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Diese Erfindung betrifft einen Energieanalysator für geladene
Teilchen, der zur Verwendung in einem doppelt fokussierenden
Massenspektrometer geeignet ist, sowie ein Massenspektrometer,
das einen solchen Analysator enthält.
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Der häufigste Typ eines Energieanalysators für geladene
Teilchen, der in Massenspektrometern enthalten ist, ist ein
elektrostatischer Zylindersektor-Analysator. Ein solcher
Analysator zeigt die Energiedispersion und die Fokussierung erster
Ordnung entlang nur einer Achse und ist daher in Kombination
mit einem Magnetsektor-Massenanalysator zur Bildung eines
doppelt fokussierenden Massenspektrometers gut geeignet (d.h.
Richtungs- sowie Geschwindigkeits-Fokussierung).
Unglücklicherweise enthalten Zylindersektor-Analysatoren zwei gekrümmte
Elektroden, die mit sehr engen Toleranzen hergestellt werden
müssen und daher sehr teuer in der Herstellung sind. Ferner
ergibt die Verwendung eines Zylindersektor-Analysators in
einem Massenspektrometer, das mit einem Mehrkanaldetektor für
die gleichzeitige Erfassung von mehr als einem
Masse-Ladungsverhältnis ausgestattet ist, schwerwiegende
Leistungseinschränkungen. Erstens ist wegen des begrenzten Raums zwischen
den Elektroden das Ausmaß der Brennebene eingeschränkt, sodaß
der Bereich der gleichzeitig darstellbaren Massen ebenfalls
beschränkt ist. Zweitens ist die Brennebene eines solchen
herkömmlichen Analysators gewöhnlich nicht senkrecht zur
Laufrichtung der ihn verlassenden Ionen, sondern mit einem flachen
Winkel geneigt. Dies begrenzt ferner das maximale Ausmaß des
Spektrums, das gleichzeitig aufgezeichnet werden kann und
macht die Ausgestaltung des Detektorsystems kompliziert. Weil
ein herkönmlicher Analysator nur zwei Elektroden aufweist, ist
ferner das elektrostatische Analysefeld vollständig durch die
Form der Elektroden bestimmt. Das bedeutet, daß die
Homogenität des Felds nicht geändert werden kann und die Anzahl von
Aberrationen (z.B. Neigung und Krümmung der Brennebene), die
korrigiert werden können, sehr beschränkt ist. Ähnlich, obwohl
durch Verwendung eines Analysators mit einem weiteren Spalt
ein größerer Massenbereich übertragen werden kann, muß man
dann die Höhe der Platten größer machen, um sicher zu stellen,
daß das Feld in der Nähe des Ionenstrahls ausreichend
gleichmäßig ist, und dies ergibt häufig einen sehr großen und
unerschwinglich teuren Analysator.
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Es sind sehr wenig Analysatoren bekannt, die nicht auf dem
Feld beruhen, das zwischen zwei genau geformten Elektroden zum
Festlegen des Energieverteilungsfelds erzeugt wird. In
herkömmlichen Analysatoren werden Hilfselektroden verwendet, um
den Effekt streuender Felder dort zu kompensieren, wo der
Strahl geladener Teilchen eintritt und den Analysator verläßt,
jedoch legen diese nicht das Hauptanalysefeld fest. In diesen
Analysatoren sind ein oder mehrere Elektroden am Eingang und
Ausgang des Analysator vorgesehen und werden auf derartigen
Potentialen gehalten, daß das Feld zwischen den
Hauptelektroden so nahe wie möglich an dem Idealfeld gehalten wird
(beispielsweise einem 1/r Feld im Fall eines
Zylindersektor-Analysators). Ähnlich Streufeld-Korrekturelektroden können um die
Ränder eines Parallelplatten-Analysators herum vorgesehen sein
(siehe beispielsweise Stolterfoht in DE-2648466 A1).
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Matsuda (Rev. Sci. Instrum. 1961, Vol 32(7), pp 850-852)
beschrieb einen Zylindersekor-Analysator mit verstellbarer
Brennweite, der ein Paar herkömmlicher Sektorelektroden und
ein Paar ebener Hilfselektroden aufweist, die jeweils über und
unter den Sektorelektroden angeordnet sind (d.h. entlang der
"z" Achse versetzt sind) . Das Anlegen einer Potentialdifferenz
zwischen diesen Elektroden ergibt eine Krümmung der
potentialgleichen Flächen entlang der "z" Achse, sodaß der Analysator
eine gewisse Fokussierung der "z" Richtung zeigt. Ein
ähnliches Konzept ist in der JP 61-161645 A1 (1986) offenbart.
Matsuda schlägt ferner vor, jede der ebenen Hilfselektroden durch
eine Anzahl von Drähten zu ersetzen, die in konzentrischen
Kreisbögen angeordnet sind, und an jeden Draht ein anderes
Potential anzulegen, um Aberrationen zu korrigieren, jedoch
nennt er keine Details, wie dieses in der Praxis erreicht
werden könnte. In einer späteren Veröffentlichung (Int. J. Mass
Spectrum Ion Phys., 1976, Vol 22, pp 95-102), schlägt Matsuda
die Verwendung der Hilfselektroden in Verbindung mit Scheiben
an den Hauptelektroden vor, um die Höhe der Hauptelektroden zu
reduzieren, wie zum Erhalt einer geeigneten Feldhomogenität
erforderlich ist. Bei allen diesen Analysatoren wird jedoch
das Feld des Analysators prinzipiell durch die
Hauptsektorelektroden bestimmt.
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Zashkvara und Korsunshii (Sov. Phys. Tech. Phys. 1963 Vol 7(7)
pp 614-619) beschreibt einen elektrostatischen
Energieanalysator, der entlang beider "y" und "z" Achsen
Fokussiereigenschaften aufweist, wobei die Hauptfeld-festlegenden Elektroden
jederseits des Strahls geladener Teilchen entlang der y-Achse
angeordnet sind und einen Stapel flacher
Zylindersektorelektroden aufweisen, die voneinander isoliert sind. Ein
Widerstandspotentialteiler dient dazu, jede Plattenelektrode mit
einem geeigneten Potential zu versorgen. Auf diese Weise kann
entlang der Analysator "z" Achse ein inhomogenes Feld erzeugt
werden, und die Fokussierungseigenschaften des Analysators
können in ähnlicher Weise wie bei dem Matsuda-Analysator
eingestellt werden. Der Zashkvara Analysator enthält keinerlei
Elektroden, die entlang der "z" Achse von dem geladenen
Teilchenstrahl versetzt sind.
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Dymovich und Sysoev beschreiben (Phys. Electronics, Moskau,
1965, Vol 2, pp 15-26 und 27-32) einen elektrostatischen
Analysator, der dem von Matsuda vorgeschlagenen sehr ähnlich ist.
Dieser Analysator umfaßt zwei Gruppen von
Kreisbogenelektroden, von denen eine über und eine unter dem Ionenstrahl
angeordnet ist, sowie zwei kreisförmige Hauptelektroden in einer
herkömmlichen Anordnung an jeder Seite des Ionenstrahls. Der
zur Verwendung in einem Kreuzfeld-Massenspektrometer
ausgelegte Analysator ist ziemlich detailliert beschrieben.
Aberrationen zweiter und höherer Ordnung werden durch Einstellen des
Potentialgefälles über der Serie von Hilfselektroden in
ähnlicher
Weise korrigiert wie von Matsuda vorgeschlagen. Der
beschriebene Analysator enthielt nicht weniger als 76
Kreisbogenelektroden (unterschiedlicher Radii) und es scheint so, daß
er nie in einem praktikablem Instrument verwendet wurde,
wahrscheinlich wegen dessen schwieriger Herstellung. Ein
vollständiges Kreuzfeld-Massenspektrometer, das diese
Elektrodenstruktur enthält, (von seinen Konstrukteuren "Elektrostatisches
Mehrelektroden-Fokussiersystem oder EFS" genannt) ist in einer
späteren Veröffentlichung beschrieben (Dymovich, Dorofeev und
Petrov (Phys. Electronics, Moskau, 1966, Vol 3, pp66-75),
jedoch nach dem sowjetischen Erfinderzertifikat 851547 (1981)
erwies sich dieses Instrument wegen der großen Abmessungen
seiner Elektrodenstruktur als einigermaßen unpraktikabel. Die
in der SU 851547 vorgeschlagene Lösung dient zur Formung der
Kreisbogenelektroden als metallische Ablagerungen auf einem
Widerstandssubstrat, das leichter herzustellen ist, wobei
jedoch einer der für die EFS vorgeschlagenen Vorteile entfällt,
nämlich daß das Potentialgefälle zwischen den Elektroden durch
das Widerstandssubstrat bestimmt wird und nicht leicht
eingestellt werden kann, um Aberrationen höherer Ordnung zu
korrigieren.
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Hand offenbart in der US-3407323 eine Aufreihung gekrümmter
Elektroden sehr ähnlich jener, die von Dymovich und Sysoev
beschrieben sind, und lehrt, daß diese dazu verwendet werden
können, geladene Teilchen eines Strahls gemäß ihrer Energie
abzulenken. Hand offenbart ferner Aufreihung paralleler
gerader Elektroden zum Einführen eines Strahls mit einem breiten
Energiespektrum entlang einer Mittellinie und zum Ablenken
eines Stroms geladener Teilchen entlang der Feldlinien.
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Soviet Physics Technical Physics, Vol 30 Nr. 3, März 1985,
beschreibt ein Massenspektrometer mit einem elektrostatischen
Dreielektrodenspiegel mit ebenen Elektroden.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen zur
Verwendung in einem doppelt fokussierenden Massenspektrometer
geeigneten verbesserten Analysator anzugeben, der leicht und
billig zu bauen ist.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, verschiedene Typen von
Massenspektrometern vorzusehen, die einen solchen Analysator
enthalten, und insbesondere doppelt fokussierende
Massenspektrometer anzugeben, die einen solchen Analysator enthalten.
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Nach einem Aspekt zeigt die Erfindung einen elektrostatischen
Analysator zum Bereitstellen eines elektrostatischen Felds
zum Dispergieren und Fokussieren eines Strahls einen Bereich
von Energiene aufweisender geladener Teilchen auf ihren
jeweiligen Energien entsprechende Bahnen, sodaß diese Teilchen den
Analysator entlang der Bahnen verlassen, wobei der Analysator
umfaßt:
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eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe von mit Abstand
angeordneten linearen Elektroden, die an jeweils
entgegengesetzten Seiten des Strahls angeordnet sind, wobei jede Gruppe ein
Paar von Elektroden umfaßt, zwischen denen eine oder mehrere
Mittelelektroden angeordnet sind;
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Mittel zum Anlegen elektrischer Potentiale an die Elektroden
derart, daß bei Verwendung das Potential einer Elektrode jedes
Paars positiver ist und das Potential der anderen Elektrode
des Paars negativer ist als das Potential, bei dem die in dem
Strahl vorhandenen Ionen in den Analysator eintreten, und
wobei die Potentiale aller in jeder dieser Gruppen vorgesehener
Elektroden progressiv von einer Elektrode zur nächsten
zunehmen, sodaß das elektrostatische Feld in einer Mittelebene
zwischen den Gruppen der Elektroden liegt.
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Bevorzugt sind die in jeder Gruppe vorgesehenen linearen
Elektroden im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und sind
in einer zu der Mittelebene des Analysators parallelen Ebene
aufgereiht.
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Ferner bevorzugt sind die ersten (oberen) und zweiten
(unteren) Elektrodengruppen im wesentlichen identisch, und die
Elektroden in entsprechenden Positionen in jeder Gruppe werden
auf dem gleichen Potential gehalten.
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Bevorzugt wird eine Mittelelektrode jeder Gruppe auf einem
Potential VM gehalten, und die Potentiale der anderen
Elektroden in der Gruppe ergeben sich durch den Polynomausdruck:
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VE = VM + VAyE + VByE² + VCyE³ + VDyE&sup4; + .. (1)
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wobei VE das Potential einer bestimmten Elektrode ist, yE der
Abstand der bestimmten Elektrode von der auf VM gehaltenen
Elektrode (positiv in einer Richtung, negativ in der anderen),
und VA, VB, VC und VD Konstanten sind.
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Bevorzugt ist das Potential VM das Potential, mit dem die Ionen
in den elektrostatischen Analysator eintreten (d.h. das
Potential seines Eingangsschlitzes und der Mittelbahn. Alternativ
kann ein Paar einander benachbarter Mittelelektroden auf
jeweils positiven und negativen Potentialen bezüglich dem
Potential gehalten werden, mit dem die Ionen in den Analysator
eintreten.
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Das Feld E an jedem Punkt der Mittelebene des Analysators
ergibt sich daher durch den Polynomausdruck:
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E = E&sub0; + E&sub1;yE + E&sub2;yE² + E&sub3;yE³ + .. [2]
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In Gleichung [2] sind E&sub0; - E&sub3; Konstanten und yE ist der Abstand
von der auf Potential VM gehaltenen Elektrode, gemessen in der
Mittelebene. Es wird ersichtlich, daß das durch einen
erfindungsgemäßen Analysator erzeugte Feld im wesentlichen ein
lineares Feld ist, das durch Ausdrücke höherer Ordnung wie etwa
E&sub2;yE² und E&sub3;yE³ modifiziert ist und das durch Einstellen der an
die Elektroden angelegten Potentiale geändert werden kann. Ein
solches Feld unterscheidet sich von den herkömmlichen
Mehrelektroden-Analysatoren, die auf gekrümmten Elektroden mit
Kreisform beruhen und daher ein Feld erzeugen, das
proportional
l/r ist (wobei r der Radius einer bestimmten Elektrode
ist).
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Bevorzugt wird der Koeffizient VA (Gleichung [1]) gewählt, um
den Ablenkwinkel des Analysators einzustellen, und der
Koeffizient VB wird gewählt, um die Brennweite einzustellen. Wenn
Korrekturen höherer Ordnung erforderlich sind, kann der
Koeffizient VC gewählt werden, um Ausdrücke zweiter Ordnung zu
setzen (z.B. den Winkel der Brennebene zur Laufrichtung der
geladenen Teilchen beim Verlassen des Analysators), und kann der
Koeffizient VB gewählt werden, um die Ausdrücke dritter Ordnung
einzustellen (z.B. die Krümmung der Brennebene). Natürlich
lassen sich der Gleichung [1] Ausdrücke vierter und auch
höherer Ordnung hinzufügen und nach Wunsch einstellen.
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Im Prinzip benötigt der erfindungsgemäße Analysator keinerlei
Elektroden an der Seite des Ionenstrahls wie bei herkömmlichen
Analysatoren, weil das Feld in der Nähe des Strahls geladener
Teilchen ausschließlich durch die Gruppen der Elektroden
begrenzt ist. In der Praxis können jedoch die Elektroden an
jedem Ende der Gruppen eine Einzelelektrode aufweisen, die durch
die Mittelebene von der oberen Gruppe zu der unteren Gruppe
verläuft, um hierdurch an den Seiten des Analysators eine
Streufeldkorrektur vorzusehen.
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Anzunehmen ist, daß der erfindungsgemäße Analysator ein
allgemein ausgedehntere Brennebene als ein herkömmlicher
Zweielektroden-Analysator ähnlicher Größe hat, weil die
Seitenelektroden, sofern sie überhaupt vorgesehen sind, um einen
viel größeren Abstand voneinander getrennt werden können als
die Elektroden eines herkömmlichen Analysators. Dies ist
möglich, weil die hauptsächlich durch die Nähe des
Analysatorvakuumgehäuses bedingten Streufeldfehler an der Oberseite und
Unterseite des Analysators wegen der Elektrodenstruktur nicht
signifikant sind, unabhängig davon, wie groß der Abstand
zwischen den Hauptelektroden ist, vorausgesetzt, daß eine
ausreichende Anzahl von Elektroden vorgesehen ist. Auf diese
Weise
wird vermieden, daß man die Elektroden entlang der "z"
Achse zum Verkleinern dieser Felder anordnen muß. Anders als bei
herkömmlichen elektrostatischen Mehrelektroden-Analysatoren
ermöglicht es die Elektrodenstruktur mit parallelen linearen
Platten, einen kompakten Analysator sehr einfach zu bauen.
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In einer bevorzugten Ausführung kann eine Eingangs- und
Ausgangsstreufeldkorrektur durch zwei ähnliche
Hilfselektrodenanordnungen vorgesehen sein, die jeweils am Eingang und/oder
am Ausgang des Hauptanalysators angeordnet sind. Bevorzugt
sind die oberen und unteren Gruppen der Hilfselektroden
jeweils in den selben Ebenen wie die oberen und unteren Gruppen
der in dem Hauptanalysator vorgesehenen Elektroden aufgereiht,
und jede Hilfelektrode ist in Linie mit einer entsprechenden
Elektrode in dem Hauptanalysator angeordnet.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung sind die
Streufeldkorrektoren am Eingang und am Ausgang des Hauptanalysators
vorgesehen, und das Potential der Hilfselektroden gleicht dem
Potential des Strahls geladener Teilchen bei dessen Ankunft an
dem Analysator. Normalerweise wird dieses Potential durch die
Passage des Strahls durch einen Schlitz definiert, der auf dem
gleichen Potential wie das Vakuumgehäuse des Analysators
gehalten wird, normalerweise Masse-Potential. Bevorzugt können
daher die Hilfselektroden auch auf Masse-Potential gehalten
werden. Die Hilfselektrodenanordnungen können bevorzugt
identisch zum Hauptanalysator konstruiert sein, mit dem Gewinn,
daß die Elektroden nur etwa 25% der Länge der
Hauptanalysatorelektroden benötigen und zwischen diesen keine Isolation
erforderlich ist.
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Der Analysator, der die beschriebenen Streufeldkorrektor
enthält, ergibt eine wirksamere Korrektur, als die herkömmliche
Plattenelektrode mit einem Schlitz.
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Die Erfindung gibt ferner einen elektrostatischen Analysator
an, der zwei oder mehr Mehrelektrodensegmente aufweist, in
denen die Elektroden nicht alle geerdet sind und durch die die
geladenen Teilchen nacheinander hindurchtreten. Beispielsweise
kann ein solcher elektrostatischer Analysator in einem
Massenspektrometer mit variabler Dispersion verwendet werden, wie er
in der PCT Veröffentlichungsnummer WO 89/12315 beschrieben
ist. Bevorzugt wird die Streufeldkorrektur jederseits der den
Hauptanalysator aufweisenden Segmente mittels der oben
beschriebenen Hilfelektrodenanordnungen durchgeführt.
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Die Erfindung gibt ferner ein Massenspektrometer an, umfassend
eine Quelle für geladene Teilchen, einen Detektor für geladene
Teilchen, einen Momentenanalysator zum Dispergieren eines
Strahls geladener Teilchen entsprechend ihren
Masse-Ladungsverhältnissen, sowie einen elektrostatischen Analysator nach
obiger Definition zum Dispergieren eines Strahls geladener
Teilchen entsprechend ihrer Energie.
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Bevorzugt wirken der Momentenanalysator und der
Energieanalysator zusammen, um an dem Detektor ein Bild zu erzeugen, das
sowohl Richtungs- als auch Geschwindigkeits-fokussiert ist.
Auf diese Weise läßt sich ein doppelt fokussierendes
Massenspektrometer wirtschaftlicher bereitstellen als ein
herkömmliches Spektrometer mit einem Zylindersektoranalysator.
Bevorzugt ist der Momentenanalysator ein Magnetsektor-Analysator,
der dem Energie-Analysator entweder vorhergehen oder folgen
kann.
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Obwohl der in einem erfindungsgemäßen Massenspektrometer
enthaltene Detektor für geladene Teilchen typischerweise ein
Einkanaldetektor wie etwa ein Elektronenvervielfacher oder ein
Faradaykäfig-Detektor ist, läßt sich vorteilhaft auch ein
Mehrkanaldetektor verwenden, insbesondere, wenn der
Energieanalysator dem Momentenanalysator folgt. In einem solchen
Spektrometer kann ein größerer Anteil des Massenspektrums
gleichzeitig an dem Detektor abgebildet werden, als es mit
einem Sektor-Analysator möglich ist, weil im letzteren Fall
der enge Spalt zwischen den Sektorelektroden die Ausdehnung
seiner Brennebene stark einschränkt. In einem
erfindungsgemäßen Spektrometer ist diese Einschränkung weniger stark, weil
der Spalt zwischen den Seitenelektroden sehr breit gemacht
werden kann.
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Bei Verwendung in einem doppelt fokussierenden Spektrometer
werden die Koeffizienten VA - VD (Gleichung [1]) so gewählt,
daß sie die Fokussiereigenschaften des Analysators definieren
und Aberrationen des endgültigen Bilds minimieren. Gewählt
wird typischerweise der Koeffizient VA zur Definition des
Ablenkwinkels des Analysators, der Koeffizient VB zur Definition
der Brennweite, und die Koeffizienten VA und VB zur Definition
der Neigung der Brennebene (d.h. des Winkels der Brennebene
zur Laufrichtung der geladenen Teilchen beim Verlassen des
Analysators) und der Krümmung. Diese Eigenschaften werden
natürlich in Verbindung mit den entsprechenden Eigenschaften des
Momentenanalysators gewählt, um ein doppelt fokussierendes
Massenspektrometer vorzusehen. Jedoch ist es leichter, die
Parameter in einem erfindungsgemäßen Analysator einzustellen,
weil sie sich einfach durch Einstellen elektrischer Potentiale
festlegen lassen, anstatt durch die geometrischen
Eigenschaften des Analysators wie etwa dessen Radius und Sektorlänge.
Demzufolge läßt sich derselbe Analysator in verschiedenen
Typen von Massenspektrometern verwenden, was beträchtliche
Kostenersparnisse mit sich bringt. Es ist sogar möglich, die
Charakteristiken der Fokussierung erster Ordnung zu ändern,
beispielsweise die Position des Ionendetektors relativ zu dem
Analysator (und somit die Dispersion des Spektrometers),
während man gleichzeitig eine geeignete Fokussierung zweiter und
höherer Ordnung beibehält. Die Konstruktion eines
Massenspektrometers mit verstellbarer Dispersion (d.h. ein "Zoom") ist
demzufolge erleichtert. Besonders nützlich ist ein solches
Spektrometer bei Verwendung eines Mehrkanaldetektors.
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Der einfachste Weg zur Wahl der Elektrodenpotentiale in irgend
einem erfindungsgemäßen Analysator oder Spektrometer geschieht
durch Verwendung herkömmlicher Computer-Strahlenfolgerprogram
me. Diese Programme ermöglichen die Vorhersage der Position
und Form der Bildbrennebene aus einem gegebenen Satz von
Elektrodenpotentialen durch wiederholtes Zeichnen der Bahnen durch
den Analysator von Ionen unterschiedlicher Energien und
Startpositionen. Für jede gewünschte Detektorposition läßt sich
somit ein angenäherter Satz von Potentialen schaffen, und die
Endeinstellung läßt sich an einem kompletten Spektrometer
durchführen, wenn Mittel vorgesehen sind, um jedes Potential
in einem engen Bereich einzustellen. Beispielsweise lassen
sich die Elektrodenpotentiale für maximale Auflösung
einstellen.
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Die Erfindung wird nun im näheren Detail anhand eines
Beispiels und unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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Figur 1 ist ein schematisches Diagramm eines elektrostatischen
Analysators mit Gruppen linearer Elektroden;
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Figur 2 ist eine Auftragung des Potentials der Elektroden des
Analysators in einem Fallbeispiel;
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Figur 3 ist eine Schaltung mit Darstellung, wie die Potentiale
an die Elektroden des Analysators angelegt werden können;
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Figur 4 ist eine Schnittzeichnung eines erfindungsgemäßen
Analysators,
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Figur 5 ist ein schematisches Diagramm eines besonders
bevorzugten Typs des erfindungsgemäßen Analysators;
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Figur 6 ist eine schematische Zeichnung eines Typs des
erfindungsgemäßen Massenspektrometers;
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Figur 7 ist eine Zeichnung mit Darstellung einer alternativen
Konstruktion eines erfindungsgemäßen Analysators;
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Figur 8 ist eine schematische Zeichnung eines weiteren Typs
des erfindungsgemäßen Massenspektrometers;
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Figur 9 ist eine schematische Zeichnung eines noch anderen
Typs des erfindungsgemäßen Massenspektrometers.
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Zuerst zu Figur 1. Ein allgemein mit 1 bezeichneter
elektrostatischer Analysator umfaßt zwei Gruppen 2 und 3 mit Abstand
angeordneter linearer Elektroden, (z.B. 4, 8, 9, 20), die
jeweils in Ebenen 5 und 6 angeordnet sind, die zu der
Mittelebene 7 des Analysators parallel sind. An die Elektroden
werden derartige Potentiale angelegt, daß sie von den Elektroden
8 bis zu den Elektroden 9 zunehmend positiv werden, sodaß ein
Strahl positiv geladener Teilchen 10, der wie gezeigt einfällt
und in der Mittelebene 7 läuft, in dem Analysator in
gekrümmten Bahn (z.B. 11 und 12) entsprechend der Energie der
Teilchen abgelenkt wird, um eine Gruppe nach Energie dispergierter
geladener Teilchen Strahlen 13, 14 zu bilden, welche den
Analysator verlassen. In dem gezeigten Analysator sind die
Elektrodengruppen 2 und 3 im wesentlichen identisch, und die
Elektroden in einer Gruppe sind mit der entsprechenden Elektrode
in der anderen Gruppe elektrisch verbunden, um hierdurch
sicher zu stellen, daß entlang jeder Achse innerhalb des
Analysators orthogonal zu den Ebenen 5, 6 und 7 im wesentlichen
kein Feld vorhanden ist.
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Das Feld in dem Analysator ist derart, daß ein in der
Analysatorobjektebene 16 angeordnetes Objekt 15 (das beispielsweise
durch einen engen Schlitz festgelegt ist) entsprechend der
Energie der in dem Strahl 10 befindlichen geladenen Teilchen
zu einer Serie von Energie-Dispersionsbildern 17, 18 in der
Analysatorbildebene 19 fokussiert wird. Beispielsweise werden
geladene Teilchen einer Energie entlang der gekrümmten Bahn
11 zur Bildung des Bilds 17 abgelenkt, und geladene Teilchen
geringerer Energie werden entlang der gekrümmten Bahn 12 zur
Bildung des Bilds 18 an einer anderen Stelle in der
Bildbrennebene 19 abgelenkt. Weil kein zu den Ebenen 5, 6 und 7
orthogonales
Feld vorhanden ist, bleiben die geladenen Teilchen in
derselben Ebene, in der sie vor dem Eintritt in den Analysator
laufen.
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In dem in Figur 1 gezeigten Analysator ist eine ungerade
Anzahl von Elektroden in jeder Gruppe vorgesehen, und die
Mittelelektroden 20 jeder Gruppe werden auf dem Potential VM
gehalten, d.h. dem Potential des Eingangsschlitzes des
Analysators, der in der Objektebene 16 angeordnet ist und zur
Festlegung des Objekts 15 dient. Alternativ kann ein nebeneinander
in der Mitte des Strahls angeordnetes Elektrodenpaar auf
Potentialen gehalten werden, die jeweils positiver und
negativer bezüglich VM sind.
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Die genaue Form der Ionenbahn durch den Analysator wird
natürlich davon abhängen, wie sich das Potential zwischen den
Elektroden 4, 8, 9 und 20 ändert. Wenn die Potentiale von den
Elektroden 8 bis zu den Elektroden 9 linear zunehmen, dann
werden positive Ionen gemäß Figur 1 abgelenkt, und die Bahnen
11 und 12 werden im wesentlichen parabolisch sein. Das Feld in
dem Analysator würde dann im wesentlichen identisch zu dem
sein, das zwischen jederseits des Ionenstrahls angeordneten
zwei parallelen geraden Elektroden vorhanden ware. Wie gesagt
ist es jedoch nützlicher, die Elektrodenpotentiale nach dem
Polynomausdruck zu verschieben:
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VE = VM + VAyE + VByE² + VCyE³ + VDyE&sup4; + ... [1]
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wobei VE das Potential einer bestimmten Elektrode ist, VM das
Potential der Mittelelektrode 20 ist, yE der Abstand dieser
Elektrode von der Mittelelektrode ist und VA, VB, VC und VD
Konstanten sind.
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Figur 2 ist eine Auftragung des Potentials an den Elektroden
der bezüglich ihrer Position, die unter Verwendung der
Konstanten VA = 1,0, VB = 0,2, VC = 0,05 und VD = 0 berechnet ist,
die nur für Illustrationszwecke gewählt sind. In Figur 2
stellt die Achse 21 das Potential der Elektrode VE dar, und die
Achse 22 den Abstand der Elektrode von den Mittelelektroden 20
(yE). In der Zeichnung hat der Graph seinen Ursprung an der
Mittelelektrode 20 (Potential VM und yE = 0). Die unterbrochene
Linie 23 stellt eine lineare Potentialänderung dar, wie sie
durch zwei herkömmliche angeordnete Hauptelektroden erzeugt
würde, und die Kurve 24 zeigt die tatsächliche
Potentialänderung in einem erfindungsgemäßen Analysator für die
Konstantwerte VA = 1, VB = 0,2, VC = 0,05, VD = 0. Streng genommen
umfaßt die Kurve 24 eine Serie kurzer gerader Linien, die an
Punkten miteinander verbunden sind, die auf der Kurve dort
liegen, wo das Potential durch die Elektrode selbst festgelegt
ist. Natürlich muß man eine ausreichende Anzahl von Elektroden
verwenden, um sicher zu stellen, daß die praktischen
Abweichungen von der Kurve 24 die Analysatorleistung nicht
signifikant beeinträchtigen. Für die meisten Anwendungen genügen
angenähert 11 Elektroden 4, jedoch ist es in einem besonders
leistungsfähigen Analysator vorteilhaft, doppelt soviel
Elektroden zu verwenden, was eine noch genauere Festlegung des
Felds zur Folge hat.
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Es ist natürlich nicht wesentlich, daß sich die oben als
Mittelelektrode definierte Elektrode in der räumlichen Mitte der
Elektrodenreihe befindet. Es liegt im Umfang der Erfindung,
mehr Elektroden an einer Seite der elektrischen Mitte als an
der anderen Seite vorzusehen.
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Figur 3 zeigt eine elektrische Schaltung zum Anlegen der
erforderlichen Potentiale 4, 8, 9 und 20, die gemäß Figur 1
angeordnet sind. Wie gezeigt&sub1; legt eine Stromversorgung 25
gleiche positive und negative Spannungen an die Elektroden 8 und 9
an, und die Mittelelektroden 20 sind mit dem 0 Volt Anschluß
der Versorgung verbunden, der auf dem Potential VM gehalten
wird, typischerweise dem Massepotential. Die anderen
Elektroden 4 werden durch Abgriffe an einem Potentialteiler gespeist,
der Widerstände 26-35 aufweist, die so gewählt sind, daß das
Potential an jeder Elektrode so ist, wie mit der Kurve 24 von
Figur 2 festgelegt. Ferner ersichtlich ist aus Figur 3 die
Verbindung jeder Elektrode in der oberen Gruppe 2 mit der
entsprechenden Elektrode in der unteren Gruppe 3, um hierdurch
sicher zu stellen, daß im wesentlichen kein Feld entlang einer
Achse (z.B. 36 in Figur 3) orthogonal zu den Ebenen 5, 6 und 7
vorhanden ist.
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Wenn mehr als ein Satz von Elektrodenpotentialen erforderlich
ist, können zwei oder mehrere Widerstandsketten vorgesehen
sein und kann ein mehrpoliger Schalter dazu dienen, bei Bedarf
die Elektrodenverbindungen von einer Kette zur anderen zu
ändern.
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Um die Elektrodenpotentiale insbesondere während
Optimierungsexperimenten leicht einstellen zu können, kann jede Elektrode
4 mit dem Gleitkontakt eines Potentiometers verbunden sein,
das einen Teil des Potentialteilers bildet. Alternativ kann
das Potential jeder Elektrode digital mittels einer
herkömmlichen Spannungssteuerschaltung gesteuert werden, welche eine
Digitalanalogwandler enthält. Dann läßt sich ein geeignet
programmierter Computer verwenden, um die elektrischen Potentiale
bei Bedarf auf jeglichen Wert zu legen. Dieses Verfahren zur
Steuerung der Elektrodenpotentiale ist besonders nützlich,
wenn viele verschiedene Sätze von Elektrodenpotentialen
erforderlich sind.
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Nun zu Figur 5. Ein erfindungsgemäßer elektrostatischer
Analysator mit einer Streufeldkorrektur umfaßt einen
Hauptanalysator 65, wie er etwa in Figur 1 gezeigt ist, einen
Eingangsstreufeldkorrektor 68 und einen Ausgangsstreufeldkorrektor 71.
Der Hauptanalysator 65 umfaßt eine obere Elektrodengruppe 66
und eine untere Elektrodengruppe 67. Die Elektroden in jeder
Gruppe 66 und 67 werden, wie zuvor beschrieben, auf progressiv
zunehmenden Potentialen gehalten.
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Der Eingangsstreufeldkorrektor 68 umfaßt eine obere
Elektrodengruppe 69 und eine untere Elektrodengruppe 70, und der
Ausgangsstreufeldkorrektor
71 umfaßt ähnliche Gruppen 72 und 73.
Jede Elektrode in den Gruppen 69, 70, 72 und 73 fluchtet mit
einer Elektrode in den Gruppen 66 oder 67, um die beste
Korrektur zu erhalten, und alle Elektroden der Gruppen 69, 70, 72
und 73 werden auf dem Potential gehalten, mit dem der Strahl
in den Analysator eintritt (typischerweise Massepotential).
Die Seitenelektroden (z.B. 75, 76, 77) jeder Gruppe,
einschließlich jener des Hauptanalysators 65, verlaufen von der
oberen Gruppe (66, 69 oder 72) durch die Mittelebene 74 des
Analysators zur Bildung der entsprechenden Seitenelektrode der
unteren Gruppe (67, 70 oder 73). Diese Seitenelektroden
ergeben eine Streufeldkorrektur an den Seiten des Analysators
und mindern signifikant eine Störung des elektrostatischen
Felds innerhalb des Analysators, die sich andernfalls aus der
Nähe eines geerdeten Vakuumgehäuses ergeben würde. Die
Elektroden der Gruppen 69, 70, 72 und 73 haben typischerweise
angenähert 25% der Längen der Elektroden 66 und 67, welche den
Hauptanalysator 65 bilden.
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Nun zu Figur 4. Ein zur Verwendung in der Erfindung geeigneter
elektrostatischer Analysator ist in einem Vakuumgehäuse 37
eingeschlossen, das durch einen Deckel 38 verschlossen ist,
der mit einem O-Ring 39 abgedichtet und durch Bolzen 40
befestigt ist. Ein Durchgang 41, der durch einen O-Ring
gedichteten Flansch 42 verschlossen ist, der eine Anzahl von
elektrischen Durchführungen 43 trägt, ist vorgesehen, um die
Herstellung einer elektrischen Verbindung zu den Elektroden zu
gestatten, welche den Analysator bilden (z.B. Leitung 44).
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Der Analysator selbst umfaßt zwei Seitenelektroden 45, 46,
welche rechteckige gerade Platten aufweisen, die durch die
Mittelebene 7 des Analysators verlaufen. Seitenelektroden 45,
46 bilden die Endelektroden 8 und 9 der in den Figuren 1 und 3
schematisch dargestellten Elektrodenstrukturen. Wie erläutert,
ergibt dies eine Streufeldkorrektur an den Rändern des
Analysators und mindert den Abstand, mit dem die Elektrodenstruktur
anzuordnen ist, um sicher zu stellen, daß das Feld in der Nähe
des den Analysator durchlaufenden Ionenstrahl richtig festlegt
wird.
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Die Seitenelektroden 45 und 46 sind an vier
Isolatierhalterungen (zwei für jede Elektrode) von Trägern 47 gestützt, welche
am Boden des Vakuumgehäuses 37 mit Schrauben 48 befestigt
sind. Jede Isolierhalterung umfaßt ein Keramikrohr 49 und ist
durch eine Schraube 50 befestigt, die in eine Keramikbuchse 51
eingesetzt ist, und ein kurzes Keramikrohr 52 sitzt unter dem
Kopf der Schraube 50, wie dargestellt.
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Die obere Elektrodengruppe 2 und die untere Elektrodengruppe 3
(z.B. 4, 20) sind jeweils an zwei Keramikstangen 53 befestigt,
die in Löchern angeordnet sind, die in die Seitenelektroden 45
und 46 gebohrt sind. Die Keramikbuchsen 54 halten die
Elektroden 4 mit Abstand voneinander. Jede Elektrode 4 besteht aus
einer dünnen (z.B. 0,5 mm) rechteckigen metallischen Platte
angenähert der gleichen Länge wie die Seitenelektroden. Die
Höhe der Elektroden sollte das mehrfache (z.B. das fünf bis
zehnfache) ihres Abstands voneinander betragen, um die Wirkung
von Streufeldern vernachlässigbar zu machen. Ein typischer
Abstand zwischen Elektroden kann 5 mm betragen.
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Alternativ kann der erfindungsgemäße Analysator so konstruiert
sein, wie in Figur 7 dargestellt. Zwei Isolier- (z.B. Keramik-
Platten 78, 79 sind wie gezeigt durch metallische
Seitenelektroden 80, 81 mit Abstand voneinander angeordnet, welche
den in Figur 4 gezeigten Seitenelektroden 45, 46 entsprechen.
Schrauben 82 halten die Isolierplatten 78, 79 an den
Elektroden 80 und 81. Jede Platte 78 und 79 umfaßt eine Serie von
Rippen 83, welche parallel zu den Seitenelektroden 80 und 81
verlaufen und die mit einer elektrisch leitfähigen Lage 84
(z.B. einer metallisierten Folie) beschichtet sind, um die
einzelnen Elektroden zu erzeugen. Die elektrische Verbindung
zu jeder Elektrode ist durch die Verbindungsstäbe (z.B. 85)
hergestellt, welche Löcher in den Platten 78 und 79
durchsetzen.
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Ein ähnliches Konstruktionsverfahren läßt sich auch für die
Eingangs- und Ausgangsstreufeldkorrektoren verwenden (68, 71
in Figur 5). Ein diese enthaltender kompletter Analysator läßt
sich wirtschaftlich herstellen, in dem man die Isolierplatten
78, 79 (Figur 7) in Richtung der Streufeldkorrektoren
ausrichtet und den Rippen 83 ähnelnde Rippen vorsieht, an denen die
Elektroden mit den Korrekturanordnungen abgelagert werden
können.
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Obwohl die in Figur 7 dargestellte Rippenstruktur die
besonders bevorzugte Ausführung ist, ist es möglich, die Elektroden
einfach durch Ablagern metallischer Spuren aufflachen
Isolierplatten zu bilden. Jedoch sind derart konstruierte
Analysatoren nicht für Hochleistungsanwendungen geeignet.
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Nun zu Figur 6. Ein Typ des erfindungsgemäßen
Massenspektrometers umfaßt eine Ionenquelle 55, die einen Ionenstrahl 59
ausgibt. Diese laufen wiederum durch einen Momentenanalysator,
in diesem Fall einen Magnetsektoranalysator 56, sowie durch
einen elektrostatischen Mehrelektrodenanalysator 57, wie er
beispielsweise in Figur 4 gezeigt ist. Der massenaufgelöste
Ionenstrahl 61, der aus dem Analysator 57 austritt, wird an
einem Detektor 58 für geladene Teilchen gesammelt, der eine
herkömmliche Anordnung eines Einkanalelektronen-Vervielfachers
und eines Sammelschlitzes aufweist, der die Auflösung des
Spektrometers festlegt. Alternativ kann der Detektor 58 einen
Mehrkanaldetektor aufweisen, der gleichzeitig mehr als ein
Masse-Ladungsverhältnis aufzeichnen kann.
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Der Magnetsektoranalysator 56 und der elektrostatische
Analysator 57 sind bevorzugt als doppelt fokussierendes
Massenspektrometer angeordnet, d.h. derart, daß sie zum Erzeugen eines
Bilds auf dem Detektor zusammenwirken, der sowohl
Richtungsals auch Geschwindigkeits-fokussiert ist. Es liegt jedoch
ebenfalls im Umfang der Erfindung, einen
Mehrelektrodenanalysator nach den Ansprüchen des beschriebenen Typs in anderen
Typen von Massenspektrometern einzubauen, beispielsweise als
Energiefilter zur Verbesserung der Häufigkeitsempfindlichkeit
in einem Isotopenverhältnisspektrometer, in dem der Filter
nicht mit einem Momentenanalysator zur Bildung eines doppelt
fokussierenden Massenspektrometers zusammenwirkt.
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An die Elektroden des Analysators 57 werden elektrische
Potentiale durch die Stromversorgung 60 angelegt, die bevorzugt der
in Figur 3 gezeigten ähnelt. Der Magnetsektoranalysator 56
wird durch die Stromversorgung 62 versorgt, und die
Ionenguelle 55 durch die Stromversorgung 64. Ein Computer 63 dient zur
Steuerung der Versorgungen 60, 62 und 64. Der Computer 63 ist
so programmiert, daß er die Potentiale an den Elektroden des
Analysators 57 (über die Stromversorgung 60) auf Werte setzt,
welche ein Bild der Quelle 55 auf dem Detektor 58 erzeugen,
wie in einem herkömmlichen doppelt fokussierenden
Massenspektrometer.
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Das Vorgehen für die Konstruktion eines erfindungsgemäßen
doppelt fokussierenden Massenspektrometers ähnelt jenem zur
Konstruktion eines herkömmlichen doppelt fokussierenden
Massenspektrometers, außer, daß die Fokussierungseigenschaften des
elektrostatischen Analysators nicht nur durch deren
geometrische Charakteristiken wie etwa Radius und Sektorlänge
festgelegt werden, sondern einfach durch die an die Elektroden
angelegten Potentiale. Es ist daher im Gegensatz zu einem
herkömmlichen Instrument einfach, diese Parameter zu ändern, um die
Leistung des kompletten Spektrometers zu optimieren.
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Die Erfindung ist nicht auf ein Spektrometer begrenzt, in dem
der Momentenanalysator dem Energieanalysator voransteht. Einen
Vorteil erhält man auch, falls der Energieanalysator dem
Momentenanalysator voransteht. In ähnlicher Weise kann
gegebenfalls ein erfindungsgemäßes doppelt fokussierendes
Spektrometer die Bildung eines Zwischenbilds an der Grenze zwischen
den zwei Analysatoren beinhalten, was vom Typ der verwendeten
doppelt fokussierenden Geometrie abhängt.
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Figur 8 ist ein schematisches Diagramm eines erfindungsgemäßen
Isotopenverhältnisspektrometers. Eine Quelle für geladene
Teilchen 86 erzeugt einen Ionenstrahl 87 mit
Ionencharakteristiken des Elements oder der Elemente in einer Probe, deren
Isotopenzusammensetzung zu bestimmen ist. Der Ionenstrahl 87
tritt in einen Mehrelektrodenanalysator 88 ein (der
beispielsweise gemäß Figur 4 konstruiert ist) und wird auf ein
Energiedispersions-Zwischenbild 89 abgelenkt und fokussiert. Der
Ionenstrahl läuft weiter durch das Bild 89 in einen
Magnetsektor-Momentenanalysator 90, der den Strahl in
verschiedene Strahlen 91 - 93 dispergiert, welche Ionen
unterschiedlicher Isotope aufweisen. Die Strahlen 91 - 93 werden in
einer ähnlichen Anzahl von Kollektoren 94 - 96 aufgenommen,
die zugunsten maximaler Genauigkeit typischerweise Faraday-
Kollektoren sind, sodaß die Isotopenzusammensetzung des
fraglichen Elements durch gleichzeitige Messung der durch die
Kollektoren 94 - 96 erzeugten Signale bestimmt werden kann.
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Auch möglich ist es, die Reihenfolge der Analysatoren 88 und
90 umzukehren, sodaß der Ionenstrahl 87 zuerst in den
Magnetsektoranalysator 90 eintritt. Weil die Brennebene eines
erfindungsgemäßen elektrostatischen Analysators ausgedehnter ist
als jene eines Sektoranalysators, ist es möglich, den Massen
dispergierten Ionenstrahl an dessen Eingang aufzunehmen und
eine Serie von Massen dispergiert Energie fokussierten Bildern
mit ausreichender Dispersion zu erzeugen, sodaß die
Kollektoren 94 - 96 mit weiterem Abstand voneinander angeordnet werden
können, als dies andernfalls möglich wäre. Dies verbessert die
Häufigkeitempfindlichkeit des Spektrometers und erleichtert
die Konstruktion des Kollektorsystems.
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Figur 9 zeigt ein erfindungsgemäßes Massenspektrometer, das
drei Analysatorsegmente aufweist, die jeweils nach obiger
Beschreibung konstruiert sind. Eine Ionenquelle 97 erzeugt einen
Strahl von Ionen 98, die durch den Magnetsektoranalysator 99
entsprechend ihren Masse-Ladungsverhältnissen in eine Mehrzahl
von Strahlen 100 dispergiert werden. Die Strahlen 100 treten
in einen elektrostatischen Analysator 106 ein, der drei
Segmente 101 - 103 aufweist, von denen jedes geladene Teilchen
entsprechend ihrer Energie dispergieren kann. Der Analysator
106 wirkt mit dem Analysator 99 zusammen, um an dem Detektor
104 ein Bild zu erzeugen, das sowohl Richtungs- als auch
Geschwindigkeitsfokussiert ist. Der Detektor 104 ist ein
Mehrkanaldetektor, der in Verbindung mit seiner schematisch bei
105 gezeigten Steuerung und Ausleseelektroniken eine große
Anzahl unterschiedlicher Masse-Ladungsverhältnisse
gleichzeitig erfassen kann. Die große Anzahl dem Analysator 106
zugeordneter einstellbarer Parameter gestattet es, eine sehr
genaue doppelte Fokussierung über einen weiten Bereich von
Ablenkwinkeln und Brennweiten des Analysators 106 zu halten.
Dies erleichtert die Konstruktion eines besonders
leistungsfähigen Mehrkanalspektrometers mit verschiedenen alternativen
Detektoren.
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Ebenfalls verwendbar sind Analysatorsegmente 101 und 103 zum
Ändern der Energie eines Strahls geladener Teilchen, wenn
dieser in das Segment 102 eintritt oder dieses verläßt. In dieser
Anmeldung werden die Elektroden der so verwendeten Segmente
typischerweise alle auf dem gleichen Potential gehalten.