Pfeiffer Vacuum

6.3.3 Detektor

Die nach ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis im Stabsystem getrennten Ionen können mit verschiedenen Detektortypen elektrisch nachgewiesen werden:

  • Faraday-Cup zur direkten Messung des Ionenstromes mit Hilfe eines Elektrometerverstärkers
  • Sekundärelektronenvervielfacher, diskret aufgebaut mit einzelnen Dynoden
  • kontinuierlicher Sekundärelektronenvervielfacher

Die Auswahl des Detektors richtet sich primär nach den Anforderungen an die Nachweisempfindlichkeit, die Messgeschwindigkeit und das Signal/Rausch-Verhältnis. Sie wird aber auch durch andere applikationsspezifische Forderungen an die Stabilität, die thermische und chemische Beständigkeit und den Platzbedarf bestimmt.

Faraday-Cup

Im einfachsten Fall treffen die Ionen auf einen Faraday-Kollektor, eine becherförmige Metallelektrode (Faraday-Cup), und geben dort ihre elektrische Ladung ab.

Funktionsweise des Faraday-Cup

Abbildung 6.15: Funktionsweise des Faraday-Cup

Der daraus resultierende Strom wird mit einem empfindlichen Strom-Spannungs-Wandler (Elektrometerverstärker) in eine dem Ionenstrom proportionale Spannung überführt. Die Empfindlichkeit des Elektrometerverstärkers mit Faraday-Cub liegt typischerweise in der Größenordnung $K$= 10-4 A/hPa. Da der Eingangswiderstand $R$ des Stromverstärkers sehr hoch sein muss, ergeben sich zusammen mit den Kapazitäten $C$ der Messleitung Zeitkonstanten $\pi=R \cdot C$ mit 0,1 $s$ < $\theta$ < 100 s. Die Messgrenze liegt je nach Zeitkonstante zwischen 1 · 10-16 bis 1 · 10-14 A, es können daher minimale Partialdrücke der Größenordnung $p_{min}$ = 10-10 hPa nachgewiesen werden. Für UHV-Systeme mit Totaldrücken unter 10-8 hPa ist das in der Regel nicht ausreichend.

Neben der einfachen, robusten Bauweise zeichnet sich ein Faraday-Detektor durch seine Langzeitstabilität und hohe Temperaturbelastbarkeit aus. Um die Zeitkonstanten klein zu halten und andere störende Einflüsse zu vermeiden, wird der Elektrometerverstärker direkt an den Analysator angeschlossen und sein Ausgangssignal wird dem Datenauswertesystem zugeleitet. Der Faraday-Cup ist deshalb auch bei allen Pfeiffer Vacuum Massenspektrometern vorhanden. Er ist nur zum Nachweis positiver Ionen geeignet.

Sollen sehr kleine Ionenströme gemessen werden, oder wird eine sehr hohe Messgeschwindigkeit gefordert, so verwendet man physikalische Vorverstärker, sogenannte Sekundärelektronenvervielfacher.

Sekundärelektronenvervielfacher SEV

Abbildung 6.16: Sekundärelektronenvervielfacher SEV

Sekundärelektronenvervielfacher (SEV)

Abbildung 6.16 zeigt den Aufbau eines solchen Verstärkers (engl. SEM = Secondary Electron Multiplier). Zylindrisch geformte Bleche (Dynoden) sind mit einer Schicht mit geringer Austrittsarbeit für Elektronen überzogen. Ein Ion oder ein Elektron erzeugt beim Auftreffen auf diese Schicht je nach seiner Bewegungsenergie mehrere Sekundärelektronen. Durch Hintereinanderschaltung mehrerer Stufen erhält man aus einem einzelnen Ion eine Elektronenlawine. Zur Beschleunigung der Elektronen legt man positive Spannungen von ca. 100 V zwischen den Dynoden an. Technisch wird diese Anordnung durch eine mit einer Hochspannung (ca. 1.000 – 3.000 V) versorgten Widerstandskette realisiert, an deren Anzapfungen die einzelnen Dynoden angeschlossen sind. Man erdet den positiven Pol der Hochspannung, damit die austretenden Elektronen etwa auf Erdpotential liegen. Man erzielt mit solchen Anordnungen Stromverstärkungsfaktoren von 107.

Der Sekundärelektronenvervielfacher hat gegenüber dem Faraday-Cup folgende Vorteile:

  • Die Empfindlichkeit des Instruments wird drastisch erhöht, bis zu $K$ = 10 A/hPa sind möglich.
  • Hierdurch können niedrigere Partialdrücke mit dem nachgeschalteten Elektrometerverstärker in kürzeren Zeitintervallen gemessen werden.
  • Das Signal/Rausch-Verhältnis ist wesentlich höher als das eines Elektrometerverstärkers und somit kann die Nachweisgrenze um mehrere Größenordnungen gesenkt werden. Das gilt nur wenn bei hoher Verstärkung im SEM auch ein geringer Dunkelstrom (Rauschanteil) fließt. Eine Erhöhung der Empfindlichkeit alleine nützt wenig.

Ein SEM hat aber auch Nachteile:

  • Die Verstärkung kann sich ändern durch Verschmutzung oder chemische Veränderung der aktiven Schicht.
  • Die Anzahl der Elektronen (Konversionsfaktor), die ein auftreffendes Ion erzeugt (ca. 1 bis 5 Stück) hängt von der Ionenenergie ab (Massendiskriminierung).

Durch diese Effekte verändert sich die Verstärkung. Sie muss deshalb von Zeit zu Zeit kalibriert werden. Verstärkungsänderungen lassen sich leicht durch Änderung der Hochspannung anpassen. Der Konversionsfaktor kann konstant gehalten werden, indem man die erste Dynode mit einer separaten, hohen Spannung versorgt, welche die Energie der verschiedenen Ionen angleicht.

Mit Hilfe von Sekundärelektronenvervielfachern sind sehr schnelle Messungen möglich. Wie aus der Tabelle 6.2 ersichtlich ist, sind die Messgeschwindigkeiten im Vergleich zu Faraday-Cups wesentlich höher.

Diskret aufgebaute SEM eignen sich neben dem Betrieb als Stromverstärker auch als Ionenzähler. Mit dieser Konfiguration lassen sich extrem kleine Zählraten von 1 Ion / 10 s erreichen. Auch hohe Zählraten sind möglich, sodass sich im Vergleich mit dem Betrieb als Stromverstärker ein sehr großer dynamischer Bereich ergibt.

PrismaPlus HiQuad mit SEM 217 HiQuad mit SEM 218
Detektoren Faraday / C-SEM Faraday / SEM Faraday / SEM mit Konversionsdynode
Höchstmöglicher Druck Faraday-Cub 10-3 hPa 10-4 hPa 10-4 hPa
Höchstmöglicher Druck SEM, C-SEM 10-5 hPa 10-5 hPa 10-5 hPa
Höchste Messgeschwindigkeit / amu 2 ms 125 µs 125 µs
Ausheiztemperatur (max) 300 °C 400 °C 400 °C
Zählbetrieb Nein Ja (optional) Ja (optional)
Detektion positiver Ionen Ja Ja Ja
Detektion negativer Ionen Nein Ja Nein

Tabelle 6.2: Detektoren und deren Eigenschaften

Im Zählbetrieb bestimmt die Schnelligkeit des SEM die obere Grenze für den dynamischen Bereich. Bei einer Pulsbreite von 20 ns setzt bei einer Zählrate von 106 Ereignissen/s Nichtlinearität ein. Der SEM muss von seiner Pulsbreite her als Zähler geeignet sein.

Allen Sekundärelektronenvervielfachern gemeinsam ist die Beschränkung auf den Betrieb bei Drücken < 10-5 hPa. Höhere Drücke führen beim Betrieb zur Pyrolyse der Wasserschicht auf den Dynoden und damit zu vorzeitiger Alterung. Die hohen Spannungen können bei p > 10-5 hPa Gasentladungen bewirken, die den SEM zerstören.

Kontinuierlicher Sekundärelektronenvervielfacher

Ein kontinuierlicher Sekundärelektronenvervielfacher (C-SEM = Continuous Secondary Electron Multiplier) besteht aus einem Glasrohr, das innen mit einer leitfähigen Schicht mit hohem Widerstand und kleiner Austrittsarbeit belegt ist (Abbildung 6.17). Man legt eine Hochspannung an die Schicht an und erhält so über die Länge des Rohres ein gleichmäßiges Spannungsgefälle. Ionen aus dem Quadrupolsystem werden auf die Konversionsdynode gelenkt und erzeugen Sekundärelektronen, die eine Elektronenlawine im Rohr auslösen. Es werden Stromverstärkungsfaktoren von 106 bei 2.500 V Verstärkungsspannung erreicht.

Funktionsweise des kontinuierlichen C-SEM

Abbildung 6.17: Funktionsweise des kontinuierlichen C-SEM

Auch hier bestimmen die Verstärkung und der Dunkelstrom das Signal/Rausch-Verhältnis und das Verhältnis Maximalstrom / Dunkelstrom =106 den Stromverstärkungsfaktor. Durch eine zur Achse des Quadrupols etwas versetzte Anordnung des C-SEM kann man sowohl Faraday-Cup als auch C-SEM nebeneinander im Analysator benutzen und sogar bei Bedarf von einem Detektor auf den anderen umschalten.

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