DE4331002A1 - Laser-Massenspektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laser- Massenspektrometer, bei welchem an einer Materialprobe mittels eines Laserstrahles ein Ionenplasma erzeugt wird, welches Material der Probe in Form von positiven Ionen in Richtung eines Detektors emittiert und diese Ionen durch elektrisch gleichsinnig geladene Gitter (sogenanntes Reflektron) auf den Detektor abgelenkt werden. Das die Ionen spezifizierende Atomgewicht wird aus der Flugzeit, die zwischen Plasmaerzeugung und Detektorsignal verstrichen ist, abgeleitet und ist für jede Atommasse unterschiedlich, da die Flugzeit der Ionen wegen des Reflektrons außer von dem Ionisierungsgrad nur von der Ionenmasse abhängt. Die Stärke des Detektorsignals ist der Ionenzahl proportional.

Solche Lasermassenspektrometer sind Stand der Technik und zum Beispiel in

• a) "Laser Micro Analysis", Lieselotte Moenke-Blankenburg, Volume 105 in Chemical Analysis, A Series of Monographs on Analytical Chemistry and its Applications Verlag John Wiley & Sons, New York, 1989, ISBN 0-471-63707-6
• b) "Laser and Mass Spectrometry", Seite 105 Herausgeber: David M. Lubman, Verlag: Oxford University Press, 1990 New York, Oxford
• c) "Recent Developments of Laser Microprobe" Mass Analysers, Lamma 500 and 1000, Autor: W.H. Guest International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes Vol. 60, 1984, page 189-199, Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam beschrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laser-Massenspektrometer aufzuzeigen, welches aufgrund seiner speziellen Anordnung von Laser, Ionenoptik, Detektor und Probenanordnung sowie insbesondere auch seiner speziellen Ausgestaltung des Reflektrons eine hohe Reproduzierbarkeit der Messergebnisse erlaubt, eine hohe Massenauflösung (typisch etwa 800) aufweist, und eine Empfindlichkeit der gesamten Anordnung im Bereich von 1 ppm oder besser besitzt. Das Massenspektrometer soll zudem die Messung von Massenspektren fester Proben beliebiger Zusammensetzung erlauben, wobei die Massenspektren nur Element- oder Isotopenlinien besitzen sollen, um durch die Unterdrückung von Molekül- oder Fragmentlinien eine einfache Interpretation der Elementzusammensetzung der Probe sicherzustellen. Ebenso soll die Anordnung neben einem hohen Grade von Miniaturisierbarkeit insbesondere lokale Messungen erlauben (zum Beispiel sollen gezielt Massenspektren von Fehlstellen in einer Probe aufgenommen werden können) sowie Tiefenprofilmessungen im Bereich bis zu etwa 1 mm bei einer probenmaterialabhängigen Tiefenauflösung bis unter 0.05 µm ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 formulierte erfindungsgemäße Anordnung in überraschend einfacher Weise gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Anordnung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 Laser-Massenspektrometer in erfindungsgemäßer Anordnung,

Fig. 2 Laser-Massenspektrometer nach dem Stande der Technik (entnommen: Laser and Mass Spectrometry, Seite 105, Herausgeber: David M. Lubman, Verlag: Oxford University Press, 1990 New York, Oxford),

Fig. 3 Detailskizze der Reflektron- und Detektoranordnung der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 4 Detailansicht der Probenkammer und des Proben- Manipulators der erfindungsgemäßen Anordnung, wobei der Probenteller in die Meßanordnung eingeschwenkt ist,

Fig. 5 Eine Aufsicht auf den Schwenkmechanismus des Probenträgers,

Fig. 6 Eine weitere Detailskizze der Probenkammer, wobei der Probenträger zur Probenentnahme oder zum Probenwechseln aus der Meßanordnung ausgeschwenkt ist und die Proben über eine Vakuumschleuse zugänglich sind,

Fig. 7 Typisches Massenspektrum, gemessen mit der erfindungsgemäßen Anordnung.

Laser-Massenspektrometer sind seit mehreren Jahren bekannt (vgl. Fig. 2). Die herkömmlichen Anordnungen nach dem Stande der Technik (vgl. Druckschrift a-c) haben jedoch den Nachteil, daß der das Plasma erzeugende Laserstrahl nicht senkrecht sondern unter einem Einfallswinkel von <90 Grad auf die Probe trifft. Den Grund hierfür erkennt man in Fig. 2. Der Spiegel, mit dem das Laserlicht auf die Probe gelenkt wird, würde bei einem Auftreffwinkel von 90 Grad den Ionen im Wege stehen, die aus dem Plasma herausgeschleudert und auf dem Wege zu dem Reflektron sich befinden. Daher wird bei den bisherigen Geräten gewöhnlich der Spiegel seitlich versetzt angebracht. In Fig. 2 ist dies in der seitlichen Aufsicht nicht erkennbar (der Spiegel ist auf den Betrachter zu verschoben). Aufgrund von Stabilitäts­ schwankungen insbesondere der Strahllage des das Plasma erzeugenden Lasers wird das Plasma in einem relativ unscharfen Bereich der Probe erzeugt, so daß die hierbei gewonnenen Ergebnisse keine sehr hohe Reproduzierbarkeit aufweisen.

Aufgrund des langen Flugweges zwischen Probe und Detektor muß nach dem Stande der Technik der Ionenstrahl durch zusätzliche elektrostatische Platten (sogenannte Deflektoren) justiert werden. Ebenso ist die Massenauflösung herkömmlicher Anordnungen auf den Bereich von 200-400 beschränkt; eine verbesserte Massenauflösung erfordert eine gute Optimierung der Gitterabstände des Reflektrons sowie der Ausgestaltung der gesamten Anordnung inklusive der Strahlführung und Auswahl des Lasers. Weiterhin verhindert, durch den bei herkömmlichen Anordnungen verwendeten streifenden Einfall des Lasers unter einem Winkel von ca. 45 Grad, die Abschattung des Plasmas im Bereich der Kraterkante am Ort des Plasmas die Aufnahme von Tiefenprofilen bei repetierenden Messungen; auch ist die genaue Lokalisierung des Meßortes durch eine nach dem Stande der Technik seitlich angebrachte Beobachtungsmimik nur schlecht möglich.

Diese Nachteile des Standes der Technik werden in der erfindungsgemäßen Anordnung in überraschend einfacher Weise gelöst. Hierzu wird, wie in Fig. 1 der Anmeldeschrift gezeigt, der das Plasma erzeugende Laserstrahl (13) senkrecht auf die auf einem Probenteller (11) angeordnete Probe fokussiert. Zum einen wirken sich Strahlwanderungen des Lasers nur noch minimal aus (im Falle streifenden Einfalles ergibt sich die Ablenkung des Laserstrahles auf der Probe aus dem Versatz des Laserstrahls senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung dividiert durch den Sinus des Winkels zwischen Probenoberfläche und Einfallsrichtung des Laserstrahles auf die Probe); weiterhin kann ohne Abschattungseffekt repetierend in dem, bei der ersten Plasmaerzeugung an dieser Stelle entstandenen, Krater ein oder mehrere weitere Plasmen erzeugt werden.

Hierzu ist es allerdings notwendig, den Laserstrahl durch den Detektor (7) und die Analysiergittereinheit (8) sowie durch die das Reflektron (6) bildenden Reflektrongitter hindurch zu führen. Während die Reflektrongitter keine wesentliche Abschattung für den Laserstrahl hervorrufen, muß der Detektor (typischerweise ein sogenanntes Micro- Channel-Plate) mit einem Loch zur Strahldurchführung versehen werden. Selbstverständlich können bei Bedarf auch die Reflektrongitter am Ort des Strahldurchtritts mit einem solchen Loch versehen oder gar gitterlose Reflektrons eingesetzt werden. Diese Strahldurchführung durch den Detektor sowie die Führung des Laserstrahles werden nun weiter so vorgenommen, daß bei vorzugsweise rundem Detektor und vorzugsweise runden Reflektrongittern eine kreissymmetrische Anordnung von Reflektron-Gittern Detektor und Laserstrahl gemäß der Fig. 1 erzielt wird. Dies hat den Vorteil, daß diese Anordnung den natürlicherweise raumkegelförmig aus der Probenoberfläche austretenden Ionen in seiner Kreis (respektive Kegel-)­ symmetrie angepaßt ist. So können einerseits möglichst alle aus der Probe austretenden Ionen zum Detektor ge­ langen, andererseits ist die Detektorfläche in Hinblick auf den Ionen-Austrittskegel minimiert, so daß keine unnötige, von den Ionen nicht treffbare, Detektorfläche das Grundrauschen des Detektors erhöhen könnte. Auf diese Weise wird eine hohe Empfindlichkeit der Anordnung erreicht. Erfindungsgemäß kann kolinear zu dem Laserstrahl (13) ein Mikroskop (14) angeordnet werden, so daß ein Benutzer der Anordnung kolinear mit dem Laserstrahl senkrecht auf die Probenoberfläche schauen und den Ort der Untersuchung genau festlegen kann. Da die Wellenlänge des erfindungsgemäß verwendeten Lasers vorzugsweise im Infraroten liegt, kann durch entsprechende Beschichtungen und Auswahl der Gläser das Laserlicht vom Beobachtungsmikroskop abgeblockt werden. Die Probe kann durch in der Vakuumkammer oder außerhalb dieser angebrachten Beleuchtungseinrichtungen erhellt werden. In Fig. 1 ist dies so ausgeführt, daß eine Mikroskopanordnung (14) mit einem Umlenkprisma oben auf den Gerätekopf (15) aufgesetzt ist und eine seitlich angeflanschte Lasereinheit (19) so angeordnet ist, daß mittels eines weiteren Umlenkprismas oder Spiegels (5) der Laserstrahlengang bei Bedarf in die Anordnung einrastend eingeschwenkt werden kann. Im Falle eines für die Laserwellenlänge reflektierenden und für den sichtbaren Bereich transmittierenden Spiegels (Kurzpaßfilter) oder eines Spiegels mit äquivalenten Eigenschaften bei anderer räumlicher Anordnung kann auf die Schwenkeinrichtung verzichtet werden.

Selbstverständlich kann die Mikroskopanordnung (14) auch durch beispielsweise eine Video- oder CCD-Kamera oder ähnliches ersetzt werden, ebenso wie eine Vielzahl anderer, zu der eingezeichneten Anordnung äquivalenter Anordnungen möglich sind, die hier nicht weiter beschrieben zu werden brauchen.

Um die Evakuierung von Mikroskop- und Laseranordnung zu umgehen, ist der evakuierte Teil der Anordnung gegenüber der Laseranordnung und der Mikroskopanordnung durch optisch transparente Fenster, welche zudem entspiegelt sein können, abgedichtet, so daß der Laserstrahl und der Beobachtungsstrahlengang durch diese Fenster in den evakuierten Teil der Anordnung geführt wird.

Die Gesamtfunktion des Gerätes basiert auf folgendem Prinzip:

Der Strahl (13) eines Lasers (1) (vorzugsweise Nd:YAG, Wellenlänge 1064 nm, Pulslänge 5-15 nsec) wird auf eine Probe fokussiert. Dort wird ein Teil des Probenmaterials verdampft und ionisiert. Es entsteht im Fokus ein Plasma. Die aus dem Plasma herausgeschleuderten Ionen fliegen gegen ein elektrostatisches Gitter, werden an diesem reflektiert und gelangen dann in einen Detektor. Gemessen wird die Flugzeit der Ionen. Geht man davon aus, daß alle Ionen mit der gleichen kinetischen Energie starten, so hängt die Flugzeit bei gleicher Ladung nur von der Masse ab, d. h. die Flugzeit ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit. Das Startsignal für die Flugzeitmessung liefert der Laser, das Stopsignal der Detektor. Die Messung erfolgt üblicherweise mit einem Transientenrecorder. Die Anordnung der Reflektrongitter (301, 302, 303), der Analysiergitter (311, 312, 313) sowie die hieran angelegten Spannungen ist so optimiert, daß das Reflektron (6) zusammen mit dem oder den Analysiergitter(n), aus dem Gesamtenergiespektrum der emittierten Ionen einen Bereich ausblendet, der für die Flugzeitmessung herangezogen wird. Durch die Umlenkung im Reflektron werden für diesen Energiebereich die Unterschiede in den kinetischen Energien der einzelnen Ionen kompensiert. Vereinfacht ausgedrückt fliegen die schnellen Ionen etwas weiter als die langsamen Ionen gleicher Masse. Ohne das Reflektron und die geeignete Energieselektion würde die Massenauflösung durch die unterschiedliche kinetische Energie mit denen die Ionen aus dem Plasma ausgeworfen werden, im Bereich 0 bis 30 liegen (erreicht wird hier bis zu 800). Weiterhin werden durch das Reflektron negative oder neutrale Teilchen vom Detektor ferngehalten. Eine weitere Besonderheit der Anordnung im Gegensatz zu allen bekannten Flugzeitmassenspektrometern besteht darin, daß die Ionen mit der Geschwindigkeit fliegen, mit der sie das Plasma verlassen (kinetische Energie entspricht der Plasmatemperatur). Es findet keine zusätzliche Beschleunigung statt. Dies hat den Vorteil, daß abstoßende Effekte zwischen den gleichgeladenen Ionen minimiert werden (Raumladungseffekte), denn Beschleunigungsstrecken hätten einen fokussierenden Effekt auf die Teilchenbahnen der Ionen und erhöhten damit die Teilchendichte pro Volumeneinheit. Dies wird bei der vorliegenden Anordnung vermieden. Daß dies überhaupt möglich ist, hängt mit der kompakten Bauweise des Gerätes zusammen. Üblicherweise sind die Reflektrons länger (ca. 50 cm und mehr), wodurch der Flugweg auch länger wird. Je länger der Flugweg, umso größer wird der Einfluß von Störfeldern (elektrisch und magnetisch). Um diesen Einfluß abzuschwächen, muß man dann bei Massenspektrometern nach dem Stande der Technik die Ionen zusätzlich beschleunigen, so daß die Ionenstrahlen "steifer" werden. Diese Problematik wird im vorliegenden Fall durch den kompakten Aufbau sowie die spezielle Anordnung vermieden. Schließlich entfällt hierdurch auch die Benutzung von elektrostatischen Ablenkplatten, mit welchen der Ionenstrahl auf den Detektor zentriert werden muß.

Die erfindungsgemäße Anordnung wird ausgezeichnet durch die kompakte und lineare Anordnung von Probe, Detektor, Gitter und Reflektron bezüglich des Laserstrahls, durch einen möglichst rotationssymmetrischen Aufbau des Reflektrons, des Analysiergitters und des Detektors bezüglich des Laserstrahls sowie der Tatsache, daß das gesamte Probenmanipuliersystem sich gewissermaßen außerhalb des Massenspektrometers unterhalb des Detektors befindet. Daher kann unabhängig von den Eigenschaften des Massenspektrometers das Probenhandlingsystem gemäß den Vorgaben der Proben gestaltet werden.

Das Massenspektrometer selbst besteht aus einem Laser (1), einer Fokussieroptik (2, 3), Umlenkspiegel oder Prismen (4, 5) (optional), dem Reflektron (6), dem Detektor (7) mit Analysiergittern (8) und dem Probenhandlingsystem (9). Reflektron, Detektor mit Analysiergitter und Probe sind in einem Vakuumbehälter (20) untergebracht. Die Leistung des Lasers wird über einen Abschwächer (10) reguliert. Wie bespielhaft gezeigt wird, kann oberhalb der Strahlumlenkeinrichtung (z. B. Prisma) (5) die Probe mittels Mikroskop oder Kamera beobachtet werden. Wie in Fig. 1 beispielhaft gezeigt, befinden sich der Laser, die Fokussieroptik sowie das Mikroskop in einem gemeinsamen Gehäuse (19), welches mittels der Verschiebeeinrichtung (21) senkrecht zum Laserstrahl so verschoben werden kann, daß verschiedene Meßpunkte auf der Probe ausgewählt werden können. Mittels des Handrades (12) kann der Probenteller (11) gedreht bzw. zur Probenschleuse bewegt werden. Wie die Fig. 1 weiterhin zeigt, können weitere Meßeinrichtungen durch Flansche an die Apparatur angebaut werden; dies wird im Fall einer Vakuummeßröhre (18) beispielhaft gezeigt.

Weiterhin besitzt das Gerät eine Spannungsversorgungseinheit, die die erforderlichen Spannungen für die Gitter, den Laser und den Antrieb des Abschwächers liefert. Die Datenaufnahme erfolgt beispielhaft über einen Transientenrecorder, welcher dann durch einen Rechner ausgelesen wird. Die Massenspektren, wie in Fig. 7 gezeigt, werden per Software aus den gemessenen Flugzeitspektren mittels des Programms LASDAT berechnet. Mit einer Hochvakuumpumpe wird der Rezipient (20) evakuiert.

Im Detail besteht, wie beispielhaft in Fig. 3 gezeichnet, das Reflektron 6 aus einer Anordnung von 3 Gittern (301, 302 und 303), welche durch eine Anzahl von Abstandsstücken (16a u.) und Metallringen (17a . . . ) (der Übersicht halber sind nicht alle Abstandsstücke und Metallringe einzeln numeriert) auf Distanz gehalten wird. Die Abstände der Gitter betragen im optimierten Falle typisch 24 mm (zwischen 301 und 302), bzw. 13.5 mm (zwischen 302 und 303). Die Metallringe haben im Falle einer optimalen Anpassung einen Abstand von typisch 4 mm. Unmittelbar vor dem Detektor (7) befindet sich die Analysiergitteranordnung (8), welche ebenfalls aus einer Kombination von 3 Gittern (311, 312, 313) besteht, von denen die äußeren (311, 313) jeweils auf Erdpotential ge­ halten werden. Das mittlere Gitter (312) wird auf ein positives Potential gelegt. Der Detektor (7) selbst besteht aus zwei Mikrokanalplatten (321, 322) sowie der Anode (323), von welcher das Detektorsignal abgenommen wird. Sowohl die Analysiergitteranordnung (8) wie auch der Detektor (7) sind vorzugsweise kreisförmig ausgeführt und haben eine zentrale Bohrung (18), so daß der Laserstrahl (13) wie auch die aus dem Plasma der Probe herausgeschleuderten Ionen den Detektor ungehindert passieren können. Die gesamte Anordnung mit Reflektron, Analysiergitter und Detektor ist bezüglich des Laserstrahls (13) somit vorzugsweise rotationssymmetrisch angeordnet. Der Abstand des Reflektrons (von Gitter 303) zu dem Detektorsystem (bis Gitter 311) beträgt in erfindungsgemäßer Anordnung typisch 119 mm.

Das Probenmanipuliersystem besteht, wie in Fig. 4 gezeigt, aus dem Probenteller (11), der mittels des Handrades (12) gedreht werden kann. Bei Anheben des Handrades läßt sich die gesamte Probentelleranordnung um die Achse des Handrades schwenken.

Fig. 4 skizziert das Probenmanipuliersystem bei eingeschwenktem Probenhalter, d. h. der Probenhalter befindet sich im Laserstrahlengang (13) und die Probe somit in der Meßanordnung. Der Probenteller (11), mit hier nicht eingezeichneter Probe, befindet sich unterhalb einer Öffnung (414) in der Decke der Probenkammer (421), welche zum Reflektron führt, wobei der Probenteller nicht zwingend gegen die Öffnung abgedichtet sein muß, wie in der Zeichnung angedeutet. Der Probenteller kann über eine Drehung am Handrad entweder unter der Öffnung bewegt werden, oder aber um seine zentrale Achse (413) gedreht werden, je nachdem, ob der in der Achse des Handrades angebrachte Paßstift (412) in den Probenteller tragenden Galgen (402) eingreift oder nicht. Im Falle eines Eingreifens wird der gesamte Galgen (402) samt Probenteller bewegt. Im Falle des Nichteingreifens wird über eine Drehung der Drehknopfachse und des mit diesem starr verbundenen Rades (410) mittels eines hier nicht eingezeichneten Drehriemens eine Drehung des Probentellers (11) ausgeführt. Der Galgen selbst ist mittels einer Schraube (407) drehbar am Gehäuseboden der Anordnung angebracht. Die von dem Handrad (12) angetriebene Achse wird mittels der Dreh-Schiebe- Durchführung (411) vakuummäßig gedichtet. Die Arretierung (408) limitiert den Hub dieser Achse.

Fig. 5 skizziert in Aufsicht das Probenmanipuliersystem. Hierbei soll die gestrichelte Anordnung das Schwenken der Grundanordnung bezeichnen, entsprechend sind die Bezugsnummern der geschwenkten Anordnung mit Strichen (′) bezeichnet. Im Bild eingezeichnet sind hier der Drehriemen (501) zur Eigendrehung des Probentellers sowie zwei Anschläge zur Begrenzung des möglichen Schwenks (503) und (506), wobei die Anschläge (503) die Galgenbewegung bei eingeschwenkter Anordnung und (506) bei ausgeschwenkter Anordnung begrenzen. Ebenso dargestellt ist eine Rückholfeder (504), welche eine Kraft auf den Probentellergalgen (402) ausübt derart, daß dieser ohne äußere Kraft am Endanschlag (503) zur Ruhe kommt. Zum Ausschwenken in Richtung auf den anderen Endanschlag (506) muß jedoch eine Kraft ausgeübt werden.

Ist der Probenteller ausgeschwenkt, so kann dieser über einen Balg (615) (Fig. 6) gegen die Decke der Probenkammer (421) gepreßt werden. Dies geschieht mittels eines über einen Drehhebel (616) gesteuerten Andruckmechanismus (615). Hierbei wird einerseits der Galgen durch den erwähnten Druck in dieser ausgeschwenkten Position gehalten, andererseits wird durch den Druck der Probenteller über eine zwischen Probenteller und Gehäusedecke liegender Vakuumdichtung (619) vom eigentlichen Massenspektrometer getrennt. Wie eingezeichnet wird im angedrücktem Zustand der Probenteller vom Probentellergalgen angehoben, so daß die Probentellerachse (622) von der zugehörigen keiligen Passung (621) des Galgen abgehoben ist. Nach dem Fluten des Tellers über die Bypassleitung (618) kann durch ein öffenbares Fenster (617) die Probe entnommen oder eingeführt werden, ohne daß das Vakuum des Rezipienten gebrochen werden muß. Danach wird wieder über die Bypassleitung (618) der Probenteller evakuiert und kann dann an seine Meßposition zurückgeschwenkt werden. Dies ist von besonderem Vorteil bei schnellem Probenwechsel im Laborbetrieb.

Dieses Probenmanipuliersystem ist in den Fig. 4, 5 und 6 detailliert ausgeführt.

Aufgrund dieser Anordnung des Probenmanipuliersystemes ist es möglich, mehrere Probe nacheinander unter den Laserstrahl zu bewegen und Massenspektren zu messen. Durch die Drehbewegung des Probentellers können an mehreren Proben nacheinander in zeitlich unmittelbarer Folge Messungen vorgenommen werden, was insbesondere für Vergleichsmessungen wichtig ist. Da das Drehen des Probentellers nur jeweils entlang eines Kreisliniensegment Messungen auf einer Probe ermöglicht, besteht zusätzlich die Möglichkeit, den gesamten Laserkopf mit Fokussiereinrichtung senkrecht zum Drehkreis des Probentellers im Bereich von wenigen Millimetern zu verschieben (21) (Fig. 1). Somit kann bei nicht zu großen Proben an jeder beliebigen Stelle der Probe gemessen werden. Weiterhin ermöglicht es diese Anordnung, auch unter Aufrechterhaltung des Massenspektrometervakuums einen schnellen Probenwechsel durchzuführen. Bei Vorpositionierung der Proben auf einem Probentellereinsatz können so mit einer einzigen Einschleusaktion 5-15 Proben (abhängig von der Probengröße) innerhalb von 2 Minuten eingeschleust werden.

Die hier beschriebene Probenmanipuliereinheit stellt eine äußerst vorteilhafte und auf den Gesamtaufbau hin optimierte Anordnung dar. Dennoch ist es selbstverständlich, daß auch andere Probenmanipuliereinrichtungen oder Probenhalterungen verwendet werden können, ohne das Funktionsprinzip des Massenspektrometers selbst in Frage zu stellen.

In Abb. 7 ist ein typisches Massenspektrum (Ausschnitt) für eine Filterstaubprobe wiedergegeben. Das Spektrum resultiert aus einem einzigen Laserschuß, abgegeben auf eine Staubprobe.

Bei dem hier verwendeten Laser handelt es sich vorzugsweise um einen Nd:YAG-Laser, welcher vorzugsweise bei ca. 1064 nm emittiert; dieser Laser hat sich bei ersten Untersuchungen mit diesem Massenspektrometer besonders bewährt. Es können jedoch auch andere Laser zur Erzeugung des Plasmas verwendet werden, insbesondere auch bei anderen Wellenlängen.

Der verwendete Laser kann nach herkömmlicher Art lampengepumpt sein, allerdings würde die bei einem laserdioden-gepumpten Laser erzielbare hohe Repetitionsrate und Pulsstabilität weitere Vorteile in dieser Anordnung bezüglich Reproduzierbarkeit und Empfindlichkeit aufweisen.

Die Vorzüge der hier beschriebenen Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe stellen sich wie folgt dar:

Das hier beschriebene Gerät stellt eine äußerst kompakte Lösung dar, was zum Beispiel hinsichtlich der Möglichkeit eines mobilen Einsatzes wichtig ist. Die Kompaktheit des Gerätes bietet darüber hinaus auch stabile Betriebseigenschaften, wie gute Reproduzierbarkeit der Messungen (nur beschränkt durch den Diskretisierungsfehler des Transientenrecorders), hohe Massenauflösung (typisch 800), Unterdrückung von Fragment- oder Moleküllinien (Spektren einfach zu interpretieren), einfache Bedienbarkeit des Gerätes (materialabhängig braucht nur die Intensität des Laserstrahles variiert zu werden, was durch Verschieben einer absorbierenden Keilplatte geschieht) und hohe Empfindlichkeit (insbesondere durch die rotationssymmetrische Anordnung von Reflektron und Detektor sowie die kurze Bauweise). Weiterhin lassen sich lokale Messungen unter optischer Kontrolle durchführen, was für die Schadensanalyse wichtig ist. Die Möglichkeit der Aufnahme von Tiefenprofilen ist eine weitere wichtige Eigenschaft des Gerätes.

Als letztes sei - insbesondere wegen der Kompaktheit und der symmetrischen Aufbauweise - auch die Robustheit des Gerätes selbst erwähnt.

Claims (11)

1. Laser-Massenspektrometer, bei dem mittels Laserstrahles auf einer Probe ein Plasma erzeugt wird und die emittierten Ionen mit ihrer natürlichen Geschwindigkeit fliegen und aufgrund ihrer Flugzeit analysiert werden, gekennzeichnet dadurch, daß der Laserstrahl durch die Gitter- und Detektoranordnung (6, 7, 8) hindurch möglichst senkrecht auf die Probe geführt wird, wobei zumindest die Detektoreinrichtung (7) sowie die Analysiergitter (8) über eine hierfür speziell angebrachte und dimensionierte zentrische Öffnung (18), durch die der Laserstrahl tritt und durch die umgekehrt auch die von der Probe emittierten Ionen fliegen, verfügen. Weiterhin gekennzeichnet dadurch, daß die emittierten Ionen in einem Reflektron abgelenkt werden und so zu einen Detektor gelangen.

2. Laser-Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Detektor- als auch die Gitteranordnung (7, 8) rotationssymmetrisch zum durch sie hindurchtretenden Laserstrahl (13) ausgeführt sind.

3. Laser-Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß kolinear zum Laserstrahl eine Beobachtungsmimik (14) vorhanden ist, mittels welcher ebenfalls möglichst senkrecht die Probe beobachtet werden kann, wobei je nach baulichen Erfordernissen der Laser oder die Beobachtungsmimik oder beide seitlich an das Gerät angeflanscht und nötigenfalls über Umlenkelemente der Strahlengang so eingestellt werden kann, daß eine weitgehend kolineare Beobachtung bezüglich des Laserstrahles möglich ist. Weiter gekennzeichnet dadurch, daß die Umlenkung derart erfolgt, daß der Laserstrahl möglichst senkrecht auf die Probe trifft, wobei zumindest der Laserstrahl mittels einer geeigneten Vorrichtung leicht gekippt oder verschoben werden kann (typisch +/- 10 mm oder +/-10 Grad), so daß verschiedene Bereiche einer Probe getroffen werden können.

4. Laser-Massenspektrometer gemäß einem oder mehreren der obigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß der das Plasma erzeugende Laserstrahl und die Analysiergitter- und Detektoreinheit möglichst kreissymmetrisch zur räumlichen Verteilung des Ionenauswurfs der Probe angeordnet sind.

5. Laser-Massenspektrometer gemäß einem oder mehreren der obigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß das Laser- Massenspektrometer miniaturisiert aufgebaut ist, so daß keine Nachbeschleunigung der Ionen notwendig ist, und daß die Reflektron-Gitter typische Abstände von 24 mm bzw. 13.5 mm aufweisen.

6. Laser-Massenspektrometer gemäß einem oder mehreren der obigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß der Detektor zusammen mit dem bzw. den Analysiergitter(n) typische Höhe von 22 mm aufweist.

7. Laser-Massenspektrometer gemäß einem oder mehreren der obigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die gesamte Spektrometeranordnung (20) eine typische Bauhöhe von 350 mm aufweist.

8. Laser-Massenspektrometer gemäß einem oder mehreren der obigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die gesamte Spektrometeranordnung (20) einen typischen Durchmesser von 110 mm oder einen äquivalenten Wert für eckige Gehäuse aufweist.

9. Laser-Massenspektrometer gemäß einem oder mehreren der obigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß zur Erzeugung des Plasmas ein gütegeschalteter Nd:YAG-Laser verwendet wird bei einer Wellenlänge von vorzugsweise 1064 nm und Pulsbreiten im Bereich von 1-20 ns.

10. Laser-Massenspektrometer gemäß einem oder mehreren der obigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß es sich bei dem Nd:YAG-Laser zur Erhöhung der Pulsstabilität und damit der Reproduzierbarkeit der Messung um einen mit Halbleiter-Laserdioden angeregten Laser handelt.

11. Laser-Massenspektrometer gemäß einem oder mehreren der obigen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Massenspektrometer-Anordnung mit einer Probenmanipuliereinheit versehen ist, welche eine Drehung des Probentellers erlaubt und bei welcher zudem der Probenteller aus der Meßanordnung ausschwenkbar anordnet ist, so daß der Probenteller vakuumdicht gegen eine neben der Meßanordnung befindliche, mit der vakuumdichten Abdeckplatte verschließbare Öffnung des Spektrometergehäuses gedrückt werden kann, so daß bei bestehendem Vakuum im Spektrometer die Probe leicht ausgewechselt werden kann.