DE1539659A1 - Magnetic sector lens, especially in a mass spectrometer - Google Patents

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DR.-iNG. DIPU-ING. G. RIEBLING 1539659DR.-iNG. DIPU-ING. G. RIEBLING 1539659 PATENTANWALTPATENT ADVOCATE Mein ZeichenMy sign

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. 7. 1G. 1966. 7.1G. 1966

Applied Research Laboratories Inc., Glendale, Kalifornien USAApplied Research Laboratories Inc., Glendale, California USA

Magnetische Sektorlinse, insbesondere bei-einem Massenspektrometer. Magnetic sector lens, especially in a mass spectrometer.

Diese Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Sektorlinse und ihre Anwendung auf ein Massenspektrometer, sowie auf eine Uorrichtung zur Zerstreuung von Einzelstrahlung und Erzeugung won Einzelbildern einer QubIIb davon.This invention relates to a magnetic sector lens and their application to a mass spectrometer, as well as to a device for dispersing individual radiation and generating the frames of a QubIIb thereof.

nassenspsktrometsr uBrden sehr oft bBx der chemischen Ana~ lysB und be-i .der iBotopsntrannung veriuendet. Sie bestehenhäufig aus zuiei FokussiErelementen oder Linsen, souiiß j.e einer hintereinander angeordneten elsktrischen und magne-Wet spectrometry very often shows the chemical analysis lysB and be-i. the iBotopsntrease. They often exist from zuiei focusing elements or lenses, souiiß j.e one behind the other arranged electrical and magnetic

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tischsn Linse. Die elektrische Linse zerstreut Teilchen gBmäsB ihren betreffenden Energien und konzentriert Teilchen, deren Energien innerhalb eines gegebenen Bereichs odBr Bandes liegen auf ein vorherbestimmtes Gebiet. Die magnetische Linse zerstreut die Teilchen gemäss ihren Momenten, die unter den gewöhnlichen Bedingungen ihren Massen entsprechen.table lens. The electric lens scatters particles according to their respective energies and concentrates particles, whose energies lie within a given range or band in a predetermined area. the Magnetic lens disperses the particles according to their moments, which under normal conditions their masses correspond.

In den meiete-n Fällen kann die Aufeinanderfolge der zwei-Linsen als unwichtig angesehen werdsn und irgendeine der beiden Linsen kann zuerst von den geladenen unter Analyse stehenden Teilchen durchquert werden, ■ 'In most cases the succession of the two lenses as unimportant and any of the both lenses can be first of the loaded under analysis standing particles are traversed, ■ '

Ein grösseres Problem bei Instrumenten dieser Art befasst sich mit der Erhöhung ihres Auflösungsvermögens, unter gleichzeitiger Beibehaltung einer zufriedenstellenden Empfindlichkeit und eines niederen Grundgeräuschpegsls, Beim üblichen Fall, uio sin gutes Auflösungsvermögen erwünscht ist, war es bis jetzt notwendig, ein Instrument zu verwenden, das eine verhältnismässig kleine Öffnung hat und deshalb nur Binen verhMltnismässig geringen Anteil der.anfänglich für die Analyse zur Verfügung stehenden geladenen Teilchen aufnehmen kann, mit dem Ergebnis, dass die Empfindlichkeit derartiger Instrumente ziemlich niedrig ist.A bigger problem is dealt with with instruments of this type by increasing their resolving power while maintaining a satisfactory sensitivity and a lower background noise level, at the usual Case, uio sin good resolving power is desired, was it has so far been necessary to use an instrument that has a relatively small opening and therefore only A relatively small proportion of the. Initially for Record available charged particles for analysis with the result that the sensitivity of such instruments is quite low.

- 3 - 909851/0921- 3 - 909851/0921

Aufgabe der Erfindung ist es, diese'-Nachteile zu vermeiden und Uarteile zu erreichen, die in der folgenden Beschreibung angegeben sind. Es werden nun Beispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, in denen:The object of the invention is to avoid these disadvantages and uarteile to achieve that in the following description are specified. Examples of the invention will now be given described with reference to the accompanying drawing, in which:

Figur 1 eine schematische Draufsicht einer magnetischen Sektorfeldlinse eines Massenspektrometer ist,Figure 1 is a schematic plan view of a magnetic Is the sector field lens of a mass spectrometer,

Figur 2 ist ein Querschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1;Figure 2 is a cross section taken along line 2-2 in Figure 1;

Figur 3 ist eine, im allgemeinen der in Fig. 1 ähnlichen Ansicht, jedoch unter Darstellung der Wirkung der Honientstreuung ;FIG. 3 is one generally similar to that of FIG View, but showing the effect of honey scattering;

Figur it ist eine teilweise schematische Querschnittsansicht eines Spektrameters gemäss einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsforrn der Erfindung;Figure it is a partially schematic cross-sectional view of a spectrometer in accordance with a presently preferred embodiment of the invention;

Figur 5 ist eine Rückansicht des in Fig. k dargestellten Spektrometers; undFigure 5 is a rear view of the spectrometer shown in Figure k; and

Figur 6 ist eine Endansicht des Spektrometers in Richtung des Pfeils 6 in Fig. 4 gesehen;Figure 6 is an end view of the spectrometer in the direction of of the arrow 6 seen in Fig. 4;

9 0 9 8 B 1 /Ql' 2 19 0 9 8 B 1 / Ql '2 1

Figur 7 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Linsensystems undFigure 7 is a schematic cross-sectional view of a Lens system and

Figur 8 ist eine schematische Querschnittsansicht eines abgeänderten Linsensystems.Figure 8 is a schematic cross-sectional view of a modified lens system.

P In Figuren 1 bis 3 hat das magnetische Sektorfeld keilförmige Form, die von 0.S.D¹Connell in der Review of Scientific Instruments, Band 32 (1961), SBite 131*» beschrieben worden ist. Die vorliegende Feldanordnung ist derart, dass dieses einen stigmatischen Brennpunkt und keine winklige Bildabweichung zweiter Ordnung besitzt.In FIGS. 1 to 3, the magnetic sector field has a wedge-shaped form, which has been described by 0.SD ¹ Connell in the Review of Scientific Instruments, Volume 32 (1961), SBite 131 * ». The present array is such that it has a stigmatic focus and no second order angular aberration.

Das Feld wird von den Flächen 10 bzw. 12 eines Paares von Polstücken 1U und 16 definiert, die durch irgendwelche erwünschte Vorrichtungen (nicht dargestellt) und vorzugsweise von einem Elektromagneten Brregt werden, so dass dessen Stärke leicht verändert werden kann. Aus Gründen der folgenden Erörterung kann man sich die Polflächen 10 und 12 so vorstellen, dass sie rechteckig und gegeneinander geneigt sind, wobei ihre oberen und unteren Kanten parallel zueinander verlaufen und in gemeinsamen betreffenden Ebenen liegen, die senkrecht zur Symmetrieebene des Keils stehen. Die Hauptkoordinatenachse des Systems ist die.-Schnittlinie- 20 der Ebenen, in denen dieThe field is defined by the surfaces 10 and 12, respectively, of a pair of pole pieces 1 U and 16 which are excited by any desired device (not shown) and preferably by an electromagnet, so that its strength can be easily changed. For the sake of the following discussion, the pole faces 10 and 12 can be thought of as being rectangular and inclined with respect to one another with their upper and lower edges parallel to one another and in common respective planes perpendicular to the plane of symmetry of the wedge. The main coordinate axis of the system is the line of intersection - 20 of the planes in which the

'..■'-■ ■■■■- - 5 -■ .. . 90985 1/0 92 1'.. ■' - ■ ■■■■ - - 5 - ■ ... 90985 1/0 92 1

PoIflachen 10 bzw, 12 liegen. Bei einem tatsächlichen Instrument würde der Winkel zwischen den Polflächen und 12 ungefähr 10° bis 20^D betragen, abhängig van der Strammenge, die zur Erregung des Feldes zur l/Brfügung steht. Bei Uergrässerung des Winkels wird eine grössere Strammenge benötigt, um eine gegebene, mittlere Feldstärke zu erreichen, Wie bekannt verlaufen die bei 22 angedeuteten Feldlinien in einem keilförmigen Feld längs kreisförmigen Kurven, deren Mittelpunkte 'auf der Koordinatenachse 20 liegen. Aufgrund dieser Anordnung bildet das Feld nicht nur diejenigen Ionen scharf ab, welche dieses in radialer Richtung durchströmen, d, h. in der Ebene der Fig. 1, sondern auch in axialβ'γ Richtung, d. h. in der Ebene der Fig. 2. Die Feldstärke nimmt proportional mit der Entfernung von der Koordinatenachse 20 ab und kann ausgedrückt werden als:PoI areas 10 or 12 are located. In an actual instrument, the angle between the pole faces 12 and 12 would be approximately 10 ° to 20 ^D , depending on the amount of current available to excite the field. If the angle is increased, a larger amount of force is required to achieve a given, mean field strength. As is known, the field lines indicated at 22 run in a wedge-shaped field along circular curves, the centers of which lie on the coordinate axis 20. Due to this arrangement, the field not only sharply depicts those ions which flow through it in the radial direction, i. E. in the plane of FIG. 1, but also in the axial β'γ direction, ie in the plane of FIG. 2. The field strength decreases proportionally with the distance from the coordinate axis 20 and can be expressed as:

worin F die Uerhältniszahl und r die Entfernung von der Achse 20 ist. In einem derartigen Feld beschreiben geladene Teilchen trochoidale und nicht kreisförmige Bahnen. where F is the ratio and r is the distance from the axis 20. In such a field, charged particles describe trochoidal and non-circular orbits.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung befasst sich mit den relativen Abmessungen des Feldes, die äusserst einfach be»An important feature of the invention addresses the relative dimensions of the field, which are extremely easy to »

- 6■■- 909851/0921- 6 ■■ - 909851/0921

15398591539859

schrieben werden können, unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 und ferner unter Bezugnahme auf Ionen mit einem gegebenen Moment, welche das Feld durch aeinB schmale Kante 29.längs Bahnen innerhalb eines Raumwinkels B betreten. Der Raumwinkel B ist längs Biner gewählten Senkrechten 23 zur unteren Kante 29 gemittet und hat ungefähr die gleiche Grosse als wie der Keilwinkel des Feldes. Es wird angenommen, dass die Ionen von einem auf der gewählten Senkrechten 23 liegenden PunktquBlle 2i* herkommen.can be written with reference to Figs and further referring to ions with a given Moment, which the field through a narrow edge 29 Enter lanes within a solid angle B. The solid angle B is along Biner's chosen perpendicular 23 to the lower one Edge 29 is centered and is roughly the same size as like the wedge angle of the field. It is believed that the Ions come from a point source 2i * lying on the selected perpendicular 23.

Es wurde die Erfahrung gemacht, dass all diese Ionen das Feld nach einer mittleren Ablenkung von 90° verlassen und sich längs Bahnen bewegen, die parallel zur Koordinatenachse 2D verlaufen, vorausgesetzt, dass die Quelle 24 auf . , die Achse 20 gesetzt wird, und zwar in einer kritischen Entfernung B van der Begrenzungsebene des Feldes, durch welche die Ionen das Feld verlassen. Im dargestellten Beispiel in Fig. 1 wird diese Ebene durch die rechten Kanten 26/29 der Polstücke definiert. Die kritische Entfernung ist ungefähr 1347 mal die Entfernung A zwischen der Achse 20 und dem Feld und diB MittelebenB 32 der austretenden Ionen hat einen Abstand von der Koordinatenachse, der 2100 mal so gross ist als wie diB Entfernung der Achse 20 vom Feld. Die Bahnen der aus dem Feld austretenden Ionen verlaufen dann sowohl in der ersten als auch in dar zweiten Annäherung parallel. Als Folge=Experience has shown that all these ions leave the field after an average deflection of 90 ° and move along paths that run parallel to the coordinate axis 2D, provided that the source 24 is on. , the axis 20 is set at a critical distance B from the boundary plane of the field through which the ions leave the field. In the example shown in Fig. 1, this plane is through the right edges 26/29 of the Pole pieces defined. The critical distance is approximately 1347 times the distance A between axis 20 and the Field and diB middle planeB 32 of the exiting ions has a Distance from the coordinate axis, which is 2100 times as large as like the distance of the axis 20 from the field. The orbits of the Ions emerging from the field then run parallel both in the first and in the second approximation. As a result =

909851/ÖS21909851 / ÖS21

satz daraus gilt die Tatsache, uenn das Feld in der entgegen· gesetzten Richtung durchströmt uiird und Ionen längs Bahnen parallel zur Koordinatenachse und nächst der mittleren Ebene 32 das Feldwie in Fig. 1 gesehen von rechts betreten, diese Ionen dann ahne Abweichung zweiter Ordnung stigmatisch an der Quelle 2k scharf eingestellt werden.From this, the fact applies that if the field flows through in the opposite direction and ions enter the field from the right along paths parallel to the coordinate axis and next to the middle plane 32, as seen in FIG. 1, these ions then stigmatically without deviation of the second order of the source 2k can be focused .

In üJirklichkeit brauchen die Palflächen 10 und 12 nicht rechteckig zu sein, sondern können vorzugsweise gebogen ausgeführt werden, um sich im allgemeinen der Krümmung der Ionenbahnen anzupassen, so dass die nasse der Polstücke und der benötigte/ Strom zur Erzeugung cIbs Magnetfeldes auf ein Plindestmass beschränkt werden. Sie verlaufen radial etwas über die Grenzen der Ionenbahnen hinaus, um die Wirkungen von elektrischen Streufeldern zu vermeiden.In reality, the palm surfaces 10 and 12 do not need to be rectangular, but can preferably be made curved to generally accommodate the curvature of the Adjust ion trajectories so that the wet of the pole pieces and the required / current to generate cIbs magnetic field be limited to a minimum. They run radially slightly beyond the boundaries of the ion trajectories in order to avoid the effects of stray electrical fields.

Ein wichtiger l/orteil dieser nagnetfeldanardnung liegt in der im wesentlichen vollständigen Ausnutzung des Raumes zwischen den Polflächen 10 und 12. Die Ionenbahnen erfüllen den gesamten Keil und überkreuzen sich nicht.An important advantage of this magnetic field arrangement lies in the essentially complete utilization of the space between the pole faces 10 and 12. The ion paths meet the entire wedge and don't cross each other.

In dem zu beschreibenden Massenspektrometer wirkt die Flagnetsektorlinae als ein FlamBntstreuungsBlement und ist hintereinander mit einer elektrischen Linse angeordnet, die als Enerni Est reuungsBlement wirkt. Durch lüBhl eines Kugel-In the mass spectrometer to be described, the flagnet sector line acts as a flame-scattering element and is arranged one behind the other with an electric lens which acts as an energy-scattering element. Through the lüBhl of a spherical

9098 51/09219098 51/0921

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

kondensators für die elektrische Linse wird eine optimale Kombination -erzielt, die ein Massenspektrometer zum Ergebnis hatj das doppelt fokussiert (im Sinne einer gleichzeitigen Winkel- und Energiescharfeinstellung), stigmatische Bilderzeugung besitzt (was bedeuten soll, dass der Bildpunkt erster Ordnung in der radialen Ebene mit dem Bildpunkt erster Ordnung in der axialen Ebene zusammenfällt), eine grosse Raumwinkelsammelwirkung hat (verhältnismässig grosse optische Öffnung) und auch leicht herzustellen ist.capacitor for the electric lens becomes an optimal one Combination - achieved using a mass spectrometer as a result hatj the double focused (in the sense of a simultaneous angle and energy focusing), stigmatic Imaging possesses (which is supposed to mean that the pixel of the first order is in the radial plane with the pixel first order coincides in the axial plane), has a large solid angle collecting effect (relatively large optical aperture) and is also easy to manufacture.

Im allgemeinen ist es beim Entwurf eines Massenspektrometer mit Doppel-Scharfeinstellung notwendig die Momentstreuung des Magnetfeldes an die des elektrischen Feldes anzupassen. Obwohl das elektrische Feld eine Enargiestreuvorrichtung ist, kann für diese Uarrichtung Bin Momentstreuungsfaktor errechnet werden, der für Ionen irgendeiner ausgewählten Masse anwendbar ist.In general it is in the design of a mass spectrometer with double focusing, the torque spread is necessary of the magnetic field to match that of the electric field. Although the electric field is an energy scattering device, Can calculate a torque spread factor for this direction applicable to ions of any selected mass is.

Die Momentstreuung des magnetischen Feldes der Sektarlinse wird in Fig. 3 dargestellt. Es kann gezeigt üjerden, dass Ionen mit dem Moment P=P (1+u), wobei u viel kleiner als 1 ist, durch den Winkel - 1,39 u radiant im Magnetfeld weniger abgelenkt werden, als Ionen mit dem Moment P . Die Berechnung zeigt, dass zur Angleichung an diesen Streuungsuert der Sektorwinkel des Kugelkondensators i»4^D sein sollte. AusThe moment spread of the magnetic field of the sector lens is shown in FIG. It can be shown that ions with the moment P = P (1 + u), where u is much smaller than 1, are deflected less by the angle - 1.39 u radians in the magnetic field than ions with the moment P. The calculation shows that the sector angle of the spherical capacitor should be i »4 ^{D in} order to adjust to this variance. the end

-9 - 909851 /0921-9 - 909851/0921

Herstellurigsgründen jedoch kann der SBktorwinksl dea Kugelkondensatars 45° betragen und durch Einstellung des mittleren Potentials des Kugelkondensatarfeldes wird eins genaue Energiescharfeinstellung erreicht.For manufacturing reasons, however, the Sktorwinksl dea spherical condensate 45 ° and by setting the mean potential of the spherical condenser field, an exact one becomes Energy focus reached.

Fig. 4, 5 und 6 zeigen die zugrunde gsiegtB Geometrie eines RassanspektrametBrs Binschliesslieh des 90° Magnatsektorfeldes 40 und des 45° elektrischen Kugelkondensatars 42* Die Reihenfolge-der" Felder kann vom Ionenstrahl in jeder Richtung durchlaufen werden. In Anbetracht der vorliegenden Beschreibung soll angenommen werden, dass sich die Ionen in Fig. k und 5 von rechts nach links bewegen, und zwar von einer Quelle lh aus, die von βϊπβγ Eingangsblende 43 dB-finiert wird. Anschliessend gehen sia zuerst durch die elektrische Linse kl und dann durch die Magnetlinse kO zu einem Bildpunkt 44, der von einer Austrittsblende kB definiert wird.4, 5 and 6 show the underlying geometry of a Rassan spectra meter including the 90 ° magnate sector field 40 and the 45 ° electric spherical condenser 42 * The order of the fields can be traversed by the ion beam in any direction k and 5 move from right to left, from a source lh , which is defined by the βϊπβγ input aperture 43 dB. They then go first through the electric lens kl and then through the magnetic lens kO to an image point 44 which is defined by an exit diaphragm kB .

Ein schmales Ionenbündel der Quelle 2k wird zwecks Einlass in den Kugelkondensator k2 von der Kollimatorblende 48 gewählt. Der KugBlkandensator 42 zerstreut die Ιοπβπ g/emäss ihren Energien. Ionen mit Energien innerhalb eines ausgewählten, begrenzten Bereiches durchlaufen die Ulählblende 50, die sich zwischen den elektrischen Feldern 42 bzw. 40 befindet. Die magnstische Sektorlinse 40 zerstreut die Ionen dannA narrow ion bundle from the source 2k is selected by the collimator diaphragm 48 for the purpose of admission into the spherical capacitor k2. The ball capacitor 42 dissipates the Ιοπβπ g / em according to their energies. Ions with energies within a selected, limited range pass through the dial 50, which is located between the electric fields 42 and 40, respectively. The magnetic sector lens 40 then scatters the ions

: .-' 10. - ■ ■ 903851/0921: .- '10. - ■ ■ 903851/0921

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gemäss ihren Momenten oder nassen und diejenigen Ionen mit dem gewählten Moment werden.beim Bildpunkt kk stigmatisch fokussiert (scharf eingestellt),. . ■according to their moments or wet and those ions with the selected moment are stigmatically focused (focused) at the image point kk ,. . ■

Uenn die Felder in der entgegengesetzten Richtung durchlaufen werden, uiird zuerst die Fiomentstreuung durchgeführt und die üJählblande 50 wirkt als MomBntwähler anstelle eines Energiewählers. .If the fields are traversed in the opposite direction, the flux scattering is carried out first and the üJählblande 50 acts as a moment voter instead of one Energy selector. .

UJ1 β bereits festgestellt, werden zur l/erringerung der. Stromanforderungen für das Magnetfeld und der Masse der magnetischen Konstruktion auf ein Mindestmass diejenigen Teile der PolstUcke 14 und 16 ausgelassen, wo kein Feld benötigt wird, wie dies in Fig. U zu sehen ist. Dies hat keine Veränderung der Verteilung des Magnetfeldes zwischen den Polstücken 1 i* und 16 zur Folge, wobei das Feld, wie hierin in Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschrieben, unverändert verbleibt.UJ1 β already established are used to reduce the. Power requirements for the magnetic field and the mass of the magnetic construction to a minimum those parts of the Pole pieces 14 and 16 are omitted where no field is required, as can be seen in FIG. This has no change the distribution of the magnetic field between the pole pieces 1 i * and 16 in succession, the field as referred to herein with Fig. 1 and 2 described, remains unchanged.

Da das beschriebene Spektrometer ein Stigmatisches Bild erzeugt, das nur v/erhältnismässig kleinen BildabweichungBn unterworfen ist, kann es eine grössere winklige Öffnung als vorherige Massenspektrometer von gleichem Auflösungsvermögen besitzen. Dies erzeugt verbesserte Empfindlichkeit, da ein grösserer Anteil der von der QubIIb kommenden Ionen verwendet werden kann, als bei bisher erhältlichen Instrumenten. Since the spectrometer described produces a stigmatic image that only has a relatively small image deviation Bn it may have a larger angled opening than previous mass spectrometers of the same resolution own. This creates improved sensitivity as a larger proportion of the ions coming from the QubIIb can be used than with previously available instruments.

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Die Herstellung des Spektrometers ist ebenfalls verhältnismässig einfach und billig. Es brauchen keine komplizierten Oberflächen hergestellt zu werden. Die Flächen zur Bildung des Magnetfeldes sind Ebenen und diejenigen zur Bildung des elektrischen Feldes sind kugelförmig. Es ist nicht nur leicht Elemente dieser einfachen Farmen herzustellen; noch leichter ist es, sie zusammenzubauen und ihre Positionen in Bezug aufeinander einzustellen, als Elemente komplizierterer oder unregelmässiger Formen, wie die der dargestellten, zusammenzubauen und einzustellen.The manufacture of the spectrometer is also proportionate easy and cheap. No complicated surfaces need to be produced. The areas for education of the magnetic field are levels and those for the formation of the electric field are spherical. It's not all easy To manufacture elements of these simple farms; even easier is to assemble them and their positions in relation to each other adjust, as elements more complicated or irregular Assemble and adjust molds such as those shown.

Ein weiterer l/arteil des beschriebenen Spektrameters besteht darin, dass sowohl Quelle als auch Bild useit von den Streuungafeldern entfernt sind, wodurch Abschirmprobleme vermieden werden, wie sie andernfalls auftreten würden, ωβηπ beim Bild oder an der Quelle eine feldempfindliche Vorrichtung verwendet uiird, wie dies z. B. am Bildpunkt eines Elektronanvervielfachers der Fall ist.There is another part of the spectrum parameter described in that both the source and the image useit from the scattering fields removed, thereby avoiding shielding problems become, as they would otherwise occur, ωβηπ at Image or a field sensitive device at the source uiird used, as z. B. at the pixel of an electron multiplier the case is.

Die Abmessungen und ungefähren typischen BetriebskenngrÖßen einer tatsächlichen Ausführungsform der Erfindung sind wie folgend:The dimensions and approximate typical operating parameters an actual embodiment of the invention are like following:

Die elektrischen Potentiale sind in Bezug auf Erdung angeführt. The electrical potentials are given in relation to grounding.

- 12 -- 12 -

9098 5.1/09219098 5.1 / 0921

Kugelkandensatar Ml: Spherical edge tartar Ml:

mittlerer Radiusmedium radius

Abstand zuischen den PlattenDistance between the plates

Potential der inneren Platte ψ Potential der äußeren PlatteInner plate potential ψ Outer plate potential

(für positive Ionen mit 2,5 kl/ Energie)(for positive ions with 2.5 kl / energy)

Entfernung von der Quelle 2k zur Eintrittsblende 48Distance from the source 2k to the entrance aperture 48

Magnetische Sektorlinse 4Q:Magnetic sector lens 4Q:

1G1G ηη I/OltI / Olt 11 IlIl UaItUaIt - 250- 250 + 250+ 250

Feldstärke in der MittelebenB 32 bis zu 9000 Gauss Feldstärke an der Schmalseite 29 bis zu 19G00 GaussField strength in the middle level B 32 up to 9000 Gauss Field strength on the narrow side 29 up to 19G00 Gauss

die Entfernung A von der Schmalseite 29 zur Koordinaten-* achse 5"the distance A from the narrow side 29 to the coordinate * axis 5 "

Auflösungsvermögen: verstellbar νσπ 1GD bis 10.000. Nassenbereich: bis zur Nasse 1000, bei einer Ionenenergie von 1,5 kl/.Resolving power: adjustable νσπ 1GD to 10,000. Wet area: up to wet 1000, with an ion energy from 1.5 kl /.

- 13 -- 13 -

r ,.. .-.....- 90 98 5 1 /092 1r , ... -.....- 90 98 5 1/092 1

Die Eintrittsblende 48, die lilählerblendB 50 und die Austrittsblende Mb sind alle vorzugsweise in Grosse verstellbar, so dass eine Einstellung auf dia optimalen Betriebsbedingungen für Ionen zahlreicher, verschiedener Energien und Momente und zahlreicher, verschiedener Konzentrationen an der Quelle 24 ermöglicht wird. Im allgemeinen werden die Blenden miteinander eingestellt, um das Massenauflösungsvermögen auf die von der erwünschten Empfindlichkeit festgesetzten Grenze auf einen Maximalwert einzustellen.The inlet aperture 48, the meter aperture 50 and the outlet aperture Mb are all preferably adjustable in size so that an adjustment to the optimal operating conditions for ions of numerous, different energies and moments and numerous, different concentrations at the source 24 is made possible. In general, the apertures are adjusted together in order to maximize the mass resolving power to the limit set by the desired sensitivity.

Die magnetische SBktorlinsB kann in Uerbindung mit einer oder mehreren elektrischen Äquipotentiallinsen verwendet werden.The magnetic SBktorlinsB can be used in conjunction with a or more electric equipotential lenses are used will.

Unter Bezugnahme auf Fig. 7 uird dort diß Wirkung der Einschaltung einer elektrischen ÄquipotBntiallinse 110 in Serie mit einer Sektarfeldlinse 112 dargestellt. Wann die SektorlinsB 112 allein auftritt, hätte sie eine Ulinkelöffnung <£ und ihre Ding-BrennpunktebBne, von der angenommen wird, dass sie, wie in Fig. 7 gesehen, rechts liegt, uiäre verhältnismässig weit von der LinsB 112 entfernt, wie dies vom Dingpunkt 116 angedeutet ist. Dia winklige Bildabbieichung der LinsB 112 wird durch die Linie 118 dargestellt, welche senkrecht zum Gausa'schsn Bildpunkt 122 auf der Hauptachse 120 steht. Die winklige BildabwBichung versinnbild-Referring to Fig. 7, there is shown the effect of engaging an electric equipotential double lens 110 in series with a sector field lens 112. When the sector lens 112 appears alone, it would have an angle aperture <£ and its thing focal plane, which is assumed to be to the right, as seen in FIG. 7, would be relatively far away from the lens 112, like this from the thing point 116 is indicated. The angular deflection of the image of the lens B 112 is represented by the line 118, which is perpendicular to the Gaussian image point 122 on the main axis 120. The angular image deviation symbolizes

- 11» -- 11 »-

909851/0 921 SADORIGlNAt909851/0 921 SADORIGlNAt

licht die Breite des Bildes eines einzelnen, theoretisch dimensionelosen Dingpunkts 116.light is the width of the image of a single, theoretically dimensionless thing point 116.

tüsnn die Äquipotentiallinse 110 in Reihe und vor die Sektnrlinse 112 geschaltet wird, wird die Objektebene zur Sektorlinse 112 bewegt, zu einer Stelle, die vom Bildpunkt angedeutet ist, und zuiar mit einer entsprechenden Zunahme der LJinkelöffnung, die nun JC ' wird. Die Abweichung wird jedoch nicht bedeutend erhöht und die Lage des Bildpunkts 122 wird nicht verändert.If the equipotential lens 110 is connected in series and in front of the sector lens 112, the object plane is moved to the sector lens 112, to a position indicated by the image point, and with a corresponding increase in the angular aperture, which now becomes JC '. However, the deviation is not significantly increased and the position of the image point 122 is not changed.

Figur 8 stellt die Wirkung der Verwendung zweier Äquipotentiallinsen in Verbindung mit Binar einzelnen Sektorfeldlinse 112* dar. Es kann gesehen werden, dass sowohl die Objektais auch die Bildebene näher zum Sektorfeld 112* verschoben werden, ale ohne die Äquipotentiallinsen. Trotzdem kommt immer noch eine bemerkenswerte Zunahme der winkligen BiIdabwBichung dee Systems zustande, in l/ergleich zur winkligen Bildabweichung der Sektorfeldlinse 112 ·, wenn diese allein verwendet wird.Figure 8 illustrates the effect of using two equipotential lenses in conjunction with a binary single sector field lens 112 *. It can be seen that both the objects and the image plane are shifted closer to the sector field 112 * without the equipotential lenses. In spite of this, there is still a remarkable increase in the angular image deviation of the system, equal to the angular image deviation of the sector field lens 112 when this is used alone.

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Im Falle von erfindungsgemässen Systemen, die zur Scharfeinstellung in nur einer Koordinatenrichtung angeordnet sind, wie z. B.bei einem gleichmässlgen Plagnetsektorfeld -in Reihe mit einer elektrischen Äquipotentialschlitzlinss,In the case of systems according to the invention which are arranged for focusing in only one coordinate direction, such as e.g. B. with a uniform magnetic sector field - in series with an electrical equipotential slot lens,

- ¹⁵ - 909851/0921- ¹⁵ - 909851/0921

^ßAD ^ß AD

ist die Raumuinkelannahme grosser als die eines Sektorfeldes allein, und zwar proportional zu den Verhältnissen zwischen der in sich selbst genommenen Objektentfernung des Sektorfeldes zu der Gbjektentfernung der Serienkombination. the spatial angle assumption is greater than that of a sector field alone, proportional to the circumstances between the self-taken object distance of the sector field to the object distance of the series combination.

PatentansprücheClaims

- 16'- - 16'-

■ --^{: ;} 909851/0 92■ ^-:; 909851/0 92

Claims (1)

PatentansprücheClaims 1J Magnetische Sektorlinse zur Ablenkung sich belügender, geladener Teilchen, bestehend aus Vorrichtungen zur Erzeugung eines keilförmigen Plagnetf eldee , gekennzei chnet durch gekrümmte Feldlinien, die eenkrecht durch die Symmetrieebene des Keiles verlaufen, worin dieses Feld plane Eintritts- und Austrittsbegrenzungen besitzt, eine der Begrenzungen parallel zur Richtung der Krümmung der Feldlinien verläuft und die andere längs der schmalen Kante des Keils liegt und senkrecht zu dieser einen Begrenzung und zur Symmetrieebene steht, wobei dieses Feld so angeordnet ist, um Ionen mit einem gewählten Moment längs trachoidalen Bahnen zwischen den Begrenzungen abzulenken und die Bahnen um eine mittleretlahn gruppiert sind, die senkrecht durch beide dBr Begrenzungen verläuft.1J Magnetic sector lens to deflect lying, charged particles consisting of devices for generating of a wedge-shaped Plagnetf eldee, marked chnet by curved field lines that are perpendicular through the plane of symmetry of the wedge run in which this field has planar entry and exit limits, a the boundaries parallel to the direction of curvature of the Field lines runs and the other lies along the narrow edge of the wedge and perpendicular to this one boundary and stands to the plane of symmetry, this field being arranged so as to trachoidal ions with a chosen moment longitudinally Paths divert between the boundaries and the paths are grouped around a middle section that runs vertically through runs both dBr limits. 2. Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Begrenzung des Feldes senkrecht zur Schnittlinie der Ebenen der Hauptflächen des Keils steht und worin das Feld im wesentlichen gleichmassig ist durch eine vorherbestimmte Fläche der anderen Begrenzung, die in einer Entfernung von der einen Begrenzung2. Lens according to claim 1, characterized in that that the one delimitation of the field perpendicular to the intersection of the planes of the main surfaces of the wedge and wherein the field is substantially uniform through a predetermined area of the other Boundary that is at a distance from the one boundary - 17 - 30985T70S21- 17 - 30985T70S21 gleich ca. 1347 mal der Entfernung zwischen dar anderen Grenze und der Schnittlinie gemittet ist, wobei die Feldstärke sich umgekehrt proportional zur Entfernung von dieser Schnittlinie über eine vorherbestimmte Fläche der einen Begrenzung verändert, die in einer Entfernung von der anderen Begrenzung gemittet ist, und zwar in einer Entfernung gleich ca. 110 mal der Entfernung zwischen der anderen Begrenzung und dieser Schnittlinie.equal to about 1347 times the distance between the others Border and the intersection line is averaged, with the field strength is inversely proportional to the distance from this cutting line over a predetermined area of the a boundary changed at a distance of the other limit is averaged in one Distance equals approximately 110 times the distance between the another boundary and this cutting line. 3» Linse nach Anspruch 2, dadurch gekennz e i c h η β t, dass die -Mittel zur Erzeugung des Feldes Bin Paar Polstücke umfassen, deren jedes eine plane Oberflache hat, die den keilförmigen Raum für das Feld definieren, ujobBi die Oberflächen längs jeder der Begrenzungsebenen gerade Kanten aufweisen, wodurch bei Erregung der Polstücke zur Errichtung eines dazwischen liegenden Magnetfeldes geladene Teilchen, die mit einem vorherbestimmten MomBnt längs einer Bahn in dar SymfnetriesbanB das Keils durch die vorherbestimmte Fläche der anderen Begrenzung und in Richtungen längs der Bahn in dae Feld gerichtet werden eine mittlere Ablenkung von 9Q° erfahren und auf Bahnen im wesentlichen parallel zu dieser Schnittlinie austreten. ·3 »lens according to claim 2, characterized e i c h η β t that the means for generating the field Bin comprise a pair of pole pieces, each of which has a plane Surface that has the wedge-shaped space for the field define, ujobBi the surfaces along each of the boundary planes have straight edges, whereby when the pole pieces are excited to establish an intermediate magnetic field charged particles with a predetermined MomBnt along a path in the SymfnetriesbanB the wedge through the predetermined area of the other boundary and in directions along the path in dae Directed to the field, a mean deflection of 9 ° is experienced and emerge on tracks substantially parallel to this cutting line. · t*. Linse nach Anspruch 3, da du roh g e k β η η ·*" t *. Lens according to claim 3, since you raw k β η η · * " - 18 - B0S851/0921- 18 - B0S851 / 0921 SAD ORIGINAL jSAD ORIGINAL j ζ β i c h π et, dass Vorrichtungen zur Schaffung einer, Blende vorgesehen sind, die dar trapezförmigen Fläche des keilförmigen Raumes zwischen den Postücken gegenüberliegt, wobei die Blende Binen Abstand von der Ebene längs der Schmalkante des Keils hat, die ca. 110 mal die Entfernung dieser Ebene von der Schnittlinie der Ebene beträgt, so dass die Ionen mit gewähltem Moment, weiche durch die Blende und länge Bahnen parallel zu dieser Schnittlinie in das Feld eintreten eine mittlere Ablenkung von 9D^D erfahren und in einem Punkt auf der Schnittlinie in einen stigmatischen Brennpunkt gebracht werden, der van der trapezförmigen Oberfläche eine Entfernung hat, die ca. 13Λ7 mal die Entfernung zwischen der Schnittlinie und längs der S hmalseite des Keils liegenden Ebene beträgt.ζ β i π et that devices for creating a screen are provided, which is opposite to the trapezoidal surface of the wedge-shaped space between the mail pieces, the screen Binen distance from the plane along the narrow edge of the wedge, which is about 110 times the distance This plane is from the intersection of the plane, so that the ions with the chosen moment, which enter the field through the diaphragm and long paths parallel to this intersection, ^{experience an average deflection of 9D D} and at one point on the intersection they have a stigmatic focus the distance from the trapezoidal surface is approximately 13Λ7 times the distance between the line of intersection and the plane lying along the semicircular side of the wedge. 5. Massenspektrometer, bestehend aus einer magnetischen SBktorlinae nach irgendeinem der vctfiergehenden Ansprüche, und einem sphärisch gekrümmten, elektrischen Ringkondensatar, dadurch gekennzeichns t, dass die Linse und der Kondensator längs einer vorherbestimmten Bahn zur Ablenkung der Ionen längs dieser Bahn in.Reihe* liegend engeordnet sind·5. Mass spectrometer, consisting of a magnetic SBktorlinae according to any of the preceding claims, and a spherically curved, electrical ring capacitor, characterized by the fact that the lens and the condenser along a predetermined one Path for deflecting the ions along this path in row * are arranged lying down 6. naBsenspektrometer nach Anspruch 5, d a d u r c h6. wet spectrometer according to claim 5, d a d u r c h g e k β π η ζ ei c h η a t, dass die Sektorlinselängeg e k β π η ζ ei c h η a t that the sector lens length ■- 19 -■ - 19 - 009851/0921 q_ad 009851/0921 q _ad ■■-■" ■' ρ■■ - ■ "■ 'ρ - 1 9 -'- 1 9 - ' eines Winkels von 9D^D und der Kondensator längs eines Winkels von '45°-verlauft.at an angle of 9D ^D and the capacitor along an angle of 45 °. 7. Massenspektrometer nach Anspruch 5, oder 6, d a -durch g e k e η η ζ e i c h π e t_f dass der Kondensator eine mit der Begrenzung der Sektorlinse ausgefluchtete und dieser gegenüberliegende, planare Gberflache % besitzt, parallel zur Richtung der Krümmung der Feldlinien.7. A mass spectrometer according to claim 5 or 6, because geke η η ζ eich π et _f that the capacitor has a planar surface% aligned with the boundary of the sector lens and opposite it, parallel to the direction of the curvature of the field lines. 8. Massenspektrometer nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Vorrichtungen, die eine Blende zwischen der magnetischen Sektorlinse und dan Kondensator zur Begrenzung des lonenverlauFs zwischen dem Magnetfeld und dem Kondensator definieren*8. mass spectrometer according to claim 7, characterized by devices that have a Aperture between the magnetic sector lens and the capacitor to limit the ion path between the Define the magnetic field and the capacitor * 9. l/orrichtung zur Streuung von Einzelstrahlung und Erzeugung von Einzelbildern einer Quelle davon, gekennzeichnet durch eins magnetische Sektorlinse nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 und einer mit der Sektorlinse in Tandem angeordneten elektrischen Äquipotentiallinee. ,9. l / device for scattering individual radiation and generating individual images of a source thereof, characterized by a magnetic sector lens according to any one of claims 1 to 4 and one with the Sector lens in tandem electrical equipotential line. , 10. Uarrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch zuBi elektrische Äquipotentiallinsen, die an den entgegengesetzten betreffenden Enden der Sektorlinae in10. Uarrichtung according to claim 9, characterized by zuBi electrical equipotential lenses, which on the opposite respective ends of the sector lines in - ^2D -■ - 9 0 9 8 51/0321 ^SAD - ^2D - ■ - 9 0 9 8 51/0321 ^SAD Tandem mit dieser angeordnet sind.Tandem with this are arranged. 11. Uorrichtung nach Anspruch 9 oder,1O₁ uorin die Sektorlinse so angeordnet ist, um geladene,Teilchen nur in einer .Koordinatenrichtung scharf einzustellen, da d ure h ge k en η zeich η e t, dass die Vorrichtung aus einer elektrischen Äquipotentialschlitzlinse besteht, die11. Uorrichtung according to claim 9 or, 1O ₁ uorin the sector lens is arranged in order to focus charged particles only in one .Koordinatenrichtung, since the device consists of an electrical equipotential slit lens, the ^ in Tandem mit der Sektorlinse angeordnet ist.^ is arranged in tandem with the sector lens. 12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,- dass die Sektorlinse so angeordnet ist, um geladene Teilchen in zwei zueinander senk rechten Kaordinatenrichtungen scharf einzustellen.12. Apparatus according to claim 9 or 10, characterized - that the sector lens is arranged is to focus charged particles in two mutually perpendicular coordinate directions. 13. l/orrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichne t, . dass die Äquipotentiallinse aus drei Elektroden mit axialem Abstand voneinander besteht_t 13. l / device according to claim 12, characterized in that t. that the equipotential lens consists of three electrodes with an axial distance from each other _t ψ die drei betreffende koaxial ausgefluchtete kreisrunde Blenden definieren und die Sektorlinse ein sphärisch gekrümmter Ringkondensator ist. ψ define the three relevant coaxially aligned circular apertures and the sector lens is a spherically curved ring capacitor. 909851/0921909851/0921