DE1938770A1

DE1938770A1 - Massenspektrograph mit Doppelfokussierung

Info

Publication number: DE1938770A1
Application number: DE19691938770
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl-Phys Dr Liebl
Original assignee: Institut fuer Plasmaphysik GmbH
Current assignee: Institut fuer Plasmaphysik GmbH
Priority date: 1969-07-30
Filing date: 1969-07-30
Publication date: 1971-02-18
Also published as: US3622781A; BE749340A; GB1320206A; NL7004207A; DE1938770B2; FR2056163A5; LU61429A1

Description

8040-69/Dr.v.B/Bru

Institut für Plasmaphysik.GmbH, 8046 Garching

Massenspektrograph mit Doppelfokussierung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Massenspektrographen mit Doppelfokussierung, der längs des von den Ionen durchlaufenen Weges der Reihe nach einen Ioneneintrittsspalt, ein elektrisches Sektorfeld, eine Blende zur Begrenzung des Energiebereiches der Ionen CEnergieblende"), ein magnetisches Sektorfeld und eine Aufzeichnungsebene, in der eine Aufzeichnungsvorrichtung, z.B. eine photographische Platte, angeordnet werden kann, enthält.

Massenspektrographen vom Mattauch-Herzog'sehen Typ finden weitgehende Verwendung in Forschung und Industrie, da sich dieser Typ vor allen anderen Massenspektrographen dadurch auszeichnet, daß alle Massen gleichzeitig längs einer Geraden fokussiert werden (siehe z.B. H.Ewald und H.Hintenberger "Methoden und Anwendungen der Massenspektroskopie", Chemieverlag Weinheim 1953)· Die Fokussierung ist eine sogenannte Doppelfokussierung, d.h. es werden Ionen, die vom Eintrittsspalt in einen bestimmten, kleinen Winkelbereich ausgehen und in einen bestimmten Energiebereich fallen, in erster Näherung zu einem Massenspekjtrum fokussiert.

Ein bekannter Nachteil dieser Massenspektrographen besteht jedoch darin, daß die zugelassenen Winkel- und Energie-

103808/1719

bereiche nicht unabhängig voneinander eingestellt werden können. Das hat seine Ursache darin, daß der Eintrittsspalt in der Brennebene des elektrischen Sektorfeldes liegt, so daß Ionen verschiedener Energie beim Austreten aus dem elektrischen Sektorfeld oder Analysator parallele, aber verschieden orientierte Bündel bilden.

Bei dem obenerwähnten bekannten Hassenspektrographen ist es bekannt, den zugelassenen Winkelbereich auf der Eintrittsseite des elektrischen Sektorfeldes durch eine Aperturblende zu begrenzen und zwischen dem elektrischen und magnetischen Sektorfeld eine Blende zur Begrenzung des Energiebereiches der Ionen, die als "Energieblende" bezeichnet werden soll, anzuordnen. Durch die Energieblende wird aber auch der Winkelbereich zusätzlich beschnitten und selbst bei infinitesimal enger Energieblende können durch sie noch Ionen eines gewissen Energiebereiches hindurchtreten, der durch die Aperturblende begrenzt wird.

Um ein vorgegebenes Massenauflösungsvermögen zu erreichen, müssen Winkel- und Energiebereich so klein gemacht werden, daß durch die Bildfehler keine unzulässig starke Linienverbreiterung auftritt. Es gibt im allgemeinen drei Bildfehlerzweiter Ordnung (siehe z.B. L.A.König und H.Hintenberger, Nucl. Instr. 3, 133 (1958) ), nämlich den öffnungsfehler (α -Fehler), den Energiefehler (ß -Fehler) und den gemischten Fehler (aß-Fehler), von welchen im allgemeinen der ctß-Fehler der größte ist. Um diesen Fehler klein zu machen, müssen bei dem obenerwähnten bekannten Massenspektrographen sowohl Aperturblende als auch Energieblende eng gemacht werden. Dies bedeutet- aber, daß die Transmission ("Lichtstärke" oder Ionenstromstärke) klein wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und einen Hassenspektrographen vom Mattauch-Her zog¹ sehen Typ dahingehend weiter zuentwickeln, daß eine unabhängige Einstellung des Energie- und Winkelbereiches möglich ist und die Bildfehler trotz hoher Transmission klein gehalten werden können.

10*8007 17T9

1338770

Diese Aufgäbe wird gemäss der Erfindung bei einem Massenspektrographen der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß sich zwischen dem Eintrittsspalt und der Energieblende eine elektrische Abbildungsanordnung befindet, durch die der Eintrittsspalt in die Ebene der Energieblende abgebildet wird, daß eine elektrische Linse im Abstand ihrer Brennweite hinter der Energieblende angeordnet ist und daß das auf diese elektrische Linse folgende magnetische Sektorfeld so gepolt ist, daß die Ionen in ihm im gleichen Sinne abgelenkt werden wie im elektrischen Sektorfeld.

Die elektrische Abbildungsanordnung kann ausschließlich aus dem elektrischen Sektorfeld bestehen, das dann so ausgebildet und bemessen ist, daß die aus dem Eintrittsspalt austretenden Ionen in die Ebene der Energieblende fokussiert werden.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Abbildungsanordnung eine weitere elektrische Linse enthält, die entweder zwischen dem Eintrittsspalt und dem elektrischen Sektorfeld oder hinter dem elektrischen Sektorfeld, aus dem Ionen gleicher Energie parallel austreten, und im Abstand ihrer Brennweite vor der Energieblende angeordnet ist.

Die Brennweite oder Brennweiten der elektrischen Linse oder Linsen sind vorzugsweise einstellbar. Beim Vorhandensein zweier elektrischer Linsen können ihre Brennweiten unabhängig , voneinander und gegebenenfalls ausserdem noch gemeinsam ein- i stellbar sein. ;

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs- _:

beispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, ; es zeigen: j

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten : Ausführungsbeispieles der Erfindung;

109808/1719

Fig., 2 .eine Darstellung des virtuellen Strahlenverlaufes in einem Teil des Massenspektrographen gemäss Pig.l und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles der Erfindung.

Der in Fig. 1 als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Massenspektrograph enthält einen Eintrittsspalt 10, vor dem eine nur schematisch angedeutete Ionenquelle 12 angeordnet ist. In Flugrichtung der Ionen folgt auf den Eintrittsspalt 10 eine Aperturblende 14, die unmittelbar vor einem elektrischen Sektorfeld 16 angeordnet ist. Am Ausgang des elektrischen Sektorfeldes 16 ist eine erste elektrische Linse 18 angeordnet, die die parallelen, aber verschieden orientierten Bündel von Ionen verschiedener Energie, die aus dem elektrischen Sektorfeld austre-· ten, in die Ebene einer Energieblende 20 fokussieren, welche im Abstand der Brennweite f der Linse 18 hinter dieser angeordnet ist. Auf die Energieblende 20 folgt eine zweite elektrische Linse 22, die im Abstand ihrer Brennweite, die gleich der Brennweite f der ersten Linse ist, hinter der Energieblende 20 angeordnet ist und die Ionenbündel wieder parallel macht. Die parallelen Ianenbündel treten dann in ein magnetisches Sektorfeld 2k ein, an dessen einer Begrenzung sich eine Abbildungsebene 26 befindet, in der z.B. eine photographische Platte angeordnet werden kann.

Bei den bekannten Massenspektrographen der eingangs genannten Art fehlen die Linsen 18 und 22, ausserdem ist das magnetische Sektorfeld 2¹J gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Lage um 180 Grad bezüglich der mittleren Ioneneintrittsrichtung gedreht, so daß die Ionen im elektrischen und magnetischen Sektor- , feld in entgegengesetzten Richtungen abgelenkt werden. Die Bedingung für Energiefokussierung ohne die Linsen,18 und 22 lautet

L₂ = N₂ (I)-

109808/1719

wobei L₂ der Winkel-Dispersionskoeffizient des elektrischen \

Sektorfeldes und Ngder des magnetischen Sektorfeldes sind (siehe ; z.B. die obengenannte Veröffentlichung von König und Hintenbergerj).

Wenn Ionen der Energie eU_Q das elektrische Sektorfeld

16 parallel zur Austrittsebene verlassen, dann sind die Bahnen i

■up Ab ι

von Ionen der Energie e(U_Q+AU) um den Winkel y_e = J^ !

2 U₀ \

gegen die Austrittsachse geneigt. Analoges gilt für das magneti- ' sehe Sektorfeld bezüglich N₂, wenn man sich die Ionenstrahlen
vom Fokussierungsort in der Abbildungsebene 26 ausgehend entgegen; der wirklichen Strahlrichtung laufend denkt, für den Winkel Y_m
dieser Ionenstrahlen bezüglich der Eintrittsachse des magnetischen Sektorfeldes (die mit der Austrittsachse des elektrischen ^; Sektorfeldes zusammenfällt) gilt also y_m =. 2 ^Δυ :

^{2 ü}o

Im Gegensatz zu den bekannten Massenspektrographen vom Typ Mattauch-Herzog sind bei dem in Fig.l dargestellten Ausführung ;s* beispiel der Erfindung zwischen dem elektrischen Sektorfeld 16 und dem magnetischen Sektorfeld 24 die beiden elektrischen Lin- J sen 18 und 22 angeordnet. Die erste Linse 18 entwirft in ihrer ; Brennebene, die mit der Ebene der Energieblende 20 zusammenfällt, j ein Zwischenbild des Eintrittsspaltes 10. Ionen mit der Energie | eU_Q werden auf der Achse fokussiert, Ionen der Energie e (U_Q 4 AU) im Abstand ^ _{s f} ^ . _f L₂ AU ^ _{WQbei wieder f die B}renn-

^2Uo

weite der Linse 18 und bei dem in Fig.l dargestellten Ausfuhrungsbeispiel gleich der Hälfte des Abstandee d zwischen den beiden Linsen 18 und 22 ist.

Wenn man annimmt, daß Ionen einer bestimmten Masse von der Abbildungsebene 26 des magnetischen Sektorfeldes 2k ausgehen und entgegen der wirklichen Strahlrichtung laufen und nimmt man

10980*7 1710

-6-

ferner an, daß Ionen der Energie eü_Q durch die Linse 22 auf der in Fig.l und 2 strichpunktiert eingezeichneten Achse fokussiert werden, dann werden Ionen der Energie e(U + AU) im Abstand

^{= f}

= ^f

fokussiert. Um Energiefokussierung zu er

reichen, muß y = y , also

= N₂ (2)

sein. Diese Bedingung ist aber bei den üblichen Massenspektrographen vom Typ Hattauch-Herzog bis auf das Vorzeichen erfüllt. Das positive Vorzeichen bedeutet, daß die Ablenkung in beiden Feldern jetzt gleichsinnig erfolgen muss. Im übrigen können die Parameter des Massenspektrographen, insbesondere des elektrischen und des magnetischen Sektorfeldes so bemessen werden, wie es bei Massenspektrographen dieses Typs bekannt ist.

Bei dem Massenspektrographen gemäss der Erfindung be- ! stimmt nun die Öffnung der Energieblende 20, die bei dem in j Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in der Mitte zwischen den beiden Linsen 18 und 22 angeordnet ist, den durchgelassenen Energiebereich unabhängig von der Strahlapertur. Ein weiterer Vorteil,der sich durch die Einführung der beiden Linsen 18 und ergibt, ist die Möglichkeit der vollkommen elektrischen Feineinstellung der Doppelfokussierungsbedingungen. Bei den bekannten Mattauch-Herzog¹sehen Massenspektrographen ist dagegen im allgemeinen zur Feineinstellung der Richtungsfokus sierung eine mechanijsehe Verschiebung des Eintrittsspaltes in Richtung des Strahles vorgesehen. Die Feineinstellung der Energiefokussierung geschieht im bekannten Falle durch Verschiebung des Erdunfspunktes des elektrischen Sektorfeldes, was im allgemeinen wiederum die Richtungsfokussierung beeinflusst. Bei dem Massenspektrographen gemäss der Erfindung kann auf eine mechanische Verschiebung des Eintrittsspaltes verzichtet werden und die Energiefokussierung kann, wie gesagt, unabhängig von der Richtungsfokuesierung einjustiert werden.

109808/T7t*—

Bei Verwendung zweier Linsen tritt eine Doppelfokussierung ganz allgemein dann ein, wenn das von der ersten Linse durch Ionen der Energie e (U + Δϋ) entworfene Zwischenbild des Eintrittsspaltes mit dem (wieder rückwärts gerechnet) vom Magnet- [ feld und der zweiten Linse durch Ionen gleicher Energie entworfenen Bild der betreffenden Massenlinie in der Abbildungsebene 26 zusammenfällt. Wie Fig. 2 zeigt, in der die zusammenfallenden Zwischenbilder durch einen senkrechten Pfeil angedeutet sind, lässt sich das Zusammenfallen einfach durch geeignete Einstellung der Brennweiten der beiden Linsen erreichen.

Um Doppelfokussierung aller Massen längs einer Geraden in der Abbildungsebene 26 zu erreichen, ist es nur erforderlich, daß Ionen gleicher Energie parallel ins Magnetfeld eintreten und . daß (rückwärts gerechnet) das vom Magnetfeld 2k und der vorgeschaljteten Linse 22 durch Ionen der Energie e(U + Δϋ) entworfene Zwischenbild mit einem durch Ionen der gleichen Energie entworfenen j Zwischenbild des Eintrittsspaltes 10 zusammenfällt. Das Zwischen- j bild des Eintrittsspaltes 10 kann durch die verschiedensten Abbildungsanordnungen erzeugt werden, man kann z.B. dieses Zwischenbild ausschließlich durch das elektrische Sektorfeld allein er- ! zeugen, wie es bei einem anderen bekannten Massenspektrograph i geschieht (siehe E.G.Johnson und A.O.Nier, Phys. Rev. 21» 10(1953)j)

Erhebliehe Vorteile im Hinblick auf eine hohe Transmission und kleine Bildfehler ergeben sich, wenn man in bekannter Weif se (H.Liebl, J.Appl. Phys. 38, 5277 (1967) ) eine Kombination aus einer elektrostatischen Linse und einem Sektorfeld verwendet, wobei die Linse vor dem Sektorfeld angeordnet ist. Ein Ausführungen beispiel der Erfindung₉ das eine Abbildungsanordnung zur Erzeugung des Zwischenbildes des Eintrittsspaltes 10 aufweist, welche ein elektrisches Sektorfeld 18* und eine vor diesem angeordnete elektrische Linse 16' enthält, ist in Fig. 3 dargestellt. Die Bedingung für die Doppelfokussierung lautet für den Fall, daß .

109808/1719

zwischen dem elektrischen Sektorfeld 18' und dem Magnetfeld 24 nur eine Linse, nämlich die vor dem Magnetfeld, vorgesehen ist:

Dabei bedeuten:

. ^rS s Hauptradius des elektrischen Sektorfeldes, l_e= Abstand des Zwischenbildes (und damit der

Energieblende 20) von der hinteren Grenze des elektrischen Sektorfeldes,

^fm ^{= Brennwe}i^{te der vor dem} magnetischen Sektorfeld angeordneten Linse

K₂ = Austrittsdispersionskoeffizient des elektrischen

Sektorfeldes
L₂ = Winkel-Dispersionskoffizient des elektrischen

Sektorfeldes ,

N₂ = Winkel-Dispersionskoeffizient des magnetischen ■,

Sektorfeldes

™ (siehe z.B. die obengenannte Veröffentlichung von

König und Hintenlaerger).

Der obenerwähnte Vorteil der ausschließlich elektri- \ sehen Peineinstellung der Doppelfokussierung ist auch bei der Ausführungsforra gemäss Fig. 3 gegeben.

Es sei schließlich noch darauf hingewiesen, daß die | oben beschriebene Anordnung ebenso wie die Anordnung gemäss Fig.l dazu geeignet ist, bestehende konventionelle Massenspektrographen! vom Typ Mattauch-Herzog umzubauen um eine unabhängige Einstellung; von Apertur »und Energiebreite zu ermöglichen. Als Beispiel hier- | für soll die Anwendung der Erfindung auf einem bekannten doppelfokussierenden, stigmatisch abbildenden Massenspektrographen

109808/1719

ι erläutert werden, der in der "Zeitschrift für Naturforschung¹¹, !Band I4a, Heft 2, I969, Seiten 129 bis 141 beschrieben ist. Bei diesen bekannten Massenspektrographen werden also wie bei dem AusfUhrungsbeispiel geraäss Fig. 1 zwischen dem elektrischen und magnetischen Sektorfeld zwei elektrische Linsen vorgesehen und das Magnetfeld wird um 18O° geschwenkt. Die verwendeten Linsen bestehen aus drei zylindrischen Elektroden mit gleichem Innendurchmesser D, die Länge (Dicke) der Mittelelektrode ist D/2 und der Abstand zwischen Mittelelektrode und Außenelektrode je D/4. Bei einem Potential der Mittelelektrode von U_L = 0,5 U_Q (U = Energie der Ionen/Elektronenladung) wird die Brennweite f = IOD. Macht man D=I cm, dann wird f = 10 cm und der Abstand d beider Linsen voneinander gleich 2f = 20 cm. Diese beiden Linsen werden also mit einer dazwischen angeordneten Energieblende zwischen das elektrische und das magnetische Sektorfeld, deren Abstand 24,6 cm beträgt, gebracht und das Magnetfeld wird um >X80° um die Eintrittsrichtung der Ionen gedreht.

Anstelle von axialsymmetrischen Linsen können auch Linsen verwendet werden, die aus Langlochblenden zusammengesetzt sind und, analog zu optischen Zylinderlinsen, nur in einer Ebene fokussieren. Sie werden so angeordnet, daß die Pokussierungsebene mit der Ablenkebene des Massenspektrographen zusammenfällt .

1088.0®'/1710

Claims

Patentansprüche

/15/fMassenspektrograph mit Doppelfokussierung, der ; längs des von den Ionen durchlaufenen Weges der Reihe nach einen ι Ioneneintrittsspalt, ein elektrisches Sektorfeld, eine Blende ; zur Begrenzung des Energiebereiches der Ionen ("Energieblende"), ; ein magnetisches Sektorfeld und eine Aufzeichnungsebene enthält, fe dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Eintrittsspalt (10) und der Energieblende.(20) eine elektrische Abbildungsanordnung (16,18; 16', 18^f) befindet, durch die der Eintrittsspalt (10) in die Ebene der Energieblende (20) abgebildet wird, daß eine elektrische Linse (22) im Abstand ihrer Brennweite (f, f_m) hinter der Energieblende angeordnet ist, und daß das auf diese elektrische Linse (22) folgende magnetische Sektorfeld (24) so angeordnet und ausgebildet ist, daß die Ionen in ihm im gleichen Sinne abgelenkt werden wie im elektrischen Sektorfeld (18, 18')·

2. Massenspektrograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Breite der Durchlaßöff- w : nung der Energieblende (20) verstellbar ist.

: 3· Massenspektrograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Eintrittsspalt (10) und der elektrischen Abbildungsanordnung (16, 18; 16*, 18') eine vorzugsweise in ihrer Breite verstellbare Aperturblende (14) angeordnet ist.

' 4. Massenspektrograph^ nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Abbildungsanordnung aus dem elektrischen Sektorfeld besteht, daß die aus dem Eintrittsspalt austretenden Ionen in die Ebene der Energieblende fokussiert.

109808/1719

5. Massenspektrograph nach Anspruch 1,2 oder 3, d adurch gekennzeichnet, daß die elektrische Abbildungsanordnung eine weitere elektrische Linse (18) enthält, die hinter dem elektrischen Sektorfeld (16), aus dem Ionen gleicher Energie parallel austreten, und im Abstand ihrer Brennweite (f) vor der Energieblende (20) angeordnet ist.

6. Massenspektrograph nach Anspruch 1, 2 oder 3, d adurch gekennzeichnet, daß die elektrische Ab bildungsanordnung eine vor dem elektrischen Sektorfeld (18¹) angeordnete weitere elektrische Linse (16·) enthält.

7. Massenspektrograph nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurc h gekennzeichnet, daß die Brennweite der vor dem magnetischen Sektorfeld (24) angeordneten elektrischen Linse (22) veränderbar ist.

8. Massenspektrograph nach einem der Ansprüche 5 oder dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite der weiteren elektrischen Linse (18, 16^f) veränderbar ist.

9. Massenspektrograph nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur gemeinsamen Änderung der Brennweiten der beiden elektrischen Linsen (18,22).

109808/17t9

Leerseite