw. Messen der Sekundärelektronen, die von der ersten ausgesparten Elektrode ausgesendet werden durch Ionen, die nach der ersten ausgesparten Elektrode durch das EeId zurückgeworfen werden, sowie eine Verbindung für das Anlegen eines variablen Potentials an die genannte erste Bremselektrode ο Der Detektor ist vorzugsweise ein Szintillations-Detektor, der mittig in der Bremselektrode angeordnet ist»

Wenn die Bremselektrodenspannung die Lieferquellen-Beschleunigungsspannung erreicht oder überschreitet, werden alle Ionen zurückgeworfen zu der ausgesparten Elektrode, wo die Sekundärelektronen erzeugt werden, welche nach dem Szintillator hin beschleunigt werden, und es wird ein Ausgang von einem Fotoelektronen-Vervielfältiger /photomultiplier/ erhalten, der jenseits der Bremselektrode angeordnet ist, Wenn die Spannung der Bremselektrode unterhalb der Lieferquellen-Beschleunigungsspannung liegt, werden lediglich Ionen mit geringerer Energie, nämlich solche wie sie sich von metastabilen Fragmentierungen ergeben, auf diese Weise zurückgeworfen, um Sekundärelektronen zu erzeugen. Die Vorrichtung bietet somit eine Anwendungsmöglichkeit zur Bestimmung metastabiler Ionenspektren.

Eine zweite ausgesparte Bremselektrode kann der vorstehend beschriebenen Anordnung vorgeordnet werden, welcher eine geringere Spannung zugeführt wird, wobei auf diese Weise sowohl eine untere als auch eine obere Grenze für die ermittelte Ionenenergie, gesetzt wird und der Vorrichtung eine allgemeinere Anwendbarkeit als einem Energiebereicha©lektOrjüfenergy range selector/ gegeben wird.

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Die- vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine abgeänderte Anordnung mit erhöhter Empfindlichkeit«

Zusammenfassung^der^Erfindung

Gemäß der Erfindung ist die ausgesparte Elektrode, die der ersten Bremselektrode vorgeschaltet ist und bei welcher die Sekundärelektronen durch zurückgeworfene Ionen erzeugt .werden, mit einer Verbindung versehen, wodurch sie auf einem hohen Potential relativ zu der ausgesparten Eingangselektrode der Meßvorrichtung (ζ.B, der Auflösungsschlitz /resolving slit/ eines Massenspektrometer) gehalten werden kann, wobei das hohe Potential eine Polarität aufweist, die entgegengesetzt zu dem Potential ist, das an der ersten Bremselektrode angelegt wird.

Die Wirkung besteht erstens in einer Erhöhung der Energie der zurückgeworfenen Ionen, welche auf die ausgesparte Elektrode auftreffen, wodurch der Sekundärelektronen-Koeffizient erhöht wird. Zweitens prallen die ausgestoßenen Elektronen mit erhöhter Energie auf den Szintillator auf, wodurch die Lichtausbeute /light output/ gesteigert wird.

Der ausgesparten Elektrode, bei welcher die Elektronen erzeugt werden, kann eine weitere ausgesparte Elektrode vorgeordnet sein und sie kann auf einem Potential gehalten werden, welches geringfügig negativ relativ zu demjenigen der zweitgenannten Elektrode ist. Bei einer derartigen Vorrichtung wird das erhöhte Potential wirksam zwischen der Bremselektrode und der weiteren ausgesparten Elektrode erzeugt (welche mit einer Gitteröffnung versehen sein kann, um die Gleichförmigkeit und Homogenität des elektrischen Feldes,zu verbessern), wobei die Elektrode, bei welcher die Elektronen erzeugt werden, außerdem dazu dient, irgendwelche Elektronen zu unterdrücken, die bei der weiteren Elektrode durch den auftreffenden Strahl erzeugt werden.

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BAD ORfGfNAL.'

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch zwischen der Bremselektrode und der ausgesparten Elektrode, bei welcher die Sekundäre1ektronen erzeugt werden, eine elektrische Feldkomponente vorgesehen sein, deren Richtung quer zur Achse der Aussparung verläuft, wobei die Ionenbahnen zwischen den beiden Elektroden von der Achse der Aussparung weggeschoben werden und die Tendenz, daß die Ionen durch die Aussparung bzw. das .Loch zurückgeworfen werden, dadurch verringert wird.

Die transversal gerichtete Feldkomponente kann durch einen asymmetrisch angeordneten, vorspringenden Teil der ausgesparten Elektrode erzeugt werden, der sich in Richtung auf die Bremselektrode erstreckt und zum Beispiel ein teilzylindrischer, z.B. ein halbzylindrischer Teil ist, dessen Achse parallel zu dem Schlitz verläuft, der die Aussparung bzw. das Loch bildet. Der vorspringende Teil erstreckt sich vorzugsweise über die Enden des genannten Schlitzes hinaus, um ein merklich gleichförmiges, transversales EeId in dem Schlitzbereich zu bilden.

Beim Fehlen einer derartigen transversalen Feldkomponente besteht die Gefahr für eine Zertrümmerung /fraction/ der Ionen, die von der Bremselektrode zurückgeworfen werden, um durch die

Aussparung in die vorgeschaltete Elektrode zurückzugelangen, anstatt auf dieselbe aufzuschlagen, um Sekundäreläctronen -zu erzeugen. Es ist klar ersichtlich, daß die transversale Feldkomponente auf diese Weise die Ionenverluste durch die öffnung bzw. Aussparung reduziert, unabhängig davon, ob die ausgesparte Elektrode auf dem vorerwähnten hohen Potential gehalten wird" oder nicht gehalten wird.

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Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt

Figo 1 eine vereinfachte Darstellung eines Massenspektrometer , mit einer Ausführungsform der Erfindung, während

Fig. 2 eine ähnliche Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht«

Beschreibung der Erfindung :

Das Massenspektrometer gemäß Fig. 1 v/eist eine herkömmliche Ionenquelle 1 auf, die auf einem hohen positiven Potential Va, in dem vorliegenden Beispiel + 8 kV", gehalten wird. Die gasförmige Probe bzw. Gasprobe wird durch einen Elektronenstrahl 2 ionisiert. Positive Ionen werden in Richtung auf den geerdeten Schlitz 3 beschleunigt, von welchem ein Strahl 4 durch einen magnetischen Sektor 5 verläuft» Der Strahl, der den Sektor 5 verläßt, führt durch einen Schlitz in eine geerdete Elektrode 6, welche den AuflÖsungsschlitz des Spektrometers bei dieser Ausführungsform bildet. Danach gelangt der Strahl durch die Gitteröffnung einer Elektrode 7, die auf - 5 kV gehalten wird, und gelangt dann durch die Aussparung bzw. Öffnung einer Elektrode 8, die auf - 5,2 kV gehalten wird, in Richtung auf eine Bremselektrode 9° DasPotential der Elektrode 9 ist variabel über und unter + 8 kV«,

Der zentrale Teil der Elektrode 9 wird durch einen Szintillator 10 eingenommen, dessen Oberfläche der Elektrode 8 zugewandt ist, die mit*einer dünnen Aluminiumschicht versehen ist. Jenseits der Elektrode 9 befindet sich ein Fenster 11, gegen das die Fotokathode 12 einer Fotoelektronen-Vervielfältigerröhre /photomultiplier tube/ montiert ist.

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BAD ORIGINAL

Die Wirkungsweise der vorliegenden Vorrichtung ist ähnlich derjenigen Vorrichtung, die in der vorerwähnten Patentschrift beschrieben ist. Wenn die Elektrode 9 beispielsweise auf +.7»9 gehalten.wird, werden lediglich Ionen einer Energie von weniger als 7,9 keV, z.B. metastabile Eragmentionen, zu der Elektrode 8 zurückgeworfen, um dort Sekundärelektronen zu erzeugen, die in Richtung auf den Szintillator 10 beschleunigt werden und einen Ausgang erzeugen. Wenn die Elektrode 9 beispielsweise auf + 8,1 kV gehalten wird, werden alle Ionen in dem Strahl zu der Elektrode 8 zurückgeworfen, und der Ausgang des Fotoelektronen-Vervielfältigers /photomultiplier/ stellt den gesamten Strahlengehalt dar.

Das wesentliche Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß anstatt daß die Elektrode, bei welcher die Elektronen erzeugt werden, das gleiche (Erd)-Potential wie die Elektrode 6 aufweist, wie dies bei der vorerwähnten Patentschrift der !Fall ist, die Elektrode 8 auf einem hohen negativen Potential gehalten wird, bei diesem Beispiel - 5,2 kV, um die Potentialdifferenz zwischen der Sekundärelektronen erzeugenden Elektrode 8 und der Bremselektrode 9 zu vergrößern. Wie der Zeichnung zu entnehmen ist, kann der Elektrode 8 eine Elektrode 7 vorgeschaltet sein und sie kann leicht negativ zu dieser, z<.B<, 200 V, gehalten werden. Die erhöhte Potentialdifferenz beträgt dann effektiv 13 kV, die zwischen den Elektroden 7 und 9 erzeugt wird, und die Aussparung in der erster.en Elektrode kann ein Gitter aufweisen, um die Gleichförmigkeit und Homogenität des elektrischen Feldes zu verbessern. Die Elektrode 8 dient dann nicht nur dazu, um Sekundärelektronen zu erzeugen, sondern außerdem dazu, um irgendwelche Sekundärelektronen zu unterdrücken, die durch den auffallenden Strahl 4- erzeugt werden, der auf die Elektrode 7 auftrifft.

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Es kann gezeigt werden, daß als eine Annäherung

S= koV ist,

wobei S der Sekundärelektronen-Koeffizient an der Elektrode,8 und V die Energie der auf diese Elektrode auftreffenden Ionen bedeuten«.

Außerdem ist näherungsweise "

L = VoS, " .*■""■

wobei L die Lichtausbeute /light output/ des Szintillators 10 darstellt und V die Energie der auf den Szintillator auftreffenden Elektronen bedeutet»

ο Hieraus ergibt sich, daß L = K„V ist«

Da V proportional der Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 9 und 7/8 ist, wird die Lichtausbeute /light output/ durch, das Anheben der Elektroden 7/8 auf ein hohes negatives Potential anstatt auf das Erdpotential entsprechend vergrößert« Dadurch ist ein Anwachsen der Empfindlichkeit um einen Faktor M- erzielt worden. Das hohe Potential, das an die Elektroden 7 und· 8 angelegt wird, ist nicht kritisch, und es kann schnell ein geeigneter Wert durch Versuche ermittelt werden«

Wie in dem voreritfähnten Patent beschrieben, kann eine ausgesparte Bremselektrode, die auf weniger als + 8 kV gehalten wird, zwischen den Elektroden 6 und 7 vorgesehen sein, um der Energie der ermittelten bzw» gemessenen Ionen eine niedrigere Grenze zu setzen«

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BAD ORlGfNAL

Beschreibung des_bevorzugten Ausführungsbeisgiels

G-emäß Fig» 2 gelangt der Ionenstrahl 4- von dem nicht dargestellten magnetischen Sektor des Massenspektrometer wieder durch einen Schlitz in die geerdete Elektrode 6, welche den Auflösungsschlitz des Spektrometer bildet. Jenseits der Elektrode 6 befindet sich eine geerdete clean-up-Elektrode bzw. Aufzehrelektrode 16, die einen Öffnungsschlitz aufweist, und jenseits dieser Elektrode befindet sich eine weitere Elektrode 8' mit einem' Öffnungsschlitz. Die letztgenannte Elektrode ist die Elektrode, bei welcher die Ionen,die von der Bremselektrode 9 zurückgeworfen werden, Sekundärelektronen erzeugen, wie dies mit Bezug auf die in Fig. 1 dargestellte "Vorrichtung beschrieben ist. Die Elektronen werden in Richtung auf den Szintillator 10 beschleunigt, welcher den zentralen Teil der Elektrode 9 einnimmt, wie dies bereits beschrieben wurde.

Die Elektrode 8' nach Fig. 2 umfaßt einen halbzylindrischen Teil 171 der sich von ihrer Oberfläche in Richtung auf die Elektrode 9 erstreckt. Die Achse des Teiles 17 verläuft parallel zu dem Schlitz in der Elektrode 8'. Die.elektrischen Feldlinien von der Elektrode 9 konzentrieren sich in.Richtung auf den Teil 17, der gleichbedeutend mit der Erzeugung einer Feldkomponente ist, die transversal zu der Achse der Aussparung bzw. Öffnung in Richtung auf den Teil 17 gerichtet ist. Die positiven Ionen, die in Richtung auf die Elektrode 9 fließen und von dieser zurückgeworfen werden, werden deshalb von der Achse in Richtung auf das Teil 17, wie dargestellt, abgelenkt, so daß sie auf die Elektrode 8¹ auftreffen, entfernt von dem Schlitz derselben, und ihre Tendenz,-axial durch diesen Schlitz zurückgeworfen zu werden, reduziert wird. Der Teil 17 erstreckt sich über die Enden des Schlitzes hinaus, so daß das Feld in dem Schlitzbereich merklich gleichförmig und homogen ist.

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Die (negativen) Sekundärelektronen werden abgelenkt zurück in die entgegengesetzte Bichtung in eine Fließrichtung von xLer Elektrode 8¹ zum Szintillator ΙΌ. "

Die clean-up-Elektrode bzw. Aufzehrelektrode 16 stellt kein wesentliches Merkmal der Erfindung dar.

Das Potential auf der Elektrode 9 ist variabel über und unter der Spannung der Ionenquelle, wie vorstehend beschrieben, und wird auf + 8 kV ~ 100 V gehalten. Das Potential auf der Elektrode 8' ist ein hohes negatives Potential, z.B. - 6 kV, um die Empfindlichkeit der, Meßvorrichtung zu erhöhen, wie dies mit Bezug auf die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung beschrieben wurde. Bei einem hohen negativen Potential können Ionen mit hoher oder niedriger Energie mit der gleichen Wirksamkeit ermittelt und gemessen werden.

Eine weitere ausgesparte Elektrode bzw. Lochelektrode, die mit einem positiven Potential verbunden ist, das niedriger als das der Elektrode 9 ist, kann zwischen der Elektrode 8' und der Elektrode 16 angeordnet sein, um eine niedrigere Grenze der ermittelten bzw» gemessenen Ionenenergie zu setzen, wie dies bereits in der vorerwähnten Patentschrift beschrieben ist.

Geeignete Abmessungen in der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind folgende:

Trennung zwischen der Elektrode 8¹ und 9: 38,1 mm (1,5 inch) Höhe des Teiles 17:. 2,54- mm (0,1 inch)

Durchmesser des Teiles 17: 5,08 mm (0,2 inch)

der Achse ·

Entfernung/des Teiles 17 von der Achse
der Elektrode 8: 12,7 mm (0,5 inch)

Breite des Schlitzes in der Elektrode 8': 2,54- mm (0,1 inch) Länge des Schlitzes in der Elektrode 8^?: 10,16 mm (0,4 inch) Länge des Teiles 17: 25,4- mm (1,0 inch)

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BAD ORfGtNAL

Es kann festgestellt werden, daß, wenn das negative Potential das an die Elektroden 8 (Fig.; 1) oder 8' (U¹Ig. 2) angelegt wird, "beispielsweise auf -200 V reduziert wird, keine Vergrößerung der Empfindlichkeit erreicht wird, aber das Potential wirkt dahingehend, daß es irgendwelche Elektronen, die durch auf die Elektroden 6 oder 16 aufschlagende Ionen ausgesendet werden, unterdrückt. Im Bedarfsfall kann somit dieses Potential als Kontrolle für die Empfindlichkeit verwendet werden.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen
— oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Pat ent ansprüche

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Claims

Pü/Sch :

-5. W* Wt

Patentansprüche

1J Vorrichtung zur Messung der Intensität eines Ionenstrahls mit einer ersten ausgesparten Elektrode, durch welche der Ionenstrahl eintritt, einer ersten Br emselektrode, die jenseits der ersten ausgesparten Elektrode angeordnet ist und ein elektrisches Bremsfeld für die durch die Aussparung hindurchgelangenden Ionen liefert, mit einem Detektor zum Ermitteln von »Sekundarelektronen, die von der ersten ausgesparten Elektrode durch Ionen ausgesandt werden, welche nach der ersten auegesparten Elektrode durch das Bremsfeld zurückgeworfen werden, sowie mit einem Anschluß zum Übermitteln eines variablen Potentials nach der ersten Bremselektrode, nach Patent . .„

(Patentanmeldung P 1 806 041=8 - Anwaltsakte 68 093), dadurch gekennzeichnet, daß die erste ausgesparte Elektrode, die jene Elektrode ist, die der ersten Bremselektrode vorgeordnet ist und "bei welcher die Sekundarelektronen durch zurückgeworfene Ionen erzeugt werden, mit einer Verbindung versehen ist, wodurch sie auf einem Potential gehalten werden kann, das hoch relativ zu dem Potential der ausgesparten Eingangselektrode /input electrode/ der Meßvorrichtung ist und das eine entgegen- - Wk gesetzte Polarität zu dem Potential aufweist, das· an die erste Bremselektrode angelegt wird=

2«. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ausgesparten
daß der ersten/Elektrode eine weitere ausgesparte Elektrode vorgeordnet ist, die auf einem Potential gehalten werden kann, das gering unterhalb dem Potential der ersten ausgesparten Elektrode liegt.

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3ο Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch zwischen der ersten Bremselektrode und der ersten ausgesparten Elektrode angeordnete Einrichtungen zur Erzeugung einer elektrischen Feldkomponente, deren Richtung transversal zu der Achse der Aussparung verläuft, wodurch die Ionenbahnen · zwischen den beiden Elektroden von der Achse der Aussparung wegverschoben wejrden und die Tendenz, daß die Ionen durch die Aussparung zurückgeworfen werden, dadurch verringert wird,

4-O Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste ausgesparte Elektrode einen asymmetrisch angeordneten, vorspringenden Teil aufweist, der sich in Richtung zu der ersten Brems elektrode erstreckt, um die Feldkomponente zu erzeugenο

5. Vorrichtung nach Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet, daß der asymmetrische Teil einen teilzylindrischen Teil umfaßt, dessen Achse im wesentlichen.parallel zu einem Schlitz verläuft, der die Aussparung "bildet.

6ο Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vorspringende Teil sich über die Enden des Schlitzes hinaus erstreckt, um ein merklich gleichförmiges und homogenes, transversales Feld in dem Schlitzbereich zu erzeugen*

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