DE2054579A1

DE2054579A1 - Massenspektrometer

Info

Publication number: DE2054579A1
Application number: DE19702054579
Authority: DE
Inventors: Svdney Halhday John Stephen Sale Cheshire Evans (Großbritannien)
Original assignee: Associated Electrical Industries Ltd
Current assignee: Associated Electrical Industries Ltd
Priority date: 1969-11-07
Filing date: 1970-11-06
Publication date: 1971-06-16
Also published as: FR2069116A5; GB1318200A; US3745343A; JPS5129435B1

Description

Pcrtenianwfilie 2 05 A 5

Dr.-Ing. Wilhelm fieishel

Dipl.-Ing. Woliyang LLiiol

6 Frankfurt a. M. i

Parkstraße 13 6489

Associated Electrical Industries Limited, London,England

Massenspektrometer <

Die Erfindung betrifft Massenspektrometer und bezieht sich insbesondere auf Massenspektrometer mit magnetischem Analysator.

Es ist bekannt, bei Massenspektrometern die Breite des Ionenstrahles mit Hilfe von mechanischen Schlitzblenden zu begrenzen, die sich am Eingang und Ausgang des Analysierbereichs befinden. Diese Schlitze haben häufig feste Abmessungen, so daß das Auflösungsvermögen des Gerätes nur durch Abnehmen der Ionenquelle und des Kollektorsystems geändert werden kann, um die die Schlitze enthaltenden Blenden auszuwechseln.

Bei Hochleistungsgeräten ist es auch üblich, die beiden Schlitze,nämlich den an der Seite der Ionenquelle und den am Kollektorende des Analysierbereiches durch außerhalb des Vakuumraumes angeordnete Mittel kontinuierlich einstellbar zu machen. Die für die Einstellung erforderlichen mechanischen Einrichtungen enthalten gewöhnlich eine Mikrometerschraube, einen Balg in der Vakuurawandung und zahlreiche Hebel, Gelenke, Federn, sowie verschiebbare Bauteile innerhalb des Vakuumraumes. Bei der Herstellung dieser Einrichtungen iet es notwendig, auf genaue Präzision zu achten, wenn eine genaue und reproduzierbare Kennlinie der Einstellung erzielt werden soll. Der Einstellbereich reicht zum-

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Beispiel von einer maximalen Schlitzweite von etwa 0,125 mm "bis zu einem Mindestwert von 0,0025 mm, wobei die Einstellung bei einer wirksamen Schlitzlänge von etwa 5 mm kontinuierlich variabel ist. Bei diesem Beispiel ist der Schlitz genau gerade und glatt bis auf 0,00025 mm, und die Einstellung soll die Schlitzränder parallel halten mit· einer Genauigkeit von 0,00025 mm über die gesamte 3₀hlitzlänge.

Abgesehen von den Schwierigkeiten bei der Herstellung dieser mechanisch einstellbaren Schlitze sind auch weitere Nachteile vorhanden, die sich auf die Anwendung beziehen* Der verwendete Hechanismus gibt Anlass zu Gaaeinsohlüssen,und es ist auch möglich, daß adsorbiertes Gas beim Reiben der aufeinandergleitenden Flächen sporadisch ausbricht. Da die Schmierung im Hochvakuum schwierig ist, kann sioh auch eine ruckweise Bewegung ergeben, besonders, wenn es eich um hohe Konzentrationen bei,den Proben han delt, woduroh weitere Oberflächenverunreinigungen entstehen, und es kann hierbei zu einer Blockierung des Schlitzes kommen, wenn sich Teile der Probe an den Schlitzrändern W ansammeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Massenspektrometer anzugeben, bei dem die Breite des Ionenstrahls , der in' den Analysenbereich eintritt und/oder ihn verläßt, ohne die erwähnten Schwierigkeiten eingestellt werden kann, die eich bei der Verwendung von mechanisch einstellbaren Schlitzen ergeben.

Gemäß der Erfindung ist einer Blende, die der ionenstrahl dee Spektrometer passiert, ein Gunuailinsen3ystem zugeordnet und derart ausgebildet, daß die wirksame Größe der Bien-

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denöffnung veränderbar ist.

Die Blendenöffnung kann als Schlitz ausgebildet sein, ■ der die Breite des in den Analysenbereich des Spektrometers eintretenden Ionenstrahl definiert, oder der die Breite des den Analysenbereich verlassenden und in den Kollektor eintretenden Ionenstrahls bestimmt. Bei einer bevorzugten Ausführungsforta sind getrennte Blendenschlitze fürden die Ionenquelle verlassenden und den in den Kollektor eintretenden Strahl vorgesehen , und diesen ist je ein Gummilinsensystem zugeordnet, so daß die Breite des in den Analysenbereich eintretenden und die Breite des das Analysensystem verlassenden lonenstrahls getrennt einstellbar sind.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung hat das Massenspektrometer zwei Ionenlinsen, die veränderbare Vergrösserung aufweisen und die zusammen ein Gummilinsensystem bilden , das zwisohen einem Analysierbereich des Spektrometers -und dem Schlitz der Ionenquelle oder des Kollektors angeordnet ist,wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die wirksame Breite des Schlitzes,durch den der Ionenstrahl hindurchgeht, beim Gebrauch des Spektrometers durch elektrische Veränderung der Vergrößerung dieser Linsen geändert werden kann.

Vorzugsweise besteht jede der Ionenlinsen aus einer An zahl vqn Blenden, durch die der Ionenstrahl hindurchgeht, und es sind Einrichtungen vorgesehen, um ein veränderliches Potential mindestens einem Element dieser Linsen zuzuführen, um die Vergrößerung derselben einzustellen.

Ein Ausführungsbeiepiel eines Massenspektrometer gemäß der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen . näher erläutert:

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Fig. 1 zeigt schematisch ein vollständiges Massenspektrometer;

Pig. 2 zeigt schematisoh ein Gummilinsensystem;

fig* 3 zeigt den Aufbau des Gutnmilinsensystetns im einzelnen?

Fig. 4 und 5 zeigen je einen Schnitt durch ein Linsensystem der Figur 3, wobei Figur 4 ein Schnitt nach der Linie IV-IV in Figur 5 ist, und

fe Fig. 6 zeigt die Schaltung für das Massenspektrometer.

Das in Fig. 1 dargestellte Massenspektrometer enthält eine Ionenquelle 1 mit einer nicht dargestellten Ionisationskammer, einen elektrostatischen Analysator 2 , einen magnetischen Analysator 3 und einen Ionenkollektor 4 an sioh bekannter Ausführung. (Obwohl dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist, ist der Kollektor 4 vorzugsweise mit einem Elektronenvervielfacher verbunden,und die Ausgangsaignale des Vervielfachers werden über einen Verstärker einem geeigneten Ablesegerät zugeführt). Zwei Schlitze 5 und 6 sind den Ionenquellen 1 bezw. dem Kollektor 4 zugeordnet, wobei die Blende 5 die Breite des lonenstrahls begrenzt, h der in den-Ana Iy eier be reich des Spektrometer eintritt, während die Kollektorblende 6 die Breite des Ionenstrahls begrenzt, der in den Kollektor 4 eintritt. Beim Betrieb des Gerätes wird das Magnetfeld, welches der Ionenstrahl in dem magnetischen Analysator 3 durchläuft, auf verschiedene Werte eingestellt, und während dieses Durchlaufens der verschiedenen Werte erreionen Ionen verschiedener Masse den Kollektor 4· Insoweit hat das Massenspektrometer einen üblichen Aufbau.

Der Blendenschlitz 5 hat eine bestimmte Breite, und um die Breite des lonenstrahls, dervBen Analysierbereich eintritt, zu steuern, ist ein Gummilinsensystem 7 zwischen

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der Schlitzblende 5 und dem elektrostatischen Analysator 2 vorgesehen. Das Linsensystem 7 "besteht aus zwei Ionenlinaen 8 und 9 ,die im folgenden näher beschrieben werden.

Die Arbeitsweise des Gummilinsensystems 7 wird nun unter Bezugnahme auf Pig. 2 der Zeichnung näher erläutert. Wie aus dieser Figur hervorgeht, ist die Linse 8 so angeordnet, daß sie den Ionenstrahl 12 derart beeinflußt, daß eine Zwischenabbildung des Schlitzes 5 in einer Ebene 10 erzeugt wird, die zwischen dieser Linse und einer Linse 9 liegt . Die Linse 9 erzeugt ein Bild des Schlitzes 5 in einer Ebene 11 auf der entgegengesetzten Seite dieser Linse, und diese Ebene iüt die Gegen atandsebene des elektrostatischen Analysators 2 (Fig.l). Die Linsen 8 und 9 folgen bezüglich des Ionenstrahls 12 der üblichen Linsenformel , und man kann leicht zeigen, daß die Geearatvergrößerung "' jn_ des Linsensystem 7 durch den folgenden Ausdruck gegeben ist:

^V1^V2

m » —————

wobei u-, » der Abstand zwischen der Schlitzblonde 5 und '•der Linee 8 ist,.

V^ a der Abstand zwischen der Linse 8 und der Zwisohenbildöbene 10 ist,

Up = der Abstand zwischen der Ebene 10 und der Linse 9 ist, und

V₂ =* der Abstand zwischen der Linse 9 und der Gegenstandsebene 11 ist*

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Da die Linsen 8 und 9 gegenüber der Schlitzblende £> und den übrigen Teilen dea Massenspektrometers eine feste Lage haben, ergibt sich, daß u-, und V₂ konstant sind, und daß v-, + U₂ ebenfalls konstant iot. Wenn man jedoch die Brennweite der Linsen θ und 9 entsprechend ändert, können v·, und U2 so verändert werden, daß sich die Gesamtvergrößerung des Lin-jensystems 7 ebenfalls ändert*

Wenn zum Beispiel U₁ = V₁ » 1 ist und U₂ = v₂ = 0,2 ist, (eo daß v·, + U₂ = 1,2 ist), ergibt sich eine Gesamtver größerung von 1 . Wenn jedoch die Linsen 8 und 9 so abgeändert werden, daß v-^ = 0,2 und U₂ = 1 ist, so ist die Gesamtvergrößerung 1/25·

Bas Gummilinsensystem 7 kann daher in der Praxis dazu benutzt werden, die Vergrößerung des Blendenschlitzes 5 von dem Wert 1 : 1 auf mehr als 100 : 1 herabzusetzen, eo daß, wenn der Schlitz der Blende eine Breite von 5 tausendstel Zoll (0,125 mm) hat, die Breite des Ionenstrahls in der Gegen3tandsebene 11 kontinuierlich von einem Wert von 5 tausendstel Zoll bia 1/20 von 1 tausendstel Zoll, d.h. (von 0,125 mm und 0,00125 mm )stetig geän-"^v dert werden kann. Die wirksame Breite des der Ionenquelle zugeordneten Schlitzes kann daher zwisohen diesen Grenzen geändert werden. iJine bevorzugte Ausführung der Gummilinsen des Gummilinsensystems 7 wird nun unter Bezugnähme auf Fig· 3» 4 und 5 näher erläutert. Das Linsensystem 7 befindet 'sich in einem zylindrischen Metallgehäuse 13, welches unter Zwischenschaltung von Vakuumdichtungen zwischen einer Ionenquellenanordnung I¹,(die die Ionenquelle der Pig. 1 bildet) und einer Verbindungseinheit 14 angeordnet iet, die mit dem elektrostatischen Analysator 2 der Pig. 1 verbunden ist. ( Ea sei hier erwähnt, daß das hier beschriebene Massenspektrometer eine Abänderung eines handelsüblichen Massenspektrometers ist, bei dem das Linsensystem 7 nioht vorgesehen ist und das Gehäuse 13 durch ein Gehäuse ersetzt ist, welches etwas kürzere Länge hat,

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und das mit der Anordnung 1 und der Anordnung 14 verbunden ist ) .

Die Linse 8 wird von drei gelochten metallischen Blendenscheiben 15 , 16 und 17 mit den Öffnungen 18 und 19 gebildet, deren Hauptabmessungen in der Ebene der Figuren 3 und 5 liegen. Die Scheiben 15 und 17 sind mit Hilfe von drei Schrauben 20 so eingespannt, daß sie gegen Vorsprünge 21 eines Flansches 22 eines metallischen Halterungsgliedes 23 und einen Flansch 24 eines weiteren metallischen Halterungsgliedes 27 liegen, wobei rohrförmige metallische Abstandsstücke 26 zwischen den Scheiben 15 und 17 vorgesehen sind. Die Scheiben 15 und 17 werden auf Erdpotential gehalten, wie weiter unten noch näher erläutert wird.

Die Platte 16 ist mit Hilfe von drei Stiften 28 so gehaltert, daß sie zwischen den Scheiben 15 und 17 und parallel zu ihnen liegt. Die ■ Stifte 28 tragen Abstandsstücke 29 und 30 aus Quartz, und ein Rohr 31 aus einem keramischen Isoliermaterial , so daß die Scheibe 16 elek-

trisch von den Scheiben 15 und 17 isofcliert ist. Das Ende eines der Stifte 28 , das der Scheibe 16 gegenüberliegt, ist mit einem Federkontakt 50 verbunden. Beim Betrieb wird die Scheibe Io auf einem hohen Potential gehalten, das über ein Kabel 32 zugeführt wird, welches'ducch das Gehäuse 13 über eine Hochspannungsdurchführung 33 -hindurchgeht, wobei der Leiter 34 gegen den Federkontakt 50 anliegt.

Die Linoe 9 hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die Linse 8 und wird daher nicht näher beschrieben. Der Halterungsteil 51 ist an dem Bauteil 14 mit Hilfe von nicht dargestellten Schrauben befestigt, so daß sich eine elektrische Verbindung ergibt, durch die die Scheiben 35 und 36 auf Erdpotential gehalten werden, ebenso, wie die Scheiben

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ORIGINAL

15 und 17 der Linse 7« Die Blendenacheibe 37 wird auf einem hohen Potential gehalten, das über ein Kabel 38 zugeleitet wird.

Der Schlitz 5 (Fig· l)befindet sich in einer Blendenscheibe 5¹» die an dem Plansch 27 des Teiles 23 befe stigt ist, wobei der Sohlitz, der in Pig* 3 nicht . sichtbar ist, in der Ebene dieser Figur liegt.

Es sei bemerkt, daß die Brennweiten der Linsen 8 und 9 geändert werden können, so daß sich die Gesamtvergrösserung des Linsensystems ändert, in dem lediglich die * über die Kabel zugeführten Spannungen 32 und 38 geändert werden.

Wie sich aus Pig. 1 ergibt, hat der Kollektorschlitz 6 ein zugeordnetes Gummilinsensystem 38 , das im wesent liehen ebenso aufgebaut ist, wie das Linsensystem ?· Das Massenspektrometer arbeitet so, daß die den magnetischen Analysator 3 verlassenden Ionen ein Bild ( das im folgenden "Analysatorbild" genannt wird) des Blendenschlitzes bilden kurz nachdem sie den Analysator verlassen, und die Gegenstandssoheibe des Linsensystems 39 ist so angeordnet, daß sie mit der Ebene dieses Bildes zusammenfällt. Das Linsensystem 39 dient dazu, ein verkleinertes Bild des | Schlitzes, 6 in der Gegenstandsebene zu erzeugen. Bei anderer Betrachtungsweise kann man auch sagen, daß das Linsensystem 39 ein vergrößertes Bild des Analysatorlhildes erzeugt, das in der Ebene des Kollektorschlitzes 6 liegt. Dieses vergrößerte Bild hat im wesentlichen die gleiche Breite oder ist auch breitet; als der Schlitz 6 , so daß die Ionen des gesamten Analyeatorbildes oder eines Teiles desselben dem Kollektor 4- zugeleitet werden ( in Abhängigkeit von den beeonderen Betriebsbedingungen). Wie i«a

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Fall des Linsensysterna 7 ist es möglich, die wirksame Breite des Kollektorschlitzes 6 durch Veränderung der Vergrößerung des Linsensystems 39 einzustellen.

Beim Betrieb des obenbeschriebenen Massenspektrometer wird das der Ionenquellenblende 5 zugeordnete Linsensystem 7 dazu benutzt, die wirksame Breite des Ionenstrahls zu steuern, während das Linsensystem 39» das dem Kollektorsystem 6 zugeordnet ist, dazu benutzt wird, die dem Kollektor 4 zugeleiteten Ionen zu steuern, um eine optimale Empfindlichkeit bei einer gegebenen Auflösung zu erhalten.

Bei dieser Anordnung kann eine rasche Änderung der Auflösung dadurch erzielt werden, daß man lediglich die den Linsensystemen 7 und 39 zugeführten Potentiale entsprechend verändert. Wenn das Magnetfeld des magnetischen Analysators 3 .' im Bereich der obengenannten Werte verändert wird, um Ionen verschiedener Masse festzustellen, kann eine sehr hohe Auflösung über einen kleinen ausgewählten Teil des gesamten Massenbereiches verwendet werden, der insgesamt untersucht wird, während der Rest der Abtastung mit einer kleineren Auflösung und entsprechend höherer Empfindlichkeit durchgeführt werden kann.

Die den Linsen 8 und 9 des Linsensystems 7 zugeführten Spannungen können zum Beispiel von der Energie des Ionenstrahls abhängig gemacht werden, um eine entsprechende Verkleinerung an dem Ionenquellenschlitz 5 zu erhalten. Um automatisch Änderungen des Potentials der Ionenquelle zu kompensieren, kann es erwünscht sein, die Linsenpotentiale von demselben Ionenquellenpotential abhängig zu machen. Eine Schaltung für diesen Zweok ist in Pig. 6 dargestellt. Bei dieser Schaltung wird ein kleiner Teil der

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- Io -

Spannung, die von der Spannungaquelle 40 zugeführt wird, und die Ionenquelle 1 (Fig.l) .-speist, einem Verstärker 41 zugeleitet, der seinerseits vier Potentiometer 42 bis 45 mit einer Spannung speist, die proportional der Ionenquellenspannung ist. Hochspannungseinheiten 46 bis 49 sind an die Anzapfpunkte der Potentiometer 42 bis 45 angeschlossen , und diese Einheiten liefern die Potentiale für die Linsensyateme 7 und 39 und sind daher abhängig von dem'Ionenquellenpotential.

Beim Betrieb des Missenspektrometers kann daher die. Vergrößerung des Linsensystems· 7 geändert v/erden, indem lediglich die Anzapfpunkte der Potentiometer 42 und 45 verschoben werden, während das Linsensystem 39 in ähnlicher Weise durchVttrstellung der Potentiometer 44 und 45 einge stellt werden kann.

Die Anordnung kann vorzugsweise auch so abgeändert werden, daß nur eine einzige Einstellvorrichtung für jedes der Linsensysteme 7 und 39 vorgesehen ist. So kann z.B. das Linseneystem 7 anstelle des Potentiometers 43 mit einem Punktionsgenerator zusammenarbeiten, der auf die von dem Potentiometer gelieferte Spannung anspricht, und eine ent-' sprechende Spannung an die Einheit 47 liefert, um eine richtige Einstellung des Linsensystems 7 bei allen Einstellungen des Potentiometers zu erhalten.

Anstatt die Potentiale , die den Linsensystemen 7' und 39 zugeführt werden, kontinuierlich einstellbar zu machen, wie sich aus der Schaltung nach Pig. 6 ergibt, können sie auch auf eine Reihe von vorbestimmten Werten einstellbar sein. In diesem Pail ist das Auflösungsvermögen des Spektrometere nur in Stufen einstellbar.

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- ii -

Bei einer anderen Ausführung3forra kann das Massenspektrometer so angeordnet sein, daß es automatisch sein Auflösungsvermögen steuert. Diea kann dadurch erreicht werden, daß das Spektrometer eine einzelne Ionenciasse abtastet (einer Probe, die über die Ionenquelle eingeführt ist) , und daß auf die Linsensteuerung ein elektrisches Signal einwirkt, welches ein Haß der ' Breite (d.h. der Zeitdauer) der am Kollektor gemessenen 'Spitze " ist. Wenn das Auflösungsvermögen auf diese Weise eingestellt wird, wird das Verhältnis der Vergrößerungen der beiden Linsensysteme automatisch so eingestellt, daß sich die günstigsten Übertragungsbedingungen ergeben ( d.h. daß automatisch die maximale Spitzenhöhe bei der ausgewählten Spitzenbreite eingestellt wird).

Obwohl bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Schlitz 5 eine feste Breite hat, so sei doch darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf Massenspektro meiner beschrärit ist, die Schlitze mit körperlich festgelegter Breite haben. Der Gesamtbereich der wirksamen Breite des Schlitzes 5 kann z.B. da-durch vergrößert werden, daß der Schlitz 5 einstellbar ist , oder daß er durch eine Blende mit einem Schlitz abweiohender Breite ersetzt wird.

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Claims

jLy Massenspektrometer ,dadurch gekennzeichnet , daß einer Blende ( 5 bezw. 6 ) ,die der Ionenstrahl des Spektrometers durchsetzt, ein" Gummilinsensystem ( 7 bezw. 39 ) zugeordnet und derart ausgebildet ist, daß die wirksame Größe der Blendenöffnung veränderbar ist.
2. Massenspektrometer nach Anspruch 1, d ad u r c h ^ gekennzeichnet, daß die Blendenöffnung als Schlitz ausgebildet ist, der die Breite des in den Analy- ■ senbereich des Spektrometer eintretenden Ionenstrahls definiert.
3· Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenöffnung als Schlitz ausgebildet ist, der die Breite des den Analysenbereioh verlassenden und in den ' Kollektor eintretenden Ionenstrahls definiert.
4· Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn·, ze ichnet , daß getrennte Blendenk schlitze für den die Ionenquelle verlassenden und den in

den Kollektor eintretenden Strahl vorgesehen uncL ihnen je ein Gummilinsensystem zügeordnetist, so daß die Breite des in den Analys en-bere ich eintretenden und die Breite des den Analys enbereioh verlassenden Ionenstrahls getrennt einstellbar sind.
5· Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennze iohnet, daß zwei lonenlineen veränderlicher Vergrößerung, die zusammen ein Gummilinsensystem ergeben, zwischen dem Analys enbereich de3 Spektrometers und einer Ionenquelle 'bzw. einer Kollektorblende angeordnet sind, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die wirksame Breite des Schlitzes,durch den der Ionenstrahl beim Betrieb

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des Spektrometer hindurohläuft, verändert werden kann, indem elektrisch die Vergrößerung der Linsen geändert wird.
6. Massenspektrometer naoh Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der ionenlinsen aus einer Anzahl von Blenden "besteht, durch die der Ionenstrahl hindurchgeht, und daß Einrichtungen vorgesehen sind, mit denen veränderliche Potentiale mindestens einer Blende der Linse zugeführt werden, um die Vergrößerung der Linse zu, steuern.
7· Massenspektrometer naoh Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet , daß jede Ionenlinse drei Blendenscheiben enthält, die parallel zueinander liegen, wobei die beiden äußeren Soheiben sich auf Erdpotential und die mittlere Scheibe sich auf einem veränderlichen Potential befindet.
8.'Massenspektrometer naoh Anspruch 5, 6 oder 7, d a durch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, mit denen automatisch die den Linsen zugeführten Potentiale gesteuert werden, so daß die Vergrößerung weitgehend unabhängig von der Ionenstrahlenergie ist.

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