DE2539161C2

DE2539161C2 - Massenspektrometer

Info

Publication number: DE2539161C2
Application number: DE19752539161
Authority: DE
Inventors: Anne Johannes Hendrik Dipl.-Phys. Amsterdam Boerboom; Hans Hermanus Dipl.-Ing. Uithoorn Tuithof
Original assignee: Varian Mat GmbH
Current assignee: Finnigan MAT GmbH
Priority date: 1975-09-03
Filing date: 1975-09-03
Publication date: 1981-12-24
Also published as: DE2539161A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Massenspektrometer, bei dem entlang der optischen Achse in lonenstrahlrichtung ein Ioneneintrittsspalt, eine erste Quadrupollinse variabler Stärke, ein Sektormagnet, eine zweite Quadrupollinse variabler Stärke und ein Detektor angeordnet sind, wobei das Abbildungssystem aus erster Quadrupollinse, Sektormagnet und zweiter Quadrupollinse die durch den Ioneneintrittsspalt eintretenden Ionen bezüglich der Ablenkebene des Sektormagneten am Detektor fokussiert.

Ein Massenspektrometer dieser Art ist zum Beispiel aus der Literaturstelle »International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics«, Band 15 (1974), Seiten bis 131, bekannt. Bei dem dort beschriebenen System werden die aus der Ionenquelle durch den loneneintrittsspalt in die erste Quadrupollinse eintretenden Ionen vor ihrem Eintritt in den Sektormagneten fokussiert. Die aus dem Sektormagneten austretenden Teilchen einer bestimmten Masse durchlaufen eine zweite Quadrupollinse, bevor sie zu dem Detektor gelangen. Eine Abbildung der Ionen in eine bestimmte, quer zur optischen Achse verlaufende Bildebene ist dort nicht vorgesehen, vielmehr gelangen lediglich die auf der optischen Achse fokussierten Ionen zu dem Detektor; denn der Detektor besteht dort aus einer auf der Achse angeordneten Neutralisationskammer, einem Ionisierungsbereich, einem weiteren Sektormagneten und einem Faraday-Auffänger.

Beim anmeldungsgemäßen Massenspektrometer hingegen geht es um den gleichzeitigen Nachweis von Ionen mit unterschiedlichem Masse/Ladungs-Verhältnis mittels eines Detektors, so daß auch rasch ablaufende Phänomene erfaßt werden können und man nicht auf konstant arbeitende Ionenquellen und große Materialmengen der zu untersuchenden Substanzen angewiesen ist.

Bei der Aufnahme von Massenspektren erweisen sich herkömmliche Bauformen von Massenspektrometern insofern als unzulänglich, als die Lage der Bildkurve und

ίο die Dispersion fest liegt, so daß mehrere, einen festen Abstand zueinander aufweisende Einzeldetektoren, etwa bei Isotopen-Häufigkeitsmessungen, nur für ein einziges Element verwendet werden können. Wegen der unveränderlichen Dispersion bekannter Massenspektrometer weisen die Isotopenlinien von anderen F'emeiiten unterschiedlicher Masse andere Abstände auf, so daß eine mechanische Justierung der Detektoren erforderlich ist, was einen erheblichen Aufwand erfordert.

Ferner ist jeder Teil des Massenspektrums, der von einem derartigen Massenspektrometer gleichzeitig aufgenommen werden kann, dadurch beschränkt, daß seine Endmasse und seine Anfangsmasse in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Massenspektrometer der eingangs genannten Art die Neigung der Bildebene unabhängig von mechanischen Justierungen an die Neigung eines ausgedehnten Detektors anzupassen.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß der Sektormagnet bei abgeschalteten Quadrupollinsen die durch den loneneintrittsspalt eintretenden Ionen einer bestimmten Masse entlang der optischen Achse am Detektor fokussiert, daß der Detektor aus mehreren, entlang einer Geraden, die in der Ablenkebene des Sektormagneten liegt, angeordneten Einzeldetektoren besteht und daß die Stärke der Quadrupollinsen so gewählt ist, daß die Einzeldetektoren in der Bildebene des Abbildungssystems liegen.

Bei einer vorteilhaften Auyführun^sform des erfindungsgemäßen Massenspektrometer weist die erste Quadrupollinse in der Ablenkebenc des Sektormagneten eine divergente Wirkung, dagegen die zweite Quadrupollinse eine konvergente Wirkung auf und die Einzeldetektoren sind in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene angeordnet.

Beim erfindungsgemäßen Massenspektrometer läßt sich also die erforderliche Koinzidenz von Bildebene und Detektorebene ohne mechanische Justierungen allein durch elektrische Einstellung der Quadrupollinsen erzielen. Mit dieser elektrischen Einstellung kann die Dispersion als Abstand zwischen den Bildpunkten zweier Massen in der Bildebene und die Neigung zur optischen Achse kontinuierlich verändert bzw. an die von den Einzeldetektoren aufgespannte Ebene angepaßt werden. Mit einer solchen Änderung der Dispersion lassen sich z. B. die Abstände von Isotopenlinien eines bestimmten Elements verändern. Bei gleichzeitiger Messung eines Teils des Spektrums läßt sich der Bildausschnitt des Spektrums vergrößern oder verkleinern.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des Massenspektrometer sowie von damit aufgenommenen Massenspektren und unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Die Zeichnung zeigt in

F i g. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Massenspektrometer,

F i g. 2 eine perspektivische Darstellung einer magnetischen Quadrupollinse,

Fig.3 einen Querschnitt durch die magnetische Quadrupollinse nach F i g. 2,

F i g. 4 eine perspektivische Darstellung einer elektrisehen Quadrupollinse,

F i g. 5 einen Querschnitt der elektrischen Quadrupollinse nach Fig. 4,

Fig.6 und 7 mit dem Massenspektrometer nach Fig. 1 aufgenommene Teile des Massenspektrums von ₎₀ 1,4-Diisopropylbenzol mit Massenauflösungsvermögen von 200 bzw. 500; und in

F i g. 8 mit dem Massenspektrometer nach F i g. 1 aufgenommene Teile der Massenspektren von N2⁺, C₂H₄ ⁺ und CO⁺ bei einem Massenauflösungsvermögen von 2000.

Das Grundprinzip des Masseiispektrometers ist in F i g. 1 schematisch dargestellt Das Massenspektrometer besteht aus einer Ionenquelle 1, einem Sektormagneten 2, einem Mehrkanaldetektor 3, einer magnetischen Quadrupollinse 5, die zwischen der Ionenquelle 1 und dem Sektormagneten 2 angeordnet ist, und einer elektrischen Quadrupollinse 4, die zwischen dem Sektormagneten 2 und dem Detektor 3 angeordnet ist In F i g. 1 sind die Ionenstrahlen von drei Ionenarten mit unterschiedlichen Massen m*. /na mc dargestellt, wobei mA<iTtB<mc ist Wird das Massenspektrometer ohne die Quadrupollinsen bzw. mit abgeschalteten Quadrupollinsen verwendet so bilden die Ionenstrahlen den Eintrittsspalt A, B₁ C der Ionenquelle 1, der in diesem Falle für alle drei Ionenarten identisch ist, in den Bildpunkten A', fl'und Cab, die auf der in der Bildebene verlaufenden Bildkurve g' liegen.

Zur gleichzeitigen Messung von Ionen verschiedener Massen ist im Bildpunkt B' der ebene Detektor 3 angeordnet, dessen Detektorebene senkrecht zur optischen Achse durch B' verläuft Die in A' und B' fokussierenden Ionenstrahlen erzeugen auf dem Detektor 3 unscharfe Linien Ad und Ca deren Unscharfe vom öffnungswinkel des optischen Ionensystems abhängt Durch Einführung der elektrischen Quadrupollinse 4 mit konvergenter Wirkung in der Ablenkebene des Sektormagneten 2 werden die durch A' und C gehenden Ionenstrahlen zur optischen Achse abgelenkt. Die Bildpunkte A', Ä'und C werden hiermit jeweils zu den neuen, auf der Bildkurve gd liegenden Bildpunkten Ad, Bd und Cd verschoben. Dies hat eine Unscharfe aller drei Ionenstrahlen beim Detektor 3 zur Folge, was jedoch durch eine virtuelle, massenabhängige Abbildung des Eintrittsspaltes A, B, Ckorrigiert werden kann.

Diese Abbildung wird durch die magnetische Quadrupollinse 5 mit divergenter Wirkung in der Ablenkebene des Sektormagneten 2 bewirkt Auf Grund der unterschiedlichen Massen der drei Ionenarten ergibt sich dnmit für jeden Ionenstrahl ein gesonderter, virtueller Eintrittsspalt Am, Bm und Cm, die räumlich hintereinander liegen. Diese Verschiebung des Füintrittsspaltes in Abhängigkeit von der Ionenmasse verschiebt die Bildpunkte Ad, Bd und Cd der einzelnen Ionenstrahlen auf der Detektorseite des Sektormagne- eo ten 2 zu den in der Detektorebene liegenden Bildpunkten AMd, B_Md und CMd, die auf der Bildgeraden gMd liegen. Man erkennt, daß die Spreizung der Bildpunkte A_Md, BMd und CW auf der Bildgeraden gMd sehr viel kleiner ist als die Spreizung μ der Bildpunkte A'. B' und C auf der ursprünglichen Bildgeraden g\ d. h. die Dispersion ist durch Einschalten der elektrischen Quadrupollinse 4 und der magnetischen Quadrupollinse 5 erheblich verkleinert worden. Außerdem ist die ursprüngliche Bildkurve g' bzw. die Brennebene in die mit gMd bezeichnete, gewünschte Lage gedreht worden, nämlich in die Detektorebene. Durch Umkehrung der Polarität der Spannungen an der elektrischen Quadrupollinse 4 und der Ströme durch die magnetische Quadrupollinse 5 kann die Dispersion auch vergrößert werden. Hierbei hat die elektrische Quadrupollinse 4 eine divergente Wirkung, während die magnetische Quadrupollinse 5 den mittleren Bildpunkt jedoch wiederum in die Detektorebene zurückbringt. Im Gegensatz zur Verkleinerung der Dispersion beobachtet man hierbei eine Drehung der Bildebene in der entgegengesetzten Richtung. Der öffnungswinkel der Ionenstrahlen verringert sich umgekehrt proportional zum vergrößerten Bild, so daß die Drehung der Bildebene die Unscharfe nicht vergrößert Gewünschtenfalls kann die Einstellung auch durch eine nicht dargestellte, zusätzliche elektrische Quadrupollinse zwischen dor Ionenquelle 1 und dem Sektormagneten 2 geändert oder verbessert werden.

In den F i g. 2 und 3 ist eine Austük.'ungsform der magnetischen Quadrupollinse 5 dargestellt, die bei dem Massenspektrometer nach F i g. 1 verwendet werden kann. Die Quadrupollinse 5 besteht aus vier im Viereck angeordneten Magnetspulen 6, deren nach innen weisende Polteile eine hyperbolische Form aufweisen, wobei sich jeweils gleichnamige Pole gegenüberliegen. In den meisten Fällen genügt eine runde Form, wobei zwischen dem Radius Rm der runden Form der einzelnen Polteile 7 und dem Radius R_A des von den Polteilen 7 umschlossenen Zylinders 18 die Beziehung /?α/=1,15Λλ besteht Die Magnetspulen 6, die ein gemeinsames Magnetjoch 8 aufweisen, werden über Anschlußleitungen 9 versorgt.

In den Fig.4 und 5 ist eine Ausführungsform der elektrischen Quadrupollinse 4 dargestellt. Diese Quadrupollinse 4 besteht aus einem zylindrischen Gehäuse 10, in dessen Innerem sich in axialer Richtung symmetrisch über den Zylindermantel des Gehäuses 10 verteilt vier Polstäbe 11 erstrecken. r>iese Polstäbc 11 werden von Schrauben 12 getragen, die unter Zwischenschaltung von Isolierringen 13, vorzugsweise aus AI2O3, durch die Wand des Gehäuses 10 geführt sind und mit Anschlußleitungen 14 zur Versorgung in Verbindung stehen. Zur genauen Positionierung der Polstäbe 11 sind Kugeln 15, vorzugsweise aus AI2O3 vorgesehen, die in einem Zentrierring 16 gelagert sind.

In den Fig.6 bis 8 sind Massenspektren dargestellt, die mit dem vorstehend erläuterten Massenspektrometer gemessen worden sind.

In Fig.6 ist das Massenspektrum von 1,4-Diisoprc pylbenzol im Massenbereich m/e=105 bis 162 ME mit einem Massenauflösungsvermögen von 200 dargestellt Die elektrische Quadrupollinse 4 war hierbei konvergierend und die magnetische Quadrupollinse 5 divergierend in der Ablenkebene des Sektormagneten 2.

In Fig. 7 ist ein kleiner Ausschnitt, nämlich ein Massenbereich /JjA=IOl - 104 FvIE des Massenspektrums von 1,4-Diisopropylbenzol mit einem Auflösungsvermögen von 500 dargestellt. Hierbei wurden die Polaritäten der Spannungen und Ströme für die beiden Quadrupollinsen 4 und 5 im Verhältnis zur Messung des Massenspektrums gemäß F i g. 6 umgekehrt, so daß die elektrische Quadrupr Hinse Λ in der Ablenkebene des Sektormagneten 2 divergierend und die magnetische Quadrupollinse 5 konvergierend war.

In Fig.8 ist das Massenspektrum von N^⁺. G>H* ⁺

und CO⁺ mit einem höheren Auflösungsvermögen von 2000 dargestellt. Im Vergleich zur Messung des Spektrums gemäß Fig. 7 wurde hierbei die Stärke der Quadrupollinsen 4 und 5 erhöht und auch mit größeren lonenenergien bis zu 2 keV gearbeitet.

Hierzu 5 BIaIt Zeichnungen

Claims

Ss'Ik Patentansprüche:

1. Massenspektrometer, bei dem entlang der optischen Achse in lonenstrahlrichtung ein Ioneneintrittspalt, eine erste Quadrupollinse variabler Stärke, ein Sektormagnet, eine zweite Quadrupollinse variabler Stärke und ein Detektor angeordnet sind, wobei das Abbildungssystem aus erster Quadrupollinse, Sektormagnet und zweiter Quadrupollinse die durch den Ioneneintrittsspalt eintretenden Ionen bezüglich der Ablenkebene des Sektormagneten am Detektor fokussiert, dadurch gekennzeichnet, daß der Sektormagnet (2) bei abgeschalteten Quadrupollinsen (4, 5) die durch den Ioneneintrittsspalt eintretenden Ionen einer bestimmten Masse entlang der optischen Achse am Detektor (3) fokussiert, daß der Detektor (3) aus mehreren, entlang einer Geraden, die in der Ablenkebene des Sektormagneten (2) liegt, angeordneten Einzeldetektoren besteht und daß die Stärke der Quadrupollinsen (4, 5) so gewählt ist, daß die Einzeldetektoren in der Bildebene des Abbildungssystems liegen.

2. Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Quadrupollinse (5) in der Ablenkebene des Sektormagneten (2) eine divergente Wirkung, dagegen die zweite Quadrupollinse (4) eine konvergente Wirkung aufweist und daß die Einzeldetektoren in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene angeordnet sind.