EP3465732B1 - Magnetfreie erzeugung von ionenpulsen - Google Patents
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- EP3465732B1 EP3465732B1 EP17726938.8A EP17726938A EP3465732B1 EP 3465732 B1 EP3465732 B1 EP 3465732B1 EP 17726938 A EP17726938 A EP 17726938A EP 3465732 B1 EP3465732 B1 EP 3465732B1
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Definitions
- the invention relates to a device for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere with the features of claim 1 and a method therefor with the features of claim 10.
- EBIT electron beam ion trap
- EBIT electron beam ion trap
- an electron beam is used to generate ions.
- High-energy electrons are used, with acceleration voltages in the range of more than 15 kV and electron currents of more than 20 mA.
- complex magnetic fields with the corresponding coil devices are required, which must ensure a magnetic field strength in the range of more than 200 mT.
- the ions are generated from the neutral gas particles in the electron beam by the well-known process of impact ionization.
- the ions generated are stored in a cylindrically symmetrical structure, with the ions being enclosed 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 equipment required to generate and focus the electron beam, which is particularly evident in the magnetic field device. EBIT devices therefore take up a relatively large amount of space and, due to the high magnetic field strengths, cannot easily be combined with devices in the vicinity of the system that are sensitive to ambient magnetic fields. Accordingly, appropriate Shielding or a minimum structural distance is required, which further increases the space required by the device.
- the EBIT process mainly produces multiply ionized ions due to the high-energy electrons, and the molecules present in the residual gas atmosphere are also broken down into smaller fragments to a considerable extent.
- multiply charged ions and molecular fragments are a significant problem for downstream analytical processes, particularly for the purpose of residual gas analysis. This is because the ionized molecular fragments are in an excited, multiply ionized state. Their properties cannot therefore be easily compared with the data stored in relevant databases.
- the original compounds in the residual gas are broken down, the original molecular aggregates present there are destroyed, so that they can no longer be detected directly, but only indirectly. This causes a certain analytical detection uncertainty.
- Another disadvantage is the high emission current required of >20mA. The high heating power required to generate this emission current results in a high power and heat input into the entire arrangement and the adjacent vacuum chamber.
- an electron beam is also used for ionization.
- the electron beam is focused there via an arrangement of repeller electrodes.
- an additional electrode arrangement is used which generates a potential that is attractive 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 generated can only have a short lifespan because they are attracted to the storage electrode and neutralized.
- the ion currents that can be generated, i.e. ultimately the number of stored ions, are therefore proportional to the pressure of the residual gas atmosphere.
- the arrangement disclosed there is free of magnetic fields, the arrangement shown there is also characterized by a complicated storage electrode structure, with the acceleration voltages required at the electron source being in the range of 500 to 1000 V.
- the energy distribution of the ions produced is also significantly higher than the thermal distribution in the residual gas atmosphere. This is particularly disadvantageous with regard to subsequent residual gas analysis, for example by measuring the time of flight of the ion packet, since the individual mass-separated ion packets diverge greatly in space during the flight, which generally reduces the resolution of the apparatus and requires longer flight distances.
- EP 0 676 792 A2 discloses a device for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere, comprising an electron source for releasing electrons and an ion storage space which, solely as a result of the negative space charge distribution generated by the electrons, has a spatial potential distribution that is attractive for the ions generated by ionization of the residual gas atmosphere, wherein the particles of the residual gas can be ionized by the negative space charge and an attractive potential can be formed for the positive ions formed.
- the ions are extracted by an electrode after a predetermined time.
- This method is not always sufficiently sensitive for small partial prints.
- a method and a device for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere are to be specified, in which the number of ions generated is essentially independent of the pressure of the residual gas atmosphere.
- the method should also be able to be carried out at a low pressure in the residual gas and should deliver the largest possible quantity of ions for reliable ion detection.
- the arrangement for carrying out the method should have a simple structure and be able to be carried out without the additional influence of magnetic fields.
- the process should ensure that the energy distribution within the quantity of ions produced is as thermal as possible. The energy distribution of the ions should therefore not be given a falsifying or additional signature by the process of ion production itself.
- the process of ion production and the device used should leave the molecules within the residual gas atmosphere as intact as possible even during ionization, and only singly charged ions should be produced.
- the device claimed according to the invention for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere comprises an electron source for releasing electrons, an anode which is permeable to the electrons released by the electron source and has a negative space charge distribution formed by the electrons within an ion storage space at least partially surrounded by the anode, and a pulse electrode which is electrically insulated from the anode for extracting the ions from the storage space.
- anode and the pulse electrode are at the same potential during the storage process.
- the particles of the residual gas can be ionized by the negative space charge and an attractive potential is created for the positive ions formed, whereby the negative space charge forms a storage area for the ions generated.
- a means for regulating the time interval between successive switching operations of the pulse electrode to a fixed predetermined strength of the measured released ion packet is also provided.
- the device for generating, storing and releasing ions from a residual gas atmosphere thus comprises an electron source for releasing electrons and an anode permeable to the electrons released by the electron source with a negative space charge formed by the electrons within an ion storage space at least partially surrounded by the anode.
- the ion storage space for the ions generated by ionization of the residual gas atmosphere has an attractive spatial potential distribution due to the negative space charge. Furthermore, a junction that closes the ion storage space in the emission direction and is based on an electrical Potential switchable and perforated pulse electrode provided for releasing an ion packet 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.
- the negative space charge cloud or electron density is formed without further bundling or collimation and without the increase of additional electrodes in the axial direction.
- the anode which is permeable to the emitted electrons, serves to form the negative space charge cloud.
- the emitted electrons collect in the area of the permeable anode and form the space charge cloud, particularly in its interior.
- the negative space charge cloud has a dual function: firstly, it ionizes the particles of the residual gas and secondly, it creates an attractive potential for the positive ions formed in it.
- the positive ions accumulate in this attractive potential, so that the negative space charge cloud forms a storage area for the ions produced.
- the anode and the pulse electrode are at the same potential during the storage process.
- the electron source is designed as a hot cathode in the form of a ring filament that surrounds the electron-permeable anode. This means that the electron-permeable anode is exposed from all sides to the electrons emitted from the ring filament.
- Other designs of the electron source are also conceivable in which the electrons are emitted from one or more sources and impact the anode at the appropriate points.
- the decisive factor is the negative space charge distribution generated within the anode.
- the acceleration voltage for the electrons can be significantly reduced.
- the acceleration voltage applied to the hot cathode that is effective for the emitted electrons is a maximum of 200 volts.
- the electron current can be significantly reduced.
- the electron current emerging from the hot cathode is no more than 10mA; in particular, 2mA is sufficient for typical applications. This significantly reduces the power consumption and heat input in the sensor.
- an electrostatic arrangement of focusing electrodes and/or a repeller surrounding the electron source is provided for additional alignment and shaping of the electron emission.
- the focusing electrodes and/or the repeller serve 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 supporting the formation of the negative space charge.
- the negative space charge distribution forms a potential well with respect to the anode and pulse electrode potential, which, if the negative space charge distribution is not compensated with ions, acts attractively on ions in the ionization volume and forms an electrostatic exit barrier for ions acting in all directions, thus enabling storage of ions until the negative space charge is compensated.
- the pulse electrode can be switched to a negative potential compared to the anode, whereby the collected ions can be extracted in the direction of the pulse electrode.
- the frequency for switching the pulse electrode is preferably a minimum of 0.1 Hz and a maximum of 1 MHz, in particular a minimum of 1 Hz and a maximum of 100 kHz.
- the electron current generated by the electron source is a minimum of 1 ⁇ A and a maximum of 15 mA, in particular a minimum of 5 ⁇ A and a maximum of 2mA.
- the acceleration voltage effective 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.
- the anode that is permeable to the emitted electrons has a cylindrically symmetrical structure.
- the outer surface of the cylinder can be designed parallel to the circumferential ring filament of the electron source, while the pulse electrode forms one of the two cover surfaces of the cylindrically symmetrical anode.
- the cylindrically symmetrical structure promotes the multiple passage of the electrons through the ionization space, which increases the electron yield compared to directed beam paths and increases the storable charge with the same emission current due to the increased space charge in the storage space.
- a detector arranged in the direction of flight of the ions can be provided to measure the ion current.
- Electrons are emitted from an electron source and accelerated towards the ionization space through the permeable anode arrangement.
- a negative space charge cloud is generated within the ionization space due to the electrons moving through the ionization space
- the anode arrangement and a pulse electrode are connected to the same potential during the storage process.
- Impact ionization of gas molecules and/or gas atoms occurs within the ionization space and the generated positively charged ions are stored in the attractive potential of the negatively charged space charge cloud as a positively charged ion reserve.
- the pulse electrode is then switched to a potential relative to the anode potential and the ion supply located in the potential of the space charge cloud is accelerated out of the ionization space.
- a determination of a total pressure is carried out in connection with this.
- the time interval between successive switching operations of the pulse electrode is regulated 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.
- the basic idea of the process is to use a negative space charge cloud formed from released electrons for the impact ionization of neutral gas particles and to use the negative potential of the Space charge cloud is used simultaneously to collect and store the ions generated.
- This negative potential is gradually filled with the positive ions generated until this potential is essentially balanced. Because the depth of the negative potential is essentially not dependent on the pressure of the surrounding gas atmosphere and this potential is constantly filled during the 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 a pressure-independent ion packet can also be released.
- the energy distribution of the ions within the storage potential is essentially thermal, the ions themselves are usually only positively charged due to the weak, low kinetic electron energy, with larger molecules essentially not being split into smaller fragments.
- the process does not require complex magnetic focusing of an electron beam and can be operated at relatively low electron energies compared to the state of the art.
- Complex storage electrodes for collecting the ions generated are also not required.
- the electrons are emitted from the electron source from a hot cathode that surrounds the transmissive anode arrangement in a ring, whereby the electrons are accelerated in the field of the transmissive anode arrangement and form the negative space charge cloud.
- the transmissive anode arrangement therefore only serves the purpose of concentrating the emitted electrons in a certain spatial region and thereby generating the ionizing and simultaneously storing space charge cloud.
- the strength of the released ion pulse is adjusted over a time interval between successive switching operations of the pulse electrode, so that the strength of the ion pulse is proportional to the length of the time interval.
- a determination of a total pressure can also be carried out.
- the strength of the released ion current is determined at a fixed time interval between successive switching operations of the pulse electrode. measured, using the strength of the ion current as a measure of the total pressure to be measured.
- a total pressure is also determined.
- the time interval between successive switching operations of the pulse electrode is regulated to a fixed predetermined strength of the measured released ion packet, whereby the time interval between successive switching operations of the pulse electrode is a measure of the total pressure to be measured. Due to the strength of the ion packet being independent of the pressure, the ion source can be operated in a very wide pressure range from 1e-12 mbar to 2e-2 mbar.
- Fig.1 shows an overall view of the device for ion generation, storage and release in section.
- the device contains an electron source 1, which in the example presented here is designed as a hot cathode in the form of a ring filament.
- the ring filament surrounds an anode 2 that is permeable to electrons.
- a negative ionizing space charge 3 is generated by the emitted electrons, which is shown in the figure presented here by a dashed line. line.
- the negative space charge extends in particular into an ion storage space 4, which is located inside the anode 2.
- the anode 2 is electrically insulated from the pulse electrode 5.
- the arrangement is additionally surrounded by focusing electrodes 6 and shielded from the outside.
- the focusing electrodes in particular align the electrons emitted by the electron source in the direction of the anode 2, which is permeable to the electrons.
- Fig.2 shows the Fig.1 shown arrangement in a perspective view.
- the anode 2 which is permeable to electrons, is constructed here with cylindrical symmetry. It contains a surface area 7, which is designed as a sufficiently fine-meshed grid, sieve or conductive fabric.
- the entire anode arrangement including the outer surface 7 and the pulse electrode 8, is gas-permeable and at the same time partially transparent to electrons.
- the electron source is a ring filament 9 in the form of a ring-shaped hot cathode running parallel to the lateral surface 7 at a certain distance, which emits electrons at high temperature by means of thermal emission.
- the electrons emitted from the hot cathode are emitted from all sides, including towards the outer surface 7 of the anode, and accelerated and penetrate the outer surface 7, penetrating the interior of the anode and ionizing 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 pulse electrode 8 By switching the pulse electrode 8 to a negative potential, the ions can now be released from the ion storage space to the outside through the are accelerated through a pulse grid.
- An ion packet is extracted.
- the extraction direction of the ion packet is indicated by an arrow.
- the pulse electrode can be switched to a potential that is positive compared to the anode in order to accelerate the collected ions in the opposite direction to the pulse electrode. If in this case the part of the anode that is in the direction of flight of the ions is also designed to be permeable to the ions, the collected ions can be extracted from the ion storage space in the opposite direction to the pulse electrode by a repulsive electrostatic interaction. In such a case, the pulse electrode can be designed to be impermeable to the ions and drives 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 essentially location-independent and constant over the cross section of the anode in its interior ion storage space 4.
- state B the electron source 1 is activated.
- the emitted electrons penetrate the anode and form a negative space charge cloud 3, particularly in the ion storage space 4.
- the potential within the anode takes on a location-dependent value.
- a potential well with a local potential minimum V min is formed in the central area of the space charge cloud and thus also of the ion storage space.
- State C takes into account the impact ionization of the gas particles present in the ion storage space 4 due to 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 space charge cloud. Due to the attractive potential well, the ions are kept within the ionization volume, cannot collide with the electrodes surrounding the ionization space and are neutralized.
- the potential is equalized over 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 by the positive ions.
- the negative space charge of the electrons is completely compensated by the positive accumulated ions.
- a relationship is now established as was the case in state A: an essentially 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.
- the pulse electrode is switched from the anode potential V AN to a more negative potential, whereby the generated ions are withdrawn from the ion storage space.
- state B is again assumed, in which there is an empty, unfilled potential minimum within the ion storage space and which can be filled again and emptied of the ions stored there by passing through states C and D again.
- This cyclic operation thus makes it possible to generate ion packets or ion pulses, i.e. spatially limited ion accumulations.
- the time from state B to complete space charge compensation in state D is referred to below as the filling time.
- the storage capacity of the ion source results from the positive ion charge stored in state D.
- FIGS. 4a and 4b show a representation of the pulse electrode 8 with a pulse grid 5 incorporated therein.
- a sheet metal disk serves as the basis for the pulse electrode 8.
- a hexagonal honeycomb structure 10 is incorporated into the inner surface of the sheet metal disk, in particular cut into it by means of laser radiation, which has a diameter D PG . This increases the permeability of the pulse grid and ensures sufficient shielding from external fields.
- the pulse electrode can be electrically contacted via metallic leads.
- the pulse electrode can thus be activated via an external circuit
- V Puls of a pulse generator (not shown here), which are required to extract the accumulated ions, are also transmitted to the pulse electrode.
- Fig. 4b shows a detailed view of an example of a grid structure of the pulse grid 5.
- the grid structure 10 consists of hexagonal openings 11 arranged in a honeycomb pattern, which are separated from one another by webs 12.
- the geometric dimensions of the grid structure of the pulse grid are chosen in such a way that the extraction of the ions from the anode space is as loss-free as possible, with optimal shielding from external fields.
- Corresponding transmission losses, which arise because ions neutralize themselves at the grid webs, can be minimized by appropriate dimensioning of the web width S and the mesh width G of the hexagonal openings 11.
- the schematic structure of the cylindrically symmetrical arrangement of the ion source and the time-of-flight spectroscopic device shown essentially consists of three components. These components are the ion source, consisting of the electron source 1, the anode 2 and the pulse electrode 8. A repeller 13 is also provided and, as a second component, a time-of-flight (TOF) mass separator 14 connected to the ion source with a detector unit as the third component, which is designed here as a Faraday cup 15.
- TOF time-of-flight
- Electrons are released from the ring-shaped filament of the electron source by thermal emission, which are guided into the anode chamber inside due to the attractive potential of the anode. Then, collisions between the electrons and the neutral residual gas particles create positive Ions which, as mentioned, can be accumulated in the anode to a certain extent.
- the pulse electrode By switching the pulse electrode to a potential V Pulse that is attractive to the ions, the accumulated ions are drawn out of the anode. This creates a potential that is attractive to the positive ions, which extracts and accelerates the collected ions into the time-of-flight mass separator. In this, the ions are separated from one another according to their mass using the principle of TOF mass spectroscopy.
- temporally separated signals can be detected at the detector, which here is designed in the form of a Faraday cup 15.
- time-of-flight mass separation is that it makes it possible to record an entire mass spectrum with one and the same detector using a single ion pulse.
- the time t TOF required for the ions to travel a given distance S TOF between the release of the ion pulse and their impact on the detector is measured. Because 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. More massive ions will travel at a lower speed than less massive ions and will therefore arrive at the detector later, i.e. after the less massive ions. After time-resolved detection on the Faraday cup, a mass is assigned to the respective flight times and a conclusion is drawn about the residual gas composition prevailing in the vacuum chamber.
- the time-of-flight mass separator separates light ions from heavier ones. Since light ions are accelerated more strongly, they reach the Faraday cup at an earlier point in time. Individual peaks become visible at the Faraday cup depending on the time of detection. If individual masses differ sufficiently, the corresponding signals are shown separately in time in the spectrum, otherwise they will partially overlap.
- the sum of the entire temporal signal of an ion pulse at the detector provides information about the total pressure within the chamber, while the analysis of the individual signal peaks allows a conclusion about the respective partial pressure.
- the following section will provide a theoretical characterization of the ion source. To this end, the next sections will provide a computational estimate of selected characteristic variables, such as the field distribution within the anode, the storage capacity or the ion current and the resulting pressure-dependent filling time.
- the electrons are, as already explained, directed into the anode due to the potential that is attractive to them. Here they cause a potential minimum due to negative space charge effects, which distorts the initially constant potential.
- the negative space charge is simplified below as an electron density with a given radius r 0.
- the field distribution in the presence of the electron density is divided into two areas.
- the first area is formed by the space within the electron density with the radius r ⁇ r 0
- the potential distribution V (r) for these two areas can be described as Dependence on r. For a given distance r AN the potential can be calculated in Fig.6 shown graphically.
- the potential which depends on the radius r, can be approximately represented by the following curve:
- V r V AT ⁇ V e ⁇ 2 ln r AT r + 1 ⁇ r 2 r 0 2
- V r V AT ⁇ 2 V e ⁇ ln r AT r
- 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 placed at a potential less than or 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.
- N e m e 2 e 3 ⁇ ⁇ L ⁇ I e V e
- the storage capacity N+ of the storage ion sources depends on the emission current I e .
- the space charge density increases, which means that more ions can be stored in the negative space charge potential.
- the electron current generated by the electron source 1 is a minimum of 1 ⁇ A and a maximum of 15 mA, in particular a minimum of 5 ⁇ A and a maximum of 2mA.
- the heating power required to generate these emission currents is sufficiently low to cause only a small input of power and heat into the entire arrangement and the adjacent vacuum chamber.
- the generated charge quantities of Q + ⁇ 2.0 ⁇ 10 -12 C are sufficiently high to be detected by simple detectors (e.g. Faraday cup type) with sufficient signal-to-noise ratio.
- Fig.8 that when the acceleration voltage is increased from 70 V to 130 V, the storage capacity is reduced because the faster electrons generate a smaller negative space charge.
- a charge of approx. 10 -14 C to 10 -11 C can be stored.
- the filling time ie the time in which the negative electron space charge is completely compensated by stored ions, depends on the prevailing total pressure in the vacuum chamber. If the collection time t collection is varied, ie the time in which the ion collection process takes place unhindered, a signal dependent on this collection time will be generated, which will increase accordingly with the progress of t collection until the filling time t fill is reached, as in Fig.10 shown.
- the filling time t fill also depends on the prevailing pressure p, since at higher pressures there are correspondingly more neutral gas particles which can fill the potential minimum more quickly after ionization.
- p 1 > p 2 a decreasing filling time t fill , 1 ⁇ t fill , 2 can be observed, whereby the qualitative course of these curves will be similar.
- the maximum number of ions released during a pulse depends only very weakly on the pressure. This is because the storage capacity of the ion source is determined exclusively by the depth of the potential formed by the negative space charge. As shown in the experimental data from Fig. 13 As can be seen, 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 enables the ion source to be used over a very wide pressure range without a significant loss of measurement sensitivity.
- the pulse electrode By switching the pulse electrode from the anode potential to a negative extraction potential, for example, the electric field within the anode is manipulated in such a way that the collected ions are accelerated out of the ionization volume and detected at the Faraday cup. If the pulse electrode is switched back to the anode potential, the original state is restored: electrons create a potential minimum in which ions are generated and The length of time that ions are collected until they are extracted by switching the pulse electrode is the collection time.
- Fig. 13 It can be seen that the required collection time to generate e.g. 25 nVs signal at the detector is less than 1 ms for pressures p ⁇ 1E-7 mbar This device is therefore suitable for use as a "fast" total pressure sensor for detecting rapid pressure changes with response times ⁇ 1 ms.
- Fig. 14 As shown, it is possible to separate the helium signal from the other residual gas components in time. Therefore, it is possible to use the total pressure sensor simultaneously as a helium detector, which also enables a helium leak test.
- the measured values in Fig. 14 The underlying flight distance is only 2 cm, so that the sensor is very compact.
- the device discussed here is highly compact, provides reliable total pressure determination and helium mass separation.
- the dimensions of the sensor correspond to those of a conventional ionization vacuum gauge.
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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 10.
- Aus dem Stand der Technik sind bereits Vorrichtungen und Verfahren zum 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 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 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 Platzbedarf der Vorrichtung entsprechend weiter zunimmt.
- Zudem werden bei dem EBIT-Verfahren auf Grund der hochenergetischen Elektronen vorwiegend mehrfach ionisierte Ionen erzeugt, wobei die in der 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 einen Vergleich mit dem in einschlägigen Datenbanken 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 Nachweisunsicherheit. Ein weiterer Nachteil ist der hohe benötigte 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.
- 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 Ionenspeicherraums 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 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 Auflösungsvermögen der Apparatur im Allgemeinen sich verringert bzw. längere Flugstrecken benötigt werden.
-
EP 0 676 792 A2 offenbart eine Vorrichtung zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre umfassend eine Elektronenquelle zum Freisetzen von Elektronen und einen lonen-Speicherraum der ausschließlich infolge der durch die Elektronen erzeugten negativen Raumladungsverteilung eine für die durch Ionisation der Restgasatmosphäre erzeugten Ionen attraktive räumliche Potentialverteilung aufweist, wobei durch die negative Raumladung die Teilchen des Restgases ionisierbar sind und ein attraktives Potential für die gebildeten positiven Ionen ausbildbar ist. Die Ionen werden nach einer vorbestimmten Zeit durch eine Elektrode extrahiert. - Dieses Verfahren ist für kleine Partialdrucke nicht immer ausreichend empfindlich.
- Es besteht somit die Aufgabe, den genannten Nachteilen abzuhelfen. 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 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.
- 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 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.
- 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. vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens.
- Die erfindungsgemäß beanspruchte Vorrichtung zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre umfasst eine Elektronenquelle zum Freisetzen von Elektronen, eine für die von der Elektronenquelle freigesetzten Elektronen durchlässige Anode mit einer durch die Elektronen gebildeten negativen Raumladungsverteilung innerhalb eines von der Anode mindestens teilweise umgebenen Ionen-Speicherraums und einer von der Anode elektrisch isolierten Pulselektrode zum Extrahieren der Ionen aus dem Speicherraum. Erfindungsgemäß befinden sich innerhalb des Ionen-Speicherraumes keine weiteren Elektroden und der Ionen-Speicherraum weist ausschließlich infolge der durch die Elektronen erzeugten negativen Raumladungsverteilung eine für die durch Ionisation der Restgasatmosphäre erzeugten Ionen attraktive räumliche Potentialverteilung auf und speichert Ionen. Erfindungsgemäß liegen die Anode und die Pulselektrode während des Speichervorgangs auf einem gleichen Potential.
- Erfindungsgemäß sind durch die negative Raumladung die Teilchen des Restgases ionisierbar und es wird ein attraktives Potential für die gebildeten positiven Ionen ausgebildet, wobei die negative Raumladung einen Speicherbereich für die erzeugten Ionen bildet.
- Als erfindungswesentlicher Bestandteil der Vorrichtung ist außerdem ein Mittel zum Regeln des Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der Pulselektrode auf eine fest vorgegebene Stärke des gemessenen freigesetzten Ionenpaketes vorgesehen.
- Die Vorrichtung zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre umfasst somit 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.
- Dabei weist der Ionen-Speicherraum für die durch Ionisation der Restgasatmosphäre erzeugten Ionen infolge der negativen Raumladung eine attraktive räumliche Potentialverteilung auf. Weiterhin ist eine in Emissionsrichtung den Ionenspeicherraum abschließendes, auf ein elektrisches Potential schaltbare und perforierte Pulselektrode zum Freisetzen eines 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 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.
- 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 Speicherbereich für die erzeugten Ionen bildet.
- 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.
- 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.
- 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.
- Bei einer Ausführungsform ist eine die Elektronenquelle umgebende 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.
- 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 Speicherung von Ionen bis zur Kompensation der negativen Raumladung.
- 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 MHz, insbesondere minimal 1Hz, und maximal 100 kHz.
- Insbesondere beträgt der durch die Elektronenquelle erzeugte Elektronenstrom minimal 1µA und maximal 15 mA, insbesondere minimal 5µA und maximal 2mA.
- Die für die an der Elektronenquelle (1) erzeugten Elektronen auf Grund der Potentialdifferenz zwischen Elektronenquelle (1) und Anode (2) wirksame Beschleunigungsspannung beträgt minimal 30V und maximal 400V, insbesondere minimal 70V und maximal 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 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 Ionisationsraum, womit die Elektronenausbeute im Vergleich zu gerichteten Strahlgängen gesteigert wird und die speicherbare Ladung bei gleichem Emissionsstrom auf Grund der gesteigerten Raumladung im Speicherraum gesteigert wird.
- Ergänzend kann ein in Flugrichtung der Ionen angeordneter Detektor zur Messung des Ionenstroms vorgesehen sein.
- Das Verfahren zum Erzeugen, Speichern und gepulsten Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre erfolgt mit den folgenden erfindungswesentlichen Verfahrensschritten:
Es erfolgt ein Emittieren von Elektronen aus einer Elektronenquelle und deren Beschleunigung in Richtung des Ionisationsraumes durch die durchlässige Anodenanordnung. - Es erfolgt eine Erzeugung einer negativen Raumladungswolke innerhalb des Ionisationsraumes aufgrund der sich durch den Ionisationsraum bewegenden Elektronen
- Erfindungsgemäß erfolgt ein Anlegen der Anodenanordnung und einer Pulselektrode während des Speichervorgangs auf ein gleiches Potential.
- Es erfolgt eine Stoßionisation von Gasmolekülen und/oder Gasatomen innerhalb des Ionisationsraumes und ein Speichern der erzeugten positiv geladenen Ionen im attraktiven Potential der negativ geladenen Raumladungswolke als ein positiv geladener Ionenvorrat.
- Es erfolgt sodann ein Schalten der Pulselektrode auf ein Potential bezüglich des Anodenpotentials und ein Beschleunigen des im Potential der Raumladungswolke befindlichen Ionenvorrats aus dem Ionisationsraum heraus.
- Hierdurch erfolgt eine Extraktion mindestens eines Teils des gespeicherten Ionenvorrates in Form eines Ionenpaketes.
- Es wird als Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens im Zusammenhang damit eine Bestimmung eines Totaldruckes ausgeführt. 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.
- Es erfolgt somit ein Emittieren von Elektronen aus einer Elektronenquelle und ein 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 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.
- Es erfolgt im Anschluss daran ein Schalten einer ionendurchlässigen Pulselektrode auf ein negatives Potential und ein Beschleunigen des im Potential der Raumladungswolke befindlichen Ionenvorrats in Richtung der Pulselektrode. In Verbindung damit erfolgt ein Freisetzen mindestens eines im Feld der Pulselektrode aus dem attraktiven Potential heraus beschleunigten Teils des Ionenvorrates in Form eines Ionenpaketes durch das Pulsgitter.
- 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 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 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 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 Raumladungswolke zu erzeugen.
- Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Stärke des freigesetzten Ionenimpulses über ein Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der Pulselektrode eingestellt, sodass die Stärke des Ionenimpulses proportional zur Länge des Zeitintervalls ist.
- Bei einer Abwandlung des Verfahrens kann neben dem Freisetzen des 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.
- Erfindungswesentlich wird als Teil des Verfahrens neben dem Freisetzen des Ionenpakets auch eine Bestimmung eines Totaldruckes ausgeführt. Dabei wird wie erwähnt 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 Ionenquelle in einem sehr weiten Druckbereich von 1e-12 mbar bis 2e-2 mbar betrieben werden.
- Die Vorrichtung und das Verfahren sollen nachfolgend anhand von 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,
- Fig. 2
- eine Darstellung der Vorrichtung aus
Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht, - 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. 5
- eine beispielhafte Darstellung der Vorrichtung zur Ionenerzeugung in Verbindung mit einer Sensorik für eine Flugzeit-Spektroskopie,
- Fig. 6
- eine beispielhafte Darstellung verschiedener Potentialverteilungen im 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,
- Fig. 8
- eine Darstellung der Abhängigkeit der speicherbaren Ladung vom Emissionsstrom an der Elektronenquelle für zwei verschiedene auf die Elektronen wirkende Beschleunigungsspannungen,
- Fig. 9
- eine Darstellung des zeitlichen Füllvorgangs für das attraktive Potential in Abhängigkeit von zwei verschiedenen Drücken,
- Fig. 10
- eine Darstellung der simulierten Fülldauer in Abhängigkeit vom Druck,
- 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. 13
- beispielhafte Bestimmungen der gesammelten Ladung in Abhängigkeit vom der Sammelzeit und des Totaldrucks über eine Auswertung eines Integrals über ein Messsignal in einem Faraday-Becher,
- 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 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. - Bei dem hier gegebenen Beispiel ist die Anordnung zusätzlich von Fokussierelektroden 6 umgeben und nach außen hin abgeschirmt. Die Fokussierelektroden bewirken insbesondere ein Ausrichten der von der Elektronenquelle emittierten Elektronen in Richtung der für die Elektronen durchlässigen Anode 2.
-
Fig. 2 zeigt die inFig. 1 gezeigte Anordnung in einer perspektivischen 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 Mantelfläche 7, d.h. eine der Grundflächen der zylindrischen Anode, wird durch die Pulselektrode 8 gebildet. - 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.
- 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 das Pulsgitter hindurch beschleunigt werden. Es wird dabei ein Ionenpaket extrahiert. Die Extraktionsrichtung des Ionenpakets ist durch einen Pfeil verdeutlicht.
- 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.
-
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 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 Raumladungswolke und damit auch des Ionen-Speicherraums bildet sich eine Potentialmulde mit einem lokalen Potentialminimum Vmin aus.
- 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 Raumladungswolke an. Aufgrund der attraktiven Potentialmulde werden die Ionen innerhalb des Ionisationsvolumens gehalten, können nicht mit den den 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 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 abgezogen werden.
- 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.
- 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. - 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 VPuls eines hier nicht dargestellten Pulsgenerators, die zur Extraktion der akkumulierten Ionen benötigt werden, auf die Pulselektrode übertragen. -
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. - 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 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. - Aus dem bspw. ringförmigen Filament der Elektronenquelle werden durch thermische Emission Elektronen freigesetzt, die aufgrund des anziehenden 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.
- Durch das Schalten der Pulselektrode auf ein für die Ionen attraktives Potential VPuls 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 Massenspektroskopie voneinander getrennt.
- 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 tTOF, die für die Ionen benötigt wird, um eine gegebene Flugstrecke STOF zwischen dem 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 eine 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.
- 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 Nettoladung. Diese positive Ladung wird anschließend durch ein zum Metallplättchen hin fließendes Elektron neutralisiert. Der Strom IFC, der während der Entladung des Metallplättchens fließt, ist somit direkt proportional zur Anzahl der auftreffenden Ionen.
- 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 entsprechenden Signale zeitlich getrennt im Spektrum dargestellt, andernfalls werden sie sich zum Teil überlagern.
- 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 Partialdruck erlaubt.
- 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 Raumladungseffekten ein Potentialminimum, das das anfänglich konstante Potential verzerrt.
- 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 gegebenen Abstand rAN lässt sich das Potential in
Fig. 6 gezeigt graphisch darstellen. -
-
- 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. - 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 = ρe · ve eine negative Ladung von Qe = ρe ·V innerhalb eines Volumens V = A · ΔL enthält. A ist hierbei die Gitterfläche, durch die die Elektronen in den Anodenraum gelangen können, und ΔL entsprechend die Länge, die durch die Elektronen innerhalb der Anode zurückgelegt wird.
-
-
-
- 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 Beschleunigungsspannungen. Der obere Graph zeigt den Verlauf für eine Spannung von Ve = 70 V, der untere Graph für eine Spannung von Ve = 120 V. - Wie aus Gleichung (A) abzulesen ist, ist die Speicherkapazität N+ der Speicherionenquellen vom Emissionsstrom Ie abhängig. Durch eine Erhöhung des Emissionsstroms vergrößert sich die Raumladungsdichte, wodurch sich mehr Ionen im negativen Raumladungspotential speichern lassen. Dieser 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. - 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 · 107. Das entspricht einer Ladung von Q+ = N+ e ≈ 2.0 · 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 1µA und maximal 15 mA, insbesondere minimal 5µA 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 · 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 10µA 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. - Die Fülldauer, d.h. die Zeit in der die negativen Elektronenraumladung vollständig durch gespeicherte Ionen kompensiert ist, ist abhängig von dem vorherrschendem Totaldruck in der Vakuumkammer. Variiert man die Sammelzeit tSammel, d.h. die Zeit in der Ionensammelprozess ungehindert stattfindet, so wird sich ein von dieser Sammelzeit abhängiges Signal einstellen, das mit fortschreitender tSammel entsprechend ansteigen wird, bis die Fülldauer tFüll erreicht ist, wie in
Fig. 10 dargestellt. - Ab einem bestimmten Zeitpunkt tFüll ist das Potentialminimum vollständig mit positiven Ladungen kompensiert und das Messsignal VFC nimmt einen konstanten Wert an.
- Ferner ist die Füllzeit tFüll 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 p1 > p2 ist somit eine abnehmende Fülldauer tFüll, 1 < tFüll, 2 zu beobachten, wobei sich der qualitative Verlauf dieser Kurven ähneln wird.
- An dieser Stelle ist zu betonen, dass die maximale Anzahl der bei einem Puls freigesetzten Ionen nur sehr schwach vom Druck abhängt. Denn die Speicherkapazität der Ionenquelle wird ausschließlich durch die Tiefe des von der negativen Raumladung gebildeten Potentials bestimmt. Wie in den 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. - 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 Nachweisfähigkeit der Anordnung für Ionen höherer Massezahl zu erhöhen. Andererseits kann dieser Effekt minimiert werden, indem die Ionenextraktion erfolgt, bevor die Potentialmulde vollständig aufgefüllt ist.
- Zur theoretischen Abschätzung der oben erwähnten Fülldauer tFüll 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 ρ = n · e und die mittlere Driftgeschwindigkeit v der jeweiligen Ladungsträger ausdrücken. Bezogen auf die vom Filament mit VFil in Richtung Anode emittierten Elektronen, kann man mithilfe der Beziehung
- 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 I+ fließen. Es lässt sich somit zusammenfassen:
-
- 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 I+ = 10-10 ... 10-6 A zu erwarten sind. Bei einem Emissionsstrom von Ie = 1 mA wird also nach etwa tFüll =10-3 ... 10-7 s das Potentialminimum im Anodenraum aufgefüllt sein.
- Durch das Schalten der Pulselektrode vom Anodenpotential auf ein 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.
- 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 ≈ -1·10-12 C des Potentialminimums mit fortschreitender Sammelzeit langsam auffüllen. Die gesammelte positive Ionenladung Q+ nimmt somit stetig zu und geht ab einer entsprechenden Zeit tFüll in einen konstanten Wert über. Bei dem hier gewählten Beispiel kann man somit aus dem Diagramm inFig. 11 die Fülldauer zu tFüll ≈ 50 µs bestimmen. - Mit der hier entwickelten Speicherionenquelle ist es möglich, unterschiedlich starke Ionenpulse in Abhängigkeit von der Sammelzeit in der Anode zu generieren. Die Speicherung wurde dadurch realisiert, dass eine niederenergetische Elektronendichte aufgrund von Raumladungseffekten ein ausreichend tiefes Potentialminimum innerhalb der, ansonsten auf dem konstanten Potential VAN liegenden, Anode bewirkt.
- In fortführenden Versuchen konnte die klare Abhängigkeit der, bis zur vollständigen Kompensation des Potentialminimums mit positiven Ionen, andauernden Zeit, der sog. Fülldauer, vom vorherrschenden Druck gezeigt werden, wie in
Fig. 12 gezeigt ist. - Daraus ergibt sich die Möglichkeit, die Speicherionenquelle als einen Totaldrucksensor zu nutzen und als Maß für den Druck die messtechnisch einfach zugängliche benötigte Fülldauer heranzuziehen. Wie in
Fig. 13 zu sehen ist, gibt es einen bei gleichbleibenden Betriebsparametern eineindeutigen Zusammenhang zwischen der Zeit zwischen zwei Extraktionspulsen, der in dieser Zeit gesammelten Ionenladung und dem vorherrschenden 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. - Ebenso ist aus
Fig. 13 ersichtlich, dass die benötigte Sammelzeit um bspw. 25 nVs Signal am Detektor zu erzeugen weniger als1 ms für Drücke p≥ 1E-7 mbar beträgt. Damit ist diese Vorrichtung zur Anwendung als "schneller" 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 Totaldrucksensor zeitgleich als ein Helium-Detektor zu nutzen, womit auch eine Heliumdichtheitsprüfung möglich ist. Dabei beträgt die den Messwerten inFig. 14 zu Grunde liegende Flugstrecke nur 2 cm, so dass der Sensor eine hohe Kompaktheit aufweist. - 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.
- 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, im Schutzbereich der Ansprüche, möglich. Diese ergeben sich ebenso aus den Unteransprüchen.
-
- 1
- Elektronenquelle
- 2
- Für Elektronen durchlässige Anode
- 3
- Negative ionisierende Raumladung
- 4
- Ionen-Speicherraum
- 5
- Pulsgitter
- 6
- Fokussierelektrode
- 7
- Mantelfläche
- 8
- Pulselektrode
- 9
- Ringfilament
- 10
- Wabenstruktur
- 11
- Hexagonale Durchbrüche
- 12
- Stege
- 13
- Repeller
- 14
- Flugzeit-Massenseparator
- 15
- Faraday-Cup bzw. -Becher
- 15a
- Schirmungsgitter
- 15b
- Metallplättchen
- 15c
- metallischer Becher
Claims (14)
- Vorrichtung zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre,umfassend eine Elektronenquelle (1) zum 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, wobei sich innerhalb des Ionen-Speicherraumes (4) keine weiteren Elektroden befinden und der Ionen-Speicherraum (4) ausschließlich infolge der durch die Elektronen erzeugten negativen Raumladungsverteilung eine für die durch Ionisation der Restgasatmosphäre erzeugten Ionen attraktive räumliche Potentialverteilung aufweist und Ionen speichert und die Anode (2) und die Pulselektrode (8) während des Speichervorgangs auf einem gleichen Potential liegen,wobei durch die negative Raumladung die Teilchen des Restgases ionisierbar sind und ein attraktives Potential für die gebildeten positiven Ionen ausbildbar ist, wobei die negative Raumladung einen Speicherbereich für die erzeugten Ionen bildet, mit einem Mittel zum Regeln des Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der Pulselektrode auf eine fest vorgegebene Stärke des gemessenen freigesetzten Ionenpaketes.
- Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
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. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
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,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Frequenz zum Schalten der Pulselektrode (8) minimal 0.1 Hz und maximal 1 MHz, insbesondere minimal 1Hz, und maximal 100 kHz, beträgt. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der durch die Elektronenquelle (1) erzeugte Elektronenstrom minimal 1µA und maximal 15 mA, insbesondere minimal 5µA und maximal 2mA , beträgt. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektronenquelle (1) als eine die elektronendurchlässige Anode (2) umgebende Glühkathode in Form eines Ringfilamentes (9) ausgebildet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
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. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die für die emittierten Elektronen durchlässige Anode (2) einen zylindersymmetrischen Aufbau aufweist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein in Flugrichtung der Ionen angeordneter Detektor zur Messung des Ionenstroms vorgesehen ist. - Verfahren zum Erzeugen, Speichern und gepulsten Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre mit den Verfahrensschritten:- Emittieren von Elektronen aus einer Elektronenquelle (1) und Beschleunigung in Richtung des Ionisationsraumes (4) durch die durchlässige Anodenanordnung (2),- Erzeugung einer negativen Raumladungswolke innerhalb des Ionisationsraumes aufgrund der sich durch den Ionisationsraum (4) bewegenden Elektronen,- Anlegen der Anodenanordnung (2) und einer Pulselektrode (8) während des Speichervorgangs auf ein gleiches Potential,- Stoßionisation von Gasmolekülen und/oder Gasatomen innerhalb des Ionisationsraumes (4) und Speichern der erzeugten positiv geladenen Ionen im attraktiven Potential der negativ geladenen Raumladungswolke als ein positiv geladener Ionenvorrat,- Schalten der Pulselektrode (8) auf ein Potential bezüglich des Anodenpotentials und Beschleunigen des im Potential der Raumladungswolke befindlichen Ionenvorrats heraus aus dem Ionisationsraum,- Extraktion mindestens eines Teils des gespeicherten Ionenvorrates in Form eines Ionenpaketes,wobei eine Bestimmung eines Totaldruckes ausgeführt wird,bei der das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der 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.
- Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
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. - Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die elektrische Ladung des freigesetzten Ionenpaketes über ein Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der Pulselektrode eingestellt wird, wobei die elektrische Ladung des Ionenpaketes proportional zur Länge des Zeitintervalls ist. - Verwenden einer Vorrichtung zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre nach Anspruch 1 und eines Verfahrens nach Anspruch 10 zur Bestimmung eines Totaldruckes.
- Verwenden einer Vorrichtung nach Anspruch 13 als Helium-Detektor, wobei ein Helium Signal von den anderen Restgasbestandteilen getrennt und detektiert wird.
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