DE10248055B4

DE10248055B4 - Methode zur Anregung optischer Atom-Emission und apparative Vorrichtung für die spektrochemische Analyse

Info

Publication number: DE10248055B4
Application number: DE2002148055
Authority: DE
Inventors: Zbigniew Chop; Dr. Bianchi Ulrich
Original assignee: Spectro Analytical Instruments GmbH and Co KG
Current assignee: Spectro Analytical Instruments GmbH and Co KG
Priority date: 2002-10-11
Filing date: 2002-10-11
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2022-10-12
Also published as: DE10248055A1

Abstract

Vorrichtung zur Anregung von Feststoffproben, aufweisend – eine Ionenstrahlkanone mit zwei konzentrisch angeordneten Röhren (2, 3) aus nichtleitendem Material und mit Beschleunigungselektroden (4), sowie – einen Generator (7) zur Erzeugung von hochfrequenten Hochspannungen mit unidirektionalen oder bidirektionalen Stromverläufen, dadurch gekennzeichnet, dass – in der inneren der beiden Röhren (2) der Ionenstrahlkanone eine Haupt-Gegenelektrode (1) angeordnet ist, – ein geerdeter Probentisch (8) vorgesehen ist, – zwischen der Haupt-Gegenelektrode (1) und dem Probentisch (8) die Beschleunigungselektroden (4) vorgesehen sind, und – zwischen der äußeren Röhre (3) und der inneren Röhre (2) ein Schutzgas (5) strömt.

Description

1. Anwendungsgebiet der Erfindung
Die im folgenden beschriebene Erfindung bezieht sich auf den Gebrauch der Optischen-Emissions-Spektroskopie (OES) für die spektrochemische Analyse, insbesondere auf die Anwendung einer Ionenstrahl-Kanone (ISK) und eines Generators zur Erzeugung des Ionenstrahls als Anregungsquelle in Optischen-Emissions-Spektrometern, sowie auf Methoden der OES bei Verwendung der ISK und des Generators.
2. Hintergrund der Erfindung
Die OES beinhaltet die Anregung der chemischen Elemente (Analyten) einer Probe, damit sie ihre charakteristischen optischen Spektren emittieren. In der Anwendung der OES für Proben aus Feststoffen, insbesondere Metallen, werden die Analyten gewöhnlich durch die Anregung mittels einer elektrischen Funkenentladung, eines elektrischen Bogens oder einer Glimmentladung zur Aussendung ihrer charakteristischen Spektren veranlasst. Alle genannten Methoden basieren auf dem Gebrauch von Gleichströmen oder niederfrequent gepulsten Strömen zur Probenanregung. Die anregende Entladung vollzieht sich zwischen der Probe und einer Gegenelektrode.
Aufgrund der Natur der Anregung eignen sich oben genannte Methoden nur für leitende Proben. Ein weiteres Problem stellt die Kontamination der Gegenelektrode, welche nur einige wenige Millimeter von der Probe entfernt ist, mit dem verdampften Material dar, welches eine nachfolgende Analyse verfälscht. Die Entladungen sind weiterhin nicht ortsfest, das heißt, dass jede einzelne eine andere Probenstelle anregt und sich somit der Entladungskanal vor dem Eintrittsspalt, bzw. Lichtleiter des Spektrometers in einer anderen Position als der vorhergehende befindet, worunter die Reproduzierbarkeit der Messungen leidet.
Entsprechend der Erfindung werden, im Gegensatz zu den genannten Methoden, mittel- bis hochfrequente Ströme bei hohen Spannungen zur mittelbaren Anregung der Feststoffproben genutzt. Der Abstand zwischen der Gegenelektrode und der Probe liegt hier jedoch im Bereich von 40 bis 100 mm, wodurch oben angesprochene Kontamination praktisch ausgeschlossen ist und „Memory-Effekte” von der vorhergehenden Messung ausbleiben. Der Ionenstrahl-Generator besitzt die Fähigkeit zur Erzeugung hochfrequent aufeinanderfolgender, dreieck- oder rechteckförmiger Stromverläufe bei hohen Spannungen, welche ein Gas, vorzugsweise Argon, beim Durchtritt durch die ISK ionisieren. Anschließend erfahren die ionisierten Gasatome in der ISK durch die generierten Spannungen eine hohe Beschleunigung in Richtung der Probe. Im weiteren Verlauf treffen die hochbeschleunigten Ionen, im Gegensatz zu den obigen Anregungsmethoden, auf die Probenoberfläche und lösen dort Material ab, welches vom Ionenstrahl durch die genannten Strompulse und mehrfache Stöße zwischen Argon-Ionen und Proben-Atomen angeregt wird.
Wegen der vom Generator erzeugten hochfrequenten Ströme, bzw. Spannungen, ist das Ionenstrahl-System in der Lage, einige Millionen Ablöse- und Anregungsvorgänge pro Analyse zu bewerkstelligen. Solch eine hohe Anzahl von individuellen optischen Signalereignissen verbessert die analytischen Resultate signifikant. Der sehr gut definierte, runde und gleichmäßige Brennfleck erlaubt es auch, die Dicke von mehreren Schichten einer Probenoberfläche sequentiell zu messen, indem die Zeit zum Durchdringen einer Schicht bestimmt wird. Daher kombiniert die Ionenstrahl-Anregungsmethode, entsprechend des Erfindungsanspruchs, die Vorteile von Funken- und Glimmentladungssystemen.
3. Beschreibung der Erfindung
1 zeigt schematisch die ISK und die Anordnung des Ionenstrahl-Generators. Die ISK besteht im wesentlichen aus zwei konzentrisch angeordneten Glasröhren (2) und (3). Um die Ausströmungsgeschwindigkeit des Ionenstrahl-Gases (10), vorzugsweise Argon, zu erhöhen ist der Durchmesser des oberen Röhrenteils (2) stark reduziert. Dadurch erreicht der ausströmende Ionenstrahl (10) Geschwindigkeiten von vorzugsweise einigen 10 Metern pro Sekunde, welches einen sehr gut definierten, runden und einheitlichen Brennfleck auf der Probenoberfläche sicherstellt. Die äußere Schutzgas-Röhre (3) wird vom Schutzgas (5) durchströmt, vorzugsweise Stickstoff oder Argon, um den Ionenstrahl (10) nach dem Austritt aus der ISK zu ummanteln (11) und ihn dadurch von der Umgebungsatmosphäre abzuschirmen. Die Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgases (11) sollte sich in der Größenordnung von vorzugsweise einigen Metern pro Sekunde bewegen.
Der Ionenstrahl-Generator (7) stellt die Mittel zur Erzeugung von Hochspannungen bei hohen Frequenzen zur Verfügung, mit welchen die Haupt-Gegenelektrode (1) und die Beschleunigungselektroden (14), (15) bei geerdetem Probentisch (8), (12) beaufschlagt werden. Weiterhin bietet der Ionenstrahl-Generator (7) die Möglichkeit zwischen vorprogrammierten, vorzugsweise dreiecks- oder rechtecksförmigen, Stromverläufen zu wählen, mit welchen die Elektrode (1) über die Verbindung (13) versorgt wird.
Die zwischen den Elektroden (1), (4) und der Probe (9) angelegte hochfrequente Hochspannung ionisiert das vorbeiströmende Gas (5) und beschleunigt nach der Ionisation die Gasatome, wodurch der Ionenstrahl (10) entsteht. Die Beschleunigung der positiv geladenen, schweren (Argon-)Ionen auf ihrem Weg zur Probenoberfläche (9) erfolgt kapazitiv gekoppelt durch die Beschleunigungselektroden (4).
Die schweren Ionen treffen nach der Beschleunigung auf die Probenoberfläche (9) und unterstützen die Strompulse bei der Ablösung des Probenmaterials zur darauffolgenden Anregung. Die Strompulse regen in Kombination mit vielfachen Stößen mit Ionen die von der Probe abgelösten Atome zur Aussendung ihrer charakteristischen optischen Spektren an. Das entsprechend der Probenzusammensetzung charakteristisch spektral verteilte Licht wird über ein optisches Aufnahmesystem (16) zu einem Spektrometer geleitet, mittels welchem das Licht in seine spektralen Anteile zerlegt und analysiert wird.
4. Ausführung der ISK
Die erfindungsgemäße, apparative Ausführung der ISK zeigt 1.

a) Die innere Glasröhre (2) wird von Argon (6) durchströmt, so dass der ausströmende und ionisierte Gasstrahl eine Geschwindigkeit im Bereich von 20 bis 50 m/s erreicht. Dieser Ionenstrahl hat einen Durchmesser von 1,5 bis 2 mm, wodurch auf der Probe ein Brennfleckdurchmesser von 3 bis 4 mm entsteht.
b) Die äußere Glasröhre (3) dient zur Erzeugung einer Schutzgasummantelung (11) für den Ionenstrahl (10), welche ihn von der umgebenden Atmosphäre abschirmt. Die Ausströmgeschwindigkeit des Schutzgases (11) beträgt etwa 1 bis 2 m/s.
c) Die innere (2) und die umgebende (3) Glasröhre sind in der Art angeordnet, dass der Abstand zwischen ihnen und der Probe (9) im Bereich von 40 bis 100 mm liegt.
d) Die vom Ionenstrahl-Generator abgegebene Leistung für die hochfrequente Hochspannung liegt im Bereich von 100 bis 200 W.

5. Anwendungsbeispiele
Mit der oben beschriebenen Apparatur wurden Versuche zur Verifizierung der analytischen Fähigkeiten unternommen. Im folgenden sollen einige Ergebnisse aufgezeigt werden.
5.1 Ablationsgeschwindigkeit der Ion-Jet-Source
a) Erscheinungsbild des Brennflecks:
Der von dem Ionenstrahl auf der Probe erzeugte Ablationskrater hat ein parabolisches Tiefenprofil. Am Rande des Kraters wird beim Ablationsvorgang Material abgelagert und bildet dadurch einen Wall um diesen.
b) Messergebnisse:
Die Eindringtiefen in Abhängigkeit von der Zeit, sowie die Randhöhen und das Aspektverhältnis Von Randhöhe zu Eindringtiefe gibt die Tabelle in 2 wieder.
c) Analytische Ergebnisse:
Die Tabelle in 3 listet für einige ausgewählte Linien die bei Verwendung der Ionenstrahlquelle erreichten Nachweisgrenzen (LOD) und Untergrund-Äquvalent-Konzentrationen (Background Equivalent Concentration, BEC) auf.
Die im vorangegangenen dargestellten Ergebnisse beziehen sich auf Proben der Aluminium-Basis und stellen nur vorläufige Ergebnisse dar. Durch eine weitere Optimierung des Ionenstrahlsystems werden sicher die analytischen Fähigkeiten noch weiter verbessert werden.
Bezugszeichenliste

1: Gegenelektrode
2: Glasröhre für Ionenstrahl
3: Glasröhre für Schutzgasstrom
4: Beschleunigungselektroden
5: Schutzgasstrom
6: Gasstrom für Ionenstrahl
7: Ionenstrahl-Generator
8: Platte des Probentisches
9: Feststoffprobe
10: Ionenstrahl
11: Schutzgasstrom
12: Erdungs-Verbindung
13: Stromleitung
14: Verbindung zur Beschleunigungselektrode
15: Verbindung zur Beschleunigungselektrode
16: Lichtleiter zum Spektrometer

Claims

Vorrichtung zur Anregung von Feststoffproben, aufweisend – eine Ionenstrahlkanone mit zwei konzentrisch angeordneten Röhren (2, 3) aus nichtleitendem Material und mit Beschleunigungselektroden (4), sowie – einen Generator (7) zur Erzeugung von hochfrequenten Hochspannungen mit unidirektionalen oder bidirektionalen Stromverläufen, dadurch gekennzeichnet, dass – in der inneren der beiden Röhren (2) der Ionenstrahlkanone eine Haupt-Gegenelektrode (1) angeordnet ist, – ein geerdeter Probentisch (8) vorgesehen ist, – zwischen der Haupt-Gegenelektrode (1) und dem Probentisch (8) die Beschleunigungselektroden (4) vorgesehen sind, und – zwischen der äußeren Röhre (3) und der inneren Röhre (2) ein Schutzgas (5) strömt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhren (2, 3) aus Quarzglas gefertigt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungselektroden (4) an der Außenseite der inneren Röhre (2) der Ionenstrahlkanone angebracht sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhren (2, 3) der Ionenstrahlkanone an ihrem dem Probentisch (8) zugewandten Ende einen reduzierten Durchmesser zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hochfrequente Hochspannung Strompulse mit vorprogrammierter Dreieck- oder Rechteckform aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (7) über Einrichtungen zur Änderung der Frequenz und des Stromes zur Versorgung des Proben-Elektroden-Systems verfügt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innerhalb der Röhre (2) strömende, ionisierte Gas (6) über eine kapazitive Kopplung mit den Elektroden (4) beschleunigt wird.