DE2040521A1 - Massenspektrometer - Google Patents

Description

THE BENDIX CORPORATION, eine Gesellschaft nach den Gesetzen des Staates Delaware,
Southfield, Michigan 480 75 (V. St. A.)

Massenspektrometer

Die Erfindung bezieht sich auf Massenspektrometer und insbesondere auf ein Laufzeit-Massenspektrometer, das ist eine Vorrichtung zum Trennen geladener Teilchen nach ihrem Masäen/Ladungs-Verhältnis durch Messen der Laufzeit jedes Teilchens zwischen einem Injektionspunkt und einem Meß-Bezugspunkt.

Es sind verschiedene Massenspektrometerausführungen bekannt. Einen Überblick über solche Vorrichtungen gibt das Buch "Dynamic Mass Spectrometers" E. W. Blauth, Elsevier Publishing Company, New York (1966). Im folgenden wird eine kurze Beschreibung derjenigen in der oben genannten Literaturstelle beschriebenen. Spektrometer gegeben, wer ehe der Erfindung am nächsten kommen.

Z/m-h

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In einer grundlegenden Ausführung eines Laufzeit-Masrenspektrometers werden geladene Teilchen durch ein pulsierendes elektrisches Feld auf eine bestimmte Energie beschleunigt und dadurch von einer Quelle fort durch einen feldfreien Lauf raum bewegt, wo sie entsprechend ihrem Massen/I.ariungs-Verhältnin (m/e) getrennt und einem Jetektor zugeführt werden. Man unterscheidet Ionen unterschiedlicher m/e-Verhältnisse durch Aufzeichnung ihrer Ankunftszeiten am detektor. Ioner, mit kleineren m/e-Verhältnissen werden von lern elektrostatischen Impuls stärker beschleunigt als Ionen mit größeren m/e-Verhältnissen. Der zeitliche Abstand zwischen " aufeinanderfolgenden m/e-Arten sinkt mit zunehmender Masse und steigt mit der Länge des zur Verfugung stehenden Laufraums .

Eine andere, als Beschleunigungsspektrometer bekannte Vorrichtung wendet das Laufzeitprinzip mittelbar an, um eine Massen/Ladungs-Auflösung zu erzielen. Ionen durchlaufen eine Bahn von abwechselnd angeordneten Räumen mit elektrischen Beschleunigungsfeldern und feldfreien Laufräumen und treffen danach auf einen Jetektor auf. An die Beschleunigungsräume werden Spannungsimpulse mit solcher gegenseitiger Phase angelegt, daß nur diejenigen Ionen Bescnleunigungsimpulse erfc halten und einen Jetektor erreichen, welche /.u genau festgelegten Zeiten in aufeinanderfolgende Beschleunigungsräume gelangen. :)ie m/e-Verhältnisse anderer Ionen sind so, daß sie von einem Beschleunigungsimpuls nicht m der Weise vorangetrieben werden, daß sie eine für die Beschleunigung in Richtung des Detektors von den nachfolgenden Impulsen geeignete Lage einnnnmen. Ein Beispiel einer solchen Verrichtung ist ein Bennett-Massenspektrometer. Jiρ Auflösung bei den zuvor beschriebenen Spektrometerarten ist sowohl zufolge Änderungen in den kinetischen Energien als auch der räumlichen Stellungen der Ionen in dt;r (Juelio begrenzt.

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Es gibt ferner eine Gruppe von Massenspektrometer^ bei denen die Trennung der Ionen nach ihren m/e-Verhältnissen dadurch erfolgt, daß die Ionen in einem dynamischen elektrischen Feld in Schwingung versetzt werden, wobei nur eine einzige m/e-Art ausgewählt wird, deren Ionen mit einer ausreichend kleinen Amplitude schwingen, um einen Detektor zu erreichen. Die quadrupolaren und monopolaren Massenspektrometer sind Beispiele für solche Vorrichtungen. In das dynamische Feld solcher Spektrometer eingeführte Ionen werden von dem Feld beschleunigt und in Abhängigkeit von den m/e-Verhältnissen der Ionenarten und den Feldparametern entweder einer gleichförmigen oder ungleichförmigen Bewegung unterworfen. Eine gleichförmige Bewegung im Feld ausführende Ionen (stabile Ionen) schwingen mit begrenzter Amplitude. Stabile Ionen, deren Amplituden kleiner als die von den Grenzen des dynamischen Felds bestimmten räumlichen Abmessungen sind, erreichen einen Detektor. Nichtstabile Ionen werden Schwingungen unterworfen, deren Amplitude kontinuierlich anwächst, so daß sie an den Elektroden· des Spektrometers verloren gehen und daher von der Messung ausgeschlossen bleiben. Der Bereich von stabilen m/e-Arten richtet sich nach den Parametern des dynamischen Feldes. Die Auflösung wird erreicht, indem man diese Parameter so einstellt, daß nur Ionen eines einzigen m/e-Verhältnisses stabil sind, die allein den Detektor erreichen.

Neben der Stabilität besteht ein wesentliches Meßkri-terium darin, daß die von den Anfangsbedingungen abhängige Schwingungsamplitude kleiner als die räumlichen Abmessungen des dynamischen Feldes ist. Ein Streu- bzw. Interferenzfeld, welches 'sich vom Analysator in die Quelle erstreckt, beeinträchtigt bei Einwirkung auf in das dynamische Feld eintretende Ionen die Übertragung der Ionen in das dynamische Feld. Mit Übertragungsverlusten ist außerdem aufgrund der Tatsache zu rechnen, daß die Einstellung der Feldparameter zwecks Stabilisierung auf eine einzige m/e-Art zu einer Beschränkung der

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Anfangsbedingungen, wie der Anfangssteilungen und Energien der Ionen führt. Oie Beschränkungen der Anfangsbedingungen der Ionen bekommen mehr Gewicht, wenn die Auflosung vergrössert wird.

Bei einer Gruppe von Massenspektrometern wird ein hochfrequentes elektrisches Feld zum Beschleunigen der Ionen in einem statischen Potentialloch verwendet. Nur Ionen mit bestimmten m/e-Verhältnissen bekommen ausreichend Energie, um aus dem Potentialloch entweichen und gemessen werden zu können. Ji e Wechselwirkung zwischen dem dynamischen Feld und W den Ionen ist in diesem Spektrometer identisch mit derjenigen in den zuvor beschriebenen dynamischen Feldspektrometern (quadrupolare, monopolare usw.). Der Unterschied liegt darin, daß bei dieser Spektrometerart nichtstabile Ionen gemessen werden.

Bei einer anderen Gruppe von Massenspektrometern werden geladene Teilchen in Schwingungen versetzt, um sie nach ihren m/e-Verhältnissen zu trennen. Diese Spektrometer sind als Palletron-Prinzip-Spektrometer bekannt. Ionen schwingen in einem statischen, parabelförmigen elektrischen Potentialloch. Die Ionen stehen in Wechselwirkung mit dem elektrischen * Feld und führen eine periodische Bewegung bei einer charakteristischen Frequenz aus, welche durch ihre m/e-Verhältnisse und das Feld bestimmt wird. iJie das Potentialloch bildenden angelegten Spannungen werden periodisch geändert, damit die ausgewählten m/e-Arten aus dem Potentialloch ausbrechen können. Detektorvorrichtungen sind vorgesehen, welche entweder die Ionengruppe, welche aus dem Loch ausbrechen konnte, oder die im Loch verbleibenden Gruppen bestimmen. Ein Nachteil diener Vorrichtung besteht darin, daß eine m/e-Art nach einer entsprechenden Anzahl von Schwingungen im Loch durch einen Schwingungszyklus von einer anderen verschoben bzw. getrennt wird, wodurch es unmöglich wird, zwischen den beiden Arten zu unterscheiden.

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Das erfindungsgemäße Massenspektrometer weist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines dynamischen Feldes auf, welches mit den in das Feld eingeführten Ionen in Wechselwirkung tritt und sie entsprechend ihren m/e-Verhältnissen zeitlich voneinander trennt. Das Spektrometer weist eine Vorrichtung zur Messung der Laufzeit der Ionen in dem dynamischen Feld auf. Dieses Spektrometer bewirkt eine ausgezeichnete Auflösung der geladenen Teilchen nach ihren m/e-Verhältnissen durch direkte Messung der Laufzeiten der Ionen im dynamischen Feld. Dieses Meßprinzip unterscheidet die Erfindung von allen bekannten Massenspektrometer^ Der hier benutzte Begriff "geladenes Teilchen" oder "Ion" bedeutet irgendein.Teilchen mit einer rein elektrischen Ladung. Der Begriff "dynamisches elektrisches Feld" bezieht sich auf ein elektrisches Feld mit sowohl einer statischen als auch einer Schwingungskomponente oder auf ein Feld, welches nur eine Schwingungskomponente aufweist.

In der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ist das dynamische Feld ein axialsymmetrisches dynamisches elektrisches Feld, welches sowohl eine statische als auch eine sich sinusförmig ändernde Feldkomponente aufweist. Eine Probe von Ionen wird von einer Quelle längs der Symmetrieachse des Feldes in das dynamische Feld beschleunigt. Die statische Feldkomponente πäugt die Ionen in das Feld, Die Schwingungskomponente des Feldes treibt die geladenen Teilchen alternierend in Richtung und entgegen der von der statischen Feldkomponente auf sie ausgeübten Kräfte, so daß die geladenen Teilchen eine komplexe Bewegung ausführen. In Abhängigkeit von den Feldparametern und den Masse/Ladungs-Verhältnissen werden die Ionen als Ergebnis ihrer Wechselwirkung mit dem dynamischen Feld in stabile und nichtstabile Gruppen getrennt. Nichtstabile Teilchen sind durch eine Schwingungsbewegung mit unbegrenzter Amplitude gekennzeichnet. Die stabilen Arten, deren Schwingungsamplituden kleiner als die von den Grenzen den Feldes definierten räumlichen bzw. physikalischen Ab-

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messungen sind, kehren in die Injektions- bzw. Eintrittszone zurück und treffen auf einen Detektor. Für feste Feldparameter hat jede zurückkehrende ra/e-Art eine bestimmte Laufzeit im dynamischen Feld, die im folgenden als charakteristische Laufzeit der jeweiligen Art in dem besonderen dynamischen Feld bezeichnet wird. Die Auflösung verschiedener Arten von stabilen Teilche-n nach ihren m/e-Verhältnissen wird daher durch Ermittlung der stabilen Arten und Aufzeichnung der Unterschiede in ihren Laufzeiten erreicht. Die nicht stabilen Teilchen gohen an den Wänden dec Spektrometer verloren.

Die dynamischen FeIdparameter umfassen die Frequenz und die SpannungsamplituJe der Schwingungskomponente des Feldes, die Größe ier statischen Feldkomponente und dip charakteristischen Feldabmessungen, welche die Feldgeometrie bestimmen. Jer üblichen Betriebsweise liegt eine Vorrichtung mit konstanter Geometrie zugrunde, so dai; eine Änderung der Pel !parameter die Frequenz ;ler· Sohwi η nngskomponente, die Amplitude der 5chwin(^TungsKomponente und die Stärke der statischen Feldkomponente betrifft. Diese Parameter werden zur Änderung der Zahl (aes !Reichs) der m/e - Arten eingestellt, welche einer stabilen Bewegung unterliegen. D.h., daß die Feldparameter bei einer Analyse oder einem Tent no eingestellt werden, dai. eine spezielle m/e-Ar-t eine der leichtesten Arten ist, welche eine stabiJe Bewegung ausführen. Bei einer anderen Analyse werden die Peldparameter so eingestellt, dai.- dieselbe m/ e-Art entweder zu den eine stanile Bewe,^rrung ausführenden schwersten Arten gehört oder eine nicht stabile Pewt'.omg ausführt. Änderungen sowohl bezüglich der charakteristischen Laufzeit einer speziellen m/e-Art im dynamischen Pel? als &uc>h bezüglich der relativen Unterschiede in der charakteristischen Laufzeit für unterschiedliche? Arten von lonrn werien durch Einstellung der Feldparameter erreicht.

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Zu den Quellenparametern zählt die Zeitdauer, während der Ionen erzeugt werfen, dss Zeitintervall, während dem Ionen in das dynamische Feld eingeführt bzw. injiziert werden, die Phase der iichwingungskomponente des Felles, bei welcher aie Tonen in das dynamische Feld eingeführt werden, und die Energie der injizierten Ionen. Wie/folgenden noch genauer /im erläutert werden wird , ergibt eine geeignete Wahl und Änderung der Feld- und Quellenparameter Messungen, welche die Zusammensetzung einer Ionenprobe bestimmen und gegenüber Änderungen sowohl in den kinetischen Ernergien als auch in den räumlichen Stellungen bzw. Lagen der Ionen in der Quelle relativ unempfindlich sind.

Einige der der Erfindung zugrundeliegende Ausführungsformen weisen unterschiedliche Ausbildungen der Vorrichtungen zum Erzeugen der dynamischen elektrischen Felder und unterschiedliche Anordnungen für die die Ionenquellen bildenden Vorrichtungen, die Ionendetektoren und die Vorrichtungen zum Erzeugen des dynamischen elektrischen Feldes auf. Es werden Techniken zur Feldanpassung von Ionen mit unterschiedlichen kinetischen Energien und räumlichen Stellungen zum Zeitpunkt ihres Einführens in das Feld erörtert. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können'Teilchen für einen wählbaren Zeitraum gespeichert werden, um so die Empfindlichkeit durch periodischen Einführen identischer Proben in das dynamische Feld zu steigern und die Konzentration einer stabilen Ionenart zu erhöhen, bevor diese Art gemessen wird.

Es sind viele unterschiedliche Geometrien für das dynamische Feld, unterschiedliche Ausbildungen der Quelle und des Detek-. tors und unterschiedliche Vorrichtungen zum Steuern der FeId- und Quellenparameter möglich, um unterschiedliche Ergebnisse zu erzielen, üiese Änderungsmöglichkeiten bilden einen wesentlichen Vorteil der vorliegenden Erfindung. Wie nachfolgend noch genauer erläutert wird, ist die Laufzeitmessung bei der Erfindung relativ unempfindlich gegen Änderungen sowohl bezüglich der kinetischen Energie als auch der räumlichen

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Stellung der Tonen in der Quelle. Ferner ist die 3chwingungsweise bei :ipr T3ewegun,r: der Tonen genuii. der vorliegenden Erfindung derart, da!? die Tonenbahnen räumlich übereinander gefaltet sind. Der Vorteil dieser "FaIinn..-·" liegt .darin, da(r die Länge des benötigten Analysen rauns zur ßrzielunr der mit der bekannten Laufzeit- Spektrometern möglichen Auflösung g-eringer sein kann.

Die erfindungsgemaß vorgesehene laufende Wechselwirkung zwischen den Ionen und dem dynamischen Feld schafft eine Trennung zwischen unterschiedlichen Ionenarten, wobei ein Überholen der ψ einen dur<;h die ander-p Ionenart nicht möglich ist. Hierin

liegt ein beachtlicher Vorteil gegenüber Spektrometern, welche nach dem Pa] 1 eton-Prinzip arbeiten.

Wie nachfolgend noch genauer erläutert wird, verbessert die Laufzeitmensung nach der Erfindung die n/e-Messung, im Vergleich zu Geräten, wie den monopolaren, quadropolaren und entsprechenden Geraten, welche dynamische Felder zur Trennung der Tonen benutzen, jedoch nur die räumliche Trennung der Ionen im dynamischen Feld zur E; zielun,^ der Auflösung ausnutzen. Ui e Laufzeitmessung gemäi/ der vorliegenden Erfindung macht es möglich, einen Bereich bzw. eine Gruppe von m/e-Verhiltnissen anstatt einer ^ einzigen Art von Ionen bei einer Analyse zu bestimmen und auf-

^ zulösen. )ureh geeignete Einstellung ler Quellen-und Feldparameter ist eine groT-ere Ionen-durchläsoi gkeit durch das Feld erzielbar; ferner werden Ionen in das dynamische Feld eingeführt, ohne dem KinfluT; von Stör- bzw. Interferenzfeldern ausgesetzt zu sein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Aupführunrsbeispiel en naher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

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Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des er^indunesgeimißen Massenspektrometers;

Fig. 2 Pin DLockschaubild der in Fig. 1 verwendeten iJteuerschaltung;

Fir. ^J) eine Teilansicht des in Pig. 1 ire zeigt en Spektrometer, wobei die Vorrichtung zur PJrzeugung des dynamischen Analysenfeldes fortgelassen und die Bahnverliiufe verschiedener Ionenarten im Φ/η ami rs c he η Feld gezeigt sind;

. 4 eine grafische Darstellung der a„ und q^ -Werte für Ionen, deren Bewegung in den x, y und z-Richtungen im dynamischen Feld.stabil ist;

. ^ri die Beziehung zwischen der Teilehen-Laufzeit

im dynamischen Feld und dem m/e-Verhältnis der Teilchen für eine vorgegebene Einstellung der Spektrometer-Betriebsbedingungen;

g. L· eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Teilchen-Laufzeit im dynamischen Feld und der Phase des dynamischen Feldes nach Einführung der Teilchen in das Feld;

Fii·;· 7 eine grafische Darstellung, in welcher die gestrichelten Bereiche die a, q-Werte zeigen, welche die Grenzlösungen für die Mathieu-Gleichungen liefern und daher die ,stabile Ionenbewegung in der entsprechenden Richtung im dynamischen Feld angeben;

Fig. 6 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform

gemrifc der Erfindung; ·

Fig. y ein Blockdiagramm desjenigen· Teils der Steuerelektronik des in Fig. 8 gezeigten Spektrometer^ welcher von der Steuerelektronik des Spektrometers nach Fig. 1 abweicht;

Fig. 10 eine c'.ritte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Spektrometers;

Pi»'*:. 11 eine Einzelansicht der programmierten Optirriierungssehaltung der Ausführungsform nach Fig. 10;

Fig. 1? eine zweidimensionale Sohemaansicht einer anderen · Vorrichtung zum Erzeugen eines dynamischen Analysenfeldes gemäl? der Erfidung, bei dem die Ein- und Ausgange für stabile Tonenarten an unterschied-. liehen Punkten des Feldes liegen;

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Fig. 13 eine zweite Ansicht der A'isführun^nforr.i α ach Fir. ¹2 gesehen in hichtuii/r der !'feile Ρ,-1] in Fifr. 12;

Fig. 14 eitle ochemaanßicht einer Aiu>führun_;-i;form mit; einem lonenspeicher; und

Fip. 15 eirif? zweite Ansicht auf die in ^i_e-. 14 i'ezeigte Aui-sführun/'oforra in Riohtunr der 1'feile 1^er;-¹' in ?-■·*. ¹4 .

A) Beschreibung der Spektrometervorrichtunt!

Fi#i. 1 zeigt eine Ausführung form 10 des neuen !.!nn^ensper.t,rometers mit einer dnn Analyserifeld definierenden Vorrichtung ¹2 zur Krzeu^uns: eines dynamischen elektrischen Pe'Jdop, weiches Ionen besohl ev;ni*Tt; und abbremst, wodurch lonenarten mit unterschiedlichen m/ e-VerhüLtnisaen zeitlich getrennt werden. Das Spektrometer 10 v/eiat ferner eine VorriciituncT 1Ί zum Injizieren bzw. Einleiten von Tonen in Jas dynamische L'eJ.d und einen Detektor 16 zum Bestimmen und Anzeigen der Laufzeiten der unterschiedlichen Ionenarten auf. Eine iiteuersichallurii- 18 steuert die Arbeitsweise der das Analysenfeld definierenden Vorrichtuni'· ¹2, des loneninjektorn 14 und des Detektor? ¹< . Kin evakuLerbarer RöhrenLolben 20 um/ribt die das Analysen:.'»"»id definierende Vorrirrhtung 12, den loneninjektor 14 und einen Toii -iiis Detectors U.

Die Vorrichtung I4 zum Einführen der Ionen in das dynamische Feld weist eine Vorrichtung zum Ionisieren /on uaateilchen in einem nahe dem dynamischen Feld /^ele^etici Rau:.. 22 auf, Di e°e Vorrichtung zum Ionisieren der Gasteilchen -:;t bekannt; sie umfaßt einen Elektronen emittierenden Giühfadnn ?Λ und ein Steuer-pitter ?.d zum Bestimmen de ^ Tn^l'hnn, :oi denen Elektronen vom Glühfaden 24 in den lonisatiortrsraurn 2? eingeleitet wei'den. Eine elektrostatische Sanunellinse 23 foKusniert den Elektronen-Strom durch die Ioni r.ationskiunn.er 22. B-ne Anoae Ό steuert die Stiirke den Ioni. nut ionselek t r onennt romu. :»«;· jneninjektor 1Λ weist ferner ein zweites Steue-vitter |? iuf, welches den Hinsum dynami nchen Feld i^reKeniiner: ie^r*. i -inrnonlnet ist und

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zum Injizieren der Ionen in das Feld dient. Eine zu analysierende Gasprobe wird von einem Probengeber 34 durch ein Ventil 36 in den evakuierten Röhrenkolben 20 und die Kammer 22 eingeleitet. Nachdem die Gasprobe ionisiert worden ist, werden die Ionen mittels eines an das zweite Gitter 32 angelegten Spannungsimpulses in das dynamische Analysenfeld injiziert.

Die Vorrichtung 16 zum Bestimmen der verschiedenen getrennten lonenarten und zum Messen der Unterschiede ihrer relativen Laufzeiten ist bekannter Ausführung und umfaßt einen Detektor 37, welcher entweder als Sekundärelektronenvervielfacher oder als Faraday¹scher Käfig ausgebildet ist und von das dynamische Analysenfeld verlassenden Ionen getroffen wird. Ferner weist die Vorrichtung 16 ein Anzeigegerät 38 auf, zu dem ein Breitbandverstärker und ein Oszilloskop zum Messen und Anzeigen der Unterschiede der Laufzeiten verschiedenartiger Ionen gehören. Das Anzeigegerät 38 wird von der Steuerschaltung 18 gesteuert.

Die das Analysenfeld definierende Vorrichtung 12, welche das dynamische elektrische Feld erzeugt, weist eine Reihe von ringförmigen, metallischen Feldelektroden 39 und eine mit einer Öffnung 41 versehene Endelektrode 40 auf, welche den Einlaß bzw. Ausgang der Ionen zum bzw. vom dynamischen Feld bildet und eine konusförmige' Innenwand 42 besitzt, welche auf der z-Achse des Spektrometer 10 angeordnet ist. Jede der ringförmigen Feldelektroden 39 hat einen Innenradius· R, Die Feldelektroden 39 sind über Abstandshalter 43 aus dielektrischem Material hintereinander aufgereiht. Sie bilden mit den Abstandshaltern einen festen Verbund. Zusammengesetzte Wechsel- und Gleichspannungen werden von der Steuerschaltung 18 über einen Spannungsteiler 44 an die Ringelektroden 39 angelegt. Die Elektrode 40 wird auf Erd- bzw. Massenpotential gehalten.

Die Auslegung des Spannungsteilers 44 und die angelegten Spannungen sind so gewählt, daß ein dynamisches elektrisches Feld

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entwickelt wird, dessen Potentialverteilung 0(x, y, z, t) von der Form

1 ο ^{X +} ""
0(x, y, z, t) - _Tj (7. , ) (V_dc + V_ac cob wt) (1)

wobei ζ die Längskoordinate und χ und y die Radialkoordinaten des dynamischen Analysenfelds sind; w = ·*> = 2~f ist die Schwingungsfrequenz des Feldes, t ist die Zeit; V, ist die Gleichspannungskomponente des elektrischen Potentials; ν__η ist die Amplitude der Schwingungskomponente des elektrischen Potentials; und G ist eine geometrische Konstante, welche durch die Gleichung

G = L —

definiert ist, wobei L die Lange der das Analysenfeld definierenden Baueinheit län^s der z-Achse und R der Innenradius der Baueinheit ist.

Die besondere Bauform der Vorrichtung; und die Verteilung des dynamischen elektrischen Feldes, wie sie zuvor beschrieben wurden, sind nur als Beispiele zur Erläuterung des Wesens der Erfindung anzusehen. Die raumliche Anordnung der zur Bildung des Feldes benotigten Bauelemente Kann geändert werden. Selbstverständlich können auch andere dynamische Felder verwendet werden, welche eine oder mehrere der charakteristischen Größen des zuvor beschriebenen dynamische-n Feldes unter Benutzung der ■erfindungsgemäßen Anweisungen verändern. So kann das Spektrometer beispielsweise bei V. = 0 betrieben werden, während man immer noch eine Auflösung der Massenarten erzielt. Eine allgemeinere Konfiguration des elektrischen Feldes, welche bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist das durch die folgende Potentialverteilung definierte Feld:

0(x, y, z, t) = f(t) Ux² +_yy² +7z²) (2)

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wobei f(t) eine beliebige periodische Zeitfunktion und J., tf und η Konstanten sind, welche der Bedingung ot + γ +*η = O genügen. Dynamische PotentialVerteilungen größer als quadratische sind ebenfalls verwendbar.'

Die Steuerschaltung 18 ist so eingerichtet, daß eine Bedienungsperson ein Signal von gewünschter Stärke und Frequenz auf den Spannungsteiler 44 geben kann, um damit die das elektrische Feld bestimmenden Ringelektroden 39 ^zu speisen. Die Steuerschaltung 18 liefert außerdem zu geeigneten Zeiten während des Betriebs des Spektrometers ein Signal geeigneter Stärke an die beiden Steuergitter 26 und 32.

Figur 2 zeigt in Blockdarstellung die einzelnen Baueinheiten der als Einzelblock in Fig. 1 gezeigten Steuerschaltung 18. Die Steuerschaltung weist einen 1 MHz-Quarzoszillator 46 auf, welcher ein Rechteckwellensignal (Taktsignal) erzeugt und eine hochstabile Zeitbasis für die Schwingungskomponente des dynamischen Feldes und für die Steuerspannung der Gitter 26 und 32 liefert. Das Rechtecksignal vom Oszillator 46 wird zu einer Zähllogik oder eimern mehrstufigen Zähler 48 übertragen. Dieser reduziert die Frequenz des 1 MHz-Signals und liefert einen Mutterimpuls zum Auslösen einer Zeitbasis für den Spektrometerbetrieb. Der Zähler 48 reduziert außerdem das 1 MHz-Signal zum Erzeugen von Triggerimpulsen für die Steuerung der Gitter 26 und 32 und zur Bildung eines Signals der gewünschten Frequenz, aus welcher die Schwingungskomponente des dynamischen Feldes abgeleitet wird. Das dynamische elektrische Fexd wird durch ein Rechtecksignal von der Zähllogik 48 gebildet, welches zuerst einem das Rechtecksignal in ein Sinussignal umwandelnden Tiefpaßfilter 50 zugeführt wird. Ein Vorverstärker 52 und ein Leistungsverstärker 54 ermöglichen eine veränderliche Verstärkungsreglung zur Erzielung der gewünschten Amplitude der Schwingungskomponente . des dynamischen Feldes. Das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers 54 wird nicht nur zum Spannungsteiler 44, sondern auch über einen (Konstant-) Regler 56 zurück zum Vorverstärker 52 geleitet. Die Rückkopplung über den Konstantregler ermöglicht die Einstellung der Amplitude der Sinusspannung auf einen ge-

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wünschten Wert und die Aufrechterhaltung der Amplitude bei Netζspannungs- und LastSchwankungen. Die statische Komponente des dynamischen elektrischen Feldes wird von einer regelbaren Gleichstromquelle 58 geliefert.

Die Steuerschaltung 18 weist ferner einen Impulsgenerator 60, welcher die Betätigung des Gitters 26 steuert, einen die loneninjektion steuernden Impulsgenerator 62 und einen die Ionenabführung steuernden Impulsgenerator 64 auf. Die Generatoren 62 und 64 steuern das Potential des Gitters 32. Der Impulsgenerator 60, welcher die Stärke der Ionisation einer Probe steuert, ist so aufgebaut, daß er einen positiv verlaufenden Impuls mit veränderlicher Amplitude, Breite, Bezugskoordinate und Phase in Bezug auf den von der Zähllogik 48 abgeleiteten Mutterimpuls liefert. Der die Einführung bzw. Injektion der Ionen in das dynamische Feld steuernde Impulsgenerator 62 erzeugt einen positiven Impuls, dessen Amplitude, Breite und Phase bezüglich dem von der· Zähllogik 48 aufgenommenen Mutterirapuls veränderlich ist. Da sowohl die Arbeitsweise des Generators 62 als auch die Frequenz der Schwingungskomponente des Feldes von der Zähllogik 48 gesteuert werden, kann der Beginn der Ioneninjektion und der Zeitraum, in welchem die Ionen in das dynamische Feld injiziert werden, als Funktion der Phase der Schwingungskomponente des Feldes geändert werden. Der Impulsgenerator 64 erzeugt einen negativ verlaufenden Impuls, dessen Amplitude, Breite und Phase bezüglich des Ionen-Injektionsimpulses geändert werden können, um die zu einem Detektor 37 (Fig. 1) zurückkehrenden Ionen zu beschleunigen. Die Ausgangs signale der Tmpul sgeneratoren (>2 und 64 werden an einen Impulsgenerator 66 übertragen, welcher den Ionen-Injektionsimpuls und den Ionen-Extraktionsimpuls in einem Signal zur Steuerung des Gitters 32 vereinigt.

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B) Beschreibung der Arbeitsweise des Spektrometers

Die Arbeitsweise des Spektrometers 10 gemäß Fig. 1 geht aus den Figuren 3 bis 7 hervor. Im Betrieb werden die Gasteilchen der Probe durch einen Elektronenstrom beschossen und von den Elektronen in dem Raum 22 nahe des dynamischen elektrischen Feldes ionisiert (Fig. 1), Der Elektronenstrom wird von dem Glühfaden 24 erzeugt. Die Richtung und Intensität des Elektronenstroms durch den lonisationsraum 22 werden von dem Steuergitter 26, der elektrostatischen Linse 28 und der Anode 30 gesteuert. Nach ihrer Ionisierung werden die Gasteilcheii durch einen an das Steuergitter 32 angelegten Spannungsimpuls in das dynamische elektrische Feld injiziert. Die Bewegung der entsprechenden Arten von Ionen im dynamischen Feld ist in der aufgetrennten Ansicht des Spektrometers 10 gemäß Fig. 3 gezeigt. Das dynamische elektrische Feld beschleunigt und bremst Ionenarten bestimmter m/e-Verhältnisse in solcher Weise ab, daß sie eine Schwingung unbegrenzter Amplitude ausführen und an den Elektroden der das Analysenfeld bestimmenden Vorrichtung 12 verloren gehen. Diese Ionen folgen Bahnen ähnlich den Bahnen 68 und 70, wenn sie einer nicht stabilen Bewegung im dynamischen Feld unterliegen. Andere Arten von Ionen folgen Bahnen ähnlich der Bahn 72 und führen Schwingungen mit begrenzter Amplitude aus, so daß sie nicht gegen die Wände der das Analysenfeld bestimmenden Vorrichtung schlagen, und kehren zum Detektor 37 zurück. Diese Ionenarten unterliegen einer stabilen Bewegung im dynamischen Feld. Die graphische Darstellung gemäß Fig. 4 zeigt, daß für jede besondere Einstellung der Betriebsbedingungen eine .Gruppe von Ionen vorhanden ist, welche eine stabile Bewegung im dynamischen Feld ausführt, und daß es andere lonengruppen gibt, welche einer nichtstabilen Bewegung im dynamischen Feld unterworfen sind. In der graphischen Darstellung gemäß Fig. 4 liegen alle Teilchen auf der mit"u¹* bezeichneten Linie bei einem festen Verhältnis von V_dc/V_a(J. Alle Arten, welche auf der Linie zwischen den.mit (3=0 und ß = 1 bezeichneten Schnittlinien liegen, werden im dynamischen elektrischen Feld Schwingungen von begrenzter ' .- 10 9828/1199

Amplitude unterworfen. Alle anderen Ionenarten unterliegen Schwingungen von unbegrenzter Amplitude bei festen Arbeitebedingu.igen. Jede der in den Bereich 22 zurückkehrenden Tonen^ arten hat eine spezifische Laufzeit im dynamischen elektrischen Feld.

Fig. 5 stellt für feste Arbeite- bzw. Betriebsbedingungen die Beziehung zwischen der Ionenlaufzeit und dem m/e-Verhältnis der Ionen für solche Teilchen dar, welche eine stabile Bewegung im dynamischen Feld ausführen. Wie aus Fig. 5 erkennbar ist, kehren leichte Teilchen, d. h. Ionen mit kleinen m/e-Verhältnissen, die in Fig. 4 der Linie ρ =1 näher liegen als der

^ Linie |3 = O, zum Detektor 37 vor den schwereren Teilchen mit größeren m/e-Verhältnissen zurück. Die Unterschiede in den relativen Laufzeiten für leichte Teilchen mit kleinen m/e-Verhältnissen sind, wie aus Fig. 5 zu sehen ist, geringer als die Unterschiede zwischen den Laufzeiten für schwere Teilchen mit eng zusammenliegenden m/e-Verhältnissen. Da durch besondere Wahl der dynamischen Feldparameter eine besondere Ionenart ein solches Verhältnis haben kann, daß sie entweder einer stabilen oder einer nichtstabilen Bewegung unterfällt oder entweder zu den leichtesten oder den schwersten derjenigen Ionen zählt, welche einer stabilen Bewegung im dynamischen Feld unterworfen sind, kann die Auflösung zwischen speziellen lonenarten durch geeignete Änderung der dynamischen Feldparameter vergrößert

^ werden. Die dynamischen Feldparameter werden eingestellt, indem die Betriebsweise der Zähllogik 48 zur Änderung der Frequenz der Schwingungskomponente des Feldes geändert, der Vorverstärker 52 und der Leistungsverstärker 54 zur Steuerung der Amplitude der Schwingungskomponente des Feldes eingestellt und die Gleichstromquelle 58 zur Steuerung der Stärke der statischen Komponente des Feldes eingestellt werden. Wie aus Fig. 4 zu erkennen ist, kann die Laufzeit einer speziellen Ionenart durch Änderung der Betriebsparameter dadurch geändert werden, daf? das Verhältnis von V_dc zu V_ac und damit die Steigung der u-Linie geändert wird. Die Feldparameter und die Ionen-Laufzeit können auch bei kon-

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stantera V·. /V -Verhältnis durch Verschieben der Stellung eines besonderen Teilchens auf einer gegebenen u-Linie geändert werden.

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Betriebscharakteristiken des dargestellten Spektroiaeters zeigt Fig. 6, daß der Zeitraum, während dem Teilchen einer besonderen Ionenart den Detektor 3-7 treffen, geringer als das Zeitintervall ist, während dem Teilchen dieser Ionenart in das dynamische Analysenfeld geschossen werden, sofern diese Teilchen während eines geeigneten Zeit- . Intervalls in Bezug auf die Phase der Schwingungskomponente des Feldes injiziert werden« Ein beliebiges Injektionsintervall in Bezug auf die Phase der Schwingungskomponente des Feldes kann ausgewählt werden, und ein besonderer Injektionsimpuls kann hervorgerufen werden, indem die Zähllogik 48 bzw, der Injektionsimpulsgenerator 62 eingestellt wird.

C) Genaue Beschreibung der Betriebsprinzipien des Massenspektroraeters

1. Mathematische Parameter

Die bei der Beschreibung der Betriebsprinzipien des Kassenspektrometer verwendeten Symbole werden wie folgt definiertt

0 » elektrische Potentialverteilung x,y,z ~ rechtwinklige Koordinaten t * Zeit

χ β Geschwindigkeit in χ Richtung (erete Ableitung nach der Zeit)

x a Beschleunigung in χ Richtung (zweite Ab-, leitung nach der Zeit)

f β Frequenz des Wechselfeldes in Hz w * 2trf * Frequenz des Wechselfeldes in rad/e * 3jr * unabhängige Zeit variable in den Mathitu-Gleiohungen

10982171t··

ORKSlNAL INSPECTED

a_tq = kanonische Parameter in den Mathieu-Gleichungen

V = Amplitude der Wechseistromkomponente des ■^a Potentials

V, = Stärke der Gleichstromkomponente des Poten^ac ti als

L -- Länge des dynamischen Feldbereichs R - Radius des dynamischen Feldbereichs

2 H^- G - L .- x— = geometrischer Paktor

m = Masse des geladenen Teilchens e = elektrische Ladung des geladenen Teilchens

u - a/q = Verhältnis der kanonischen Parameter in den Mathieu-Gleichungen

f = Ladungsteilchen - Laufzeit in rad t_ _ - Ladungsteilchen - Laufzeit in see

Die Bahnen, denen die bei der dynamischen elektrischen Potentialverteilung gemäß Gleichtung (1) schwingenden geladenen Teilchen¹ folgen, sind duTh die folgende Komponente der Mathieu-Güeichungen in kanonischer Form definiert:

a _f 2H₁ cor

Jy + (n. + Pn₁ ooa ?t) y = 0 O)

rt

dz ± (a₉ ■♦■ 2q_P cos ?t) ζ = 0,

wobei 2 £ ■- wt - ?.trf\< und die Parameter α und q durch die folgen den Ausdrücke gegeben sind

2a, =. -

Grnw (4)

^{4e V}ac 0 m w^l

1098 28/1199

- 19 2. Stabile und instabile Bewegung der geladenen Teilchen

In Abhängigkeit von den Werten der dimensionslosen Parameter a und q ist die durch die Mathieu-Gleichung

,2_Y

^tt-^A + (a + 2q cos 2t) X = O (5)

dt

beschriebene Bewegung entweder stabil oder instdibil (begrenzt oder unbegrenzt). Fig. 7 zeigt einen Bereich von a- und q-Werten für stabile Lösungen (gestrichelter Bereich). Die Bewegung der geladenen Teilchen relativ zu diesem Stabilitätsbereich ist in erster Linie beim Betrieb des dynamischen Massenspektrometers von Interesse, obwohl ein Betrieb auch für a- q-Werte möglich ist, welche andere Bereiche definieren. Werte für a und q, bei denen die sich in der x, y-Ebene bewegenden geladenen Teilchen eine stabile Bewegung beschreiben, werden durch den gestrichelten Bereich in den ersten und vierten Quadranten beschrieben, Werte von a und q, bei denen sich in Richtung der z-Koordinate bewegende geladene Teilchen eine stabile Bewegung beschreiben, sind durch den gestrichelten Bereich im zweiten und dritten Quadranten der Fig. 7 definiert. Drei dimensional© Stäbilitätswerte für die Parameter können durch Superposition der gestrichelten Bereiche der zweiten und dritten Quadranten mit den Bereichen der ersten und vierten Quadranten erreicht werden. Da die Größen von a^ und a₂, q^ und q₂ um einen Faktor 2 differieren, haben die Bereiche im zweiten und dritten Quadranten einen anderen Maßstab als diejenigen im ersten und vierten Quadranten. Der kombinierte Stabilitätsbereich (Fig. 4) definiert Werte von a₂, q₂, bei denen geladene Teilchen eine dreidimensionale begrenzte Bewegung im dynamischen Feld beschreiben, Der kombinierte Bereich hat die dargestellte Form, da V. entweder positive oder negative Werte annehmen kann. Entsprechende Werte für a.j, q.j können aus den Gleichungen (4) berechnet werden. Obwohl die Auswahl stabiler a, q-Werte gewährleistet, daß die zugehörigen geladenen Teilchen eine begrenzte Bewegung beschrei-

109 828/VI9&

ben, wird die tatsächliche Größe der Hüllkurve der begrenzten Bewegung von den Anfangsbedingungen der Teilchen bei deren Eintritt in das dynamische Feld ebenso bestimmt wie von den Werten von a und q.

3. Massenbereichsstabilität

Der Einfachheit halber wird nur der erste Quadrant der graphischen Darstellung gemäß Fig. 4 betrachtet. Um ein Spektrometer bei fester Raumgeometrie oder geometrischem Faktor G und fester dynamischer Feldfrequenz f zu betreiben, werden Werte für V, und V\ gewählt, welche eine Massenart-Betriebskennlinie u

W &c

definieren, die durch den kombinierten Stabilitätsbereich der Fig. 4 läuft. Durch die Verwendung der Gleichung (4) ist jeder m/e-Wert eines geladenen Teilchens bestimmten Werten von ag, qp zugeordnet. Da a, q Umkehrfunktionen von m/e sind, liegen die größeren m/e-Verhältnisse näher am a, q-Ursprüng. Die Gruppe von m/e-Teilchen, deren zugeordnete a, q-Werte auf der Betriebskennlinie u im Bereich der kombinierten Stabilität liegen, beschreiben eine stabile Bewegung. Diejenigen m/e-Teilchen, welche auf der Linie u links von der Kurve P=O liegen, führen eine, unbegrenzte Bewegung in Richtung der z-Koordinate aus. Diejenigen m/e-Teilchen, welche rechts von der Kurve (5=1 liegen, führen eine unbegrenzte Bewegung in Richtung _:der z-Koordi- W nate aus.

Ee ist ersichtlich, daß die a,q-Stellungen aller m/e-Teilchen längs der Betriebskennlinie u verschoben werden können, indem die Größen V_&c und V. unter Konstanthaltung des Verhältnisses V. /V geändert werden. Durch Änderung der Spannungen in der zuvor beschriebenen Weise werden die m/e-Teilchen in den Bereich der kombinierten Stabilität hinein oder aus diesem heraus geschoben. Auf diese Weise kann der Massenbereich der geladenen Teilchen, innerhalb dem eine stabile begrenzte Bewegung der Teilchen erfolgt, geändert werden. Eine wiederholte systematische Änderung der Potentiale V__ und V, bildet eine Basis

ctC ClC

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zum Abtasten des Massenartenspektrums. Die Neigung der Betriebskennlinie u kann durch Änderung des Verhältnisses ^v _dc/^v _ac verändert werden. Dies führt zu einer Änderung des Massenbereichs von stabilen geladenen Teilchen.

4. Laufzeit der geladenen Teilchen

Die wesentliche Kenngröße der Bewegung von stabilen Teilchen ist das Laufzeitverhalten der Ionen im dynamischen Feld. Für eine feste Einstellung der Betriebsparameter hat jede stabile Ionenart eine bestimmte Laufzeit zwischen dem Zeitpunkt, bei dem das zugehörige Ion bei ζ = O in das Feld eintritt und dem Zeitpunkt, bei dem es zum Punkt ζ = O zurückkehrt. Da die Gleichungen der Ionenbewegung unabhängig voneinander sind, brauchen bloß der Eintrittszeitpunkt und die Laufzeit in der ζ Richtung betrachtet werden. Die allgemeine Lösung der Komponentengleichung für die Koordinate ζ bei stabiler Bewegung ist:

ζ (£) = a£ c cos (2n + ß) (I +£ )

C_2n sin <2n +ß) it+I₆) (6)

η= — *β

wobei der P-Wert für stabile Lösungen im Bereich OSLß ^- 1 liegt, g₀ = wt^a die Eintrittszeit der Ionen in das dynamische Feld · bei z = O relativ zur Phase der Schwingungskomponente des FeI- . des, £ die Betriebszeitvariable und A und B die dieAnfangsbedingungen der Ionen bei der Injektion darstellenden Konstanten sind.

Zur Vereinfachung der allgemeinen Lösungsgleichung (6) kösnen die Summenprodukte durch C(Z + Z _Q) und S(E + t ) ersetst'werden, woraus Bich ergibt?

= AG(E + I₀) + BS(S + Z₀)

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Zur Lösung der Konstanten A und B werden die Anfangsbedingungen ζ, β O, z(o) = 0, z(o) = ζ eingesetzt, und es ergibt sich:

s (E₊E₀) - S(E₀) c &+%)] (8)

wobei die Anfangsgeschwindigkeit bei E=E ζ = »

OO Cl t'

ist und W =

ε= ε,

Um die Laufzeit E_TOp der Teilchen zu berechnen, welche bei ζ = ο eintreten und bei ζ = ο aus dem Feld zurückkehren, wird die linke Seite der Gleichung (8) ζ(Ε_τορ) = ο gesetzt:

⁰ = w

Da die Anfangsgeschwindigkeit und die Wronski-Ieterminante W ungleich ο sind, ergibt sichC„,_Op aus:

c C5₀) s (t_WF +l_Q) - s (E₀) c (E_TOp +E₀) = ο (10)

ε TOP _.. , _TOp = von dem

m/e-Verhältnis des geladenen Teilchens, den Parametern-des dynamischen Feldes durch ß und die Koeffizienten Cpn' ^un<^ ^von Anfangsphase der Injektion?, abhängt. Dagegen ist Bm_Op unabhängig von der Anfangsgeschwindigkeit oder -energie des Teilchens. Es gibt eine praktische Grenze für die Teilchengeschwindigkeit beim Einführen des Teilchens in ein Analysenfeld mit endlichen Grenzen. Da der Eintritt des Teilchens in das Schwingungsfeld proportional zur Geschwindigkeit ist, ist der Bereich möglicher Eintrittsgeschwindigkeiten begrenzt. Eine typische Be- , Ziehung zwischen der Teilchen-Laufzeit t_rn_Op und m/e ist in Fig. 5 gezeigt, bei der die Potentiale Vac und V, und die Eintrittsbzw. Injektionsphase £ konstant gehalten werden. Die willkür-

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lichen m/e- und tm_Op-Koordinaten erhalten spezielle Skalenwerte, wenn V_QO, G, V,. und die Frequenz w festgelegt werden.

, SC . Q.C

Daraus ergibt sich, daß sich die Skaleneinteilungen für m/e und die Teilchenläufzeit tm_Op leicht durch Verwendung entsprechender Parameter V , V, und w ändern lassen, so daß

eic CLC

der Stabilitätsbereich der Massen, Laufzeiten und m/e-Auflösung in weiten Grenzen geändert werden können.

5. Massenauflösung

Die Beziehung zwischen t_T0„ und m/e in Pig. 5 zeigt, daß die Laufzeit der geladenen Teilchen mit m/e rasch anwächst. Der Unterschied in der Laufzeit für benachbarte m/e-Werte wächst ebenfalls mit der Masse an. Diese günstige Situation besteht für m/e-Werte, welche auf einer u-Linie liegen, die durch den Stabilitatsbereich läuft und sich der β = 0-K.urve oder der linken Instabilitätskante von ζ des Stabilitätsdiagramms nähert. Da die Massenarten mit anwachsender Masse zeitlich stärker getrennt werden, ergibt sich ein anderes Charakteristikum des Mathieu-Wechselstromfeldes zur Vergrößerung der m/e-Auflösung. Teilchen, welche in das Wechselstromfeld bei z = o über eine Periode Αΐ*₀ eintreten, werden während der Wechselwirkung mit dem Wechselfeld zeitlich gebündelt und kehren innerhalb einer Zeitdauer Λέ_τορ zurück, die. kurzer als ΔΕ_ο ist. Diese zeitliche Bündelung ist in Pig. 6 zum Ausdruck gebracht, wo Εφ_0{! als Punktion der Eintrittsphase £₀ aus der Gleichung 10 für feste Werte von a und q bestimmt ist.

6. Massenabtastung

Ein Verfahren zum Anzeigen eines aufgelösten Massenspektrums für nicht zu große Massenbereiche setzt voraus, daß alle Arten der geladenen Teilchen durch geeignete Wahl der V „ und V_-3 -

ac dc

Potentiale und der Betriebsfrequenss w gleichzeitig innerhalb des kombinierten Stabilitätsdiagramms liegen. Das Massenspektrum kann für jeden Analysenzyklus auf einem Oszilloskop angezeigt werden,

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ORIGINAL INSPECTED

Ein zweites Anzeigeverfahren umfaßt die Messung des Eintreffens der Ionen am Detektor 37 zu einer vorgegebenen Zeit und ein programmäßiges Erhöhen oder Senken von V und V,

B-C Gl C

zur laufenden Änderung der Laufzeiten der m/e-Arten derart, daß jede Art aufeinanderfolgend die vorgegebene Laufzeit erreicht. Ein Beispiel für diese Methode ist in Fig. 4 dar-

^{2 V}dc gestellt, wo das Spannungsverhältnis u = — und w konstant

^Vac

gehalten werden und alle Massenarten auf dieser u-Kennlinie liegen, welche durch das Stabilitätsdiagramm läuft. Tatsächlich ist jedem a2» q₂~Punkt im Stabilitätsdiagramm ein be-" stimmtest_TOp zugeordnet. Die vorgegebene Laufzeit wird als

TOP -4»

- geschrieben, wobei das bestimmte *'_ΤΛρ ^den

Werten a^f ₀ und η·₅ zugeordnet ist. Wenn V und V, so einge-

d. ^c. clC QC

stellt werden, daß m. bei a'p und q*_? (Fig. 4) liegt, so haben nu und πκ kürzere Laufzeiten als t'^™· m.. und m,- sind instabil. Wenn V und V, erhöht werden, verschiebt sich

ac QC

in Richtung a'₂, q'₂» bei denen die zugehörige Laufzeit t'

ist. Wenn V und V, verringert werden, so werden nu, mp und m₁ aufeinanderfolgend zu dem Punkt a'_or q'_o verschoben

2 2.··

und erscheinen aufeinanderfolgend im Massen-Zeit-Spektrum bei f_Top.

Aufeinanderfolgende Abtastungen aller Massenarten einer Gasprobe können durch eine kurze Toröffnungszeit um τ·'_το_ am Ausgang des Detektor-Vervielfachers erreicht werden. Das Auagangssignal dieses kurzzeitig öffnenden Tors liefert eine Anzeige des Massenarten-Spektrums, wenn die Potentiale V__n und V_dc in der einen oder anderen Richtung unter Konstanthaltung des Quotienten 2 V,_/V_„ geändert werden.

Q CT &C

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Es gibt andere Techniken zum Abtasten des Massenspektrums. Die Frequenz w des Wechselstromfeldes kann kontinuierlich geändert werden, um jede Massenart durch den Punkt a'₂, q'₂ zu bewegen.

D) Andere Ausführungsformen des Massenspektrometers

Figuren 8 bis 14 veranschaulichen andere Ausführungsforraen. des neuen Massenspektrometers. Die folgende Beschreibung ist auf die baulichen und funktioneilen Unterschiede zwischen diesen Ausführungsformen und dem Spektrometer IO gerichtet. Es wird dabei von einer genauen Erläuterung der bei diesen andersartigen Ausführungsformen verwendeten Bauelemente versichtet, soweit sie bei dem Spektrometer 10 bereits beschrieben worden sind. Solche Elemente sind in den Fig. 8 bis 14 mit denselben Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 3 versehen.

Fig. 8 zeigt ein Spektrometer 74, welches sich von dem Spektrometer 10 dadurch unterscheidet, daß. die zu analysierenden Probengast eileiter Ton dem Probengeber 34 durch ein Bohr 76 direkt in die Ionisationskammer 22 eingeleitet werden. Die Gasteilchen können av-f *? ese Weise unmittelbar ionisiert und danach in das dynamische Analysenfeld bei minimaler Abwanderung von neutralen Gasteilchen in die Umgebung des evakuierten Röhrenkolbens 20 injiziert werden. Das Spektrometer 74 unterscheidet sich ferner dadurch vom Spektrometer ^0_f daß die ringförmigen Felde!ektroden 39 und die elektrischen Abstandshalter 43 durch eine einzige rohrförmige, widerstandsbehaftete Elektrodeneinheit 78 ersetzt ist. Der elektrische Widerstand eines besonderen Teils der widerstandsbehafteten Elektrode wird so gewählt, daß bei Anlegen eines Potentials von de? Steuerschaltung 80 über die Leitung 82 an das eine Ende der Elektrode ein Analysenfeld innerhalb des von der Elektrode definierten Raums entsteht, welches durch die in Gleichung (2) definierte Potentialverteilung beschrieben iet. Die Steuer-

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schaltung 80, von der ein Teil in Fig. 9 als Blockschaltbild gezeigt ist, unterscheidet sich von der Steuerschaltung 18 dadurch, daß sie einen Gleichrichter 84 aufweist, welcher die statische Komponente des dynamischen elektrischen Feldes bildet. Dem Gleichrichter 84 wird vom Leistungsverstärker 54 eine sinusförmige Wechselspannung zugeführt, die im Gleichrichter in eine Gleichspannung umgewandelt wird. Da der Leistungsverstärker 54 das Eingangssignal für den Gleichrichter 84 liefert und auch die Amplitude der Schwingungskomponente des Feldes bestimmt, ändert eine Verstellung der Verstärkung des Leistungsverstärkers 54 die dynamischen Feldparameter in k solcher Weise, daß ein konstantes V, /V -Verhältnis aufrecht erhalten bleibt.

Fig. 10 stellt eine andere Ausführungsform 86 des Spektrometers dar, zu dem ein Elektronenvervielfacher-Detektor 88 der unter dem Warenzeichen Spiraltron bekannten Bauart gehört, welcher die von der Spektrometervorrichtung aufgelösten Ionenarten bestimmt. Das Spektrometer 86 weist ferner eine geerdete, konusförmige Elektrode und eine Leitungseicktrode 92 mit einer Oberfläche 93 auf, welche ein Umdrehungshyperboloid zur Erzeugung eines dynamischen Analysenfeldes definiert. Die Elektrodenformen sind so gewählt, dai? sie eine Potentialverteilung der durch die Gleichung (2) beschriebenen Form ergeben. Ein ψ geeignetes elektrisches Signal wird von einer programmierten Optimierungsschaltung 94 an die Leitun^selektrode 92 gegeben, wodurch in dem durch die Leitungselektrode 92 und die konische Elektrode 90 definierten Raum ein dynamisches elektrisches Feld entsteht. Die Optimierungsschaltung steuert ferner die Ionisation und die Ioneneinführung in das dynamische Feld durch Steuerung der Spannungen an den Gittern 26 und ~\2. In dieser Hinsicht entspricht die Schaltung 94 den Steuerschaltungen 18 und 80.

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Außerdem umfaßt die programmierte Optimierungsschaltung 94 eine Elektronik (Pig. 11) zum Optimieren der die unterschiedlichen Ionenarten darstellenden Signale und zum Messen dieser optimierten Signale. Die programmierte Optimierungsschaltung 94 ist daher so ausgelegt, daß die Auflösung oder Trennung der benachbarten Ionenarten in einer Testreihe optimiert und die Stärke der die unterschiedlichen Arten in anderen Testreihen darstellenden Signale auf den größtmöglichen Wert gebracht wird.

Um diese Signaloptimierung zu erreichen, ist die Schaltung mit einer Hauptsteuer- oder Logikschaltung 96, einer Vorrichtung 98 zum Bestimmen des maximalen Signalwerts und einer SignalVerarbeitungsvorrichtung 100 ausgestattet. In der Hauptsteuerschaltung 96 sind die Steuerbefehle für die Ionenquelle und die dynamischen Feldparameter einprogrammiert; sie spricht auf Impulse von anderen Teilen der programmierten Optimierungsschaltung 94 an, um die Betätigung der Schaltung 94 zu steuern. Der Vorrichtung 98 werden die verschiedenen Signale vom Detektor 88 zugeführt und in der Vorrichtung zusammengesetzt, um die Maximalwerte dieser Signale zu bestimmen. Zu der die Maximalwerte bestimmenden Vorrichtung 98 gehört eine Signal-Meßvorrichtung 102, welche die vom Spiraltron-Detektor 88 einlaufenden und durch Auftreffen von Ionen auf den Detektor hervorgerufenen Signale mißt. In einem Schwellwertdiskriminator 104 wird eine untere Signalschwelle eingestellt, so daß die Meßvorrichtung 102 nur Werte oberhalb der Signalschwelle mißt, wodurch eine Messung von Rauschsignalen vermieden wird. Ein oberhalb der voreingestellten Schwellenspannung ermittelter Signalwert wird im Speicher 106 gespeichert. Ist bereits ein Signal im Speicher 106.gespeichert, so wird das zuletzt er-, mittelte Signal mit diesem bereits eingespeicherten Signal 'durch einen Vergleicher 108 verglichen, und nur das größere der beiden Signale wird im Speicher 106 gespeichert. Nachdem alle interessierenden Signale eines Arbeitszyklus aufgenommen

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und von der Vorrichtung 98 gemessen worden sind, ist das größte der empfangenen Signale im Speicher 106 gespeichert. Dieses Maximal.signal wird über ein UND-Gatter 110 geleitet, welches von der Hauptsteuerschaltung zu geeigneter Zeit zum Anzeigegerät 38 durchgesteuert wird.

Die Signalverarbeitungsvorrichtung 100 dient zum Bestimmen und Einspeichern der Feldparameter entsprechend dem maximalen Signalwert für eine spezielle Ionenart. Ferner wird in der Vorrichtung 100 die maximale Auflösung oder Trennung zwischen den benachbarte Ionenarten darstellenden Signalen bestimmt. Eine optimale Auflösung besteht dann, wenn die Differenz zwischen dem ^v _ac-WQrt, der den größten Ionen-Signal wert für eine erste Ionenart liefert, und dem V -Wert, welcher den größten Ionen-Signalwert für eine zweite Ionenart liefert, am größten ist. Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung 100 · eine V /V, -Steuerschaltung 112 zum Ändern der dynamischen Feldparameter auf. Die Steuerschaltung 112 kann ähnlich wie die Steuerschaltung gemäß Fig. 2 oder diejenige gemäß Fig. ausgebildet sein. Die Werte der Amplitude der Schwingungskomponente (V ) des Feldes, welche sich durch Einstellung der Steuerschaltung 112 .ergeben, werden mit Hilfe eines Spannungsmessers 114 gemessen und in einem Schieberegister 116 gespeichert. Sobald ein größter Signalwert von dem Vergleicher 108 ermittelt worden ist, werden sowohl dieser Signalwert als auch die V , welche su diesem Signalwert geführt hat, zu einer Speichereinheit 118 übertragen. Die Speichereinheit 118 kann eine große Informationsmenge speichern, wie sie zur Bestimmung aller in einer zu untersuchenden Probe enthaltenen Ionenarten notwendig ist. Vergleichsmessungen und Differenzmessungen zwischen den verschiedenen im Speicher 118 gespeicherten Signalwerten werden in einer Subtraktionseinheit 120 und einer Vergleichereinheit 122 durchgeführt. Die Differenz zwischen den unterschiedlichen gespeicherten Werten wird einerseits in die Speichereinheit 118 eingespeichert und andererseits zur Hauptsteuorschaltung 96 übertragen,

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welche den Differenzwert zur Steuerung des weiteren Betriebs der programmierten Optimierungsschaltung verwendet.

Das Spektrometer 86 und die Optimierungsschaltung 94 werden bevorzugt so betrieben, daß'ein Massen-Abtastvorgang vorgenommen wird, bei dem nur die durch auf den Detektor 88 innerhalb einer vorgegebenen Zeit auftreffenden Ionen erzeugten Signale gemessen werden. Identische Ionenproben werden in einer Testreihe in das dynamische Analysenfeld eingeführt. Die dynamischen Feldparameter werden vor jedem Test geändert, um die Ionenlaufzeit zu verändern. Bei Betrieb löst die Hauptsteuerschaltung 36 durch Trigern des Impulsgenerator 60 die Ionisation aus. Sie steuert die Betätigung der Steuerschaltung 112, um die V" und V, -Werte entsprechend einem vorge-

ac eic

gebenen Programm zu ändern. Perner steuert sie die Meßvorrichtung 102 derart, daß Ausgangssignale vom Detektor 88 nur bei einer vorgegebenen Zeit bezüglich der lonisationszeit gemessen werden. Wenn das Ausgangssignal des Detektors 88 den durch den Schv/ellwert diskriminator 104 gegebenen Schwellwert erreicht, wird das Detektor-Ausgangssignal im Speicher 106 gespeicher--,. In einem nachfolgenden Test wird der nach geringfügiger Änclenmg der V_„ und V, -Werte erhaltene Signalwert im Verglei *;.·??"■ 108 mit dem zuvor im Speicher 106 eingespeicherten Wert verglichen. Wenn der nachfolgende-Wert größer ist, nimmt er im Speicher 106 die Stelle des zuvor eingespeicherten Wertes ein. Dieser Vorgang wird wiederholt, während V_&c und V^₀ abgetastet oder entsprechend dem vorgegebenen Programm geändert werden, bis das einlaufende Signal vom Detektor 88 kleiner als das im Speicher 106 gespeicherte Signal ist, worauf das gespeicherte Signal zum Speicher 118 übertragen wird. Diesen in der Speichereinheit 118 gespeicherte Signal wird im folgenden als Spitzenwert bessei"-k^t und stellt den maximalen Signalwert für eine vorgegebene Einstellung von Quellonparametern und für in einen vorgegebenen engen Bereich fallende Pßldparameter dar. Gleichzeitig liefert

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der Vergleicher 108 einen Impuls an das Schieberegister 116, welcher das Register so steuert, daß der gemessene V „-Wert

EIC

entsprechend dem maximalen Spitzenwert der Speichereinheit zugeteilt wird. Die Vorgänge des Massenab'tastens und des Signalvergleichs werden danach so lange fortgesetzt, bis der Spitzenwert einer zweiten Masse oder Ionenart in ähnlicher Weise verarbeitet worden ist.

Sobald die Größe der Spitzenwerte zweier benachbarter Massen identifiziert worden ist, wird der Abtastvorgang unterbrochen, und die gemessenen V -Werte für die beiden Spitzen werden in die Subtraktionseinheit 120 gegeben, in welcher ihre Differenz

P bestimmt wird. Diese Differenz wird zusammen mit den zugehörigen Betriebsparariietern im Speicher 118 gespeichert. Die Hauptsteuerschaltung 96 richtet danach die Signalmessungen auf eine neue Meßzeit, wobei die Quellen- und Feldparaaeter auf geeignete neue Werte eingestellt werden. Der Massen-Abtastzyklus wird dann für dieselben beiden Massen erneut durchgeführt. Die sich ergebende V -Differenz wird mit der zuvor in der Speichereinheit 118 eingespeicherten Differenz vom Vergleicher 122 verglichen. Wenn sie gröf?er ist, wird diese Differenz zusammen mit den zugehörigen Betriebsparametern in Ersatz der im Speicher 118 gespeicherten Information im Speicher 11 θ eingespeichert. Die Änderung der Betriebsparameter wird so

fe lange fortgesetzt, bis das Programm abgelaufen ist. Danach richtet die Hauptsteuerschaltung die Steuerungen für die Quellen- und Betriebsparameter auf eine Einstellung auf diejenigen Werte ein, welche als die der maximalen V -Differenz entsprechenden Werte identifiziert worden sind. Auf diese Weise wird eine optimale Auflösung für diese Massen erzielt. Das UNTD-ßatter 110 aktiviert danach das Anzeigegerät 38 und steuert die V /V.-Steuernchaltung 112 so, daß die aufgelösten Spitzen abgetastet werden. Diese Abtastung wird am Anzeigegerät 38 angezeigt bzw. geschrieben.

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Wenn während des Vorgangs der Optimierung der Auflösung eine neue Massenspitze zwischen vorher identifizierten Spitzen auftritt, veranlaßt die Hauptsteuerschaltung 96 die Optimierungsschaltung 94f die erste der vorher identifizierten Spitzen und die neue Spitze aufzulösen« Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis die beiden Spitzen auf die bestmögliche Weise aufgelöst sind.

Während des Betriebs wird die Speichereinheit 118 fortlaufend mit den Spitzenwerten jeder der beiden aufgelösten Hassen und der diesen zugeordneten Betriebsparametern versorgt. Nach Erzreichen der optimalen Auflösung kehrt die Hauptsteuerschaltung 96 zu den in der Speichereinheit 118 eingespeicherten Betriebs'-parametern zurück, welche während der Auflösungsoptimierung den größten Spitzenwert für die erste Hasse hervorgerufen haben. Die Quellen- und Feldparameter werden sodann programmäßig mit einem Index versehen, und der gemessene Spitzenwert für jeden Index wird mit demjenigen des vorhergehenden Indexes verglichen. Ist der. Spitzenwert des neuen Index größer als der vorhergehende, so bildet er den neuen Stand der Speichereinheit 118. Nach Beendigung des Programms wird der maximale Spitzenwert zum Auslese- bzw. Anzeigegerät 38 übertragen, und der Optimierungsvorgang wird sodann für den zweiten der beiden aufgelösten Spitzenwerte wiederholt. Diese Vorgänge werden so lange wiederholt, bis eine vollständige Abtastung des Massenspektrums durchgeführt ist.

Figuren 12 und 13 zeigen in zwei Ansichten eine weitere Ausführungsform 126 des Spektrometers, welche von den zuvor beschriebenen Spektrometerausführungen durch den das dynamische Analysenfeld erzeugenden Feldgenerator 128 unterschieden ist. «Der Feldgenerator ist eine monopolare Struktur mit einer stabförmigen leitenden Elektrode 130, deren Oberfläche 131 ent» weder zylindrisch oder hyperbolisch ausgeführt sein kann, und zwei geerdeten Platten 132 und 134,' die mit Abstand von der

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stabförmig ausgebildeten Elektrode 130 und auch mit gegenseitigem Abstand angeordnet sind und zwischen sich einen Spalt 136 bilden, durch welchen die Ionen in das dynamische Analysenfeld eintreten und aus diesem austreten/Wenn der stabförmigen Elektrode 130 ein geeignetes Signal mit einer V ""

EIC

oder Schwingungskomponente von der Steuerschaltung 18 zugeführt wird, so entsteht ein dynamisches elektrisches Feld

von der Form 0(x, y, z, t) = f(t) · i (y² - z²) (11)

ο wobei x, y, ζ die Rauinkoordinaten in den in den Figuren 12 und 13 gezeigten Richtungen sind und Z die Länge des dynamischen Feldes längs der z-Achse in dem von der stabförmigen Elektrode 130 und den Platten 132 und 134 begrenzten Bereich ist.

Das durch die Gleichung (11) definierte Feld ist ähnlich den zuvor definierten dynamischen Feldern, da es in das Feld injizierte unterschiedliche Ionenarten beschleunigt und abbremst und dadurch entsprechend ihren m/e-Verhältnissen zeitlich voneinander trennt. Das Feld gemäß der Gleichung (11) unterscheidet sich von den zuvor definierten Feldern dadurch, daß es keine Komponente längs der x-Achse aufweist. Wenn daher einer stabilen Bewegung im dynamischen Feld unterliegende Ionen mit einer Bewegungskomponente in Richtung der x-Achse in das Feld injiziert werden, wird ihre Bewegung in Richtung der x-Achse durch das dynamische Feld nicht reversiert. Der Ionen-Injektor 14 ist im Spektrometer 126 so angeordnet, daß er Ionen mit einer Bewegungskomponente in Richtung der x-Achse liefert. Da das dynamische Feld die Ionen bezüglich dieser Bewegungskomponente nicht reversiert, ist der Detektor 37 mit Abstand in Richtung der x-Achse vom Injektor 14 angeordnet. Aus dem dynamischen Feld austretende Ionen brauchen daher nicht den Ioneninjektor 14 durchlaufen, um zum Detektor 37 zu gelangen.

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Die Figuren 14 und 15 zeigen in zwei Ansichten eine Ausführungsform 138 des Spektrometers mit einem Ionenspeicher. Die Spektrometerausführung 138 unterscheidet sich von dem Spektrometer 10 darin, daß sie zwei identische Strukturen 12 und 140 zur Erzeugung dynamischer Analysenfelder aufweist. Die die Felder erzeugenden Vorrichtungen bzw. Strukturen 12 und HO sind einander entgegengerichtet und axial fluchtend angeordnet. Das durch die Struktur 140 errichtete Feld ist ein Spiegelbild des durch die Struktur 12 geschaffenen Feldes. Stabile Ionen werden daher in einem solchen Feld von einem Feld zum anderen hin- und herschwingen und dadurch im Spektrometer 138 gespeichert werden. Die gespeicherten Ionen werden durch einem Gitter 142 (Fig. 15) zugeführte Spannungsimpulse aus dem dynamischen Feld entfernt und zum Detektor beschleunigt. Das Potential des Gitters 142 wird von einer Steuerschaltung 144 gesteuert, welche ähnlich der Steuerschaltung 18 aufgebaut ist, jedoch eine Zähllogik und einen Impulsgenerator zum Steuern der Betätigung des Gitters 142 aufweist. Diese zusätzliche Vorrichtung ist ähnlich der zur Steuerung der Betätigung der Gitter 26 und 32 dargestellten Vorrichtungen.

Mit dem Spektrometer 138 sind verschiedene Betriebsweisen möglich. Wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen unterliegen mehrere unterschiedliche Ionenarten im dynamischen Feld gleichzeitig einer stabilen*Bewegung. Wenn erwünscht können alle stabilen oder gespeicherten Ionenarten innerhalb eines Zeitabschnitts aus dem dynamischen Feld herausgezogen und durch Messung der Unterschiede der.Aufschlagszeiten der verschiedenen Ionenarten auf dem Detektor 37 aufgelöst werden. Zu diesem Zweck wird ein Ionen aus dem Bsrsich 22 zum Detektor 37 ziehendes Signal an das Gitter 142 gegeben und aufrecht erhalten, während aufeinanderfolgende Ionen in den Bereich 22 eintreten. Bei einer alternativen Betriebsweise werden Ionenarten mit bestimmten ir/e-Verhältnissen einzeln aus dem dynamischen Feld abgezogen, indem das Gitter

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nur zu denjenigen Zeiten spannungsbeaufschlngt wird, bei denen sich die ausgewählten Ionenarten im Raum 22 befinden. In ähnlicher Weise kann eine einzelne Ionenart von dem Spektrometer 138 gespeichert werden, indem man das Gitter 142 dauernd zum Abziehen der Ionen aus dem dynamischen Feld beaufschlagt, mit Ausnahme desjenigen Zeitraums, bei dem die zu speichernde, ausgewählte Ionenart durch den Berpich bzw. Raum 22 läuft. Während dieses Zeitraums bleibt das Gitter unbeaufschlagt, so daß die Bewegung dieser Ionenart im danamisehen Feld unbeeinflußt ist. Auf diese Weise werden alle Ionenarten mit Ausnahme der einen ausgewählten Ionenart aus dem auflösenden dynamischen Feld zurückgeworfen. Die Intensität bzw. Stärke dieser Ionenart kann zur Erleichterung der Bestimmung dieser Ionenart dadurch erhöht werden, daß zusätzliche Ionenproben mit vielen Ionenarten periodisch in das dynamische Feld injiziert werden, während sich die zuvor gespeicherten Ionen in dem Bereich 22 befinden. Unerwünschte Arten werden durch erneute Beaufschlagung des Gitters 142 aus dem Feld abgezogen, wobei die Beaufschlagungszeiten so gewählt sind, daß mit Ausnahme der vorgewählten Ionenart alle lonenarten aus dem Feld abgesaugt werden. Wenn eine ausreichende Ionenkonzentration erzielt worden ist, wird das Gitter 142 beaufschlagt, um die ausgewählte, angereicherte Ionenart zum Detektor 37 zu beschleunigen. Die Speicherzeit für Ionen einiger Arten bestimmt sich aus der Zeit, die erforderlich ist, damit die Ionen einer Art die Ionen einer anderen Art aufgrund des Unterschiedes in ihren Laufzeiten, der einer Schwingungsperiode um den Bereich 22 gleich ist, räumlich überholt.

Aus der obigen Boschreibung: der in den Figuren dargestellten Ausführungsformen ergeben sich für den Fachmann viele entsprechende Modifikationnmöglichkeiton für das neue Spektrometer. Es liegt auf der Hand, daß bekannte Bauelemente, wie die lonisations- und Injektionsvorrichtung 14 gemäß Fig. 1, durch andere bekannte und die ^Leiche Funktion erfüllende Bau-

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elemente ersetzt werden können. Ferner kann auch ein in dem einen Ausführungsbeispiel gezeigtes Element in die Spektrometer nach anderen Ausführungsformen eingesetzt werden. So ist beispielsweise die programmierte Optimierungsschaltung nicht an die in diesem Zusammenhang gezeigte Feldelektrodenstruktur mit einer geerdeten konusförmigen Elektrode und einer Leitungselektrode mit hyperbolischer Oberfläche (Fig. 10) gegunden, sondern kann zusammen mit dem beispielsweise in Fig. gezeigten, ein dynamisches Analysenfeld erzeugenden Feldgenerator 12 verwendet werden. Die Elektroden 132 und 134 (Fig. 12 und 13) können als Einzelelektrode mit geeigneten Schlitzen für den Eintritt und Auslaß von Ionen ausgebildet sein. Ferner kann der Detektor 37 in der Ausführungsform nach den Figuren 14 und 15 auch auf der z-Achse am äußeren Ende einer der Strukturen 12 oder 140 angeordnet sein. Bei einer solchen Bauweise werden die Ionen nach einer vorgegebenen Schwingungszeit durch Anlegung einer Spannung an das Gitter 32 zum Detektor 37 beschleunigt. Zur Unterstützung des Ionenlaufs zum Detektor 37 kann das Signal zu den Ringelektroden 39 abgetrennt werden.

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Claims (13)

1. Ansprüche

   Vorrichtung zum Trennen geladener Teilchen nach ihrem Massen/ Ladungs-Verhältnis durch Messen der Laufzeit jedes Teilchens zwischen einem Injektionspunkt und einem Meß-Bezugspunkt, dadurch gekennzeichnet, daß die geladenen Teilchen wenigstens über einen Teil ihres Weges zwischen dem Injektionspunkt (14, 41) und dem Meß-Bezugspunkt (37; 88) einem dynamischen elektrischen Pe]d mit den Koordinaten x, y und ζ ausgesetzt sind, wobei die geladenen Teilchen derart in Schwingungen versetzt werden, daß ein Teil von ihnen den Meß-Bezugspunkt nicht erreichen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke des dynamischen elektrischen Feldes längs der z-Achse mit der Entfernung von dem Injektionspunkt (14, 41) zunimmt, so daß die in das elektrische Feld eintretenden geladenen Teilchen das elektrische Feld an dem Eintrittsende verlassen.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektionspunkt (14, 41) und der Meß-Bezugspunkt (37; 88) an demselben Ende des dynamischen elektrischen Feldes angeordnet sind,
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dynamische Feld eine elektrische Potentialverteilung der allgemein quadratischen Form 0(s_t y, z, t) =

   2 2?

   f(t) (<A/X +Ty + V^z ) ^na"t» wobei x, y, ζ rechtwinklige Raumkoordinaten, t die Zeit, A,, Tf, η, der Gleichung ei/ + JT+ m - O genügende Konstanten und f(t) eine zeitvariable Funktion sind.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (14) zum Einleiten bzw. Inji zieren der geladenen Teilchen in das dynamische Feld vorgesehen

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   ist, welche eine Ionisationsvorrichtung (22 bis 30) zum Ionisieren der Gasprobenarten und einen Ioneninjektor (32) zum impulsweisen Einleiten geladener Teilchen in das dynamische Feld aufweist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine die Laufzeit der im dynamischen Feld zeitlich getrennten geladenen Teilchenarten messende Vorrichtung (94), welche eine Schaltung (18; 80;*96) zum Einleiten der Zeitnahme bei einem vorgegebenem Punkt der Bahn der geladenen Teilchen und einen Detektor (16; 88) aufweist, dessen Ausgangssignal die Einlaufzeit der zeitlich getrennten Teilchen an einem bestimmten Punkt darstellt.
7. 7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (48, 52, 54, 56, 58; 96, 112; 144) zum Ändern der Feldparameter des dynamischen Feldes.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das dynamische elektrische PeId sowohl eine Schwingungskomponente (V_ac) als auch eir»e statische Komponente (V^₀) hat; und daß mit der Vorrichtung (4δ, 52 - 58; 96, 112; 144) zur Änderung der Feldparameter des dynamischen Feldes die Amplitude der Schwingungskoraponente und die Größe der statischen Komponente unabhängig voneinander und in solcher Weise veränderlich sind, daß ein festes Verhältnis (^v _ac/^v^-_c) zwischen der" Amplitude der Schwingungskomponente und der Stärke der statischen Komponente aufre-cht erhalten wird.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7_r dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (94) zum Ändern der Feldparameter des dynamischen Feldes so aufgebaut ist, daß unterschiedliche Esr-eicne bzw. Gruppen von eine stabile Bewegung im dynamischen Feld beschreibenden Massen/Ladungs-Arten ausgewählt, die zeitliche Auflösung zwischen den Ladungs/Massen-Arten geändert und die charakteristischen Laufzeiten von stabilen Massen/Ladungs-Arten geändert werden.

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10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (16) einen Detektor (88) mit einem Sekundärelektronenvervielfacher und einer elektronischen Vorrichtung (96) zum Erzeugen von die Einlaufzeiten der verschiedenen zeitlich getrennten Teilchenarten darstellenden Ausgangssignalen; ferner eine elektronische Vorrichtung zum Messen der Zeit zwischen dem Eintritt der geladenen Teilchen in das dynamische Feld und dem Eintreffen unterschiedlicher, zeitlich getrennter Arten von geladenen Teilchen am Detektor (88); und eine elektronische Vorrichtung (39) aufweist, die alle Ausgangssignale im wesentlichen gleichzeitig anzeigt, wobei ein Massen/Ladungs-Spektrum

    ^ von zeitlich getrennt am Detektor einlaufenden Teilchenarten

    " angezeigt wird.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilcheninjektor (14) so aufgebaut ist, daß er zur Durchführung einer Testreihe geladene Teilchen periodisch in das dynamische Feld einleitet, und daß eine von den gleichzeitigen Signalen abhängige Steuervorrichtung (96) zum Steuern des Teilcheninjektors, der Einrichtung (112) zum Ändern der Feldparameter und der Meßvorrichtung (16, 10?) vorgesehen ist, um die gleichzeitigen Signale in einer Anzeige einer optimierten Folge ausgewählter einzelner Ausgangssignale umzuwandeln.

    h
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilcheninjektor (14) eine Vorrichtung (94, 12) aufweist, die zur Durchführung einer Testreihe geladene Teilchen periodisch in das dynamische Fold einleitet; daß dip MePvorrichtung (98) so aufgebaut ist, daß sie nur solche geladene Teilchen auswertet, deren Laufzeit innerhalb eines vorgegebenen Laufzeitbereiehs liegt; und daß die Vorrichtung zur Änderung der Feldparameter so gesteuert ist, daß die Feldpanimeter für jede in das dynamische Feld eingeführte Mansen/Ladun^s-Art, deren Laufzeit in den vorgegebenen Laufzeitbereich fallt, geändert werden, um eine Massenabtastun^ der geladenen Teilchen zu erreichen.

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13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung mit der Vorrichtung (96» 112) zur Änderung der Feldparameter und mit der Injektorvorrichtung (14) gekoppelt ist, um eine optimierte Anzeige einer Folge von Ausgangssignalen zu bilden, die unterschiedliche, in das Feld eingeführte Massen/Ladungs-Arten darstellen.

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