DE2322203C2 - Massenspektrometer - Google Patents
MassenspektrometerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Massenspektrometer mit einer Ionenquelle, mit einer Beschleunigungs-Spannungsquelle
zur Erzeugung eines beschleunigten Ionenstrahls, mit einem magnetischen Sektorfeld-Analysator,
mit einem Spalt zum Ausblenden eines Ionenbündels aus dem analysierten Ionenstrahl, mit einer hinter dem
Spalt angeordneten elektrischen Nachweisvorrichtung, die ein dem auffallenden Ionenbündel proportionales
Signal abgibt, mit einer zwischen Sektorfeld-Analysator und Spalt angeordneten Einrichtung für die Erzeugung
eines quer zum Ionenstrahl gerichteten inhomogenen elektrostatischen Feldes, wobei die Einrichtung mindestens
sechs in gleicher Entfernung X von dem Spalt und um den Ionenstrahl angeordneten Elektroden und eine
mit diesen elektrisch verbundene Spannungsversorgung aufweist, die jede einzelne Elektrode auf ein individuell
einstellbares, proportional zur Beschleunigungsspannung Karr variierendes Potential legt Ein derartiges
Massenspektrometer ist aus der GB-PS 12 33 812 bekannt.
Aus »The Review of Scientific Instruments« 27 (1956), Seiten 849 -^853 ist es bekannt, daß der Durchgang von
Ionen durch die Rändfelder eines magnetischen Sektorfeldes eines magnetischen Massenspektrometer
eine Wölbung des Bildes eines geraden Objektes bewirkt, sogenannte Berry-Wölbungsaberration, Die
Berry Wölbungsaberration wird dadurch herVorgeru* fen, daß die Ionenbahnen, die in der Mittelebene Hegen,
geringfügig von den Ionenbähnen abweichen, welche in
gewählt ist wobei χ die erforderliche seitliche Verschiebung des Ionenstrahls am Spalt ist
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß durch die Ausbildung der Elektroden als ebene
Platten in zwei zur Ablenkebene senkrechten Ebenen eine genaue Angabe der Spannung Vdef möglich ist, die
beim Anlegen an die Plattenpaare die erforderliche seitliche Verschiebung des Ionenstrahls am Spalt
bewirkt, wodurch eine sehr genaue Korrektur der Bildaberration möglich ist. Durch diese weitgehende
Beseitigung der Berry-Wölbungsaberration kann das Massenspektrometer relativ klein ausgebild werden,
da ein kleiner Spektrometer- Radiuv. TiIr die notwendige
räumliche Trennung der gerade gerichteten !onenbilder ausreicht
Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise näher
erläutert Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Massenspektrometer
mit einer Einrichtung zur Korrektur von ionenoptischen Bildaberrationen,
F i g. 2a und 2b eine schematische Darstellung der
F i g. 2a und 2b eine schematische Darstellung der
Ώ Bahn des Ionenstrahls in verschiedenen Magnetfeldebenen,
F i g. 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch den Ionenstrahl mit Berry-Aberration
und mit Korrektur,
F i g. 4 eine Darstellung der Flußdichte eines Magnetfeldes in der Medianebene und in der Nähe eines
Polschuhs und
F i g. 5 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen den Platten und dem Spalt zum Ausblenden
eines lonenbündels.
Gemäß Fig, 1 und 3 ist eine veränderliche GleighspannUngsquelle
2 für die Speisung sowohl des ionenstrahlerzeuger 12 als auch der Platten 20,22 und
24 vorgesehen. Eine Vakuumpumpe, ZvB, eine Ionen-
pumpe 8, hält einen Druck in der Größenordnung Von 10"* Pa aufrecht, so daß die meisten Ionen ohne
Kollision mit Gasmöleküien durch das Spektrometer gehen.
Der Ionenstrahl durchläuft auf seiner Bahn 7 einen magnetischen Sektorfeld-Analysator 14,16, der ein Feld
erzeugt, welches die Bahn des Ionenstrahls krümmt. Eine Nachweisvorrichtung in Form eines Faraday-Bechers
15 nimmt ein lonenbündel auf, das durch einen Spalt 25 aus dem Ionenstrahl ausgeblendet wird. Das
von der Nachweisvorrichtung 15 empfangene Signal wird durch einen Verstärker 17 verstärkt und in der
Aufzeichnungsvorrichtung 19 aufgezeichnet
Gemäß F i g. S sind vor dem Spalt 25 Plattenpaare 20, 22 und 24 angeordnet; diese erhalten Spannungen Vdct,
weiche vorgegebene Bruchteile der Beschleunigungsspannung Vacc sind von Potentiometern 30 geliefert
werden, wobei für jedes Plattenpaar 20, 22, 24 ein Potentiometer 30 vorgesehen ist Der Mittelwert der an
jedes Plattenpaar angelegten Potentiale ist Null, da der aus der Ionenquelle fließende Strom gegenüber dem
Strom durch den Spannungsteiler 28 zu vernachlässigen ist und R\ und /?2 gleich sind.
Die Plattenpaare 20 und 24 werden in einer Richtung vorgespannt, während das weitere Plattenpaar 22 in der
anucrcn »xiCntung vorgespannt Wird. Gemäß Fi;?. 3
besitzt das Bild 40 die Berry-Kriimmung mit d^m Radius
R', die durch Anlegen geeigneter Spannungen an die Plattenpaare 20, 22 und 24 abgeschwächt werden kann.
Die Randabschnitte des Bildes werden durch die von den Plattenpaaren 20 und 24 erzeugten Felder relativ
nach rechts verschoben, während der Mittelabschnitt durch das Plattenpaar 22 relativ nach links verschoben
wird, so daß ein gerades Bild 42 entsteht.
Die seitlichen Verschiebungen sind unabhängig von der Ionenmasse, wenn die an die Plattenpaare 20,22,24
angelegten Spannungen proportional zu der kinetischen Energie der Ionen sind, wenn also diese Spannungen
proportional zu der Beschleunigungsspannung Väcc der
Ionen gewählt werden. Beim Durchqueren eines elektrischen Feldes, welches durch das Anlegen einer
Spannung Vdt./ an die Plattenpaare erzeugt wird, wobei
die Plattenpaare eine Länge L in Richtung der optischen Achse sowie einen Abstand D voneinander besitzen,
wird ein d^rch eine Beschleunigungsspannung Vacc
beschleunigter Ionenstrahl um einen Winkel Φ=1/2
(LZD) (Vde//V3CC) rad abgelenkt. Wenn nach dieser
Ablenkung der Ionenstrahl eine Entfernung X mit konstamter Energie zurückgelegt, beträgt seine seitliche
Versetzung χ
χ=ΧΦ (1)
Durch Elimination von Φ ergibt sich:
Vdcl/V3n = 2 (DZL)(^X) (2).
Die Gleichung (2) liefert die an die Plattenpaare 20,22
und 24 anzulegende Spannung Vdef, durch die das Bild
um eine Strecke χ verschoben wird, wenn die Mittelpunkte der Plattenpaare einen Abstand X von
dem Spalt 25 besitzen, siehe F i g. 5.
In den Fig. 2a und 2b bezeichnet A die Bahnebene
eines Teiles des Iontnstrahles 7, welche durch die Medianebene des Magneten geht, während B die
Bahnebene eines Abschnittes des Strahles 7 bezeichnet, welcher den Magneten in einer Ebene durchquert, die
näher an einer Polgrenze liegt Fig.4 zeigt die relative
Flußintensität B längs des Ionenwegs 7 in der Nachbarschaft der Magnetkante. BA stellt die Flußdichte
in einer Medianebene dar, während Bb die Flußdichte
längs einer Ionenbahn in der Nähe eines Polschuhs
ίο darstellt F i g. 2b zeigt die unterschiedliche Ablenkung
der Ionen wege in jeder der Ebenen A und B als Folge
der unterschiedlichen Feldverteilung gemäß F i g. 4. Die Wege werden innerhalb des Magneten parallel angenommen,
und sie sind beim Verlassen des Magneten
π parallel. Die Ionenwege sind relativ zueinander versetzt
aufgrund der Unterschiede in der Feldverteilung gemäß F i g. 4. In diesem Unterschied der Ionenwege äußerst
sich die Berry-Aberration. Beim Anlegen der Spannung Vdei z. B. an das Plattenpaar 20 wird derjenige Teil des
Ionenstrahls, der allgemeinen in der Nähe des Plattenpaares 20 liegt, quer zur Sf ,hlrichtung abgelenkt,
wodurch die gekrümmten StraMg-cnzcn gerade
gerichtet werden, während der Strahl zu dem Spalt 25 fortschreitet
Die genaue Anordnung der Plattenpaare 20, 22 und 24 längr der Bahn 7 des Ionenstrahls ist frei wählbar,
solange die Gleichung (2) erfüllt ist.
Die Plattenpaare 20,22 und 24 bewirken einen Effekt erster Ordnung; es wird daher kein streng rechteckiges
Bild mit geraden Seitenkanten erzeugt Es läßt sich jedoch abschätzen, daß bei Verwendung der Plattenpaare
20, 22 und 24 der Anteil der Berry-Aberration an der Strahlbreite um mindestens 75% reduziert wird.
Die Spannungen V^gemäß Gleichung (2) lassen sich
Die Spannungen V^gemäß Gleichung (2) lassen sich
j5 durch die Rückkopplungs-Anordnung erhalten, 7. B.
eine Rechnerschaltung 13 in Fig. 1, welche die Potentiometer-Schleifarme 46 mittels eines Stellmotors
44 und eine;- passenden mechanischen Kopplung solange antreibt, bis die Breite des Ionenstrahl an · Spalt
25 minimalisiert ist
Wenn ferner das Massenspektrum durch den Sek orfeld-Analysator 14, 16 magnetisch abgetastet
werden soll, wird die normierte Verteilung des magnetischen Feldes aufgrund des Sättigungseffektes
4-, an den Kanten der Polschuhe eine FunKtion der FeWintensität. Diese Variation ändert die Berry-Aberration.
Die Rechnerschaltung 13 folgt diesen Änderungen und gibt die geeigneten Korrektursignale für die
Neueinstellung der mitlaufenden Potentiometer 30 an.
-,ο Umgekehrt kann die Rechnerschaltung Einstellungen
der Plattenspannungen in Abhängigkeit von der Intensii.it des magnetischen Feldes bewirken. Die
Feldintensität kann direkt durch den magnetischen Wand'er 31 gemessen werden, oder sie kann durch ein
Signal von der Magnetsteuerung 16 angenähert bestimmt werden.
Hicr/u 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Massenspektrometer mit einer Ionenquelle, mit einer Beschleunigungs-Spannungsquelle zur Erzeugung eines beschleunigten Ionenstrahl, mit einem magnetischen Sektorfeld-Analysator, mit einem Spalt zum Ausblenden eines Ionenbündels aus dem analysierten Ionenstrahl, mit einer hinter dem Spalt angeordneten elektrischen Nachweisvorrichtung, die ein dem auffallenden Ionenbündel proportionales Signal abgibt, mit einer zwischen Sektorfeld-Analysator und Spalt angeordneten Einrichtung für die Erzeugung eines quer zum Ionenstrahl gerichteten inhomogenen elektrostatischen Feldes, wobei die Einrichtung mindestens sechs in gleicher Entfernung X von dem Spalt und um den Ionenstrahl angeordneten Elektroden und eine mit diesen elektrisch verbundene Spannungsversorgung aufweist, die jfie einzelne Elektrode auf ein individuell einstellbares, proportional zur Beschleunigungsspannung Wacc variierendes Potential legt dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (20, 22, 24) als ebene Platten mit der Länge L in Ionenstrahlrichtung ausgebildet sind, die sich in zwei zur Ablenkebene senkrechten und zueinander parallelen Ebenen in einem Kbstand D paarweise gegenüberstehen, und daß die Spannung Vaei zwischen den Platten eines jeden Plattenpaares gemäß der GleichungVaJV^-I(DZL)-(XZX)gewählt ist, wobei . die .(-forderliche seitliche Verschiebung des Ionenstrahl am Spalt (25) ist.Ebenen in der Nähe der magnetischen Polschuhe liegen. Die Bahndifferenzen beruhen auf Differenzen in der Verteilung der magnetischen Feldstärke in dem Randbereich, der hauptsächlich außerhalb der geome-■j irischen Grenze der Magnetpolschuhe liegtBei dem aus GB-PS 12 33 812 bekannten Massenspektrometer besitzen die im Bereich des Spaltes um den Ionenstrahl angeordneten Elektroden einen zylindrischen Querschnitt und dienen zur Korrektur vonίο Bildaberrationen. Die an die Elektroden angelegten Potentiale sollen dabei so groß gewählt werden, daß die beobachtete Bildaberration möglichst klein istAufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die Elektroden um den Ionenstrahl im Bereich des Spaltes so auszubilden und anzuordnen, daß die an gegenüberliegende Elektrodenpaare anzulegende Spannung zur weitgehenden Beseitigung der Aberration des ionenoptischen Bildes genau vorgebbar ist
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektroden als ebene Platten mit der Länge L in Ionenstrahlricntung ausgebildet sind, die sich in zwei zur Ablenkebene senkrechten und zueinander parallelen Ebenen in einem Abstand D paarweise gegenüberstehen, und daß die Spannung Vdei zwischen den Platten eines jeden Plattenpaares gemäß der Gleichung
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