CN106469638B - 同位素比质谱仪中的检测器和狭缝配置 - Google Patents

同位素比质谱仪中的检测器和狭缝配置 Download PDF

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Abstract

本发明描述一种在质谱仪10中配置法拉第检测器140的方法。所述质谱仪10界定中心离子束轴I，并且所述法拉第检测器140能相对于所述中心离子束轴I移动。所述法拉第检测器140包含具有检测器表面230的检测器布置以及界定离子进入所述检测器布置的入口的法拉第狭缝210，所述法拉第检测器140具有延伸穿过所述法拉第狭缝210的伸长轴A。选择所述法拉第狭缝210的宽度，并且调整所述法拉第检测器140的所述伸长轴A与所述中心离子束轴I之间的角α。这能防止入射离子到所述法拉第检测器140的检测器杯200中的准入超出所述法拉第检测器140的所述伸长轴A与离子在所述法拉第检测器140处的入射方向B之间界定的最大准入角γ的范围。

Description

同位素比质谱仪中的检测器和狭缝配置
技术领域
本发明涉及多接收器同位素比质谱仪(例如，用于元素和分子物质的高分辨率分析的扇形场质谱仪)中的检测器和狭缝的配置。
背景技术
元素和分子物质的定量分析以及通常物质的同位素比在许多科学领域中都最受关注。举例来说，元素和分子物质的精确测定及定量测定在环境科学、材料科学、生命科学和地质学中都有应用。
对于分子和元素物质的精确及精密定量质谱分析的基本挑战是在所关注的物质与具有相同标称质量的另一物质之间的干扰。难以解决的干扰的一个实例是在具有相同标称质量的样本内的同位素分子的干扰。例如，在分析甲烷时，13CH4 +、12CH3D+和12CH5 +全部具有17的标称质量，但是由于核质量亏损因此确切质量不同。
为了允许鉴别干扰物质，例如，鉴别相同标称质量的同位素分子，必需具有相对高质量精确性的质谱仪。Weyer等人在《国际质谱学杂志(International Journal of Massspectroscopy)》(226，(2003)，第355到368页)中描述了Thermo Finnigan公司销售的商标名为NeptuneTM的一种此类装置。NeptuneTM装置是一种双聚焦多接收器电感耦合等离子体(MC-ICP)质谱仪，并且可以用来测定原子离子和多原子离子的同位素份额。质谱仪的检测器室配备有多个法拉第接收器。通过质量分析仪根据离子的质荷比在空间上分隔离子。每个法拉第接收器相对于特定标称质量的原子离子和多原子离子精确地对准。法拉第接收器各自具有入口狭缝。在使用时，调整质量分析仪的参数使得跨狭缝扫描不同质量的离子。通过适当高的分辨率，可以单独地检测具有相同标称质量但是不同真实质量的离子物质。
在同一日期递交的我们同在申请中的第GB1514471.0号申请案描述了一种由赛默飞世尔科技(Thermo Fisher Scientific)开发的商标名为253Ultra(TM)的双聚焦气体同位素比质谱仪(GIRMS)。所述装置具有位于双聚焦扇形磁场质量分析仪的焦平面处的多接收器。可以使用可转换光谱仪入口狭缝自动地选择高、中和低分辨率。所述装置的分辨率能够高达数万。
多接收器包括固定轴向接收器，所述固定轴向接收器是具有法拉第杯和高灵敏度离子计数检测器(SEM)的双模式检测器。多接收器还携带8个可移动检测器平台，在固定轴向接收器的每一侧上安装4个平台。每个可移动检测器平台配备有一个法拉第检测器并且还可以携带一个紧凑型分立倍增极(CDD)离子计数检测器。因此，多接收器总共可以携带9个法拉第检测器(轴向检测器加上另外8个，在轴的每一侧上4个)以及8个CCD(同样，在轴向法拉第检测器的每一侧上4个)。
图1示出跨双聚焦气体同位素比质谱仪(例如，上文描述的253UltraTM)中的法拉第接收器的狭缝的理想高分辨率扫描。在主峰的峰肩处存在的“阶跃”是分析上所关注的，因为它可以允许识别不同的同位素分子或其它相异的物质。
图2示出当在高达例如40,000的高分辨率下操作质谱仪时有时可以观察到的具有第一信号伪影的跨法拉第检测器狭缝的扫描。伪影在图中标记为1。如可见，伪影接近峰的峰肩，在伪影中可能存在分析上关注的信息。因此图2中伪影1的存在是不合需要的。
图3示出有时也可能观察到的具有第二信号伪影的跨法拉第检测器狭缝的高分辨率扫描，所述第二信号伪影在图中标记为2。同样，在主峰的峰尾/峰肩发现伪影2，并且伪影2的存在会降低或完全掩蔽检测将在峰肩处另外可见的任何有分析价值的波峰信息的能力。
本发明力图识别并解决导致上文描述的各种非所需伪影的例如GIRMS和MC-ICPMS等同位素比质谱仪的问题。
发明内容
本发明人已经认识到由上文描述的多接收器布置引起的各种困难。
图4示意性地示出双扇形质谱仪的多接收器100的一部分连同离子束110。如上文所解释，多接收器100包括固定轴向接收器120以及多个可移动接收器(130)。在图4中，仅示出可移动接收器中的一些(130a、130b、130c、130e、130f)，并且为了清楚起见已省略CDD。如图4中可见，固定轴向接收器120位于离子束110的中心轴I上，并且焦平面P围绕离子束的中心轴I延伸，与所述中心轴I大约成45度角。可移动接收器130(以及固定轴向接收器120)沿着焦平面P横向间隔开，并且可移动接收器130中的每一个可沿着焦平面移动。可移动接收器中的至少一些(任选地全部)可以安装在相应机动化平台上。未安装在机动化平台上的任何可移动接收器可以被安装在机动化平台上的一个或多个可移动接收器推动或拉动而移动位置。典型地，每个其它接收器130安装在机动化平台上。
离子束中在空间上分隔的离子物质的离子轨迹典型地并非在焦平面P处平行。如图中可见，不同离子物质(例如，不同的同位素分子)的分隔的离子在不同的、平行的方向上行进到达焦平面P。一般来说，离子的行进方向与离子束的中心轴I之间的角随着与中心轴I距离的远离而逐渐增大。因此合乎需要的是将多个可移动接收器130的纵轴安放在相对于离子束的中心轴I成不同角处(或，等效地，相对于焦平面p成不同角处)，以便减少各种入射离子物质与法拉第检测器的相应纵轴之间的角的差。例如，相对朝外安装的可移动接收器(例如，可移动接收器130f)的法拉第检测器的纵轴A1可以在相对于中心离子束轴I成第一角α1处对准。相对朝内安装的可移动接收器(例如，可移动接收器130e)的法拉第检测器的纵轴A2可以相对于中心离子束轴I成第二角α2对准。由于不平行的离子束，因此合乎需要的是α1>α2。
有限数目个可移动接收器中的每一个意图跨质荷比的范围检测离子。每个可移动接收器可以检测的质荷比的范围能够与待相邻检测器检测的范围重叠，但是一般来说，每个可移动接收器130意图检测质荷比的预定范围内的离子，所述预定范围与(相对于中心离子束轴I的)入射离子角的特定范围相对应。每个特定离子物质将到达焦平面P，具有其自身的相对于离子束的中心轴的特定入射角。因此，选择一组折中角，针对多个可移动接收器130中的每一个可移动接收器一个折中角。经选择以安放每个可移动接收器130的折中角位于针对所述可移动接收器130的离子的最大入射角与最小入射角之间的某处。
选择可移动检测器平台中的每一个相对于中心离子束轴I的折中角对于CDD检测器而言并不存在任何困难，因为每个此类CDD的第一倍增极位于紧接在其入口狭缝后方，使得能良好耐受入射离子相对于每个CDD的到达角度的变化。然而，对于法拉第检测器，已发现可接受的是在法拉第检测器处离子入射角的低得多的范围。参考图5可以理解对于此问题的明显原因。
固定和可移动接收器的法拉第检测器140a到140h具有类似构造，并且图5中以示意图形式示出了其中的一个。法拉第检测器包括在方向A上为长形的杯200。在图5的实施例中，法拉第检测器140以角度α安装，所述角度界定为法拉第检测器140的所述纵轴A与中心离子束轴I之间的角。
杯200在朝向入射离子束的杯200的第一开口端220处具有法拉第狭缝210。杯200内部是石墨衬垫230。在使用时，离子通过法拉第狭缝210进入杯200并且撞击石墨衬垫230从而导致产生二次电子。如所属领域的技术人员将熟悉的，对二次电子进行捕获和计数。
法拉第检测器140的石墨衬垫230位于内壁处并且朝向杯的底端240。法拉第检测器140还包括二次离子排斥板250，其安装在石墨衬垫230与法拉第狭缝210之间。
已发现，到达法拉第检测器中的特定一个法拉第检测器处的离子的行进方向B与所述特定法拉第检测器140的纵轴A之间的角γ对于高分辨率分析是重要的。具体地说，合乎需要的是，此“离轴”角γ相对较小，使得离子束110穿过法拉第狭缝210到杯200中，并且朝向杯的底端240撞击石墨衬垫230。然而，如果离子束110以相对较大离轴角γ经由法拉第狭缝210进入法拉第检测器140，那么离子束会远离杯的底端240撞击法拉第检测器的侧壁，如图5所示。这会导致更接近法拉第狭缝210产生二次电子(图5中标记为e-)。如果二次电子的产生太接近杯200的开口端220，那么它们可能经由法拉第狭缝210离开法拉第检测器140，因为它们在二次离子排斥板250处的能量可大于所述二次离子排斥板250的势能。据相信，图2中的伪影1是由法拉第检测器140处离子的此离轴入射引起的损失二次电子导致的结果。
为了解决此问题，根据本发明的第一方面，提供一种在质谱仪的多接收器中配置法拉第检测器的方法，其中所述质谱仪界定中心离子束轴I，并且此外，其中所述法拉第检测器能相对于所述中心离子束轴I移动，且所述法拉第检测器包含具有检测器表面的检测器布置以及界定离子进入所述检测器布置的入口的法拉第狭缝，所述法拉第检测器具有延伸穿过所述法拉第狭缝的伸长轴A；所述方法包括以下步骤：(a)选择所述法拉第狭缝的宽度；以及(b)调整所述法拉第检测器的角α，其中α表示所述法拉第检测器的所述伸长轴A与所述中心离子束轴I之间的角，以便防止入射离子到所述法拉第检测器的检测器杯中的准入超出所述法拉第检测器的所述伸长轴A与离子在所述法拉第检测器处的入射方向B之间界定的最大准入角γ的范围，其中根据标准选择α和/或γ，所述标准是进入所述检测器布置的离子应在某一位置处撞击所述检测器表面，所述位置能防止由此产生的二次电子经由所述法拉第狭缝离开所述法拉第检测器。本发明还延伸到一种置于配置有计算机程序的控制器的控制下的多接收器，所述计算机程序当被执行时实施所述方法以便配置所述或每个法拉第检测器。
本发明的各方面因此提供一种布置，其中法拉第检测器中的波峰具有平坦顶部，也就是说，不存在由损失的电荷引起的伪影。这通过以下过程得以实现：例如，选择法拉第接收器角(α)(例如，反复地)，和/或对于给定光谱仪入口狭缝宽度，将法拉第狭缝宽度减小到消除伪影导致的影响的大小，同时仍然保持到法拉第检测器中的最佳离子传输。优选地，当针对相应法拉第检测器调整或设定单一法拉第接收器角(α)时，法拉第接收器角(α)经过如此调整或设定使得进入检测器布置的离子在某一位置处撞击检测器表面，所述位置能防止由此产生的二次电子经由法拉第狭缝离开法拉第检测器，而不管法拉第检测器沿着焦平面位于何处(“折中”角)。
在优选实施例中，可以(例如，反复地)识别在多个法拉第检测器中的每一个法拉第检测器的纵轴与相应多个法拉第检测器中的每一个法拉第检测器处的中心离子束轴之间的折中角，使得针对所有法拉第检测器消除伪影1，而不管每个检测器沿着焦平面置于何处。由于离子束在焦平面处的发散，因此每个法拉第检测器可以具有其自身的不同于其它法拉第检测器的折中角的相应(固定)折中角。例如，在横向于离子束行进方向的方向上，相对更接近中心固定轴向接收器的第一法拉第检测器的折中角可以小于相对更远离固定轴向接收器的第二法拉第检测器的折中角。
在可以识别折中角并且适于正跨法拉第接收器中的特定一个的允许移动范围避免电荷损失问题的情况下，则可以在仪器的初始设置期间确定此。接着，可以在仪器校准期间固定法拉第接收器相对于焦平面P(或同等地，相对于离子束的中心轴I，固定轴向接收器安装在所述中心轴上)的定向，也就是说，固定用以解决跨法拉第接收器的移动范围的电荷损失的确定折中角。具有针对给定法拉第检测器的固定折中角简化了在其上安装所述给定法拉第检测器的可移动接收器所需的机械支撑，因为法拉第检测器接着仅需要在与焦平面P大体平行的方向上可移动。这可能是因为无法识别解决方案以针对法拉第检测器中的一个、一些或甚至全部提供(固定)折中角，这导致跨所述或每个特定法拉第检测器的全范围移动消除来自检测器中的所述或每个检测器的伪影。在这种情况下，可以可调整法拉第检测器中的一个、一些或全部相对于固定轴向接收器(或同等地，相对于焦平面或中心离子束轴I)的角。换句话说，法拉第检测器中的至少一个(任选地全部)的角可以随所述法拉第检测器沿着焦平面的位置而机械地改变。例如，法拉第检测器中的一个或多个可以枢转方式安装于在基本上平行于焦平面的第一方向上延伸的轨道或支撑件上。接着，可以使法拉第检测器沿着所述第一方向更接近或进一步远离离子束的中心轴I移动。所述(或每个)法拉第检测器的枢转安装还允许法拉第检测器围绕垂直于第一方向的轴旋转。这允许调整法拉第检测器的纵轴相对于焦平面以及因此相对于中心离子束轴I的角。在这种情况下，控制器可经配置以控制可移动接收器(其包含法拉第检测器)沿着第一方向的移动，同时亦控制法拉第检测器的纵轴相对于焦平面以及中心离子束轴I的方向(即，角)。换言之，控制器控制法拉第检测器沿着线的移动以及围绕垂直于所述线的轴的旋转两者，使得当法拉第检测器相对于中心固定轴向接收器的间距改变时，法拉第检测器的纵轴相对于所述固定轴向接收器的角也改变。因此，当法拉第检测器沿着焦平面移动(以允许其检测不同质荷比的离子)时，法拉第检测器的纵轴可以维持或多或少与所述质荷比的入射离子平行。以此方式，改善或解决损失电荷的问题。
代替法拉第检测器相对于单一轨道等的单一枢转安装(其中所述轨道优选地在基本上平行于焦平面的方向上延伸)，所述或每个法拉第检测器可以改为在第一和第二间隔开的非平行轨道上径向安装。接着，当法拉第检测器沿着轨道移动时，轨道之间的改变的间距将使得法拉第检测器的纵轴相对于焦平面以及中心离子束轴I的角发生改变。在一个实施例中，第一和第二支撑轨道可以各自是线性的，使得所述轨道之间的分离度的变化率恒定。这使得取决于法拉第检测器相对于中心离子束轴I的位置，每个法拉第检测器的纵轴的角的变化率恒定。可替换的是，支撑轨道中的一个或两个可以被弯曲，使得相对于法拉第检测器与中心离子束轴I之间的分离度，纵轴的角存在非线性(不恒定)的改变。再进一步，第一和第二轨道支撑件的一些部分可以彼此平行，同时所述轨道的其它部分不平行，例如，弯曲。这允许在法拉第检测器沿着第一方向的移动的第一部分上维持纵轴相对于焦平面P的恒定角，而在法拉第检测器沿着所述第一方向的移动的第二部分上，焦平面P与法拉第检测器的纵轴之间的相对角可以例如在计算机控制下改变。
因此应理解，有可能组合法拉第检测器的固定折中角和法拉第检测器的可变角这两个概念。取决于散开的离子束的量，例如，可能必需或要求可移动法拉第检测器中的仅一些具有相对于离子束的焦平面或中心离子束轴I的可变角。具体地说，相对朝外定位的法拉第检测器(例如，可移动接收器130f中的检测器)可以安装在弯曲或以其它方式非线性的支撑件/轨道上，而相对朝内定位的法拉第检测器(例如可移动接收器130e中的检测器)可以相对于中心固定轴向接收器成固定角定位。
例如，多接收器可以包括N个法拉第检测器的N个法拉第检测器(例如，N可以是9)，中心法拉第检测器可能固定在界定横向轴的位置中，并且具有相对于入射离子束的焦平面成第一角存在的检测器主体。总共N个法拉第检测器中的第一组M个法拉第检测器(M<N)可以横向于中心法拉第检测器定位，并且可以沿着入射离子束的焦平面相对可移动以便调整在它们之间或在M个法拉第检测器中的至少两个之间沿着所述焦平面的分离度，但是然而，在M个法拉第检测器中的每一个之间的角保持固定，优选地，固定为相应的先前识别的折中角。
然而，第二组P个法拉第检测器(同样，P<N，并且优选地，P+M+1＝N)也可以相对于中心固定法拉第检测器/焦平面相对可移动，但是可以在它们横向移动时相对于焦平面具有可变角。那些P个法拉第检测器(例如)可以甚至在横向方向上的第一移动范围上具有相对于焦平面的固定角，同时在横向方向上的第二移动范围上具有相对于焦平面的可变角。一般来说，M和P中的每一个可以是从0到N-1的数字，只要P+M+1＝N。
还提供用于同位素比质谱仪的多接收器，所述质谱仪界定所述多接收器所位于其上的中心离子束轴，所述质谱仪被布置成将离子束中的离子从离子源朝向所述多接收器传送；所述多接收器包括：至少一个可移动接收器，所述可移动接收器包含：法拉第检测器，所述法拉第检测器界定纵轴A；被配置成面对入射离子束的法拉第狭缝，所述纵轴A穿过所述法拉第狭缝；以及用于检测穿过所述法拉第狭缝的离子的检测器布置；导引件，所述可移动接收器被布置成在所述导引件上移动，所述导引件在具有正交于所述中心离子束轴I的分量的第一平移方向上延伸；旋转连接件，所述旋转连接件用于连接所述可移动接收器与所述导引件，所述连接件界定垂直于所述第一平移方向的旋转轴；用于使所述可移动接收器沿着所述导引件移动的构件；用于使所述可移动接收器围绕所述旋转轴在第二旋转方向上旋转的构件；以及控制器，所述控制器被配置成控制所述可移动接收器沿着所述导引件的所述移动以及所述可移动接收器围绕所述旋转连接件的所述旋转两者，以便将准入角γ约束为不超过当所述可移动接收器沿着所述导引件移动到不同位置时的预定最大准入角γmax，所述准入角γ界定为在穿过所述法拉第狭缝的所述离子束中的离子的行进方向与所述法拉第检测器的所述纵轴A之间的角。
本发明人已经认识到的另一个问题在实施更高分辨能力的扫描时有时会观察到。认为图3中在波峰的边缘处显示的伪影2是当离子撞击法拉第狭缝的边缘时形成的电子云的结果。此电子云使强度对比质量扫描下跌。在较低分辨率扫描中，虽然狭缝入口处的离子入射可以形成电子云，但是趋于不能观察到检测器输出上的此类电子云的任何负面影响，因为波峰的边缘趋于相对缓慢地上升和下落。然而，在较高分辨率扫描中，尤其是分辨率可以高达40,000的Ultra-253仪器中的那些较高分辨率扫描，波峰边缘趋于更陡，因此电子云的影响可变得显而易见。
为了解决第二个问题，提供用于同位素比质谱仪的多接收器，所述多接收器包括多个接收器，所述多个接收器中的每一个包含检测器，所述检测器具有含检测器布置的检测器主体以及在进入所述检测器主体的方向上具有第一和第二对置表面的检测器正面，所述检测器正面界定入口狭缝；其特征在于，所述入口狭缝具有开口，所述开口在所述检测器面的第一正表面上比在所述检测器面的第二对置的背表面上更小。在多接收器中使用此类狭缝形状会抑制狭缝边缘处的二次电子云，并且因此消除了扫描的肩处的负面的突降。此狭缝形状的使用对法拉第检测器以及多接收器内的CDD均适用；具体地说，已发现靠近具有平行侧的狭缝产生的电子云在这两种类型的检测器中都存在。使用本发明的各方面的修改后的狭缝形状因此具有消除法拉第检测器和CDD两者的输出中产生的伪影的益处。
本发明还延伸到一种同位素比质谱仪，例如双聚焦MC-ICP-MS、双聚焦气体同位素比MS等，所述同位素比质谱仪包括离子源、用于选择所关注物质的离子的扇形磁场和任选地扇形电场、以及如上文所界定的多接收器。
附图说明
本发明可以通过多种方式实施并且现将仅借助于实例且参考附图来描述一些特定实施例，在附图中：
图1示出跨同位素比质谱仪中的法拉第接收器的狭缝的理想高分辨率扫描；
图2示出具有第一信号伪影的跨同位素比质谱仪的法拉第检测器狭缝的高分辨率扫描；
图3示出具有第二信号伪影的跨同位素比质谱仪的法拉第检测器狭缝的高分辨率扫描；
图4示意性地示出包含多个法拉第检测器的双扇形质谱仪的多接收器的一部分；
图5示意性地示出通过图4的法拉第检测器的一个的区段；
图6示出具有多接收器的双聚焦气体同位素比质谱仪的示意性平面图，所述多接收器包含安装在中心离子束轴上的固定接收器，以及安装在中心离子束轴周围的可移动接收器，所述可移动接收器中的每一个包括法拉第检测器；
图7示出图6的可移动接收器中的一个可移动接收器在两个位置中的示意性平面图，每个可移动接收器相对于中心离子束轴成相同角；
图8示出图6的可移动接收器中的一个可移动接收器在多个位置中的示意性平面图，每个可移动接收器相对于中心离子束轴成不同角；
图9示出图6的可移动接收器中的一个的示意性平面图，说明本发明的实施例；
图10示出图6的可移动接收器中的一个的示意性平面图，说明本发明的替代实施例；
图11示出穿过具有根据现有技术配置的法拉第狭缝的法拉第检测器的端部的示意性截面图；以及
图12示出穿过具有根据本发明的另一实施例配置的法拉第狭缝的法拉第检测器的端部的示意性截面图。
具体实施方式
首先参考图6，示出双聚焦气体同位素比质谱仪10的示意性图示。在通过经由连接件31、32连接的电源30供电的离子源20处产生离子。经由一个或多个离子光学装置(未示出)，使离子加速并穿过静电分析仪(ESA)40，所述ESA有助于聚焦离子束并且选择所需能量的离子。离子随后进入聚焦四极50以进一步集中离子束。在离开聚焦四极时，离子束穿过遮罩60中界定的出口孔口，且接着向前通过扇形电磁70处施加的磁场。
遮罩60处的出口孔口具有不同的可能宽度，所述宽度能测定离子束的分辨率。由于孔口允许聚焦离子束的仅一部分穿过，因此选择具有更大面积或更宽狭缝的孔口允许离子束的更多部分(换句话说，大量离子)穿过到磁场中，并且因此提供更敏感的测量。然而，更小面积或更窄孔口可以有利于减少离子光学像差，由此传递针对测量的改进的分辨率，尽管会以一些灵敏度为代价。
在扇形电磁70处的磁质量分析仪内，所施加的磁场导致方向的改变或离子的偏转。具有更大质量的离子比具有更小质量的离子更少偏转，从而导致根据离子的质荷比的离子的空间分离度。分隔的离子离开磁质量分析仪70并且传递到检测器室80中。在检测器室80内布置了包含多个法拉第检测器和常规微分检测器(CCD)的多接收器100。具体地说，检测器的一般布置如上文结合图4所述，其中存在固定轴向接收器120，所述固定轴向接收器具有法拉第检测器以及8个另外的可移动接收器(在固定轴向接收器的每一侧安装4个)，所述可移动接收器中的每一个可以具有法拉第检测器和CDD(图6中未示出)。
法拉第检测器140沿着离子束的焦平面P布置，以便同时获得在空间上分离的离子的每个物质。可以通过具有控制模块和分析模块的计算机90控制质谱仪10的操作和数据的采集。
图7示出检测器室80内的可移动法拉第检测器140f中的一个在第一和第二位置中的高度示意性简化平面图。对于此处的描述，所选择的特定法拉第检测器的识别不具有特定意义；本发明在其若干优选实施例中同等地适用于任何可移动法拉第检测器，并且实际上同样可以部分地适用于固定轴向检测器，如将从以下描述中显而易见的。还应了解，图7并非按比例绘制；实际上，已经放大一些尺寸以便更好地理解所涉及的原理。
法拉第检测器140f自身以上文结合图5所描述的方式构造，并且因此此处为简洁起见将不重复其细节(杯、石墨衬垫、法拉第狭缝等)。
在图7的布置中，可移动法拉第检测器140f的纵轴A安装在相对于中心离子束轴成固定角α处。对于示出的法拉第检测器的两个位置，平行于中心离子束轴I并且与可移动法拉第检测器的纵轴A相交的轴在图7中标记为I'和I”。
在图7中示出的法拉第检测器140f能够沿着与焦平面P平行延伸的轴C-C'移动，也就是说，法拉第检测器140f的移动轴优选地与中心离子束轴I成45度或大约45度。可以使用驱动电机等(未示出)使法拉第检测器140f沿着轨道或其它线性支撑件(也未在图7中示出)移动，所述轨道或其它线性支撑件沿着方向C-C'延伸。以此方式，法拉第检测器可以定位在多个位置处(在图7中仅示出其中的两个)，以便与从扇形电磁装置70到达的离子在根据离子的质荷比沿着焦平面P的不同位置处对准。当然也可能或替代地为法拉第检测器140f的手动或机械移动。
离子束110并不在焦平面处平行，而是实际上至少稍微呈扇形，使得不同质荷比的离子在焦平面P处彼此发散。另一方面，法拉第检测器的角α固定。这意味着，在法拉第检测器140f的法拉第狭缝210中的开口处，入射离子与法拉第检测器140f的纵轴之间的“离轴角”在图7中示出的法拉第检测器的两个位置之间有所不同。一般来说，由于扇形离子束，随着法拉第检测器朝向中心离子束轴I移动，离轴角减小，并且随着法拉第检测器从中心离子束轴I移开，离轴角增大。
法拉第检测器140f具有沿着轴C-C'的有限移动范围。通过最外层可移动接收器(130f和130h)之间的最大分离度界定沿着焦平面的角/位置的全范围，图6的多接收器100可以在所述全范围检测入射离子。使用那些检测器(朝内定位的可移动检测器130a、130b、130c、130e、130f、130g中的一个或另一个或固定轴向接收器120)检测那两个末端之间的角和位置。选择角α或其衍生物(例如，相对于焦平面测量的角)，以便避免入射离子撞击法拉第检测器140f的内侧壁以及产生太接近法拉第狭缝210的电子使得电子被损失而不是捕获在法拉第检测器内。具体地说，根据本发明的一个方面，跨法拉第接收器140中的给定一个法拉第接收器的移动范围，离子束以角度α进入法拉第接收器，所述角度α充分为锐角，使得所产生的基本上所有二次电子被捕获和检测/计数，而不是经由法拉第狭缝210从法拉第检测器损失。
法拉第狭缝210的宽度优选地减少到最小宽度，但是仍然为离子提供平顶峰形状，即使对于最低光谱仪分辨率设定(使用在遮罩60中界定的最宽的可用光谱仪入口孔径)。在图6中示出的布置中，遮罩60中的入口孔径的宽度(以及离子光学器件的放大率)决定法拉第狭缝210的宽度。因此，根据本发明的实施例，可以实施初始设置程序。可以在质谱仪的构造或安装期间实施所述程序，接着在后续使用期间固定各种选择参数，或质谱仪10的计算机90可以经编程以在仪器的每次启动期间运行设置例程，或可以甚至经编程以在使用期间每隔一定间隔或指定间隔运行校准。
如下进行设置。一旦离子束线已经与多接收器100和固定轴向接收器120恰当地对准，就针对法拉第检测器140中的特定一个法拉第检测器选择法拉第狭缝宽度。狭缝宽度的选择将取决于例如所配置的特定仪器的预定用途。例如，最佳或适合于检测高质量离子物质(比方说，铯到铀离子)的狭缝宽度可以与适合于基于碳的简单分子(CHx、CO、CO2等)的狭缝宽度不同。
随后，识别针对多个可移动接收器中的每一个的角，并且具体地说，法拉第检测器40中的每一个的角。基于以下进行针对每个法拉第检测器140的合适的角的识别：针对沿着特定检测器的焦平面P的所有可能位置寻找避免图2中示出的伪影1的问题的解决方案，也就是说，寻找针对每个法拉第检测器140的角，在所述角处离子被捕获到所述法拉第检测器内部深处，使得二次电子不能逸出。因此识别的角此后被称为“折中角”。
与这种解决方案相关的组件的几何结构和尺寸使得合适角的理论计算是不切实际的。此外，质谱仪具有广泛范围的潜在应用，并且不同应用将要求特定的不同离子物质的精确/高分辨率检测。每个物质将到达相对于离子束的焦平面P的不同位置/角，因此在将避免由二次电子损失引起的伪影的情况下不足以简单地选择单一的一般法拉第检测器角。
替代地，凭经验确定针对所述问题的所述(或至少一个)解决方案。基于针对预期的特定仪器应用的先前识别的合适角，可以使用用于反复分析的开始点。可以通过使用产生已知质荷比的离子(并且具体地说，与仪器当投入使用时意图分析的那些离子物质类似或相同的离子物质)的一个或多个测试样本实现最佳折中角的反复识别。
跨法拉第检测器140中的相应适当的法拉第检测器的法拉第狭缝扫描由一个或多个测试样本产生的离子。通过使用者或通过软件分析研究所得扫描(例如图1和2的扫描)以寻找伪影，例如图2中示出的伪影1。如果在来自特定法拉第检测器的扫描中存在伪影，那么相对于中心离子束轴I调整所述特定法拉第检测器的纵轴的角，以提供不同的角，在所述角处理想地是不存在伪影。接着针对跨每个法拉第检测器140的移动范围的其它位置重复所述过程，直到针对所有此类位置消除伪影1或使其减到最小。
在实践中，可有可能简单地选择可移动接收器相对于中心离子束轴I的第一试验角、使可移动接收器移动到沿着焦平面P的其行进范围的一个末端、实施上文描述的扫描、且接着在沿着焦平面P的行进范围的另一个末端处进行重复。如果在因此实施的两次扫描的任一者中观察到伪影1，那么选择可移动接收器相对于中心离子束轴I的新的角并且重复上述步骤。反复重复直到在所设置的特定可移动接收器的移动范围的任一端处发现在扫描中看不见伪影的角。之所以可能仅必需在每个可移动接收器的移动范围的末端处实施扫描是因为离子束的发散形状。如果针对可移动部件所选择的角能解决每个末端处的二次电子损失问题，那么必须解决在那些末端之间的所有位置处的问题。
接着选择在特定可移动接收器的行进范围的两端处每个法拉第检测器的纵轴相对于中心离子束轴I/固定轴向接收器120的纵轴的所述(或一个)角度作为所述可移动接收器的折中角，在所述角度处伪影1被消除或其存在的可能性减到最小。取决于各种因素，可能存在相对窄范围或相对宽范围的角，所述角解决了二次电子损失的问题，因此可以作为折中角采用。
由于离子跨离子束的发散，针对靠近固定轴向检测器120的检测器中的第一个(例如，法拉第检测器140a)识别的折中角可能不适用于更远离固定轴向检测器120的检测器(例如，法拉第检测器140d)。因此，可以相对于可移动接收器130中的一些或全部单独地实施用于凭经验确定合适折中角的反复程序。
上文描述的反复程序选择但是接着固定每个法拉第检测器140的纵轴相对于中心离子束轴I的角度。换句话说，一旦针对给定法拉第检测器140识别或选择了折中角，接着就使所述折中角保留和维持恒定，除非并且直到决定再校准质谱仪。这样的好处是每个法拉第检测器140经安装以沿着轨道或支撑件在方向C-C'(图7)上移动的布置可以相对简单，从而减少成本和复杂度。
然而，作为替代方案并且如现将参考图8、9和10所描述，法拉第检测器140中的一个、一些或全部可以经安装以便在第一方向(一般来说，与入射离子束的焦平面P平行的方向)上可移动，并且还可围绕正交到其上的第二轴旋转，以便允许每个法拉第检测器140的纵轴相对于中心离子束轴I呈现一系列角。
首先参考图8，示出分别在相对于固定轴向接收器120/中心离子束轴I的第一位置、第二位置和第三位置中的多个法拉第检测器140f中的一个。如先前所述，对于以下描述，选择法拉第检测器140f不具有特定意义；所采用的技术同等地适用于多个可移动接收器130a到130h中的任何。此外，图8并非按比例绘制，并且已经放大角度以辅助解释。
在其中法拉第检测器140f在沿着离子束的焦平面P的方向上最远离中心离子束轴I的第一位置中，法拉第检测器的纵轴相对于中心离子束轴I之间的角α1相对较大。在其中法拉第检测器140f在沿着离子束的焦平面P的方向上相对更接近中心离子束轴I的第二位置中，法拉第检测器的纵轴相对于中心离子束轴I之间的角α2小于角α1。在第三位置中，法拉第检测器140f在沿着离子束的焦平面P的方向上相对最接近于中心离子束轴I。此处，法拉第检测器的纵轴相对于中心离子束轴I之间的角α3小于角α2。
如先前所提到，到达焦平面P处的离子被发散(也就是说，离子束在焦平面P处稍微呈扇形)。通过允许当法拉第检测器140f沿着离子束110(图8中未示出)的焦平面P移动时改变或调整角α，可以减小或甚至基本上消除入射离子与法拉第检测器140f的纵轴之间的相对角。这转而允许解决/消除图2中示出的伪影1。图8中示出的布置中未选择单一折中角，而是实际上在法拉第检测器的纵轴相对于中心离子束轴I之间可以存在一系列角。这转而可以允许提供较宽范围的法拉第狭缝宽度；具体地说，如果可以在法拉第检测器沿着焦平面P移动时调整法拉第检测器的纵轴相对于中心离子束轴I之间的角α，那么可有可能采用比在消除伪影的情况下将以另外的方式可获得的宽度更宽的法拉第狭缝宽度。这转而可以允许实现更高的仪器灵敏度。
图9示意性地示出可移动接收器130的一种可能的机械布置，其在沿着离子束的焦平面P的线性方向上以及在围绕由法拉第检测器140界定的轴的旋转方向上均允许法拉第检测器140移动。同样为了清楚起见，已经省略了形成可移动接收器130的CDD和其它组件。
如图9中所示，可移动接收器130安装在轨道300上，所述轨道在一般与离子束的焦平面P平行的方向C-C'上延伸，也就是说，在优选实施例中，在相对于中心离子束轴I成大约45度角的方向上延伸。可移动接收器130经由可枢转连接件310连接到轨道300，所述可枢转连接件允许法拉第检测器140在图中标记为D-D'的方向上旋转。在图9的实施例中，出于机械效率的目的，可枢转连接件310优选地连接在轨道300与可移动接收器130上在所述可移动接收器的质量中心处或接近质量中心的点之间。
可移动接收器130可以连接到计算机90，并且可以通过计算机控制下的一个或多个电机驱动。一个或多个电机可以在方向C-C'上线性地驱动可移动接收器130，并且还可以使法拉第检测器在方向D-D'上旋转。例如，可以在计算机90的控制下采用步进式电机，以便允许取决于可移动接收器130在轨道300上的线性位置而选择有限数目个角α中的一个。角α可能随着沿轨道300的位置线性地改变，或可以取决于离子束的特定轮廓在横向于离子束行进方向的方向上非线性改变。再进一步，角α可以跨方向C-C'上的可移动接收器130的行进范围的一部分可变，但是在所述行进范围的不同的一部分上固定(例如，成预定折中角)。
应理解，可以在多个可移动接收器中的所有或仅一些可移动接收器中采用图9中的布置(以及没有可移动接收器采用图9中的布置)。例如，可能是相对更接近固定轴向接收器120的可移动接收器130具有在可移动接收器130与轨道300(在所述轨道上所述可移动接收器在线性方向C-C'上移动)之间的非枢转连接件。对于那些可移动接收器，接着针对可移动接收器沿着轨道300的所有线性位置选择(单一)折中角。然而，相对朝外定位的可移动接收器130可以具有图9中示出的可枢转连接件310。当对于可接受宽的法拉第狭缝、对于相对接近离子束的中心轴I到达焦平面的离子，可以发现避免伪影1(图2)的折中角时，此类布置可以是适用的，而对于在相对远处的位置处到达焦平面P的离子，单一折中角可能不适合于避免伪影1，而无须使用不可接受地窄的法拉第狭缝210。
图10示出用于可移动接收器130的线性和旋转移动的替代机械布置。在图10的布置中，与图9的布置相同的组件以相似参考标号示出。
在图10中，在相对于中心离子束轴I的第一和第二位置中以高度示意性平面图(相对于图6中示出的质谱仪10)示出了可移动接收器130e。同样，为例示本发明的此实施例而选择可移动检测器130e不被视为具有任何意义。
在图10中，与图9相比，可移动接收器130e在一对不平行的轨道300a、300b上安装在其第一和第二端部处。具体地说，在可移动接收器130e与第一轨道300a之间朝向法拉第检测器140e的开口端220提供第一可枢转连接件300a。在可移动接收器130e与第二轨道300b之间朝向法拉第检测器140e的杯200的底端220提供第二可枢转连接件300b。例如在计算机90的控制下的电机等可以沿着方向C-C'上的第一轨道300a和第二轨道300b驱动可移动接收器130e。在图10中，第一轨道300a在一般与焦平面P平行的方向上延伸，而第二轨道300b以不平行于焦平面P的角度延伸。在与中心离子束轴I平行的方向上两个轨道300a与300b之间的改变的分离度致使可移动接收器130e以及因此法拉第检测器140e围绕穿过可移动接收器130e并且界定在进出页面的方向上的轴旋转(如在图10中可见)。
在图10中，两个轨道300a、300b各自是线性的(但是不平行)，使得轨道之间的分离度随着在方向C-C'上的距离而不断地改变。可以设想其它布置；例如轨道中的一个或两个可以弯曲；两个轨道可以沿着其长度的一部分平行并且沿着其长度的另一部分不平行(直式或弯曲)；或两个轨道300a、300b的分离比率可以在其长度的不同部分处不同。
图11示出穿过现有技术法拉第狭缝1的示意性截面图。狭缝经过激光分割并且狭缝1的侧壁2一般来说平行。本发明人已经识别图3中示出的伪影2(扫描的峰肩处的突降)并且已经断定这些突降是由狭缝侧壁的形状引起。具体地说，本发明人认为伪影2是由入射到图11中的狭缝的离子撞击狭缝1的内侧壁2所引起，从而导致二次电子3，所述二次电子在狭缝1的边缘处形成电子云使得通过法拉第检测器收集电子中的至少一些。狭缝边缘处的此电子云被认为是使图3的扫描中的强度对比质荷比下跌的原因。
图12示出穿过板420的示意性截面图，在所述板中形成具有根据本发明的另一方面的形状的法拉第狭缝210。如图12中所见，狭缝入口的侧壁400形成有斜坡，使得板420的正面410处的狭缝入口比板420的背面415处的狭缝开口更窄。以这种方式，以相对于板420的正面410成90度以及大约90度的一系列角在板420的正面410处到达的离子无法“碰见”法拉第狭缝210的侧壁400。此形状防止了在入射离子束撞击法拉第狭缝210的内侧壁400时二次电子的形成。
可以使用多种材料处理技术形成图12的形状的法拉第狭缝210，例如激光切割、研磨、抛光等。
虽然图12中示出的侧壁400具有在板420的正面410与背面415之间的恒定斜率，但是它们不需要因此。例如，侧壁可以是弯曲的(例如，凸面的)使得在法拉第狭缝210的侧壁400之间的分离度的变化率在从板420的正面410到背面415的方向上增大。
虽然已经描述了一些特定实施例，但是应理解，这些特定实施例仅仅是出于说明的目的，并且技术人员可以设想各种修改或替代方案。

Claims (6)

1.一种用于同位素比质谱仪的多接收器，所述多接收器包括多个接收器，所述多个接收器中的每一个包含检测器，所述检测器具有含检测器布置的检测器主体以及在进入所述检测器主体的方向上具有第一和第二对置表面的检测器正面，所述检测器正面界定入口狭缝；其特征在于，所述入口狭缝具有开口，所述开口在所述检测器面的第一正表面上比在所述检测器面的第二对置的背表面上更小。
2.根据权利要求1所述的多接收器，其中在所述检测器面的所述第一正表面与所述检测器面的所述第二对置的背表面之间，所述开口的尺寸以基本上恒定的比率增加。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的多接收器，其中所述检测器是法拉第检测器。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的多接收器，其中所述检测器是紧凑型分立倍增极(CDD)离子计数检测器。
5.一种双聚焦ICP-MS，其包括离子源、用于选择所关注物质的离子的扇形电场和/或扇形磁场、以及根据权利要求1到4中的任一项所述的多接收器。
6.一种双聚焦同位素比质谱仪，其包括离子源、用于选择所关注物质的离子的扇形电场和/或扇形磁场、以及根据权利要求1到4中的任一项所述的多接收器。
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