DE1938770C3 - Massenspektrograph mit Doppelfokussierung - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Massenspektrographen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Massenspektrograph mit diesen Merkmalen ist aus dem Buch von J. H. B e y η ο η »Mass Spectrometry and its Applications to Organic Chemistry« Verlag Elsevier P. C. 1960, S. 14, Fig. 9 bekannt. Bei diesem von Bainbridge und Jordan angegebenen Massen-Epektrographen sind die Bedingungen für die Richtungs- und Energiefokussierung jedoch jeweils nur für eine Masse gleichzeitig erfüllbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt, ausgehend von dem obenerwähnten bekannten Massenspektrographen, die Aufgabe zugrunde, einen Massenspektrographen anzugeben, der die Doppelfokussierungsbedingungen für alle Massen erfüllt.

Diese Aufgabe wird bei einem Massenspektrographen der eingangs angegebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine elektrische Sammellinse im Abstand ihrer Brennweite hinter der den Energiebereich begrenzenden Blende und vor dem magnetischen Sektorfeld angeordnet ist.

Gegenüber den bekannten Massenspektrographen vom Mattauch-Herzogschen Typ hat der Erfindungsgegenstand den Vorteil, daß die zugelassenen Winkel- und Energiebereiche der Ionen unabhängig voneinander einstellbar sind und die Bildfehler trotz hoher Transmission klein gehalten werden können.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Brennweiten der elektrischen Linse sowie einer weiteren Linse, die zusammen mit dem elektrischen Sektorfeld die elektrostatische Abbildungsanordnung bildet, zur Einstellung der Energiefokussierungsbedingung elektrisch verstellbar. Hierdurch läßt sich die optimale Einstellung der Energiefokussierungsbedingung, die im übrigen nicht mit einem exakten Zusammenfallen von Energiezwischenbild und Energieblendenebene identisch sein muß, leicht einstellen.

Die Einstellung wird in der Praxis dann besonders einfach, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung eine Vorrichtung zur gemeinsamen Änderung der Brennweiten der beiden elektrischen Linsen vorgesehen ist

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines doppelfokussierenden Massenspektrographen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig.2 eine Darstellung des virtuellen Strahlenverlaufs in einem Teil des Massenspektrographen gemäß F i g. 5 und

F i g. 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels.

Der in Fig. 1 dargestellte Massenspektrograph enthält einen Eintrittsspalt 10, vor dem eine nur schematisch angedeutete Ionenquelle 12 angeordnet ist. !n 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 austreten, in die Ebene einer Energieblende 20 fokussieren, welche im Abstand der Brennweite /der Linse 18 hinter dieser angeordnet ist. Auf die Energieblenae 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 lonenbündel treten dann in ein magnetisches Sektorfeld 24 ein, an dessen einer Begrenzung sich eine Abbildungsebene 26 befindet, in der z. B. eine photographisclie Platte angeordnet werden kann.

Bei Massenspektrographen vom Mattauch-Herzogschen Typ fehlen die Linsen 18 und 22, außerdem ist das magnetische Sektorfeld 24 gegenüber der in F i g. 1 dargestellten Lage um 180 Grad bezüglich der mittleren Ioneneintrittsrichtung gedreht, so daß die Ionen im elektrischen und magnetischen Sektorfeld in entgegengesetzten Richtungen abgelenkt werden. Die Bedingung für Energiefokussierung lautet dann

L₇ = - N₁ ,

wobei L₂ der Winkel-Dispersionskoeffizient des elektrischen Sektorfeldes und N2 der des magnetischen Sektorfeldes ist (siehe z.B. das Buch von H. Ewald und H. H i η t e η b e r g e r »Methoden und Anwendungen der Massenspektroskopie« Chemieverlag, Weinheim 1953).

Wenn Ionen der Energie eUo das elektrische Sektorfeld 16 parallel zur Austrittsebene verlassen,

dann sind die Bahnen von Ionen der Energie e(U_ü + AU) um den Winkel

L, IC

gegen die Austrittsachse geneigt Analoges gilt für das magnetische 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„, dieser Ionen- strahlen bezüglich der Eintrittsachse des magnetischen Sektorfeldes (die mit der Austrittsachse des elektrischen Sektorfeldes zusammenfällt) gilt also

., ₌ N₂W

2U_n

Im Gegensatz zu den bekannten Massenspektrogra phen vom Typ Mattauch-Herzog sind b°i dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispie! zwischen dem e!ekirischen Sektorfeld 16 und dem magnetischen Sektorfeld 24 die beiden elektrischen Linsen 18 und 22 angeordnet. Die erste Linse 18 entwirft in ihrer Brennebene, die mit der Ebene der Energieblende 20 zusammenfällt, ein Zwischenbild des Eintrittsspaltes 10. :ς Ionen mit der Energie eCO werden auf der Achse fokussiert. Ionen der Energie e(U_n+ A(J)Im Abstand

wobei wieder /"die Brennweite der Linse 18 und bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausfiihrungsbeispiel gleich der Hälfte des Abstandes rf zwischen den beiden Linsen 18 und 22 ist ,5

Wenn man annimmt, daß Ionen einer bestimmten Masse von d?r Abbildungsebene 26 des magnetischen Sektorfeldes 24 ausgehen und entgegen der wirklichen Strahlrichtung laufen und nimmt man ferner an, daß ionen der Energie ei/o durch die Linse 22 auf der in jo Fig I und 2 strichpunktiert eingezeichneten Achse fokussiert werden, dann werden Ionen der Energie c(Un+ AU)\m Abstand

v,„ - /7,,,

N₂L

■IS

fokussiert U¹ η Fnergiefokussierung /u erreichen, muß v,,= »,„.also

/., -■ N₂ (2)

sein. Diese Bedingung ist aber bei den üblichen Massenspektrographcn vom Typ MaHaHCh-IIiVOg bis auf das Vorzeichen erfüllt; vgl. Formel (1). Da¹, positive Vorzeichen bedeutet, daß die Ablenkung in beiden Feldern jetzt gleichsinnig erfolgen muß. Im übrigen s können die Parameter des Masse-ispektn^raphen. insbesondere des elektrischen und des magnetischen Sektorfeldes so bemessen werden, wie es bei Mas^enspektrographen dieses Typs bekannt im

Bei dem Massenspektrographcn gemäß Fig ! ,, bestimmt nun die Öffnung der FneiTkblcnde 20. .lic in der Mitte /wischen den beiden Linsen 18 und 22 angeordnet ist. den dun hgelasscnen I'nergicbereii h unabhängig von der Strahlapcriur. 1 111 ·λ euerer Vi iru■■,[, der sich durch die Einführung der !-i-iden 1 ιπ'<ίι i8 ,nid <■■ 22 ergibt, ist die Möglichkeit der an· ■ hließiich elektrischen !>meinstellung der Doppelfokir ■ ι■■· nij.'v hediniiiineen. Bei den bekannten Mattain Ii Ίτ/πρ sehen Massenspektrographen ist dagegen im allgemeinen zur Feineinstellung der Richtungsfokussierung eine mechanische Verschiebung des Eintrittsspaltes in Richtung des Strahles vorgesehen. Die Feineinstellung der Energiefokussierung geschieht im bekannten Falle durch Verschiebung des Erdungspunktes 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 Richtungsfokussierung einjüstiert werden.

Bei Verwendung zweier Linsen tritt eine Doppelfokussierung ganz allgemein dann ein, wenn das von der ersten Linse durch Ionen der Energie e(Uo + AU) entworfene Zwischenbild des Eintrittsspaltes mit dem (wieder rückwärts gerechnet) vom Magnetfeld und der zweiten Linse durch Ionen gleicher Energie entworfe nen BiJd der betreffenden Massenlinie in der Abbildungsebene 26 zusammenfällt. Wie F i g. 2 zeigt, in der die zusammenfallenden Zwischenbilder durch einen senkrechten Pfeil angedeutet sind, läßt sich da^c, Zusammenfallen einfach durch geeignete Ein¹·· Hung dei¹ 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 ms Magnetfeld eintreten und daß (rückwärts gerechnet) das vom Magnetfeld 24 and der vorgeschalteten Linse 22 durch Ionen der Energie c(Un+ AiJ) entworfene Zwischcnbild mit einem durch Ionen der gleichen Energie entworfenen Zwischenbild des Eintrittsspaltes 10 zusammenfällt. Das Zwischenbild des Eintrittsspaltes 10 kann man auch durch das elektrische Sektorfeld allem erzeugen, wie es bei einem anderen bekannten Massenspektrographen geschieht (siehe das genannte Buch von B e g η ο η ).

Erhebliche Vorteile im Hinblick auf eine hohe Transmission und kleine Bildfehler ergeben sich jedoch, wenn man in bekannter Weise (H. Lieb I, J. April. Phys. 38, 5277 [l%7]) eine Kombination aus einer elektrostatischen Linse und einem Sektorfeld verwendet, wobei die Linse vor dem Sektorfeld angeordnet im. Em Aastuhrungsbeispiel, das eine Abbildungsanordnung /ur Erzeugung des Zwischenbildes des Eintrittsspaltes 10 aufweist, weiche em 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 Fail, daß /wischen dem elektrischen Sektorfeld 18' und dem Magnetfeld 24 nur cmc Linse nämlich die vor dem Magnetlekl. vorgesehen ist.

'■, K , ■ Il f,„N. {})

Dabei bedeuten

/■ 11,ι·.,·· 1 .idms des elektrischen Sektorfeldcs,

/.· Abstand des Zwisi. iienbildcs (und damit der

Energieblende 20) von dci i i"vn Cjrcn/e des

elektrischen SektorIekles.
/,, Hi'eniHVL'ile der vor dem niagi" tischen Sektorleid

angeordneten Linse.
K- Λιΐ',ιπι isdisp'.TM' -nski ■ ■■' i ι,- u-nt des elektrischen

Sei.iorleldes,
/ Winkel-I )isp₁ ⁱ-i-.i(iⁱⁱsk..ifi/ieie des elektrischen Sek-

W inki-l-l >is|
S..:kt..!fc!de

cfl'i/ient des magnetischen

Der obenerwähnte Vorteil der ausschließlich elektrischen Feineinstellung der Doppelfokussierung ist auch bei dieser Ausführungsform gegeben.

Es sei schließlich noch darauf hingewiesen, daß die oben beschriebene Anordnung ebenso wie die Anordnung gemäß Fig. 1 dazu geeignet ist, bestehende konventionelle Massenspektrographen vom Typ Mattauch-Herzog umzubauen um eine unabhängige Einstellung von Apertur und Energiebreite zu ermöglichen. Als Beispiel hierfür soll die Anwendung der Erfindung bei einem bekannten doppelfokussierenden, stigmatisch abbildenden Massenspektrographen erläutert werden, der in der »Zeitschrift für Naturforschung«, Bd. 14a, (1959), S. 129 bis 141, beschrieben ist. Bei diesen bekannten Massenspekirographen werden also wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 zwischen dem elektrischen und magnetischen Sektorfeld zwei elektrische Linsen vorgesehen und das Magnetfeld wird um 180° 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 Außen elektrode je D/4. Bei einem Potential der Mittelelek trod? von (V/.=0,5 Uo(Ua= Energie der lonen/Elektronenladung) wird dann die Brennweite f=\0 D. Machi man D = 1 cm, dann wird f = 10 cm und der Abstand c beider Linsen voneinander gleich 2( = 20 cm. Diese beiden Linsen werden also mit einer dazwischer angeordneten Energieblende zwischen das elektrische und das magnetische Sektorfeld, deren Abstand 24,6 cn· beträgt, gebracht und das Magnetfeld wird um 180° urr die Eintrittsrichtung der Ionen gedreht.

An Stelle von axialsymmetrischen Linsen könner auch Linsen verwendet werden, die aus Langlochblen· den zusammengesetzt sind und, analog zu optischer Zylinderlinsen, nur in einer Ebene fokussieren. Sie werden so angeordnet, daß die Fokussierungsebene mii der Ablenkebene des Massenspektrographen zusammenfällt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

■Se

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Massenspektrograph mit Doppelfokussierung, der längs des von den Ionen durchlaufenen Weges in Durchlaufrichtung nacheinander einen Ioneneintrittsspalt, eine ein elektrisches Sektorfeld enthaltende elektrostatische Abbildungsanordnung, eine Blende zur Begrenzung des Energiebereiches der Ionen, ein homogenes magnetisches Sektorfeld und eine Aufzeichnungsebene aufweist, bei dem die elektrostatische Abbildungsanordnung so ausgebildet IEt, daß in der Ebene der den Energiebereich begrenzenden Blende Zwischenbilder des Eintrittsspaltes erzeugt werden, die jeweils aus Ionen unter sich gleicher Energie bestehen, und bei dem das magnetische Sektorfeld so angeordnet ufcd ausgebildet ist, daß die Ionen von ihm im gleichen Sinne abgelenkt werden, wie vom elektrischen Sektorfeld, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisehe Sammellinse (22) im Abstand ihrer Brennweite (f, fm) hinter der den Energiebereich begrenzenden Blende (20) und vor dem magnetischen Sektorfeld (24) angeordnet ist.

2. Massenspektrograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweiten der elektrischen Linse (22) sowie einer weiteren Linse (18), die zusammen mit dem elektrischen Sektorfeld (16) die elektrostatische Abbildungsanordnung bildet, zur Einstellung der Energiefokussierungsbedingung elektrisch verstellbar sind.

3. Massenspektrograph nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur gemeinsamen Änderung der Brennweiten der beiden elektrischen Linsen (18,22).