WO2017211627A1 - Magnetfreie erzeugung von ionenpulsen - Google Patents

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WO2017211627A1
WO2017211627A1 PCT/EP2017/063084 EP2017063084W WO2017211627A1 WO 2017211627 A1 WO2017211627 A1 WO 2017211627A1 EP 2017063084 W EP2017063084 W EP 2017063084W WO 2017211627 A1 WO2017211627 A1 WO 2017211627A1
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WO
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ions
anode
electrons
ion
potential
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PCT/EP2017/063084
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English (en)
French (fr)
Inventor
Mihail Granovskij
Juraij BDZOCH
Sergej Uchatsch
Anton Zimare
Original Assignee
Vacom Vakuum Komponenten & Messtechnik Gmbh
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02Details
    • H01J49/10Ion sources; Ion guns
    • H01J49/14Ion sources; Ion guns using particle bombardment, e.g. ionisation chambers
    • H01J49/147Ion sources; Ion guns using particle bombardment, e.g. ionisation chambers with electrons, e.g. electron impact ionisation, electron attachment
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00Ion beam tubes
    • H01J27/02Ion sources; Ion guns
    • H01J27/08Ion sources; Ion guns using arc discharge
    • HELECTRICITY
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    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34Dynamic spectrometers
    • H01J49/40Time-of-flight spectrometers

Definitions

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

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Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre, umfassend 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, wobei sich innerhalb des Ionen-Speicherraumes keine weiteren Elektroden befinden und der Ionen-Speicherraum 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.

Description

Magnetfreie Erzeugung von Ionenpulsen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren hierfür mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Aus dem Stand der Technik sind bereits Vorrichtungen und Verfahren zum
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 ein 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 lonenspeicherraums erzeugt. Das dort offenbarte Verfahren hat den Nachteil, dass die erzeugten Ionen eine nur kurze Lebensdauer aufweisen können, da sie von der Speicherelektrode angezogen und neutralisiert werden. Damit sind die erzeugbaren Ionenströme, d. h. letztlich die Anzahl der gespeicherten Ionen proportional vom Druck der Restgasatmosphäre abhängig . Die dort offenbarte Anordnung ist zwar magnetfeldfrei, jedoch zeichnet sich auch die dort gezeigte Anordnung durch einen komplizierten Speicherelektrodenaufbau aus, wobei die dort notwendigen Beschleunigungsspannungen an der Elektronenquelle im
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.
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 Vorrichtung zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer Restgasatmosphäre umfasst eine Elektronenquelle zum Freisetzen von Elektronen und eine für die von der Elektronenquelle freigesetzten Elektronen durchlässige Anode mit einer durch die Elektronen gebildeten negativen Raumladung innerhalb eines von der Anode mindestens teilweise umgebenen Ionen-Speicherraums.
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 Raumlaudung.
Zur Ionenextraktion ist die Pulselektrode auf ein im Vergleich zur Anode negatives Potential schaltbar, wobei die gesammelten Ionen in Richtung der Pulselektrode extrahierbar sind . Die Frequenz zum Schalten der Pulselektrode beträgt zweckmäßigerweise minimal 0.1 Hz und maximal 1 M Hz, insbesondere minimal 1 Hz, und maximal 100 kHz.
Insbesondere beträgt der durch die Elektronenquelle erzeugte Elektronenstrom minimal ΙμΑ und maximal 15 mA, insbesondere minimal 5μΑ 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 Verfahrensschritten : Es erfolgt 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 . Bei einer Abwandlung des Verfahrens kann neben dem Freisetzen des
Ionenpakets auch eine Bestimmung eines Totaldruckes ausgeführt werden. Dabei wird das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der Pulselektrode auf eine fest vorgegebene Stärke des gemessenen freigesetzten Ionenpaketes geregelt, wobei das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen der Pulselektrode ein Maß des zu messenden Totaldrucks ist. Aufgrund der vom Druck unabhängigen Stärke des Ionenpaketes kann die
Ionenquelle in einem sehr weiten Druckbereich von le-12 mbar bis 2e-2 mbar betrieben werden. Die Vorrichtung und das Verfahren sollen nachfolgend anhand von
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 in Fig. 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 VPU|S 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 Vpuis werden die akkumulierten Ionen aus der Anode gezogen. Es entsteht ein für die positiven Ionen attraktives Potential, das die gesammelten Ionen in den Flugzeit-Massenseparator hinaus extrahiert und beschleunigt. In diesem werden die Ionen entsprechend ihrer Masse nach dem Prinzip der TOF
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 tT0F, 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 einer geringere Geschwindigkeit als masseärmere Ionen aufweisen und somit später, d. h. nach den masseärmeren Ionen, am Detektor eintreffen. Nach einer zeitaufgelösten Detektion am Faraday-Cup wird nun den jeweiligen Flugzeiten eine Masse zugeordnet und somit einen Rückschluss auf die in der Vakuumkammer vorherrschende Restgaszusammensetzung gezogen.
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 Metallplättchen 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 gegeben Abstand rAN lässt sich das Potential in Fig . 6 gezeigt graphisch darstellen.
Das vom Radius r abhängende Potential lässt sich durch folgenden Verlauf annähernd darstellen :
Innerhalb der Elektronendichte mit dem Radius r0 nimmt das Potential für r < r0 folgenden Verlauf an :
Figure imgf000018_0001
Außerhalb der Elektronendichte, für r > r0, kann das Potential wie folgt angesetzt werden :
Figure imgf000018_0002
Es ist deutlich zu sehen, dass die Tiefe des Potentialminimums stark von Radius der Elektronendichte abhängig ist. So resultiert bspw. bei einer Elektronendichte vom Radius r0 = 6mm ein Potentialminimum von VAN von ca. 2V, wohingegen eine auf den Radius r0 = 1mm fokussierte Elektronendichte bereits ein Potentialminimum von VAN von ca. 8V generiert. Es ist somit eine vorteilhafte Ausgestaltung, die vom Filament emittierten Elektronen in einem ausreichenden Maße zu fokussieren, um eine wirksame Speicherung der Ionen innerhalb des Potentialminimums zu gewährleisten. In Fig. 1 sind die Fokussierelektroden 6 schematisch angedeutet. Wird die Fokussierelektrode 6 auf ein Potential kleiner und gleich der Potential der Elektronenquelle 1 gelegt, werden die aus der Elektronenquelle 1 austretenden Elektronen in Richtung der Anode fokussiert.
Zur rechnerischen Abschätzung der maximal speicherbaren Anzahl an Ionen, d . h. der Speicherkapazität N+ der Speicherionenquelle, kann in guter Näherung davon ausgegangen werden, dass eine Elektronendichte der Stromdichte je = pe ' ve eine negative Ladung von Qe = pe 'V innerhalb eines Volumens V = A AL enthält. A ist hierbei die Gitterfläche, durch die die Elektronen in den
Anodenraum gelangen können, und AL entsprechend die Länge, die durch die Elektronen innerhalb der Anode zurückgelegt wird .
Zieht man die kinetische Energie der Elektronen nach Verlassen des
Filamentes in Betracht, lässt sich die Ladungsdichte der Elektronen schreiben zu :
Figure imgf000019_0001
Dabei ist Ve = VAN - VFN die auf die Elektronen wirkende
Beschleunigungsspannung aufgrund des Potentialunterschiedes zwischen Anode und Filament. Weiterhin gilt für die negative Ladungsdichte:
Figure imgf000019_0002
Werden beiden Gleichungen gleichgesetzt und nach der Anzahl der Elektronen Ne aufgelöst, so erhält man :
(A)
Figure imgf000019_0003
Die maximale Speicherkapazität ergibt sich dann, wenn die Anzahl der erzeugten Ionen N+ gleich der Anzahl der Elektronen Ne ist und somit N+ = Ne gilt. Fig. 7 zeigt hier die Abhängigkeit der Anzahl der speicherbaren Ionen Q+ = N+e vom Emissionsstrom Ie für zwei verschiedene auf die Elektronen wirkende
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 1 107. Das entspricht einer Ladung von Q+ = N+ e « 2.0 1 10"12 C, die innerhalb einer Elektronendichte mit einer Stromstärke von Ie = 1mA maximal gespeichert werden kann. Allgemein beträgt der durch die Elektronenquelle 1 erzeugte Elektronenstrom minimal ΙμΑ und maximal 15 mA, insbesondere minimal 5μΑ und maximal 2mA . Die zum Erzeugen dieser Emissionsströme benötigte Heizleistung ist hinreichend gering, um lediglich einen geringen Leistungs- und Hitzeeintrag in die gesamte Anordnung und die angrenzende Vakuumkammer zu bewirken. Die erzeugten Ladungsmengen von Q+ « 2.0 1 10"12 C sind hinreichend hoch, um von einfachen Detektoren (bspw. nach Art eines Faraday-Cup) mit hinreichendem Signal-Rausch-Abstand detektiert zu werden. Ferner zeigt Fig. 8, dass bei einer Vergrößerung der Beschleunigungsspannung von 70 V auf 130 V die Speicherkapazität verkleinert wird, da die schnelleren Elektronen eine geringere negative Raumladung erzeugen. Außerdem kann bei den gewählten Beschleunigungsspannungen mit einem Emissionsstrom im Bereich 10μΑ bis 5mA eine Ladung von ca. 10"14 C bis 10"11 C gespeichert werden. Diese Ladungsmengen können ohne zusätzliche aufwendige Apparaturen, wie z. B. einem Sekundärelektronenvervielfacher, mit einem einfachen Faraday-Cup bei einem guten Signal-Rauschabstand detektiert werden.
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 sammei, d.h. die Zeit in der Ionensammelprozess ungehindert stattfindet, so wird sich ein von dieser Sammelzeit abhängiges Signal einstellen, das mit
fortschreitender tSammei entsprechend ansteigen wird, bis die Fülldauer tFÜM erreicht ist, wie in Fig. 10 dargestellt.
Ab einem bestimmten Zeitpunkt tFÜM ist das Potentialminimum vollständig mit positiven Ladungen kompensiert und das Messsignal VFC nimmt einen
konstanten Wert an.
Ferner ist die Füllzeit tFÜM auch vom vorherrschenden Druck p abhängig, da bei höheren Drücken entsprechend mehr Neutralgasteilchen vorhanden sind, die nach der Ionisation das Potentialminimum schneller auffüllen können. Bei einem zunehmenden Druck Pi > p2 ist somit eine abnehmende Fülldauer tFÜM/ ! < tFÜM/ 2zu beobachten, wobei sich der qualitative Verlauf dieser Kurven ähneln wird.
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 diese Effekt minimieren werden, indem die Ionenextraktion erfolgt, bevor die Potentialmulde vollständig aufgefüllt ist.
Zur theoretischen Abschätzung der oben erwähnten Fülldauer tFÜM kann man sich erneut grundlegender Zusammenhänge bedienen. Ausgangspunkt ist wieder die elektrische Stromdichte j, die das Verhältnis der Stromstärke I zu einer ihr zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche A beschreibt. Weiterhin lässt sich die Stromdichte über die Raumladungsdichte p = n e und die mittlere
Driftgeschwindigkeit v der jeweiligen Ladungsträger ausdrücken. Bezogen auf die vom Filament mit VFM in Richtung Anode emittierten Elektronen, kann man mithilfe der Beziehung
Figure imgf000022_0001
also schreiben :
Je =— = Pe - v = neeve
A
Stellt man obige Gleichung nach ne um und multipliziert mit dem Volumen V erhält man die Anzahl freier Elektronen Ne innerhalb des betrachteten Volumens. Diese generieren, wie weiter oben beschrieben, eine negative Ladung Qe = Ne e. Um diese Ladung mit einer entsprechend positiven Ladung Q+ zu kompensieren, d.h. das Potentialminimum aufzufüllen, muss über eine entsprechende Zeit t der positive Ionenstrom 1+ fließen. Es lässt sich somit zusammenfassen :
Qe = Nee=Q+ = I+ t
Die Zeit tFÜN, die benötigt wird, um die negative Ladung der Elektronen mit entsprechend positiven Ionen aufzufüllen beträgt damit:
tii
Figure imgf000022_0002
Somit wird die Abhängigkeit der Fülldauer von Totaldruck deutlich. Eine graphische Darstellung dieser Abhängigkeit ist in Fig. 11 dargestellt. Für die Druck-abhängige Fülldauer wird ersichtlich, dass bei Druckbereichen von p = 10"7 . . . 10"3 mbar Ionenströme von etwa 1+ = 10"10 . . . 10"6 A zu erwarten sind . Bei einem Emissionsstrom von Ie = 1 mA wird also nach etwa tFÜN = 10"3 . . . 10"7 s das Potentialminimum im Anodenraum aufgefüllt sein. Durch das Schalten der Pulselektrode vom Anodenpotential auf ein bspw.
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 « - Γ 10"12 C des Potentialminimums mit fortschreitender Sammelzeit langsam auffüllen. Die gesammelte positive Ionenladung Q+ nimmt somit stetig zu und geht ab einer entsprechenden Zeit tFÜM in einen konstanten Wert über. Bei dem hier gewählten Beispiel kann man somit aus dem Diagramm in Fig. 11 die
Fülldauer zu tFÜN « 50 ps 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 zusehen ist gibt es einen bei gleichbleibenden Betriebsparametern eineindeutigen Zusammenhang zwischen der Zeit zwischen zwei Extraktionspulsen, der in dieser Zeit
gesammelten Ionenladung und dem vorherrschendem Totaldruck. Über eine entsprechende Auswerteelektronik kann daher aus der gesamten extrahierten Ionenladung und der eingestellten Zeit zwischen den Extraktionspulsen ein Rückschluss auf den vorherrschenden Totaldruck gezogen werden.
Ebenso ist aus Fig. 13 ersichtlich, dass die benötigte Sammelzeit um bspw.
25 nVs Signal am Detektor zu erzeugen weniger alsl ms für Drücke p> 1 E-7 mbar beträgt. Damit ist diese Vorrichtung zur Anwendung als„schneller"
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 in Fig. 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 möglich. Diese ergeben sich ebenso aus den Unteransprüchen.
Bezugszeichenliste
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

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Erzeugen, Speichern und Freisetzen von Ionen aus einer
Restgasatmosphäre,
u mfassend
eine Elektronenq uelle (1) zu m Freisetzen von Elektronen, eine für die von der Elektronenquelle (1) freigesetzten Elektronen durchlässige Anode (2) mit einer durch die Elektronen gebildeten negativen Raumladungsverteilung (3) innerhalb eines von der Anode (2) mindestens teilweise umgebenen Ionen-Speicherraums (4) und einer von der Anode (2) elektrisch isolierten Pulselektrode (8) zum Extrahieren der Ionen aus dem Speicherraum ,
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.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anode (2) und Pulselektrode (8) während des Speichervorgangs auf dem gleichen Potential liegen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
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.
4. 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.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der durch die Elektronenquelle (1) erzeugte Elektronenstrom minimal ΙμΑ und maximal 15 mA, insbesondere minimal 5μΑ und maximal 2mA , beträgt.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die für die an der Elektronenquelle (1) erzeugten Elektronen auf Grund der Potentialdifferenz zwischen Elektronenquelle (1) und Anode (2) wirksame Beschleunigungsspannung minimal 30V und maximal 400V, insbesondere minimal 70V und maximal 150V, beträgt.
7. 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.
8. 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.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die für die emittierten Elektronen durchlässige Anode (2) einen
zylindersymmetrischen Aufbau aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein in Flugrichtung der Ionen angeordneter Detektor zur Messung des Ionenstroms vorgesehen ist.
11. 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 durchlässigen Anodenanordnung (2),
- Erzeugung einer negativen Raumladungswolke innerhalb des
Ionisationsraumes aufgrund der sich durch den Ionisationsraum (4) bewegenden Elektronen,
- 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 einer 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.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
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.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, 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.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Bestimmung eines Totaldruckes ausgeführt wird, wobei bei einem fest vorgegebenen Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden
Schaltvorgängen der Pulselektrode eine Stärke des freigesetzten
Ionenpaketes gemessen wird, wobei die Stärke des Ionenpaketes ein Maß des zu messenden Totaldrucks ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Bestimmung eines Totaldruckes ausgeführt wird, wobei 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.
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