DE3025764C2

DE3025764C2 - Laufzeit-Massenspektrometer

Info

Publication number: DE3025764C2
Application number: DE19803025764
Authority: DE
Inventors: Hermann Prof. Dr. 6301 Fernwald Wollnik
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-07-08
Filing date: 1980-07-08
Publication date: 1984-04-19
Also published as: GB2080021B; FR2486713B1; JPH0351053B2; GB2080021A; JPS5744953A; FR2486713A1; DE3025764A1

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laufzeit-Massenspektrometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Laufzeit-Massenspektrometer ist aus »Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys.« 9 (1972) 357-373 bekannt.

In Laufzeit-Massenspektrometern werden üblicherweise Ionen gleicher Energie, aber verschiedener Masse, voneinander dadurch getrennt, daß sie die gleiche Weglänge mit verschiedener Geschwindigkeit durchlaufen und nacheinander an einem Ionen-Auffänger oder einem lonen-SEV (Sekundär-Elektronen-Vervielfacher) eintreffen. Wichtig ist hierbei, daß alle Ionen zum gleichen Zeitpunkt am Anfang der Laufstrecke gestartet werden.

Eine demgegenüber verbesserte Ausführung für ein Laufzeit-Massenspektrometer (Fig. 1) wurde durch »Sov. Phys.-Tech. Phys.« 16(1972), 1177-1179 bekannt, wobei die Ionenenergie nicht mehr für alle Ionen gleich sein muß. Die Ionen werden nämlich nach durchlaufener Weglänge (L) von einem elektrostatischen Spiegel um fast 180° umgelenkt, so daß sie die Laufstrecke zurückfliegen müssen, bevor sie in einem direkt neben der Ionenquelle befindlichen lonen-SEV registriert werden können. Wesentlich ist dabei, daß Ionen etwas höherer Energie tiefer in den aus Gitterplatten gebildeten lonenspiegel eindringen; sie müssen deshalb insgesamt einen längeren Weg zurücklegen als Ionen etwas niedrigerer Energie. Durch geeignete Potentialverteilung im lonenspiegel konnte man erreichen, daß die Laufzeit der Ionen von der Quelle bis zum SEV nur von der Ionenmasse und nicht mehr von der Ionenenergie abhängt. Da die Massenauflösung in einem Laufzeit-Massenspektrometer proportional zur Länge der Flugstrecke ist, möchte man diese groß machen. Selbst bei Verwendung eines lonenspiegels, d. h. bei doppelter Ausnutzung der Baulänge, ergeben sich jedoch recht ausgedehnte Systeme, bei denen zudem die Durchmesser der Ionenauffänger und lonenspiegel groß sein müssen.

Ein weiterer Nachteil der sowohl aus »Sov Phys.-Tech. Phys.« als auch aus der US-PS 37 27 047 bekannten Laufzeit-Massenspektrometer besteht darin, daß die lonenspiegel von einander parallelen Metallgittern gebildet werden, die von den Ionenbündeln durchsetzt werden. Dieses führt zu erheblichen Ionenstromverlusten, so daß z. B. eine Vielfach-Knickung der Ionenfluckstrecke mit derartigen lonenspiegeln nicht mehr möglich ist.

Aus der eingangs genannten Literaturstelle »International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics« 9 (1972) S. 357—373, sind zwar lonenspiegel bekannt, die ohne Metallnetze auskommen. Diese lonenspiegel umfassen jedoch aufwendige und deshalb schwierig herzustellende Zylinder-, Kugel- oder Torusflächen, welche außerdem einen großen Platzbedarf haben.

Dem Anmeldungsgegenstand liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die Laufzeit- und Ortsfokussierung mit einfachen Mitteln zu verwirklichen. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den kennzeichnenden Merkmalendes Anspruchs 1 angegeben.

Bei einem in dieser Weise aulgebauten Laufzeit-Massenspektrometer bestehen die lonenspiegel aus einfachen Bauteilen, die sowohl reflektierende, als auch fokuisierende Eigenschaften haben. Ähnlich einer in Transmission betriebenen Möllenstedt-Filterlinse liefert ein solcher in Reflexion betriebener, aus Lochblenden oder Rohren aufgebauter lonenspiegei Fokussierungseffekte, wie man in numerischer Rechnung zeigen kann. Selbst bei sehr langen Flugstrecken, d. h., bei vielfach wiederholter Knickung der lonenflugstrecke, tritt ein nachteiliges Anwachsen des lonenbündeldurchmessers nicht auf. Darüber hinaus entfallen bei lonenspiegeln aus fokussierenden netzlosen Lochblenden oder Rohren Verluste des Ionenstrahles, die beim Durchgang des lonenbündels durch konventionelle Netze unvermeidlich sind. Mit verhältnismäßig geringem apparativen Aufwand wird somit die lonenflugstrecke verlängert und die Auflösung des Gesamtsystems bei gleicher lonenpulslänge verbessert. Durch den Einsatz einer Anzahl N solcher lonenspiegel (mit 100%iger Reflexion) läßt sich die Baulänge nicht nur zweimal, sondern (N + l)mal ausnutzen. Die Anzahl N der lonenspiegel kann dabei entweder geradzahlig oder ungeradzahlig sein.

Fokussierende lopenspiegel können besonders klein gestaltet werden, wenn die Brennweiten der Spiegel alle gleich L/2 sind, wobei L den Abstand zwischen zwei sich gegenüberstehenden Spiegeln bezeichnet. Die Lochblenden oder Rohre können dabei zur Vermeidung von Störpotentialen an einer Stelle, die von Ionen nicht

mehr erreicht wird, durch Gitter abgeschlossen sein. Die Fokussierungseigenschaften der Spiegel können z. B. dadurch erreicht werden, daß ihre eingangs- bzw. ausgangsseitigen Lochblenden oder Röhrt als Einzellinse geschaltet sind.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert Die Zeichnung zeigt in

F i g. 1 eine schematische Ansicht eines Laufzeit-Wassenspektrometers gemäß dem zuvor zitierten Stand der Technik,

Fig. 2 eine schematisierte Schrägansicht eines erfindungsgemäßen Laufzeit-Massenspektrometers in ebener Linearancrdnung,

F i g. 3 eine Schrägansicht eines erfindungsgemäßen Laufzeit-Massenspektrometers in Kreiszylinderanordnung,

F i g. 4 das Prinzip eines erfindungsgemäßen Laufzeit-Massenspektrometers mit schaltbaren Ionenspiegeln,

F i g. 5 das Prinzip eines erfindungsgemäßen Laufzeit-Massenspektrometers mit elektrostatisch kippbaren Ionenspiegeln.

Das in F i g. 1 insgesamt mit 10 bezeichnete Laufzeit-Massenspektrometer hat, wie schematisch angedeutet, eine Ionenquelle 12 sowie eine Lenkeinrichtung 14 für das Ionenbündel, das an einem Ionenspiegel 16 mit Gitterplatten 18 abgebogen und zu einem Ionenauffänger (SEV) 20 geleitet wird.

Die F i g. 2 und 3 zeigen nun wie die den Strahlengang faltenden, aus Lochblenden oder Rohren bestehenden Ionenspiegel Ri, R 2 usw. nebeneinander auf einer Geraden (Fig.2) bzw. auf einem Kreis (Fig.3) angeordnet sind. Allgemein muß jeder i. Spiegel hierbei so einstellbar sein, was unter elektronischer Steuerung elektrostatisch oder (elektro-)magnetisch vor sich gehen kann, daß das Ionenbündel auf die Mitte des folgenden (i + 1). Spiegels gelenkt wird. Im Falle von F i g. 2 heißt das, daß die Spiegel in den beiden Ebenen I und II jeweils linear und parallel so angeordnet sind, daß das Ionenbündel in einer Querebene hin- und herreflektiert wird, bis es zu dem Ionenauffänger 20 gelangt. Im Ausführungsbeispiel der Fig.3 sind die einzelnen lonenspiegel R 1, R 2 usw. in jeder der beiden Ebenen I, II jeweils auf einem Kreis angeordnet, so daß die entsprechende Hüllfläche ein Zylinder oder auch ein Kegelmantel sein kann. Eine im wesentlichen parallele Anordnung sämtlicher lonenspiegel ist auch in diesem Falle möglich, indem man eine Drückelektrode 22 zwischenschaltet, welche das lonenbündel bei jedem Durchgang etwas in Richtung auf die Mitte der Gesamtanordnung ablenkt.

Man erkennt, daß die Anordnungen nach F i g. 2 und 3 die Baulänge, welche im wesentlichen L entspricht, unter Zuhilfenahme von MIonenspiegeln (N + l)mal als Ionenlaufstrecke ausnutzen.

Man kann jedoch auch gemäß F i g. 4 den Ionenstrahl N mal zwischen zwei lonenspiegeln Ri, R 2 pendeln lassen. Hierbei sind dann Vorkehrungen zu treffen, das lonenpaket in diese Strecke (=* L) zwischen den beiden Spiegeln Al, R2 einzuschleusen sowie es letztlich wieder auszuschleusen. In einem System nach Fig.4 können die lonenspiegeipotentiale durch geeignete Steuerung gepulst werden, statt kontinuierlich anzuliegen. Zum Beispiel kann das lonenpaket den Spiegel R 1 zuerst geerdet, d. h. ohne Einfluß, vorfinden, während der Spiegel R 2 die Ionen reflektiert. Das vom Spiegel R 2 rücklaufende lonenpaket wird sodann von dem inzwischen eingeschalteten Spiegel R 1 zurückgeworfen. Nach N maligem Durchlaufen der Strecke zwischen den Spiegeln R 1 und R 2 sorgt die elektronische Steuerung dafür, daß die Ionen beim (N + 1). Anflug auf den Spiegel R 2 diesen geerdet, d. h. ohne Einfluß, vorfinden.

Daher können sie austreten und den lonen-SEV 20 erreichen.

Im System nach F i g. 5 werden elektronisch kurzzeitig kippbare Spiegel Ri, R 2 usw. eingesetzt, in denen die Potentialverteilung kurzfristig so gesteuert wird, daß

i" das lonenbündel unter einem anderen Winkel reflektiert wird als zuvor; im ersten Auffänger (lonen-SEV) 20 kann man ein mäßig hoch aufgelöstes Laufzeit-Massenspektrum registrieren. Kippt nun der Spiegel R1 kurzzeitig, so gelangt das lonenbündel zum Spiegel R 2.

Dieser steht während des Durchlaufs des Ionenpakets so gekippt, daß er den Ionenstrahl auf den Spiegel R 3 lenkt; anschließend klappt der Spiegel R 2 zurück und das lonenpaket wird N mal zwischen den Spiegeln R 2 und R 3 hin- und herreflektiert, bis durch kurzes

:n Schwenken des Spiegels A3 das lonenbündel auf den zweiten Auffänger 20' gelenkt wird. Dort wird daher ein kleiner Bereich von lonenmassen, die aus dem im ersten Auffänger 20 registrierten Massenspektrum ausgeblendet worden waren, mit hoher Massenauflösung registriert. Derartige Strahlkippungen können von (nicht gezeigten) zusätzlichen, z. B. elektrostatischen oder magnetischen Kippelementen, durchgeführt werden.

In einem Laufzeit-Massenspektrometer steigt einerseits die Massenauflösung, wenn die Ionenpulslänge abnimmt. Andererseits sinkt üblicherweise die lonenintensität mit abnehmender Ionenpulslänge. Eine hohe Massenauflösung läßt sich mit hoher Intensität dadurch erreichen, daß man zwischen Ionenquelle und Beginn der Laufstrecke (Länge L) eine weitere Flugstrecke der Länge D vorsieht (F i g. 4 und 5). Wenn nun zu Beginn eines lonenpulses die Quelle Ionen niedrigerer Energie emittiert, als zu einem späteren Zeitpunkt, so können bei passender Bemessung bzw. Steuerung die schnelleren Ionen die langsameren, früher gestarteten jeweils am Punkt E einholen. Dort entsteht daher ohne Ionenstromverlust ein wesentlich kürzerer lonenpuls mit relativ großer Energiebreite. In der Technik der Teilchenbeschleuniger bezeichnet man diesen Vorgang als Ionen-Bunching.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 4 und 5 sind Mittel zur Realisierung des lonen-Bunchings vorgesehen. Maßgeblich dafür ist eine solche Bemessung und Steuerung, daß an dem hinter der Ionenquelle 12 liegenden Einholpunkt E (F ig. 4) bzw. £1 (Fig. 5)

μ später gestartete Ionen von höherer Energie andere, früher auf die Bahn gebrachte Ionen gleicher Masse, jedoch niedrigerer Energie, eingeholt haben. Die aus (nicht dargestellten) Lochblenden oder Rohren aufgebauten lonenspiegel Ri, R 2 usw. haben eine derartige fokussierende Wirkung, daß an einem zweiten Einholpunkt £2 am Ionenauffänger 20 (bzw. an einem N ten Einholpunkl Ev am Ionenauffänger 20') ngebunchte« Ionen eintreffen. Diese Anordnung gewährleistet dank der Vorschaltstrecke D (zwischen der Ionenquelle 14

w und dem ersten Einholpunkt £1), daß die Gesamtflugzeit auf der anschließenden Strecke L nur von der Ionenmasse, nicht jedoch von der Ionenenergie abnängt, so daß am Auffänger für Ionen einer einzigen Masse minimal kurze lonenimpulse entstehen. Es läßt

^b5 sich auch erreichen, daß der erste Einholpunkt nach demjenigen, der sich um die Strecke D hinter der Ionenquelle 14 befindet, erst am Ionenauffänger 20 bzw. 20' liegt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Laufzeit-Massenspektromeier mit einer Ionenquelle sowie fokussierenden Ionenspiegeln, bei detn, ausgehend von einem Startort, Ionen verschiedener Massen und Energien im wesentlichen gleichzeitig startend auf eine Flugstrecke gebracht werden, an deren Ende ein Ionenauffänger steht, wobei die Ionenspiegel die Flugstrecke derart mehrfach abknicken, daß die lonenflugzeit zwischen Startort und Ionenauffänger von der Ionenenergie unabhängig ist und daß die Ionen vom Startort auf den Ionenauffänger räumlich fokussiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ionenspiegel (RX, R 2 usw.) mit unterschiedlichen Potentialen beaufschlagte Lochblenden oder Rohre aufweist, die kugelähnliche Äquipotentiallinien erzeugen.

2. Laufzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblenden oder Rohre an einer Stelle, die von Ionen nicht mehr erreicht wird, durch Gitter abgeschlossen sind.

3. Laufzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Brennweite der Ionenspiegel (R 1, R 2 usw.) halb so groß wie deren Abstände ist.

4. Laufzeit-Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eingangsseitigen bzw. ausgangsseitigen Lochblenden oder Rohre der Ionenspiegel als Einzellinse geschaltet sind.

5. Laufzeit-Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ionenspiegeln, die die lonenflugbahn in sich selbst reflektieren, das Potential der Lochblenden oder Rohre eines lonenspiegels kurzzeitig geändert wird, so daß die Ionen zur Ein- bzw. Ausschleusung hindurchtreten können.

6. Laufzeit-Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der *o Ablenkwinkel der lonenspiegel zur Ein- bzw. Ausschleusung kurzzeitig veränderbar ist.