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    • 专利摘要:

    公开号:WO1987007978A1
    申请号:PCT/T1987/000037
    申请日:1987-06-19
    公开日:1987-12-30
    发明作者:Werner Lindinger
    申请人:Werner Lindinger；
    IPC主号:H01J49-00
    专利说明:
    [0001] Verfahren zur Überprüfung der Energie eines Ionenstrahtes Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung bzw. Einstellung des genauen Wertes der generell unter 2 eV liegenden Energie der von einer Ionenquelle ausge- Λ sandten und in Form eines Strahles in eine Reaktions-
    [0002] 5 kammer gelangten Ionen, welche in der Reakticnskamrner Ionen- Molekülreaktionen verursachen, deren Reaktionsprodukte massenspektrographisch nachweisbar sind.
    [0003] Bei der Untersuchung von Ionen-Molekülreaktionen werden Ionen (z.B. Kr+, He+) definierter Energie auf neutrale
    [0004] 10 Moleküle gerichtet. Die Wechselwirkung zwischen Ionen und Molekül kann dabei im einfachen Ladungsaustausch bestehen. Es kann jedoch auch zu einer chemischen Ver¬ änderung des getroffenen Moleküls, z.B. durch Dissoziation, kommen. Masse und Ladung der Reaktions-
    [0005] 15 produkte lassen sich in einem Massenspektrometer ana¬ lysieren. Dies geschieht heute primär zu dem Zweck, die Wirkungsquerschnitte der Verschiedenen Ionen-Molekül- reaktionen bei verschiedenen Energien festzustellen.
    [0006] Die Anwendung des geschilderten Verfahrens auf die 20 Analyse der Zusammensetzung des mit Ionen beschossenen Gases, insbesondere auf die Messung von Luftverunreini¬ gungen, ist nur unter ganz bestimmten Bedingungen mög¬ lich. Um mit einem einzigen Ionenstrahl die Abgase von Verbrennungsprozessen simultan auf CO, NO und N02 unter- 25 suchen zu können, ist die Verwendung einer Ionenquelle wesentlich, welche Ionen mit einer Energie unter 2 eV aussendet, welche einerseits die relevanten Schadstoffe ionisieren, andererseits aber die Komponenten des Gas¬ gemisches nicht dissoziieren. Dabei ist darauf zu achten, 30 daß die Ionen-Molekülreaktion unter Einzelstoßbedingungen im Vakuum erfolgt. Die erzeugten Produkt-Ionen sollen "^ also nicht ihrerseits wieder auf schwer kontrollierbare
    [0007] Weise Folgeprodukte erzeugen.
    [0008] Auch in jenen Fällen, in denβiMolekülreaktionen der 35 beschriebenen Art lediglich zur Messung von Luftver- unreinigungen herangezogen werden und Einzelheiten der Reaktion als solcher nicht weiter interessieren, ist es doch notwendig, die Energie der auf das zu untersuchende Gas auftreffenden Ionen auf einem vorbestimmten Wert zu halten, da die Erzeugungsrate der Produkt-Ionen unter- _ schiedlich energieabhängig ist. Eine direkte Messung der Spannung zwischen Emissionsfaden der Ionenquelle und Reaktionskammer ist daher nur ü.r eine Großein¬ stellung der Ionenenergie zielführend, da bereits kleine Veränderungen der Oberflächenbelegungen (wie sie insbe¬ sondere beim Vorhandensein verschiedener Gasverunreini¬ gungen gegeben sind) in Blendensystemen in der Ionen¬ quelle bzw. auch in der Reaktionskammer zu Änderungen der Kontaktpotentiale in der Größenordnung von mehreren 0.1 V führen, womit die Energie der Ionen um ebensoviele 0.1 eV verändert wird.
    [0009] Das bei def wissenschaftlichen Untersuchung von Molekül¬ reaktionen häufig angewendete Verfahren, die Energie der zur Untersuchung dienenden Ionen zu vereinheitlichen, indem diese durch ein Puffergas geleitet werden, scheidet im vorliegenden Fall aus, wo ein Ionenstrahl in einer weitgehend evakuierten Reaktionskammer Reaktionen hervor¬ rufen soll. Die in solchen Fällen bereits vorgeschlagene Anwendung elektrischer und magnetischer Felder zur Aus- blendung eines Teiles des Ionenstrahls in Abhängigkeit von seiner Energie ist für kommerzielle Anwendungen auf Ionen-Molekülreaktionen zu teuer.
    [0010] Die Er indung geht vom Grundgedanken aus, gerade die Energieabhängigkeit von Ionen-Molekülreaktionen, welche der Grund dafür ist, warum die Stabilisierung der Ionen¬ energie als so wichtig angesehen wird, für diese Stabili¬ sierung heranzuziehen. Um diesen Gedanken durchführen zu können, mußten Größen gesucht werden, die zwar von der Energie der eingestrahlten Ionen, nicht aber vom Absolut- wert des Produkt-Ionenstroms abhängen. Dieser Absolutwert hängt nämlich von verschiedenen Größen ab, etwa der Geometrie der Anordnung, der Intensität des Ionenstroms, der Dichte des untersuchten Gases usw. , und erlaubt daher keine einfachen Rückschlüsse auf die Ionenenergie.
    [0011] Erfindungsgemäß ist zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgesehen, daß ein Eichgas in die Reaktionskammer ge¬ füllt wird und daß die Spannung, welche die Ionen zwischen Ionenquelle und Reaktionskammer beschleunigt, so lange verändert wird, bis das energieabhängige Ver¬ hältnis der Produktionsraten zweier Reaktionsprodukte einen vorgegebenen Wert annimmt oder bis die unter Auf¬ treten eines Extremums energieabhängige Produktionsrate eines Reaktionsproduktes dieses Extremum erreicht.
    [0012] Die beiden möglichen Verwirklichungen des Erfindungsge¬ dankens, nämlich Messung eines energieabhängigen Ver- hältnisses von Produktionsraten oder Aufsuchen des
    [0013] Extremwertes einer Produktionsrate werden anschließend anhand des für die Praxis besonders wichtigen Beispiels beschrieben, bei- welchem die Ionenquelle Kr+-Ionen aus¬ sendet und als Eichgas Luft verwendet wird.
    [0014] Die Beschreibung erfolgt anhand von Diagrammen, wobei
    [0015] Fig. 1 die Reaktionsrate für Kr+ und 02 + nach T.T.C.Jones, Thesis Univ. Aberystwyth 1982, und Fig. 2 die Reaktions¬ rate für den Übergang der Krypton-Ionen zwischen verschied Spinzuständen infolge von Stößen an N2 darstellt.
    [0016] Die detaillierte Beschreibung der zur Durchführung des Verfahrens verwendeten Einrichtung kann unterbleiben, da diese an sich bereits bekannt sind. Beispielsweise findet sich eine schematische Darstellung einer ver¬ wendbaren Anordnung zusammen mit Literaturhinweisen, welche einzelne Details erläutern, in einer Arbeit von H. Villinger, J.H. Futrell, A. Saxer, R. Richter und W. Lindinger in J. Chem. Phys. 80 (6), 15. März 1984. Die verwendeten niederenergetischen Krypton-Ionen können dabei mit einer Ionenquelle erzeugt werden, die auf dem Prinzip des Elektronenstroßes basiert. Derartige Ionen¬ quellen werden beispielsweise von der Firma Balzers unter der Bestellnummer BG 528 370 T vertrieben. Ein an die Ionenquelle anschließendes Oktopol-System erzeugt ein 5 hochfrequentes Feld, welches den Ionenstrahl am Aus¬ einanderlaufen hindert. Anschließend gelangen die Ionen in die Reaktionskammer, in welche das zu untersuchende Gas eingeführt wird. Zur Untersuchung des aus der Reaktionskammer kommenden Strahls dient ein Quadrupol-
    [0017] 10 Massenspektrometer, welches nur Ionen bestimmter Masse zu einer bekannten Auswerteelektronik durchläßt. Die Dichte des zu untersuchenden Gases im Reaktionsbereich liegt typischerweise in der Größenordnung von 10 Torr, wogegen im Bereich der Ionenquelle und des Massen-
    [0018] 15 spe'ktrometers die freie Weglänge des Gases größer sein soll als die Geräteabmessungen, also ein Vakuum von
    [0019] _5 beispielsweise 10 Torr aufrechterhalten wird.
    [0020] « Um die Energie der Krypton-Ionen auf einem niedrigen reproduzierbar einstellbaren Wert zwischen 0.2 und 20 0.5 eV zu halten, wird von Zeit zu Zeit normale, nicht verunreinigte atmosphärische Luft in die Reaktionskammer eingefüllt, die Produktionsraten für 02 + und C02 + werden gemessen. Die als Eichgas verwendete Luft enthält 78.084 Volums-% N2 25 20.946 -"- 02
    [0021] 0.934 -"- Argon 0.033 -"- C02 sowie H20 und in diesem Zusammenhang vernachlässigbare Spurmengen anderer Gase.
    [0022] 30 Während Kr+ bei niederenergetischen Stößen (KE <1.5 eV) nicht mit N2 bzw. Ar reagiert, führt es sowohl mit 02 , wie auch mit C02 Ladungstauschprozesse durch, wobei im Falle von 02 die Reaktionsraten sowohl von der kinetische Energie der Stoßpartner, wie auch vom Spinzustand der
    [0023] 35 Kr Ionen abhängen. Diese Abhängigkeit ist in Fig. 1 dar- gestellt, wo sich die geschwärzten Meßwerte auf den Spinzustand 3/2, die weiß dargestellten Daten auf den Spinzustaηd 1/2 beziehen. Für C02 gilt k = 6.3 x 10~10cm3 sec"1,unabhängig von KE^ und dem Spin- zustand der Kr -Ionen. In dem aus der Ionenquelle kommenden Ionenstrahl sind Kr+ ( P-, / ) und Kr+ ( P3/2^ im statistischen Verhältnis 1 : 2 präsent und dieses Verhältnis ändert sich auch nicht im Reaktionsraum, obwohl pro reaktivem Stoß eines Kr+-Ions mehrere Stöße gegen N2 erfolgen. Die Quenchrate, k , für die Über- führung des energetisch höherliegenden Kr +(2P . ) in
    [0024] Kr+(2P3/2),
    [0025] Kr+(2P1/2) + N2 κr+(2P3/2) + N2
    [0026] ist klein genug (siehe Fig. 2), sodaß sich das Verhältnis
    [0027] + 2 + 2 Kr ( P-j /g) : Kr ( P3/2) trotz der Dominanz von Na im
    [0028] Eichgas nicht wesentlich ändert. Somit ergibt sich ein
    [0029] Verhältnis der Produkt-Ionenströme i(02 +) : i(C02 +), wie'
    [0030] «Λ*)
    [0031]
    [0032] Da wie erwähnt die Erzeugungsrate von i(C02 ) konstant ist, verändert sich das Verhältnis der Produkt-Ionen¬ ströme i(02 +) gemäß Fig. 1, wobei der linke i(C02 +) Ast der weiß dargestellten Meßwerte praktisch zu vernach¬ lässigen ist. Diese Abhängigkeit kann herangezogen wer¬ den, um durch Messung des Produkt-Ionen-Verhältnisses bei sauberer trockener Luft als Eichgas die Energie der Krypton-Ionen festzustellen, woraufhin dann die Zieh¬ spannung oder die Blendenspannung der Ionenquelle so lange verändert wird, bis der gewünschte Wert erreicht ist. Beschränkt man sich darauf, bei einem festen Wert der
    [0033] Ionenenergie voh~Ö.3 eV zu arbeiten, so genügt es, lediglich den Produkt-Ionenstrom i(02 ) zu messen und die Spannung so lange zu verändern, bis dieser sein Minimum erreicht.
    [0034] Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungs¬ beispiel beschränkt. Beispielsweise wäre es möglich, bei Verwendung von Stickstoff als Eichgas das Verhältnis von N2 , welches überwiegend bei niederer Energie und N+, welches überwiegend bei höherer Energie erzeugt wird, in ähnlicher Weise heranzuziehen.
    权利要求:
    ClaimsP at e n t an s p rüc he :
    1. Verfahren zur Überprüfung bzw. Einstellung des genauen Wertes der generell unter 2 eV liegenden Energie der von einer Ionenquelle ausgesandten und in Form eines Strahles in eine Reaktionskammer gelangten Ionen, welche in der Reaktionskammer Ionen-Mole¬ külreaktionen verursachen, deren Reaktionsprodukte massenspektrographisch nachweisbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eichgas in die Reaktions- kammer gefüllt wird und daß die Spannung, welche die Ionen zwischen Ionenquelle und Reaktionskammer be¬ schleunigt, so lange verändert wird, bis das energie¬ abhängige Verhältnis der Produktionsraten zweier Reaktionsprodukte einen vorgegebenen Wert annimmt oder bis die unter Auftreten eines Extremums, energie¬ abhängige Produktionsrate eines Reaktionsproduktes dieses Extremum erreicht.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle Kr -Ionen aussendet und als Eichgas Luft verwendet wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ddaaßß ddiiee IIoonneennqquueellllee NNee+--IIooιnen aussendet und als Eichgas N2 verwendet wird.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    ATA168086A|1987-04-15|
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1987-12-30| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): JP US |
    1987-12-30| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE FR GB IT LU NL SE |
    1988-02-17| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1987904010 Country of ref document: EP |
    1988-06-22| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1987904010 Country of ref document: EP |
    1990-01-03| WWG| Wipo information: grant in national office|Ref document number: 1987904010 Country of ref document: EP |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    ATA1680/86||1986-06-20||
    AT168086A|AT384491B|1986-06-20|1986-06-20|Verfahren zur ueberpruefung der energie eines ionenstrahles|DE19873761347| DE3761347D1|1986-06-20|1987-06-19|Verfahren zur ueberpruefung der energie eines ionenstrahles.|
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