DE1922871B2 - Ionenquelle - Google Patents

Description

insbesondere durch lonenbeschuß oder Hochfrequenzentladung zwischen zwei Elektroden vorgenommen werden.

Das Metallrohr kann z. B. einen Rechteck- oder KreisquerschniH haben, er kann ein Gitterfenster aufweisen, aber auch vollkommen aus Gittermaterial bestehen.

Zweckmäßigerweise hat die Absauglochplatte eine verstellbare Blende.

Die Ionenquelle mit einer an sich bekannten Einrichtung zur Fokussierung eines Laserstrahls auf das Target, die eine am Gehäuse befestigte Linse hat, kann dadurch vorteilhaft weitergebildet werden, daß die Hinrichtung in Richtung des Laserstrahls vor der Linse ein gegen das Gehäuse abgedichtetes Fenster und hinter der Linse einen Planspiegel aufweist.

Im Gegensatz zu den oben angegebenen bekannten Jonenquellen ist zur Ionisation neben vier Laserbestrahlung vorteilhafterweise keine besondere Gasentladung vorgesehen.

Die Ionenquelle findet Anwendung in einem Massenspektrographen, der genaue Isotopenoberflächenuntersuchungen ermöglicht und ein Purrpsystem, das an das Gehäuse der Ionenquelle angeschlossen ist, ein Magnetablenksystem für den von der Ionenquelle abgegebenen Ionenstrahlenbündel und eine Einrichtung zur Registrierung auf einer photographischtn Platte besitzt.

Durch diesen Massenspektrographen wird eine Punktisotopenanalyse der Oberfläche des Targets ermöglicht, das den Laserstrahl empfängt.

Zur genaueren Erläuterung der Erfindung sollen eine Ionenquelle und ein Massenspektrograph beschrieben werden, der eine derartige Ionenquelle benutzt. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht entlang einer Symmetrieebene durch die Achse der Ionenquelle, deren Target durch einen Laserstrahl beaufschlagt wird,

F i g. 2 eine Schnittansicht der gleichen Ionenquelle in einer zu der ersten Schnittebene senkrechten Ebene

F i g. 3 schematisch einen Massenspektrographen mit der Ionenquelle von F i g. 1 und 2.

Eine Ionenquelle 2 befindet sich in einem Gehäuse 4, das im wesentlichen durch einen Zylinder 6 gebildet wird, in den mehrere Rohre 8 bis 10 (Fig. 1) und 9 bis 11 (F i g. 2) mit zu dnr Achse des ersten Rohrs senkrechter Achse münden, wobei der obere Teil durch eine Isolierplatte 16 verschlossen ist, die Isolierdurchführungen 18 trägt, durch die Hochspannungsleitungen 20 verlaufen, die die Elektroden der Ionenquelle versorgen.

Das Rohr 8 schließt das Gehäuse 4 der Ionenquelle an eine (nicht abgebildete) Pumpeinrichtung 74 an. Das Rohr 10 ist durch einen lösbaren Boden 22 verschlossen, der die Einführung des Targets erlaubt, das untersucht werden soll.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein Target 15 durch einen Laserstrahl beaufschlagt, dessen Anftreffen sowohl neutrale Atome in Form eines Dampfes als auch positive und negative Ladungen erzeugt, die ein Plasma bilden. Die Einrichtung zur Beaufschlagung des Targets soll später beschrieben werden.

Das Target 15 bildet den Boden eines Metallirohrs 24. Die Elektroden der Quelle sind sämtlich koaxial zu der Anordnung 15, 24 angeordnet. Eine kreisförmige Absauglochplatte 26 ist mit einer Öffnung versehen, die ebenfalls kreisförmig ist und ein Gitter 28 aufweist, wobei der öffnung eine steuerbare Blende 30 zugeordnet ist. Das Gitter hat den Zweck, das elektrische Feld in der Nähe der lonenquellenachse so homogen wie möglich zu machen. Da die Dichten der positiven und negativen Ladungen wichtig sind, trägt das Gitter zur Trennung der Ionen von den Elektronen bei.

Die Ionenquelle hat ferner eine Vorbeschleunigungsplatte 32, die einen großen Spalt aufweist, der mii. einem Gitter versehen ist. Diese zweite Elektrode unterstützt die Wirkung der Absaugplatte und hat den Zweck, einen Überschlag und eine Entladung zu vermeiden. An die Elektroden, die sich in dem Bereich befinden, der von dem durch das Target nach der Bestrahlung mit dem Laserstrahl ausgestoßenen Dampf erreicht wird, wird zu diesem Z«>*ck nicht die gesamte Beschleunigungsspannung angelegt.

Eine Fokussierungselektrode 34 wird durch einen Stutzen gebildet, an dem außen ein Ring koaxial angebracht ist.

Eine letzte Elektrode wird durch eine Begrenzungselektrode 36 gebildet, die den Spalt zur Begrenzung des Strahls oder den Objektspalt aufweist.

An den Elektroden der Quelle ~ind stabilisierte Potentiale angelegt, während die Begrenzungsplatte 36 geerdet ist, und an dem Target ist das positivste Potential über einer Reihe von Zellen angelegt, die an stabilisierende Kondensatoren angeschlossen sind.

Anschlüsse an dieser Reihe von Zellen erlauben die Versorgung der Absaugelektrode 26, der Vorbeschleunigungselektrode 32 und der Begrenzungselektrode 36. Die Fokussierungselektrode 34 wird über eine zweite Reihe von Zellen auf einem Potential gehalten, das positiv gegenüber dem der Vorbeschleunigungselektrode 32 ist. Auch hier wird eine Stabilisierung durch einen Kondensator erreicht.

Es soll jetzt die Arbeitsweise der Ionenquelle beschrieben werden:

Die Abgabe der positiven Ionen und der Elektronen durch das Auftreffen des Laserstrahls auf das Target ist mit einem sehr starken, kurzzeitigen Elektronenaustritt aus dem Target verbunden. Die Ladung des erzeugten Plasmas, dessen Ausweitung durch den vom

Metallrohr 24 gebildeten Äquipotentialkäfig erleichtert wird, hat positives Vorzeichen, enthält aber noch einen hohen Elektronenanteil, der bedeutend nachteiliger ist ais der Dampf. Dieser Effekt macht eine besonders sorgfältige Einstellung der Hochspannungsversorgung erforderlich.

Das Potential der Absaugplatte wird so eingestellt, daß der größte Teil der Elektronen einer Kraft unterliegt, die die Elektronen von der Achse wegbewegt, so daß sie durch die Absauglochplatte eingefangen werden und nicht durch ihre Öffnung laufen. Dieses Potential muß also sorgfältig eingestellt werden, um eine Verschiebung der Elektronen und der Ionen unter dem Einfluß des elektrischen Feldes in entgegengesetzter Richtung und damit eine Entladung in dem Dampf zu vermeiden. Der Einbau einer derartigen Ionenquelle in einen Massenspektrographen wäre unmöglich, da die Anfangsverteilung des lonisationsgrads der Ionen gestöit wäre.

Die Vorbeschieunigungsplatte muß nicht unbedingt vorhanden sein, jedoch kann eine derartige Elektrode die Wirkung der Absauglochplatte unterstützen. Sie sammelt ^:n diesem Fall die meisten Elektronen, die durch die Absauglochplatte 26 gelaufen sind.

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Bei der praktischen Erprobung hat sich auf Grund Die Ionenquelle 68 ist bereits oben beschrieben der erhaltenen Untersuchungsergebnisse herausgestellt, worden. Die Magnetablenkeinrichtung für die Ionen70 daß die Form der Fokussierungselektrode 34 Vorzugs- bildet ein magnetisches Prisma mit einem Öffnungsweise ringförmig sein sollte. Sie hat die Aufgabe, den winkel von 60°. Sie weiß einen Elektromagnet 78 auf. Divergenzraumwinkel des Ionenstrahlenbündels zu 5 der mit Polstiicken 80 versehen ist, die zwischen sich verringern und seine genaue Beschleunigung bei mini- ein Röhrchen 76 umfassen, das von dem Ionenstrahl malrr Divergenz zu ermöglichen. Es ist bereits erwähnt von der Quelle durchlaufen wird. Eine Blende befindet worden, daß diese Elektrode 34 auf einem Potential sich an der Eintrittsöffnung des Prismas und begrenzt liegt, das bedeutend positiver als das der Vorbeschleu- die Öffnung des Ionenstrahlenbündels. Eine noch nigungsplatte 32 ist. Sie übt daher auf die Ionen eine io engere andere Blende fängt einen seitlichen Abschnitt Abstoßungskraft aus. Zusammenfassend ist zu sagen, des Ionenstrahlenbündels auf, der das magnetische daß die Resultierende der leicht fokussierenden Kraft, Prisma verläßt.

die auf die Ionen in Höhe der Vorbeschleunigungs- Die Ladungsmengen, die durch die Begrenzungsplatte 32 ausgeübt wird, und der Abstoßungskraft platte und durch letztere Blende aufgefangen werden, durch die Elektrode 34 eine Fokussierung der Ionen 15 werden gleichzeitig durch einen Zweistrahl-Oszillozur Achse bewirkt. graphen gemessen.

Die Begrenzungselektrode 36 schließlich, die ge- Die durch die letzte Blende durchgelassenen Ionen

erdet ist und daher relativ zum Target die höchste werden von einer photographischen Platte 82 der

Potentialdifferenz aufweist, begrenzt die Form des Sammel- und Registriereinrichtung 72 aufgefangen. Strahlenbündels. Die öffnung der Vorbeschleunigungs- 20 Diese Platte verläuft tangential zur Brennebene des

platte hat eine Rechteckform, die in ihrer Höhe die Massenspektrographen. Der Einfall der Ionen auf die

nicht zu nutzenden Bereiche des Strahls unterdrückt empfindliche Schicht der photographischen Platte

und damit auch die Effekte der Raumladung ver- äußert sich nach der Entwicklung dieser Schicht in

ringert. Im Gegensatz dazu sind für die Absaugloch- einer Schwärzung, die proportional zu der auf das

platte und die Fokussierungselektrode rotations- as Target gefallenen Ionenmenge ist. Die erhaltene Form

symmetrische öffnungen vorgesehen, um zu vermeiden, der Schwärzungsstreifen gibt die des Objektspalts

daß eine Fokussierung entlang einer Achse nicht die wieder. Jeder Streifen entspricht einem Verhältnis

Fokussierung entlang einer dazu senkrechten Achse von m/e.

zur Folge hat. Ein derartiger Massenspektrograph ist praktisch

Es soll jetzt die Schnittansicht von F i g. 2 entlang 3° erprobt worden. Der verwendete Laser lieferte in einer Ebene senkrecht zu der ersten Schnittebene einem Zeitintervall von 4 μβεϋ einige Lichtimpulse, beschrieben werden. In F i g. 2 sind zwei noch nicht deren Gesamtenergie 0,2 J erreichen konnte. Die in F i g. 1 abgebildete Teile des Gehäuses 6 abgebildet, Linse 46 fokussierte den Laserstrahl auf die Obernämlich die Rohre 9 und 11 mit zu den Achsen des fläche des Targets der Ionenquelle in einer Brennweite Gehäuses 6 und der Rohre 8 und 10 senkrechten 35 von 43 mm. Achsen. Die hauptsächlichen Bauteile der Ionenquelle hatten

Diese Gehäuseteile enthalten ein optisches System 38 folgende Abmessungen:

zur Einstrahlung des Laserstrahls und eine Einrich- Die Absauglochplatte 26 hatte eine Kreisöffnung,

tung 40 zur Justierung des Targets 15. die mit einem Gitter 28, das eine Transparenz von

Das optische System hat ein Fenster 42, das am 40 85 °/₀ aufwies, und mit einer Blende 30 versehen war, Ende des Rohres 9 befestigt ist, und eine Halterung 44 deren Innendurchmesser 2 bis 10 mm betrug,

für eine Linse 46, die die Fokussierung eines Laser- Die Vorbeschleunigungsplatte 32 hatte einen Spalt

Strahlenbündels 48 auf das Target 15 ermöglicht. Der mit den Abmessungen 8 · 15 mm², während der Innen-

Einfall des Laserstrahlenbündels auf das Target wird durchmesser der Fokussierungselektrode ebenso wie

durch einen versilberten Spiegel 50 und ein Gitter- 45 ihre Länge 5 bis 15 mm betrug. Der Begrenzungsspali

fenster 54 des Metallrohres 24 ermöglicht. der Begrenzungselektrode hatte ungefähr die Ab-

Das Target 15 ist an einem Probenhalter 56 mit messungen 1 · 10 mm².

einer Zahnstange 58 befestigt. Der Probenhalter 56 Die Spannungen, die an die verschiedenen Elek wird in einer Halterung 60 gehalten. Das Target kann troden des Strahlerzeugers angelegt werden, hatter von vorn nach hinten, und umgekehrt, zu der Ebene 50 etwa folgende Werte: von F i g. 2 durch Drehung eines Zahnrads 62 verschoben werden, das die Zahnstange 58 verschiebt. Target + 8,5 kV

wenn ein Steuerarm 64 für die Lage des Targets Absauglochplatte ~- 8,5 bis 8,3 k¹»

gedreht wird. Vorbeschleunigungsplatte + 8,3 bis 7,5 k^x

Eine Hauptanwendung der Ionenquelle von F i g. 1 55 Fokussierungselektrode - 8,5 bis 7,5 k¹

und 2 ist ihr Einbau in"einen Massenspektrographen Begrenzungselektrode 0

wie den in F i g. 3 abgebildeten.

Dieser Massenspektrograph hat einen Rubinlaser 66, Mit dieser Ionenquelle wurde ein Strahl beschiel

eine Ionenquelle 68 mit einem durch einen Laserstrahl nigter und fokussierter Ionen mit einer mittlere

beaufschlagten Target, wobei die Ionenquelle gleich 60 Intensität von 200 μΑ erhalten. Die Ionenquelle wurd

der in F i g. 1 und 2 beschriebenen Quelle ist, eine mit einem Massenspektrometer einfacher Fokussii

magnetische Ablenkeinrichtung 70 für die Ionen, eine rung mit Registrierung durch photographische Platte

Sammel- und photographische Registriereinrichtung72 verwendet.

sowie eine Pumpeinrichtung 74. die an das Gehäuse Der Massenspektrograph zeigte folgende Betrieb

der Ionenquelle angeschlossen ist. 65 werte: Der registrierte Massenbereich, definiert als d;

Der Rubinlaser 66. der durch verdampfenden flüssi- Verhältnis der an den beiden Enden der Platte empfa

gen Stickstoff gekühlt ist, arbeitet getriggert und weist genen Massen, betrug 1,6, während das Auflösung

einen rotierenden Spiegel auf. vermögen 200 betrug.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche- l2l4 437) bildet das Target eine V°" ZWei Elektroden H ' einer Funkenstrecke, wobei durch das Auftreffen eines

1. Ionenquelle mit einem Gehäuse und einem Laserstrahls auf die eine Elektrode thermische Elekdarin befindlichen metallischen Target, mit einer tronen emittiert werden, die zur anderen Elektrode Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma aus dem 5 der Funkenstrecke beschleunigt werden, so daß eine Targetmaterial und mit einer eine Absauglochplatte Elektronenstoßionisation großer Stabilität im Raumtind eine Begrenzungselektrode enthaltenden Ionen- bereich entsteht, wo die Funken gezündet werden,
optik zur Absaugung eines Ionenstrahlenbündels Die Ionenoptik zur Absaugung der bei der Funkenaus dem Plasma, dadurch gekennzeich- entladung entstehenden Ionen erzeugt ein elektrisches η e t, daß das Target (15) am Boden eines Metall- io Feld mit Hilfe von zwei lochplattenartigen Elektroden, rohres (24) angeordnet ist, daß sich gleichachsig deren eine geerdet und deren andere potentialmäßig zu den. Target und dem Metallrohr eine Absaug- nich. näher bestimmt ist.

lochplatte (26) befindet, deren kreisförmige öffnung Ferner ist es bekannt (vgl. britische Patentschrift

mit einem Gitter (28) versehen ist, daß sich an die 1 018 508, deutsche Patentschrift 1 198 465), zusätz-

Absauglochplatte in Vorwärtsrichtung des Ionen- 15 lieh zu der Einwirkung des Laserstrahls durch Elek-

strahlenbündels eine Vorbeschleunigungsplatte (32), tronenstoßionisation im Raum zwischen einer Ka-

in deren Ionendurchtrittsöffnung ein Gitter ange- thode und einer Anode zu ionisieren. Die Ionenoptik

ordnet ist, eine einen ringförmigen Stutzen bil- (vgl. britische Patentschrift 1 018 50Si) besteht aus

dende Fokussierungselektrode (34) und die mit einem nicht näher erklärten System von Elektroden,

einem Spalt versehene Begrenzungselektrode (36) 20 die in Vorwärtsrichtung des Ior.snstrahls vor einem

anschließen, und daß an die Absauglochplatte, die Fenster des Gehäuses angeordnet sind.

Vorbeschleunigungsplatte, die Fokussierungselek- Bei diesen bekannten Ionenquellen wird durch die

trode und die Begrenzungselektrode jeweils zu- verwendete Ionenoptik zum Absaugen des Ionenstrahl

nehmend höhere Spannungen in bezug auf das nicht die Anfangsvertedung des lonisationsgrades der

Target angelegt sind. 25 das Target bildenden chemischen Elemente beibehalten.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch ge- Es ist also nicht möglich, die Ionen aus diesem Plasma kennzeichnet, daf· das Metallrohr (24) Rechteck- unter Aufrechterhaltung der Anfangsverteilung des querschnitt hat. lonisationsgrades abzusaugen, da mit diesen bekann-

3. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch ge- ten Ionenoptiken die Ursache der differentiellen Ionikennzeichnet, daß das Metallrohr (24) Kreisquer- 30 sation der verschiedenen Elemente, z. B. verschiedene schnitt hat. parasitäre Effekte elektrischer Entladungen, nicht be-

4. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis seitigt werden kann. Die Beibehaltung der Anfangs-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallrohr(24) verteilung des lonisationsgrades ist aber insbesondere in der Seitenwand ein vergittertes Fenster (54) von großer Wichtigkeit, wenn die Ionenquelle für aufweist. 35 einen Massenspektrographen benutzt wird, da sonst

5. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis die Massenanalyse ungenau ist.

3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallrohr(24) Es ist daher Aufgabe der Erfindvng, die Ionenquelle

vollkommen aus Gittermaterial besteht. der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß

6. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis durch die Ionenoptik im abgesaugten Ionenstrahl die

5, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugloch- 40 Anfangsverteilung des Tonisationsgrades der chemiplatte (26) eine verstellbare Blende hat. sehen Elemente in der vom Target ausgestoßenen

7. Ionenquelle nach einem der Ansprüc ,e 1 bis Plasmawolkc beibehalten wird.

6, mit einer Einrichtung zur Fokussierung eines Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Target Laserstrahls auf das Target, die eine am Gehäuse am Boden eines Metallrohres angeordnet ist, daß sich befestigte Linse hat, dadurch gekennzeichnet, daß 45 gleichachsig zu dem Target und dem Metallrohr eine die Einrichtung in Richtung des Laserstrahls vor Absauglochplatte befindet, deren kreisförmige OfF-der Linse (46) ein gegen das Gehäuse (4) abge- nung mit einem Gitter verschen ist, daß sich an die dichtctes Fenster (42) und hinter der Linse einen Absauglochplatte in Vorwärtsrichtung des Ionen-Planspiegel (50) aufweist. Strahlenbündels eine Vorbeschleunigungsplatte, in

8. Anwendung der Ionenquelle nach einem der 50 deren Ionendurchtrittsöffnung ein Gitter angeordnet Ansprüche 1 bis 7 in einem Massenspcktrograph ist. eine einen ringförmigen Stutzen bildende Fokusmit einem Pumpsystem (74), das an das Gehäuse sierungselcktrode und die mit einem Spalt versehene der Ionenquelle (68) angeschlossen ist, einem Begrenzungselektrode anschließen, und daß an die Magnetablenksystcm (78) für das von der Ionen- Absauglochplatte die Vorbcschleuniigungsplattc, die quelle abgegebene lonenstrahlcnbündel und einer 55 Fokussierungselektrode und die Begrenzungselektrode Einrichtung zur Registrierung der Ionen auf einer jeweils zunehmend höhere Spannungen in bezug auf photographischen Platte (72). das Target angelegt sind.

Da durch die erfindungsgemäß ausgebildete Ionenquelle im abgesaugten loncnstrahlenbündel die An-

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle mit einem 60 fangsverteilung des lonisationsgrades der chemischen Gehäuse und einem darin befindlichen metallischen Elemente in der vom Target ausgestoßenen Plasma-Target, mit einer Vorrichtung zum Erzeugen von wolke beibehalten wird, zeigt sich der durch die Plasma aus dem Targetmatcrial und mit einer eine Erfindung erreichte technische Fortschritt darin, daß Absauglochplatte und eine Begren/.ungselektrocle ent- genauere Analysen des Targets als bisher möglich :.ind, haltenden loncnoptik zur Absaugung eines Ionen- 65 insbesondere bei Verwendung der Ionenquelle mit dem strahlenbündel* aus dem Plasma. Target zur Masscnanalysc in einem Masscnspektro-

^fM\ einer ähnlichen bekannten Ionenquelle (vgl. graphen.
hri,u he Patentschrift I 018 508. deutsche Patentschrift Die Erzeugung des Plasmas aus dem Target kann