Massenspektrometrie

Mit Hilfe der Massenspektrometrie kann die Teilchendichte einer Spezies im Plasma bestimmt werden.

Messprinzip

Durch Massenspektrometrie kann das Masse/Ladungs-Verhältnis (m/q) eines Teilchens bestimmt werden. Das Messprinzip beruht auf Ionisation von Neutralteilchen, wodurch Ionen entstehen, die durch ein elektrisches Feld nach dem Masse/Ladungs-Verhältnis gefiltert werden. Da die Teilchen im Spektrometer nicht mit Hintergrundmolekülen zusammenstoßen dürfen, benötigt man einen geringen Druck innerhalb des Spektrometers, um eine große freie Weglänge der Teilchen zu gewährleisten. Eine Vakuumtrennung zwischen Plasma und Massenspektrometer ist nötig, da das Plasma in der Regel bei vergleichsweise hohen Drücken betrieben wird. Hinter zwei Pumpstufen zur Vakuumtrennung befindet sich der Ionisator. In diesem Versuch wird ein Crossbeam-Ionizer verwendet, der die Neutralteilchen senkrecht zur ihrer Flugrichtung mit Elektronen beschießt und dadurch ionisiert. Der Ionisationswirkungsquerschnitt ist von der verwendeten Elektronenenergie und den zu ionisierenden Teilchen abhängig. Ein Maximum für die meisten Teilchen befindet sich bei 70eV. Mit Hilfe eines Quadrupolfeldes werden die Ionen nach ihrem Masse/Ladungs-Verhältnis sortiert und auf einen Detektor gelenkt. Aus den Signalstärken der einzelnen Masse/Ladungs- Verhältnisse, kann die Teilchendichte der jeweiligen Spezies bestimmt werden. Vor dem Massenspektrometer befindet sich ein Chopper, mit dem es möglich ist Beiträge des Hintergrundgases zu messen.

Fragmentierungsmuster

Werden Messungen mit einer Elektronenenergie von 70 eV im Ionisator durchgeführt, können Neutralteilchen mehrfach ionisiert werden, sowie Bruchstück-Ionen mit unterschiedlicher Häufigkeit erzeugt werden. Daraus ergibt sich ein, für die jeweilige Spezies charakteristisches Fragmentierungsmuster. Um zum Beispiel ein $NH_3$-Molekül zu ionisieren ist eine Elektronenenergie von 10,05 eV nötig. Das ionisierte Teilchen wird bei 17 amu detektiert. Bei hohen Elektronenenergien kann das Bruchstück-Ion NH$_2^+$ erzeugt werden, welches bei 16 amu nachgewiesen wird. Ebenso kann eine Dissoziation in die Ionen $NH^+$ und $N^+$ mit 15 amu bzw. 14 amu erfolgen. Die Signalstärke sinkt, je größer die Ionisationsenergie ist. Das Verhältnis der Peaks zueinander ist für eine Spezies konstant.