6.4 Portfolio

Pfeiffer Vacuum bietet zwei Grundmodelle von Massenspektrometern an:

PrismaPlus

Es handelt sich hierbei um ein kompaktes Gerät, dessen gesamte Elektronik an den Analysator angebaut ist und zum Ausheizen abgenommen werden kann. Das PrismaPlus vereinigt folgende Eigenschaften:



Das PrismaPlus wird sowohl als Einzelgerät eingesetzt als auch in Module und Analysensysteme integriert.

HiQuad

Diese Geräte von höchster Präzision vereinigen folgende Merkmale:

Module

Module sind Spezialgeräte zur Prozessüberwachung oder zur Gasanalyse mit verschiedenen Gaseinlasssystemen und angebauten trockenlaufenden Turbodragpumpständen zum Evakuieren des Analysators:

Benchtop-Massenspektrometer

Pfeiffer Vacuum bietet komplette Systeme für die Analyse von Gasen bei Atmosphärendruck, basierend auf dem PrismaPlus. Die optimierten Gaseinlasssysteme verwenden geschlossene Ionenquellen zur Erzielung höchster Nachweisempfindlichkeiten.



Diese Geräte oder Teile davon werden von OEM-Kunden in Komplettgeräte eingebaut, die eine Vielzahl weiterer Funktionen aufweisen können, wie eine vorgeschaltete Aufbereitung der zu analysierenden Substanzen (z. B. Verdampfung von Aerosolen) oder die Bereitstellung von Kalibriergasgemischen für eine automatische Kalibrierung.

6.4.1 Vorteile der Pfeiffer Vacuum Massenspektrometer

Der Potentialverlauf in einer Pfeiffer Vacuum Ionenquelle ist in Abbildung 6.20 dargestellt. Die Elektronen emittierende Heißkathode liegt auf einem Potential von etwa 20 V. Üblicherweise ist die Wehneltelektrode mit dem positiven Pol der Kathode verbunden und verhindert, dass Elektronen in die Umgebung der Ionenquelle gestreut werden. Die Elektronen werden durch die Anodenspannung V₂ = 80 V in den Formationsraum (100 V) hinein beschleunigt und ionisieren dort eindringende neutrale Gasmoleküle. Durch eine Blende werden die Ionen von der Extraktionselektrode mit einem Potential V₅ = -150 V beschleunigt und von der Fokussierungs-elektrode wieder auf V₃ = 80 V abgebremst. Die Einschussblende beschleunigt die Ionen nochmals, bevor sie dann vom Feldachsenpotential V₄ = 85 V abgebremst mit einer Energie von etwa 15 eV (Differenz zwischen Formationsraum und Feldachse) ins Massenfilter eintreten.

Die Pfeiffer Vacuum Massenspektrometer PrismaPlus und HiQuad zeichnen sich durch die oben beschriebene elektrisch hochgelegte Ionenquelle und die Feldachsentechnologie aus.

Elektrisch hochgelegte Ionenquelle

Bei vielen Quadrupol Massenspektrometern liegt die Kathode auf Erd- oder gar negativem Potential. Die emittierten Elektronen werden von der Kathode (Filament) zum Ionisationsraum (Anode) hin beschleunigt und ionisieren dort neutrale Gasteilchen, die dann in das Massenfilter extrahiert werden. Bei diesen Feldverhältnissen können aber auch Elektronen auf andere Flächen im Vakuum auftreffen und dort EID-Ionen (Electron Impact Desorption) auslösen. Dies führt zu einem unerwünschten Untergrund und kann bei stark belegten Oberflächen des Rezipienten zu beträchtlichen Gasausbrüchen beim Einschalten des Filaments führen.

Pfeiffer Vacuum Ionenquellen liegen auf positivem Potential (ca. 100 – 150 V). Von dort emittierte Elektronen werden von allen Oberflächen mit negativem Potential abgestoßen und so von diesen ferngehalten, sodass keine störenden EID-Ionen ausgelöst werden.

Feldachsentechnologie

Die in der Ionenquelle gebildeten Ionen werden mit hoher kinetischer Energie in Richtung des Massenfilters beschleunigt. Dies hat zur Folge, dass die Ionen nicht durch Rand- oder Störfelder beeinflusst werden können und sich mit einer zunächst hohen Energie auf das Massenfilter zu bewegen. So erreicht man optimale Einschussbedingungen in das Quadrupolfeld auch ohne Vorfilter, wie sie bei anderen Massenspektrometern verwendet werden müssen. Das Massenfilter selbst ist entsprechend elektrisch auf die Feldachsenspannung hochgelegt, sodass die Ionen bei Eintritt ins Filter wieder auf eine kinetische Energie von ca. 15 eV abgebremst werden. Diese Energie - im Fachjargon Feldachsenspannung genannt – bestimmt zusammen mit der Masse der Ionen deren Geschwindigkeit und damit auch deren Laufzeit im Massenfilter. Durch die so erzeugten, günstigen Einschussbedingungen wird eine über einen weiten Massenbereich hohe Transmission der Ionen durch das Massenfilter und somit auch eine hohe Empfindlichkeit des Gesamt-Systems erreicht.

Rechtwinklige Anordnung des Sekundärelektronenvervielfachers

Ein weiterer Vorteil der Pfeiffer Vacuum Massenspektrometer ist die Anordnung der Sekundärelektronenvervielfacher SEV um 90° abgewinkelt zu Filterachse (90 degrees off axis SEM, Abbildung 6.21).

Ordnet man den SEM in Achsrichtung hinter dem Massenfilter an, so erzeugen alle auftreffenden Teilchen (Neutralteilchen, Ionen, Elektronen, Photonen) Sekundärelektronen und tragen damit zum Untergrundsignal bei. Um dies zu vermeiden werden die aus dem Filter austretenden Ionen um 90 Grad abgelenkt und dann auf die erste Dynode des SEM beschleunigt. Neutralteilchen und Photonen werden von der elektrischen Umlenkeinheit überhaupt nicht und Elektronen in viel stärkerem Maße als die Ionen abgelenkt. So erreicht man, dass fast ausschließlich die durch das Filter durchgelassenen Ionen auf den Verstärker auftreffen, was zu einer erheblichen Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses führt.

Die HiQuad Analysatoren sind von wenigen Spezialausführungen abgesehen mit dieser Technologie ausgestattet.

Beim PrismaPlus wird als Stromverstärker ein C-SEM in Axialrichtung angeboten. Auch hier werden die aus dem Massenfilter austretenden Ionen in Richtung auf den C-SEM leicht abgelenkt und damit von den unerwünschten Teilchen getrennt.

Massendiskriminierung

Die Zahl der Sekundärelektronen, die für jedes auf der Konversionsdynode eintreffende Ion gebildet werden, hängt von der Ionenmasse, der Art des Ions (Atom- oder Molekülion) und der Ionenenergie ab. Die Konversions-rate ist also massenabhängig. Der Effekt wird Massendiskriminierung genannt und ist bei einem diskret aufgebauten SEM weniger stark ausgeprägt als bei einem C-SEM. Durch Beschleunigung der Ionen auf eine hohe Energie vor dem Auftreffen auf die Konversionsdynode kann die Massendiskriminierung reduziert werden.

Zusammenfassung

Um über einen großen Massenbereich eine möglichst hohe Transmission bei vorgewählter Massenauflösung zu erzielen, ist sowohl eine stabile HF-Versorgung als auch ein mechanisch präzises Filter notwendig. Eine hoch gelegte Ionenquelle mit geeignet gewählter Feldachsentechnologie sowie die 90°-Anordnung des SEM verbessern das Signal/Rausch-Verhältnis erheblich. Die Massendiskriminierung an einem SEV oder einem C-SEM kann mit Hilfe einer auf hohe Spannung gelegten Konversionsdynode reduziert werden.

Quadrupol-Massespektrometer zeichnen sich gegenüber anderen Aufbauten aus durch:



Mit diesen Vorteilen hat sich das Quadrupol-Massenspektrometer zum meist verwendeten Massenspektrometer entwickelt.

6.4.2 Datenauswertesystem

Ein Quadrupol-Massenspektrometer liefert in kurzer Zeit eine große Menge an Informationen, für deren Darstellung und Speicherung ein PC das geeignete Gerät ist. Daher weisen die elektrischen Betriebsgeräte der Pfeiffer Vacuum Massenspektrometer nur rudimentäre Bedien- oder Anzeigeelemente auf. Die Bedienung, Datenanzeige, -auswertung und -speicherung erfolgen mit der Software QUADERA® am PC.

Die Pfeiffer Vacuum Massenspektrometersoftware QUADERA® ist ein modulares System für die Geräte PrismaPlus und HiQuad. Der PC kann über Ethernet mit den Massenspektrometern kommunizieren, sodass die Leitungslänge zwischen Spektrometer und Rechner keine Rolle spielt.

Zur Einstellung des Massenspektrometers werden bei bestimmten Messaufgaben Parametersätze vom PC an das Gerät übergeben. Die nach oder während der Messung ermittelten Daten werden an den Rechner übertragen und können dort ausgewertet, gespeichert oder angezeigt werden.

Typische Anzeigeformate sind:



Typische Messaufgaben, wie z. B. Restgasanalyse oder Lecksuche sind programmiert und lassen sich mit einem Mausklick starten.

Sollen quantitative Analysen durchgeführt werden, so ist das Massenspektrometer vorher zu kalibrieren. Handelt es sich um wiederkehrende Abläufe wie z. B. Kalibrierung mit anschließender quantitativer Analyse, so lassen sich diese mittels VSTA (Visual Studio Tools for Applications) programmieren. Da dafür vorgefertigte Module benutzt werden können, sind keine speziellen Programmierkenntnisse erforderlich.

Zur Lösung komplizierter Messaufgaben steht in der Software QUADERA® eine Bibliothek mit Bruchstückionenverteilungen für einige häufig vorkommende Gase und Verbindungen zur Verfügung. Diese und andere aus Spektrenbibliotheken gewonnenen Verteilungen können jedoch nur als Richtwerte angesehen werden, da verschiedene Parameter wie die Ionisierungsenergie, die Temperatur oder die Transmissionseigenschaften des Massenanalysators diese Werte beeinflussen.

Bei der Analyse von Gemischen mit mehreren Gaskomponenten tritt häufig das Problem der Überlappungen von Ionenströmen verschiedener Herkunft auf gleichen Massenzahlen auf. Es gibt Massenzahlen, deren Intensität ausschließlich durch eine einzige Gaskomponente hervorgerufen wird (z. B. Argon auf der Massenzahl 40, Sauerstoff auf der Massenzahl 32, Kohlendioxid auf der Massenzahl 44 und Wasser auf der Massenzahl 18).

Bei anderen Massenzahlen wird die Gesamtintensität des detektierten Ionenstromes durch die Überlagerung diverser Anteile von Bruchstückionen verschiedener Gaskomponenten bestimmt. Je nach Zusammensetzung und Konzentrationsverhältnissen im zu analysierenden Gasgemisch sind also jeweils geeignete Algorithmen und Kalibrierverfahren für die vorliegende Messaufgabe zu formulieren. So sind vor der Ausführung quantitativer Gasanalysen durch die Aufschaltung geeigneter Kalibriergasmischungen mit jeweils nicht überlappenden Komponenten, die jeweiligen Kalibrierfaktoren für jede einzelne Gaskomponente auf allen überlappenden Massenzahlen zu bestimmen. Danach kann im Rahmen einer Matrixrechnung die Konzentration bzw. der Partialdruck für diese Gase ermittelt werden. Die Massenspektrometersoftware QUADERA® unterstützt solche Matrixrechnungen und stellt die notwendigen gasspezifischen Kalibrierroutinen zur Verfügung.