DE102004006997B4

DE102004006997B4 - Ionendetektor

Info

Publication number: DE102004006997B4
Application number: DE102004006997A
Authority: DE
Inventors: Robert Harold Knutsford Bateman; Martin Bowden Altrincham Green; Jeff Hyde Brown
Original assignee: Micromass UK Ltd
Current assignee: Micromass UK Ltd
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: GB0403178D0; GB2398924C; GB2398924B; CA2457522A1; GB0403184D0; DE102004006998A1; CA2457522C; GB2399677B; DE202004002190U1; CA2457516A1; DE102004006998B4; GB2398924A; DE202004002189U1; GB2399677C; CA2457516C; GB2399677A; DE102004006997A1

Abstract

Verfahren zum Detektieren von Teilchen mit den folgenden Schritten:
Empfangen von Teilchen an einer Eintrittsfläche einer Mikrokanalplatte (8).
Abgeben von Elektronen von einer Austrittsfläche der Mikrokanalplatte (8), wobei die Austrittsfläche eine erste Fläche aufweist, und
Empfangen von wenigstens einigen der Elektronen auf einer Detektionsfläche eines Detektors (9) mit einer zweiten Fläche,
Erzeugen eines zeitlich veränderlichen elektrischen und/oder magnetischen Ablenkungsfeldes zwischen der Mikrokanalplatte (8) und dem Detektor (9) zum kontinuierlichen Ablenken, Führen oder Drehen von Elektronen zwischen verschiedenen Bereichen der Detektoroberfläche, so dass zu einer ersten Zeit t₁ von der Mikrokanalplatte (8) abgegebene Elektronen in einem ersten Bereich der Detektionsfläche (10) empfangen werden und zu einer zweiten späteren Zeit t₂ von der Mikrokanalplatte (8) abgegebene Elektronen in einem zweiten vom ersten Bereich verschiedenen Bereich der Detektionsfläche (10) empfangen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von Teilchen, einen Detektor zur Verwendung in einem Massenspektrometer und ein mit einem entsprechenden Detektor ausgebildetes Massenspektrometer.
Ein bekannter Ionendetektor für ein Massenspektrometer ist ein Mikrokanalplatten-Detektor ("MCP-Detektor"). Eine Mikrokanalplatte besteht aus einer zweidimensionalen periodischen Anordnung von Glaskapillaren (Kanälen) mit einem sehr kleinen Durchmesser, die miteinander verschmolzen sind und zu einer dünnen Platte geschnitten sind. Der Mikrokanalplatten-Detektor kann mehrere Millionen Kanäle aufweisen, wobei jeder Kanal als ein unabhängiger Elektronenvervielfacher wirkt. Ein in einen Kanal eintretendes Ion wechselwirkt mit der Wand des Kanals und bewirkt, daß Sekundärelektronen von dieser abgegeben werden. Die Sekundärelektronen werden dann durch ein elektrisches Feld, das durch Anlegen einer Spannungsdifferenz über die Mikrokanalplatte über ihre gesamte Länge aufrechterhalten wird, zu einer Austrittsfläche der Mikrokanalplatte beschleunigt.
Die von einem einfallenden Ion erzeugten Sekundärelektronen laufen auf parabolischen Flugbahnen entlang einem Kanal, bis sie auf die Wand des Kanals treffen und bewirken, daß weitere Sekundärelektronen erzeugt oder abgegeben werden.
Dieser Prozeß der Erzeugung von Sekundärelektronen wird entlang dem Kanal wiederholt, so daß sich eine Kaskade mehrerer tausend Sekundärelektronen aus dem Einfall eines einzigen Ions ergeben kann. Die Sekundärelektronen treten dann aus der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte aus und werden detektiert.
Es ist bekannt, zwei Mikrokanalplatten bereitzustellen, die sandwichförmig miteinander verbunden sind und in Reihe betrieben werden. Die beiden Mikrokanalplatten werden auf einer hohen Verstärkung gehalten, so daß ein einziges Ion, das an der ersten Mikrokanalplatte ankommt, bewirken kann, daß ein Impuls von beispielsweise 10⁷ oder mehr Elektronen von der Austrittsfläche der hintersten der beiden Mikrokanalplatten emittiert wird. Die beiden Mikrokanalplatten können zickzackförmig angeordnet werden, wobei die Mikrokanalplatten einander gegenüberstehend angeordnet sind, so daß die Kanäle in einer Mikrokanalplatte unter einem Winkel zu den Kanälen der anderen Mikrokanalplatte angeordnet sind. Diese Anordnung hilft dabei, eine Ionenrückkopplung zu unterdrücken, die andernfalls zu einer Beschädigung führen kann.
Die Anforderungen an einen Elektronenvervielfacher in einem Flugzeit-Massenspektrometer sind besonders streng. Der Elektronenvervielfacher sollte eine minimale Verbreiterung spektraler Spitzen erzeugen und ein lineares Ansprechen sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Ionenankunftsraten bereitstellen, während ermöglicht wird, daß Einzelionenereignisse klar von elektronischem Rauschen unterschieden werden.
Um diese Kriterien zu erfüllen, sollte die Ausgabe eines Elektronenvervielfachers infolge eines einzelnen Ionenankunftsereignisses eine minimale zeitliche Verbreiterung (Spread) aufweisen, und die Impulshöhenverteilung der Elektronen sollte so schmal wie möglich sein. Zusätzlich sollte die Verstärkung des Elektronenvervielfachers vorzugsweise in der Größenordnung von 10⁶ oder größer sein, um zu ermöglichen, daß Einzelionenereignisse leicht von elektronischem Rauschen unterschieden werden.
Für Ionenzählanwendungen haben Mikrokanalplatten-Ionendetektoren bisher die zufriedenstellendsten Merkmale bzw. Charakteristika in Bezug auf diese Kriterien bereitgestellt. Unter optimalen Betriebsbedingungen kann der Dynamikbereich von Mikrokanalplatten-Ionendetektoren jedoch begrenzt sein.
Unter der Bedingung einer hohen Verstärkung von beispielsweise 10⁶–10⁷ wird der Ausgangsstrom eines Einzelkanals einer Mikrokanalplatte raumladungsgesättigt, was zu schmalen Impulshöhenverteilungen führt, die sich Gaussverteilungen nähern. Schmale Impulshöhenverteilungen sind für Ionenzählvorrichtungen vorteilhaft, bei denen Zeit-Digital-Wandler ("TDC") verwendet werden, weil sie es ermöglichen, daß die Mehrzahl der Einzelionenereignisse von elektronischem Rauschen unterschieden wird. Schmale Impulshöhenverteilungen sind auch für die Verwendung mit Analog-Digital-Wandlern ("ADC") vorteilhaft, weil sie eine genaue Quantisierung bei niedrigen Zählraten und einen verbesserten Dynamikbereich ermöglichen.
Der maximale Ausgangsstrom eines Mikrokanalplatten- Detektors ist durch die Erholungszeit der einzelnen Kanäle nach einer Bestrahlung und die Gesamtzahl der je Zeiteinheit bestrahlten Kanäle begrenzt. Ionen, die auf einen Mikrokanalplatten-Detektor in einem Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator fallen, bestrahlen eine diskrete Fläche des Mikrokanalplatten-Detektors. Dementsprechend fallen Ionen, unabhängig von der Fläche der Mikrokanalplatte, nur auf einen Teil der Gesamtzahl der verfügbaren Mikrokanäle. Wenn daher große Ionenströme auf den Mikrokanalplatten-Ionendetektor fallen oder sich bei bestimmten Ausgangsströmen im Gleichgewichtszustand ein erheblicher Teil der Kanäle nach einer Bestrahlung nicht vollständig erholt, wird die Gesamtverstärkung des Mikrokanalplatten-Ionendetektors reduziert. Insbesondere werden die letzten 20 der Länge der Kanäle in der letzten Verstärkungsstufe des Mikrokanalplatten-Ionendetektors zuerst durch diesen Sättigungspunkt begrenzt. Dies führt dazu, daß eine Nichtlinearität des Ansprechens des Ionendetektors hervorgerufen wird, was bei einer quantitativen Analyse zu ungenauen Isotopenverhältnisbestimmungen und ungenauen Massenmessungen führt.
Um die maximale Eingangsereignisrate zu erhöhen, mit der der Ionendetektor fertigwerden kann, bevor die Sättigung auftritt, könnte die Verstärkung der Mikrokanalplatte theoretisch reduziert werden. Das Reduzieren der Verstärkung würde jedoch eine Verbreiterung der Impulshöhenverteilung bewirken und die Impulshöhenverteilung zu einer niedrigeren Intensität verschieben, woraus sich eine Beeinträchtigung der Fähigkeit des Ionendetektors, alle Einzelionenankünfte oberhalb der elektronischen Rauschschwelle zu detektieren, ergibt.
Die Beschränkungen eines herkömmlichen Mikrokanalplatten-Ionendetektors werden nachstehend in weiteren Einzelheiten betrachtet. Insbesondere werden zwei ein zickzackförmig angeordnetes Paar bildende Mikrokanalplatten betrachtet. Nachdem eine Elektronenwolke aus einem einzelnen Kanal in einer Mikrokanalplatte ausgetreten ist, muß die Ladung innerhalb der Kanalwände wiederhergestellt werden. Für eine kreisförmige Mikrokanalplatte ist die Anzahl N der Kanäle gegeben durch:
wobei D der Durchmesser der Mikrokanalplatte ist und p der Kanalabstand von Mitte zu Mitte (die Kanalteilung) ist.
Für eine kreisförmige Mikrokanalplatte mit einem Durchmesser von 25 mm, die Kanäle mit einem Durchmesser von 10 μm und einer Kanalteilung von 12 μm aufweist, beträgt die Gesamtzahl N der Kanäle 3,9 × 10⁶. Typischerweise beträgt der Gesamtwiderstand einer solchen einzelnen Mikrokanalplatte 10⁸ Ω. Daher beträgt der Widerstand R_c eines Einzelkanals der Mikrokanalplatte in etwa 3,9 × 10¹⁴ Ω.
Die Gesamtkapazität einer einzelnen Mikrokanalplatte kann genähert werden, indem sie als ein Paar paralleler Metallplatten angesehen wird, die durch eine verhältnismäßig dünne Glasplatte getrennt sind. Die Gesamtkapazität C kann durch
genähert werden, wobei C die Kapazität in Farad ist, ε die Dielektrizitätskonstante von Glas ist (in etwa 8,3 F/m), ε₀ die Permittivität des Vakuums ist (8,854 × 10^-12), S die Fläche der Mikrokanalplatte ist und d die Dicke der Mikrokanalplatte ist.
Falls daher die Dicke d der Mikrokanalplatte als 0,46 mm angenommen wird, beträgt die Gesamtkapazität C einer einzigen Mikrokanalplatte 78 pF und die Kapazität C_c für jeden Kanal der Mikrokanalplatte 2 × 10^-17 F.
Die Zeitkonstante τ für die Erholung eines einzelnen Kanals in der Mikrokanalplatte nach einem Ionenereignis ist durch CcRc = τgegeben.
In diesem Beispiel beträgt die Zeitkonstante τ für einen einzelnen Kanal 7,8 ms. Für ein Paar von Mikrokanalplatten in einem zickzackförmig angeordneten Paar führt ein Primärionenereignis an der Eintrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte typischerweise dazu, daß Sekundärelektronen in etwa zehn Kanäle an der Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte bestrahlen. Unter der Annahme, daß die erste und die zweite Mikrokanalplatte identisch sind, ist die maximale Ioneneintritts-Ereignisrate E an der ersten Mikrokanalplatte gegeben durch: E = N10τ
Dementsprechend beträgt die maximale Ioneneintritts-Ereignisrate E_max an der ersten Mikrokanalplatte, die ohne einen erheblichen Gesamtverstärkungsverlust des ganzen Ionendetektors zulässig ist, in etwa: Emax = E10
In dem vorstehend angegebenen Beispiel beträgt die maximale Eintrittsereignisrate E_max 5 × 10⁶ Ereignisse/s. Bei einer mittleren Verstärkung von 5 × 10⁶ entspricht dies einem maximalen Ausgangsstrom I_max von 4 × 10^-6 A.
Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenspektrometer weisen gewöhnlich bei Abtast-Wiederholungsraten von einigen zehn kHz sehr große Ionenströme auf. Unter diesen Bedingungen nähert sich der in die Mikrokanalplatte eintretende Ionenstrom einem stetigen Gleichstrom. Die Verstärkung der Mikrokanalplatte ist konstant, bis der Ausgangsstrom der Mikrokanalplatte in etwa 10% des durch die Mikrokanalplatte fließenden verfügbaren Stroms, d.h. des Strip-Stroms übersteigt. In dem vorstehend angegebenen Beispiel beträgt der maximale Ausgangsstrom I_max 10^-6A, wenn 1000 V über die Mikrokanalplatte aufrechterhalten werden.
Es wurden mehrere Verfahren entwickelt, um diese Beschränkung des maximalen Ausgangsstroms einer Mikrokanalplatte zu überwinden. Beispielsweise wird durch Reduzieren des Widerstands der Mikrokanalplatte die Zeitkonstante τ für die Kanalerholung reduziert und der verfügbare Strip- Strom erhöht, wodurch der maximale Ausgangsstrom der Mikrokanalplatte erhöht wird. Es gibt jedoch auch praktische Beschränkungen. Der negative Temperaturkoeffizient des Widerstands der Kanalwände in der Mikrokanalplatte führt schließlich zu einer thermischen Instabilität, wenn der Widerstand der Mikrokanalplatte verringert wird. Dies bewirkt eine Erwärmung der Mikrokanalplatte, die zu einer Ionenrückkopplung führen kann, woraus sich ein thermisches Durchgehen ergibt, das zu einem lokalen Schmelzen des Glases der Mikrokanalplatte führen kann. Der Mechanismus, durch den Wärme von einer Mikrokanalplatte abgeführt wird, erfolgt vorherrschend durch Abstrahlung von der Oberfläche der Mikrokanalplatte, und die Wärmeabfuhr ist daher direkt proportional zur freiliegenden Oberfläche der Mikrokanalplatte.
Es wurde experimentell herausgefunden, daß es nicht praktikabel ist, Mikrokanalplatten bei Wärmeerzeugungsniveaus oberhalb von 0,01 W/cm² zu betreiben. Für eine kreisförmige Mikrokanalplatte mit einem Durchmesser von 33 mm, die bei einer Vorspannung von 1000 V gehalten wird, entspricht diese Wärmeerzeugungsrate einer Mikrokanalplatte mit einem Gesamtwiderstand von etwa 10⁷ Ω. Es sei bemerkt, daß infolge dieser Begrenzung des Gesamtwiderstands der Mikrokanalplatte der maximale Ausgangsstrom der Mikrokanalplatte nicht erhöht werden kann, indem einfach der Durchmesser der Kanäle in der Mikrokanalplatte verringert wird, um die Anzahl der je Flächeneinheit verfügbaren Kanäle zu erhöhen. Beispielsweise weist eine kreisförmige Mikrokanalplatte mit einem Durchmesser von 33 mm entsprechend einem aktiven Durchmesser von 25 mm, die Kanäle mit einem Durchmesser von 10 μm und einer Kanalteilung von 12 μm aufweist, insgesamt 3,9 × 10⁶ Kanäle auf. Falls die Mikrokanalplatte einen Gesamtwiderstand von 10⁷ Ω aufweist, beträgt der Widerstand jedes Kanals 3,9 × 10¹³ Ω. Für eine kreisförmige Mikrokanalplatte mit dem gleichen Durchmesser, dem gleichen Gesamtwiderstand, einem verringerten Kanaldurchmesser von 5 μm und einer verringerten Kanalteilung von 6 μm beträgt die Gesamtanzahl der Kanäle 1,6 × 10⁷. Demgemäß weist jeder Kanal nun einen erhöhten Widerstand von 1,6 × 10¹⁴ Ω auf. In diesem Beispiel wird gezeigt, daß durch Verringern des Durchmessers und der Teilung der Kanäle in der Mikrokanalplatte die Gesamtzahl der Kanäle um einen Faktor von etwa × 4 erhöht wird. Der Widerstand je Kanal und damit die Zeitkonstante für die Erholung eines einzelnen Kanals τ wird jedoch auch um den gleichen Faktor erhöht. Daher wird keine Gesamtverstärkung des maximalen Ausgangsstroms der Mikrokanalplatte erhalten.
Ein direktes Kühlen der Mikrokanalplatte ermöglicht theoretisch die Verwendung von Mikrokanalplatten mit einem sehr niedrigen Widerstand. Ein solches direktes Kühlen ist jedoch in den meisten Situationen nicht praktikabel ausführbar.
Ein anderes Verfahren zum Erhöhen des maximalen Ausgangsstroms der Mikrokanalplatte besteht darin, den ankommenden Ionenstrahl über eine verhältnismäßig große Mikrokanalplatte oder über die Eintrittsfläche mehrerer Mikrokanalplatten zu dispergieren. Durch diese Dispersion des Ionenstrahls wird die Anzahl der verfügbaren Kanäle erhöht, ohne daß die Eigenschaften der einzelnen Kanäle in der Mikrokanalplatte geändert werden. Der Gesamtwiderstand des Mikrokanalplatten-Ionendetektors wird daher verringert, was zu einem höheren verfügbaren Strip-Strom und damit zu einem höheren Einsetzniveau der Kanalsättigung führt.
Bei dieser Anordnung kann die Mikrokanalplatte bzw. können die Mikrokanalplatten unter verhältnismäßig stabilen Bedingungen betrieben werden, weil die für die Strahlungskühlung der Mikrokanalplatte bzw. der Mikrokanalplatten verfügbare Oberfläche auch vergrößert ist. Das absichtliche Divergieren des Ionenstrahls, während er zum Ionendetektor läuft, ist jedoch in vielen Situationen, abhängig von der Geometrie und der Größe eines individuellen Massenspektrometers, unpraktisch. Weiterhin müssen zum Divergieren des Ionenstrahls elektrische Felder im Bereich des Massenspektrometers stromaufwärts des Ionendetektors bereitgestellt werden. Dies ist besonders nachteilig bei einem Flugzeit-Massenspektrometer, bei dem der Bereich stromaufwärts des Ionendetektors ein Driftbereich ist, weil das Einbringen eines elektrischen Felds in den Driftbereich die Auflösung und die Massenmeßgenauigkeit des Ionendetektionssystems beeinträchtigen kann. Zusätzlich müssen die elektrischen Feldbedingungen geändert werden, wenn negative und positive Ionen detektiert werden. Daher ist ein Divergieren des Ionenstrahls für dieses Problem keine praktisch anwendbare Lösung.
Aus der WO 03/054914 A2 ist eine Multianodenanordung zum Erhöhen des dynamischen Bereichs eines Detektors bekannt. Die dort beschriebene Anordnung weist keinerlei Mittel zum Bewegen von Elektronen über eine Detektionsfläche auf.
Aus der DE 693 28 818 T2 ist eine Fotovervielfacherröhre mit einer Vakuumhülle, einer Quelle für geladene Partikel und einer Optik mit einer oder mehreren Elektroden zum Fokussieren von Elektroden auf einem Detektor bekannt. Diese Fotovervielfacherröhre weist ferner Leitermittel auf, die voneinander isoliert und im wesentlichen in nicht-überlappender Beziehung sequentiell entlang dem Pfad der Flugbahnen der geladenen Partikel angeordnet sind.
Ein weiteres Flugzeitmassenspektrometer ist aus der DE 43 22 104 A1 bekannt. Der Detektor weist hier eine Ionen-Elektronen-Konversionsfläche auf, welche nicht eben ausgebildet ist.
Es ist erwünscht, einen verbesserten Detektor für ein Massenspektrometer bereitzustellen.
Zu diesem Zwecke stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Detektieren von Teilchen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Detektor zur Verwendung in einem Massenspektrometer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 29 sowie ein entsprechend ausgebildetes Massenspektrometer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 59 zur Verfügung.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Detektor zur Verwendung in einem Massenspektrometer vorgesehen. Der Detektor weist eine Mikrokanalplatte auf, wobei bei der Verwendung Teilchen auf einer Eintrittsfläche der Mikrokanalplatte empfangen werden und Elektronen von einer Austrittsfläche der Mikrokanalplatte abgegeben werden, wobei die Austrittsfläche eine erste Fläche bzw. einen ersten Bereich aufweist. Der Detektor weist weiter eine Detektionsvorrichtung mit einer Detektionsfläche auf, die dafür eingerichtet ist, bei der Verwendung wenigstens einige der von der Mikrokanalplatte abgegebenen Elektronen zu empfangen, wobei die Detektionsfläche eine zweite Fläche bzw. einen zweiten Bereich aufweist. Die zweite Fläche ist erheblich größer als die erste Fläche.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Fläche um wenigstens 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% oder 100% größer als die erste Fläche. Vorzugsweise ist die zweite Fläche um wenigstens 150%, 200%, 250%, 300%, 350%, 400%, 450% oder 500% größer als die erste Fläche.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Detektor zur Verwendung in einem Massenspektrometer vorgesehen, wobei der Detektor eine Mikrokanalplatte aufweist, wobei bei der Verwendung Teilchen an einer Eintrittsfläche der Mikrokanalplatte empfangen werden und Elektronen von einer Austrittsfläche der Mikrokanalplatte abgegeben werden, wobei durchschnittlich x Elektronen je Flächeneinheit von der Austrittsfläche abgegeben werden. Der Detektor weist weiter eine Detektionsvorrichtung mit einer Detektionsfläche auf, die eingerichtet ist, um bei der Verwendung wenigstens einige der von der Mikrokanalplatte erzeugten Elektronen zu empfangen, wobei durchschnittlich y Elektronen je Flächeneinheit auf der Detektionsfläche empfangen werden und wobei x > y ist.
Vorzugsweise werden durchschnittlich x Elektronen je Flächeneinheit und je Zeiteinheit von der Austrittsfläche abgegeben und durchschnittlich y Elektronen je Flächeneinheit und je Zeiteinheit von der Detektionsfläche empfangen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist x um wenigstens 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% oder 100% größer als y. Vorzugsweise ist x um wenigstens 150%, 200%, 250%, 300%, 350%, 400%, 450% oder 500% größer als die erste Fläche.
Vorzugsweise sind die vom Detektor empfangenen Teilchen Ionen, Photonen oder Elektronen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte abgegebenen Elektronen in einen Bereich mit einem elektrischen Feld abgegeben. Der Detektor kann eine oder mehrere Elektroden aufweisen, die so angeordnet sind, daß zwischen der Mikrokanalplatte und der Detektionsvorrichtung ein elektrisches Feld bereitgestellt ist. Die eine oder die mehreren Elektroden können eine oder mehrere ringförmige Elektroden, eine oder mehrere Einzellinsenanordnungen mit drei oder mehr Elektroden, einen oder mehrere segmentierte Stabsätze, eine oder mehrere rohrförmige Elektroden und/oder einen oder mehrere Quadrupol-, Hexapol-, Oktapol-Stabsätze oder Stabsätze höherer Ordnung aufweisen. Die eine oder die mehreren Elektroden können alternativ oder zusätzlich mehrere Elektroden mit Öffnungen, die im wesentlichen die gleiche Fläche aufweisen und von denen Elektronen bei der Verwendung durchgelassen werden, und/oder mehrere Elektroden mit Öffnungen, die zur Detektionsvorrichtung hin zunehmend kleiner oder größer werden und von denen Elektronen bei der Verwendung durchgelassen werden, einschließen.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird die Austrittsfläche der Mikrokanalplatte auf einem ersten Potential gehalten und die Detektionsfläche der Detektionsvorrichtung auf einem zweiten Potential gehalten. Das zweite Potential ist vorzugsweise positiver als das erste Potential. Die Potentialdifferenz zwischen der Oberfläche der Detektionsvorrichtung und der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte kann aus der folgenden Gruppe ausgewählt werden: 0–50 V, 50–100 V, 100–150 V, 150–200 V, 200–250 V, 250–300 V, 300–350 V, 350–400 V, 400–450 V, 450–500 V, 500–550 V, 550–600 V, 600–650 V, 650–700 V, 700–750 V, 750–800 V, 800–850 V, 850–900 V, 900–950 V, 950–1000 V, 1,0–1,5 kV, 1,5–2,0 kV, 2,0–2,5 kV, > 2,5 kV und < 10 kV.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können die eine oder die mehreren Elektroden, die zwischen der Mikrokanalplatte und der Detektionsfläche angeordnet sind, auf einem dritten und/oder einem vierten und/oder einem fünften Potential gehalten werden. Das dritte und/oder das vierte und/oder das fünfte Potential können im wesentlichen dem ersten und/oder dem zweiten Potential gleichen, positiver sein als das erste und/oder das zweite Potential und/oder negativer sein als das erste und/oder das zweite Potential. Vorzugsweise wird die Potentialdifferenz zwischen dem dritten und/oder dem vierten und/oder dem fünften Potential und dem ersten und/oder dem zweiten Potential aus der folgenden Gruppe ausgewählt: 0–50 V, 50–100 V, 100–150 V, 150–200 V, 200–250 V, 250–300 V, 300–350 V, 350–400 V, 400–450 V, 450–500 V, 500–550 V, 550–600 V, 600–650 V, 650–700 V, 700–750 V, 750–800 V, 800–850 V, 850–900 V, 900–950 V, 950–1000 V, 1,0–1,5 kV, 1,5 2,0 kV, 2,0–2,5 kV, > 2,5 kV und < 10 kV.
Gemäß einer Ausführungsform liegen das dritte und/oder das vierte und/oder das fünfte Potential zwischen dem ersten und/oder dem zweiten Potential.
Vorzugsweise weist der Detektor weiter eine Gitterelektrode auf, die zwischen der Mikrokanalplatte und der Detektionsvorrichtung angeordnet ist. Die Gitterelektrode kann im wesentlichen halbkugelförmig oder auf andere Weise nicht-planar sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Detektionsvorrichtung einen einzigen Detektionsbereich auf. Der einzige Detektionsbereich kann einen Elektronenvervielfacher, einen Szintillator, eine Photoelektronenvervielfacher-Röhre oder eine oder mehrere Mikrokanalplatten aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Detektionsvorrichtung eine oder mehrere Mikrokanalplatten auf, die bei der Verwendung über eine erste Anzahl von Kanälen wenigstens einige der von der zweiten Anzahl von Kanälen der stromaufwärts der Detektionsvorrichtung angeordneten Mikrokanalplatte abgegebenen Elektronen empfangen, wobei die erste Anzahl von Kanälen erheblich größer ist als die zweite Anzahl von Kanälen.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist die Detektionsvorrichtung einen ersten Detektionsbereich und wenigstens einen zweiten getrennten Detektionsbereich auf. Der zweite Detektionsbereich kann von dem ersten Detektionsbereich beabstandet sein. Der erste und der zweite Detektionsbereich können im wesentlichen gleiche Detektionsflächen oder alternativ erheblich verschiedene Detektionsflächen aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Fläche des ersten Detektionsbereichs um einen Prozentsatz p größer als die Fläche des zweiten Detektionsbereichs, wobei p aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: < 10%, 10–20%, 20–30%, 30–40%, 40–50%, 50–60%, 60–70%, 70–80%, 80–90% und > 90%.
Vorzugsweise ist bei der Verwendung die Anzahl der von der ersten Detektionsfläche empfangenen Elektronen um einen Prozentsatz q größer als die Anzahl der von der zweiten Detektionsfläche empfangenen Elektronen, wobei q aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: < 10%, 10–20%, 20–30%, 30–40%, 40–50%, 50–60%, 60–70%, 70 80%, 80–90% und > 90%.
Eine bevorzugte Ausführungsform weist wenigstens eine Elektrode auf, die so eingerichtet ist, daß bei der Verwendung wenigstens einige von der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen zum ersten Detektionsbereich geführt werden und/oder wenigstens einige der von der Mikrokanalplatte abgegebenen Elektronen zum zweiten Detektionsbereich geführt werden. Der erste und/oder der zweite Detektions bereich können eine oder mehrere Mikrokanalplatten, einen Elektronenvervielfacher, einen Szintillator oder eine Photoelektronenvervielfacher-Röhre aufweisen. Vorzugsweise weist die Detektionsvorrichtung wenigstens ein zickzackförmig angeordnetes Paar von Mikrokanalplatten auf.
Der Detektor kann weiter wenigstens eine Kollektorplatte aufweisen, die eingerichtet ist, um bei der Verwendung wenigstens einige von der Detektionsvorrichtung erzeugte oder abgegebene Elektronen zu empfangen. Die wenigstens eine Kollektorplatte kann so geformt sein, daß eine zeitliche Verbreiterung der Flugzeit der auf die Detektionsvorrichtung einfallenden Elektronen wenigstens teilweise kompensiert wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Detektionsvorrichtung so geformt sein, daß eine zeitliche Verbreiterung der Flugzeit der auf die Detektionsvorrichtung einfallenden Elektronen wenigstens teilweise kompensiert wird. Vorzugsweise sind eine oder mehrere Elektroden auch so eingerichtet, daß eine zeitliche Verbreiterung der Flugzeit der auf die Detektionsvorrichtung einfallenden Elektronen wenigstens teilweise kompensiert wird. Die eine oder die mehreren Elektroden können so eingerichtet sein, daß von verschiedenen Abschnitten der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen beschleunigt oder verzögert werden oder die Elektronen um unterschiedliche Beträge beschleunigt werden, um die zeitliche Verbreiterung der Flugzeit der Elektronen zu kompensieren. Beispielsweise können die vom Zentrum der Mikrokanalplatte abgegebenen Elektronen in bezug auf die von den anderen Abschnitten der Mikrokanalplatte abgegebenen Elektronen beschleunigt werden.
Gemäß einem anderen Aspekt sieht die Erfindung einen Detektor zur Verwendung in einem Massenspektrometer vor, wobei der Detektor eine Mikrokanalplatte aufweist, wobei bei der Verwendung Teilchen an einer Eintrittsfläche der Mikrokanalplatte empfangen werden und Elektronen von einer Austrittsfläche der Mikrokanalplatte abgegeben werden, wobei die Austrittsfläche eine erste Fläche aufweist. Der Detektor weist weiter eine Detektionsvorrichtung, die eine Detektionsfläche mit einer zweiten Fläche aufweist, und eine erste Vorrichtung, die zwischen der Mikrokanalplatte und der Detektionsvorrichtung angeordnet ist, auf. Die erste Vorrichtung ist so eingerichtet, daß sie wenigstens einige der von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte abgegebenen Elektronen empfängt und Photonen erzeugt. Eine zweite Vorrichtung ist zwischen der ersten Vorrichtung und der Detektionsvorrichtung angeordnet. Die zweite Vorrichtung ist dafür eingerichtet, daß sie wenigstens einige der von der ersten Vorrichtung erzeugten Photonen empfängt und Elektronen abgibt. Die Detektionsfläche ist dafür eingerichtet, daß sie wenigstens einige der von der zweiten Vorrichtung erzeugten Elektronen empfängt, wobei die zweite Fläche erheblich größer als die erste Fläche ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Fläche um wenigstens 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% oder 100% größer als die erste Fläche. Vorzugsweise ist die zweite Fläche um wenigstens 150%, 200%, 250%, 300%, 350%, 400%, 450% oder 500% größer als die erste Fläche.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Detektor zur Verwendung in einem Massenspektrometer vorgesehen, wobei der Detektor eine Mikrokanalplatte aufweist, wobei bei der Verwendung Teilchen an einer Eintrittsfläche der Mikrokanalplatte empfangen werden und Elektronen von einer Austrittsfläche der Mikrokanalplatte abgegeben werden, wobei durchschnittlich x Elektronen je Flächeneinheit von der Austrittsfläche abgegeben werden. Der Detektor weist weiter eine Detektionsvorrichtung mit einer Detektionsfläche, die eine zweite Fläche aufweist, und eine erste Vorrichtung, die zwischen der Mikrokanalplatte und der Detektionsvorrichtung angeordnet ist, auf. Die erste Vorrichtung ist dafür eingerichtet, wenigstens einige der von der Austrittsfläche abgegebenen Elektronen zu empfangen und Photonen zu erzeugen. Eine zweite Vorrichtung ist zwischen der ersten Vorrichtung und der Detektionsvorrichtung angeordnet und dafür eingerichtet, wenigstens einige der von der ersten Vorrichtung erzeugten Photonen zu empfangen und Elektronen abzugeben. Die Detektionsfläche ist dafür eingerichtet, wenigstens einige der von der zweiten Vorrichtung erzeugten Elektronen zu empfangen, und sie empfängt durchschnittlich y Elektronen je Flächeneinheit, wobei x > y ist.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist x um wenigstens 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% oder 100% größer als y. Vorzugsweise ist x um wenigstens 150%, 200%, 250%, 300%, 350%, 400%, 450% oder 500% größer als y.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung einen Detektor zur Verwendung in einem Massenspektrometer vor, wobei der Detektor eine Mikrokanalplatte aufweist, wobei bei der Verwendung Teilchen an einer Eintrittsfläche der Mikrokanalplatte empfangen werden und Elektronen von einer Austrittsfläche der Mikrokanalplatte abgegeben werden, wobei die Austrittsfläche eine erste Fläche aufweist. Der Detektor weist weiter eine Detektionsvorrichtung mit einer Detektionsfläche, die eine zweite Fläche aufweist, und eine erste Vorrichtung, die zwischen der Mikrokanalplatte und der Detektionsvorrichtung angeordnet ist, auf. Die erste Vorrichtung ist dafür eingerichtet, wenigstens einige der von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte abgegebenen Elektronen zu empfangen und Photonen zu erzeugen. Die Detektionsfläche ist dafür eingerichtet, wenigstens einige der von der ersten Vorrichtung erzeugten Photonen zu empfangen. Die zweite Fläche ist erheblich größer als die erste Fläche.
Die zweite Fläche ist vorzugsweise um wenigstens 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% oder 100% größer als die erste Fläche und kann um wenigstens 150%, 200%, 250%, 300%, 350%, 400%, 450% oder 500% größer als die erste Fläche sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung einen Detektor zur Verwendung in einem Massenspektrometer vor, welcher eine Mikrokanalplatte aufweist, wobei bei der Verwendung Teilchen an einer Eintrittsfläche der Mikrokanalplatte empfangen werden und Elektronen von einer Austrittsfläche der Mikrokanalplatte abgegeben werden, wobei durchschnittlich x Elektronen je Flächeneinheit von der Austrittsfläche abgegeben werden. Der Detektor weist weiter eine Detektionsvorrichtung und eine erste Vorrichtung auf, die zwischen der Mikrokanalplatte und der Detektionsvorrichtung angeordnet ist. Die erste Vorrichtung ist dafür eingerichtet, wenigstens einige der von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte abgegebenen Elektronen zu empfangen und Photonen zu erzeugen. Die Detektionsvorrichtung ist dafür eingerichtet, wenigstens einige der von der ersten Vorrichtung erzeugten Photonen zu empfangen und empfängt durchschnittlich z Photonen je Flächeneinheit, wobei x > z ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist x um wenigstens 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% oder 100% größer als z. Vorzugsweise ist x um wenigstens 150%, 200%, 250%, 300%, 350%, 400%, 450% oder 500% größer als z.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Photonen UV-Photonen.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Massenspektrometer mit einem vorstehend beschriebenen Detektor vor.
Vorzugsweise bildet der Detektor einen Teil eines Flugzeit-Massenanalysators. Gemäß einer Ausführungsform weist das Massenspektrometer weiter einen mit dem Detektor verbundenen Analog-Digital-Wandler ("ADC") und/oder einen mit dem Detektor verbundenen Zeit-Digital-Wandler ("TDC") auf.
Das Massenspektrometer kann weiter eine Ionenquelle auf weisen, welche aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus folgendem besteht: einer Elektrosprayionisations-Ionenquelle ("ESI-Ionenquelle"), einer Atmosphärendruckionisations-Ionenquelle ("API-Ionenquelle"), einer Atmosphärendruck-Ionenquelle mit chemischer Ionisation ("APCI-Ionenquelle"), einer Atmosphärendruck-Photoionisations-Ionenquelle ("APPI-Ionenquelle"), einer Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle ("LDI-Ionenquelle"), einer induktiv gekoppelten Plasma-Ionenquelle ("ICP-Ionenquelle"), einer Ionenquelle mit schnellem Atombeschuß ("FAB-Ionenquelle"), einer Flüssig-Sekundärionen-Massenspektrometrie-Ionenquelle ("LSIMS-Ionenquelle"), einer Feldionisations-Ionenquelle ("FI-Ionenquelle"), einer Felddesorptions-Ionenquelle ("FD-Ionenquelle"), einer Elektronenstoß-Ionenquelle ("EI-Ionenquelle"), einer Ionenquelle mit chemischer Ionisation ("CI-Ionenquelle") und einer matrixunterstützten Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle ("MALDI-Ionenquelle"). Die Ionenquelle kann kontinuierlich oder gepulst sein.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren zum Detektieren von Teilchen mit den folgenden Schritten vor: Empfangen von Teilchen an einer Eintrittsfläche einer Mikrokanalplatte und Abgeben von Elektronen von einer Austrittsfläche der Mikrokanalplatte, wobei die Austrittsfläche eine erste Fläche aufweist. Das Verfahren weist weiter den Schritt des Empfangens von wenigstens einigen der Elektronen auf einer Detektionsfläche einer Detektionsvorrichtung, mit einer zweiten Fläche auf, wobei die zweite Fläche erheblich größer als die erste Fläche ist.
Vorzugsweise ist die zweite Fläche um wenigstens 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% oder 100% größer als die erste Fläche. Die zweite Fläche kann um wenigstens 150%, 200%, 250%, 300%, 350%, 400%, 450% oder 500% größer sein als die erste Fläche.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Detektieren von Teilchen mit den folgenden Schritten vor: Empfangen von Teilchen an einer Eintrittsfläche einer Mikrokanalplatte, Abgeben von durchschnittlich x Elektronen je Flächeneinheit von einer Austrittsfläche der Mikrokanalplatte und Empfangen von wenigstens einigen der Elektronen an einer Detektionsfläche einer Detektionsvorrichtung, wobei die Detektionsfläche durchschnittlich y Elektronen je Flächeneinheit empfängt und wobei x > y ist.
Vorzugsweise ist x um wenigstens 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% oder 100% größer als y. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann x um wenigstens 150%, 200%, 250%, 300%, 350%, 400%, 450% oder 500% größer als y sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Detektieren von Teilchen mit den folgenden Schritten vor: Empfangen von Teilchen an einer Eintrittsfläche einer Mikrokanalplatte und Abgeben von Elektronen von einer Austrittsfläche der Mikrokanalplatte, wobei die Austrittsfläche eine erste Fläche aufweist. Das Verfahren weist weiter die folgenden Schritte auf: Empfangen von wenigstens einigen der Elektronen an einer ersten Vorrichtung, wobei die erste Vorrichtung ansprechend darauf Photonen erzeugt, Empfangen wenigstens einiger der Photonen an einer zweiten Vorrichtung, wobei die zweite Vorrichtung ansprechend darauf Elektronen erzeugt und abgibt, und Empfangen von wenigstens einigen der von der zweiten Vorrichtung erzeugten Elektronen an einer Detektionsvorrichtung. Die Detektionsvorrichtung weist eine Detektionsfläche mit einer zweiten Fläche auf, wobei die zweite Fläche größer als die erste Fläche ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Fläche um wenigstens 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% oder 100% größer als die erste Fläche. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die zweite Fläche um wenigstens 150%, 200%, 250%, 300%, 350%, 400%, 450% oder 500% größer als die erste Fläche.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Detektieren von Teilchen mit den folgenden Schritten vor: Empfangen von Teilchen an einer Eintrittsfläche einer Mikrokanalplatte und Abgeben von durchschnittlich x Elektronen je Flächeneinheit von einer Austrittsfläche der Mikrokanalplatte. Das Verfahren weist weiter die folgenden Schritte auf: Empfangen wenigstens einiger der Elektronen an einer ersten Vorrichtung, wobei die erste Vorrichtung ansprechend darauf Photonen erzeugt, Empfangen von wenigstens einigen der Photonen an einer zweiten Vorrichtung, wobei die zweite Vorrichtung ansprechend darauf Elektronen erzeugt und abgibt, und Empfangen wenigstens einiger der von der zweiten Vorrichtung erzeugten Elektronen an einer Detektionsfläche einer Detektionsvorrichtung, wobei die Detektionsfläche durchschnittlich y Elektronen je Flächeneinheit empfängt, wobei x > y ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist x um wenigstens 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% oder 100% größer als y. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist x um wenigstens 150%, 200%, 250%, 300%, 350%, 400%, 450% oder 500% größer als y.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Detektieren von Teilchen mit den folgenden Schritten vor: Empfangen von Teilchen an einer Eintrittsfläche einer Mikrokanalplatte, Abgeben von Elektronen von einer Austrittsfläche der Mikrokanalplatte, wobei die Austrittsfläche eine erste Fläche aufweist, Empfangen wenigstens einiger der Elektronen an einer Vorrichtung, wobei die Vorrichtung ansprechend darauf Photonen erzeugt, und Empfangen wenigstens einiger der von der Vorrichtung erzeugten Photonen an einer Detektionsfläche einer Detektionsvorrichtung mit einer zweiten Fläche, wobei die zweite Fläche erheblich größer als die erste Fläche ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Fläche um wenigstens 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% oder 100% größer als die erste Fläche. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die zweite Fläche um wenigstens 150%, 200%, 250%, 300%, 350%, 400%, 450% oder 500% größer als die erste Fläche.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Detektieren von Teilchen mit den folgenden Schritten vor: Empfangen von Teilchen an einer Eintrittsfläche einer Mikrokanalplatte, Abgeben von durchschnittlich x Elektronen je Flächeneinheit von einer Austrittsfläche der Mikrokanalplatte, Empfangen wenigstens einiger der Elektronen auf einer Vorrichtung, wobei die Vorrichtung ansprechend darauf Photonen erzeugt, und Empfangen wenigstens einiger der von der Vorrichtung erzeugten Photonen an einer Detektionsfläche einer Detektionsvorrichtung, wobei die Detektionsfläche durchschnittlich z Photonen je Flächeneinheit empfängt, wobei x > z ist.
Vorzugsweise werden durchschnittlich x Elektronen je Flächeneinheit und je Zeiteinheit von der Austrittsfläche abgegeben und durchschnittlich z Photonen je Flächeneinheit und je Zeiteinheit von der Detektionsfläche empfangen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist x um wenigstens 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95% oder 100% größer als z. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist x um wenigstens 150%, 200%, 250%, 300%, 350%, 400%, 450% oder 500% größer als z.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Massenspektrometrie vor, das ein Verfahren zum Detektieren von Teilchen, wie es vorstehend beschrieben wurde, einschließt.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung einen Detektor zur Verwendung in einem Massenspektrometer vor, wobei der Detektor eine Mikrokanalplatte aufweist, wobei bei der Verwendung Teilchen an einer Eintrittsfläche der Mikrokanalplatte empfangen werden und Elektronen von einer Austrittsfläche der Mikrokanalplatte abgegeben werden, wobei die Austrittsfläche eine erste Fläche aufweist. Der Detektor weist weiter eine Detektionsvorrichtung mit einer Detektionsfläche auf, die dafür eingerichtet ist, bei der Verwendung wenigstens einige der von der Mikrokanalplatte abgegebenen Elektronen zu empfangen, wobei die Detektionsfläche eine zweite Fläche aufweist. Zu einer ersten Zeit t₁ werden von der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen an einem ersten Abschnitt oder Bereich der Detektionsfläche empfangen, und zu einer zweiten späteren Zeit t₂ werden von der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen an einem zweiten verschiedenen Abschnitt oder Bereich der Detektionsfläche empfangen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden zu einer dritten Zeit t₃, die später liegt als die zweite Zeit t₂, von der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen am ersten Abschnitt oder Bereich der Detektionsfläche empfangen. Zu einer vierten Zeit t₄, die später liegt als die dritte Zeit t₃, können von der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen an dem zweiten Abschnitt oder Bereich der Detektionsfläche empfangen werden.
Vorzugsweise ist die zweite Fläche erheblich größer als die erste Fläche. Die zweite Fläche kann um wenigstens 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 100%, 150%, 200%, 250%, 300%, 350%, 400%, 450% oder 500% größer sein als die erste Fläche.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform werden bei der Verwendung durchschnittlich x Elektronen je Flächeneinheit von der Austrittsfläche abgegeben und durchschnittlich y Elektronen je Flächeneinheit an dem ersten Abschnitt oder Bereich und/oder dem zweiten Abschnitt oder Bereich der Detektionsfläche empfangen. Gemäß einer Ausführungsform ist x > y, und x kann um wenigstens 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 100%, 150%, 200%, 250%, 300%, 350%, 400%, 450% oder 500% größer als y sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist x im wesentlichen gleich y. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist x < y, und x kann um wenigstens 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 100%, 150%, 200%, 250%, 300%, 350%, 400%, 450% oder 500% kleiner als y sein.
Vorzugsweise sind die an der Eintrittsfläche empfangenen Teilchen Ionen, Photonen oder Elektronen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden bei der Verwendung Elektronen von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte in einen Bereich mit einem elektrischen Feld abgegeben. Vorzugsweise verläuft zu der ersten Zeit t₁ das elektrische Feld in einer ersten Richtung und zu der zweiten späteren Zeit t₂ in einer zweiten verschiedenen Richtung. Zu einer dritten Zeit t₃, die später als die zweite Zeit t₂ liegt, kann das elektrische Feld in der ersten Richtung verlaufen. Zu einer vierten Zeit t₄, die später als die dritte Zeit t₃ liegt, kann das elektrische Feld in der zweiten Richtung verlaufen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können die erste und/oder die zweite Richtung des elektrischen Felds unter einem Winkel zur Normalen der Mikrokanalplatte geneigt sein. Vorzugsweise wird die Richtung des elektrischen Felds zeitlich im wesentlichen kontinuierlich geändert, um von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen im wesentlichen kontinuierlich um oder über die Detektionsfläche zu bewegen, zu führen oder zu drehen. Alternativ kann die Richtung des elektrischen Felds zeitlich im wesentlichen schrittweise geändert werden, um von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen im wesentlichen schrittweise um oder über die Detektionsfläche zu bewegen, zu führen oder zu drehen.
Zu der ersten Zeit t₁ kann das elektrische Feld eine erste Stärke aufweisen, und es kann zu der zweiten späteren Zeit t₂ eine zweite Stärke aufweisen. Die erste elektrische Feldstärke kann der zweiten elektrischen Feldstärke im wesentlichen gleichen. Die erste elektrische Feldstärke kann von der zweiten elektrischen Feldstärke erheblich verschieden sein. Zu einer dritten Zeit t₃, die später als die zweite Zeit t₂ liegt, kann das elektrische Feld die erste Feldstärke aufweisen, und zu einer vierten Zeit t₄, die später als die dritte Zeit t₃ liegt, kann das elektrische Feld die zweite elektrische Feldstärke aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform wird die elektrische Feldstärke zeitlich im wesentlichen kontinuierlich geändert, um von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen im wesentlichen kontinuierlich um oder über die Detektionsfläche zu bewegen, zu führen oder zu drehen. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird die elektrische Feldstärke zeitlich im wesentlichen schrittweise geändert, um von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen um oder über die Detektionsfläche zu bewegen, zu führen oder zu drehen.
Der bevorzugte Detektor kann weiter wenigstens eine reflektierende Elektrode zum Reflektieren von Elektronen zur Detektionsvorrichtung aufweisen. Die wenigstens eine reflektierende Elektrode kann in einer Ebene angeordnet sein, die im wesentlichen parallel zu der Mikrokanalplatte verläuft, und sie ist vorzugsweise so eingerichtet, daß von der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen zur ersten Zeit t₁ zum ersten Abschnitt oder Bereich der Detektionsfläche geführt werden und von der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen zu der zweiten späteren Zeit t₂ zu dem zweiten Abschnitt oder Bereich der Detektionsfläche geführt werden.
Die bevorzugte Ausführungsform weist eine oder mehrere Elektroden auf, die zwischen der Mikrokanalplatte und der Detektionsvorrichtung angeordnet sind, so daß zwischen der Mikrokanalplatte und der Detektionsvorrichtung ein elektrisches Feld bereitgestellt ist. Die eine oder die mehreren Elektroden können eine oder mehrere ringförmige Elektroden, eine oder mehrere Einzellinsenanordnungen mit drei oder mehr Elektroden, einen oder mehrere segmentierte Stabsätze, eine oder mehrere rohrförmige Elektroden, einen oder mehrere Quadrupol-, Hexapol-, Oktapol-Stabsätze oder Stabsätze höherer Ordnung, mehrere Elektroden mit Öffnungen, die im wesentlichen die gleiche Fläche aufweisen, von denen Elektronen bei der Verwendung durchgelassen werden, und/oder mehrere Elektroden mit Öffnungen, die zur Detektionsvorrichtung hin zunehmend kleiner oder größer werden, von denen Elektronen bei der Verwendung durchgelassen werden, aufweisen.
Vorzugsweise wird die Austrittsfläche der Mikrokanalplatte auf einem ersten Potential gehalten und die Detektionsfläche der Detektionsvorrichtung auf einem zweiten Potential gehalten. Das zweite Potential ist vorzugsweise positiver als das erste Potential. Die Potentialdifferenz zwischen der Oberfläche der Detektionsvorrichtung und der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte kann aus der folgenden Gruppe ausgewählt werden: 0–50 V, 50–100 V, 100–150 V, 150–200 V, 200–250 V, 250–300 V, 300–350 V, 350–400 V, 400–450 V, 450–500 V, 500–550 V, 550–600 V, 600–650 V, 650–700 V, 700–750 V, 750–800 V, 800–850 V, 850–900 V, 900–950 V, 950–1000 V, 1,0–1,5 kV, 1,5–2,0 kV, 2,0–2,5 kV, > 2,5 kV und < 10 kV.
Bei einem bevorzugten Detektor wird die Austrittsfläche der Mikrokanalplatte auf einem ersten Potential gehalten, die Detektionsfläche der Detektionsvorrichtung auf einem zweiten Potential gehalten und werden eine oder mehrere Elektroden, die zwischen der Mikrokanalplatte und der Detektionsfläche angeordnet sind, auf einem dritten Potential gehalten. Vorzugsweise werden eine oder mehrere Elektroden, die zwischen der Mikrokanalplatte und der Detektionsfläche angeordnet sind, auf einem vierten Potential gehalten, und eine oder mehrere Elektroden, die zwischen der Mikrokanalplatte und der Detektionsfläche angeordnet sind, können auf einem fünften Potential gehalten werden. Das dritte und/oder das vierte und/oder das fünfte Potential können im wesentlichen gleich dem ersten und/oder dem zweiten Potential sein, positiver als das erste und/oder das zweite Potential sein und/oder negativer als das erste und/oder das zweite Potential sein.
Vorzugsweise wird die Potentialdifferenz zwischen dem dritten und/oder dem vierten und/oder dem fünften Potential und dem ersten und/oder dem zweiten Potential aus der folgenden Gruppe ausgewählt: 0–50 V, 50–100 V, 100–150 V, 150–200 V, 200–250 V, 250–300 V, 300–350 V, 350–400 V, 400–450 V, 450–500 V, 500–550 V, 550–600 V, 600–650 V, 650–700 V, 700–750 V, 750–800 V, 800–850 V, 850–900 V, 900–950 V, 950–1000 V, 1,0–1,5 kV, 1,5–2,0 kV, 2,0–2,5 kV, > 2,5 kV und < 10 kV.
Das dritte und/oder das vierte und/oder das fünfte Potential können zusätzlich oder alternativ zwischen dem ersten und/oder dem zweiten Potential liegen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden Elektronen von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte in einen Bereich mit einem Magnetfeld abgegeben. Der Detektor weist vorzugsweise einen oder mehrere Magnete und/oder einen oder mehrere Elektromagnete auf, die so eingerichtet sind, daß das Magnetfeld zwischen der Mikrokanalplatte und der Detektionsvorrichtung bereitgestellt wird.
Zu der ersten Zeit t₁ kann das Magnetfeld in einer ersten Richtung verlaufen und zu der zweiten späteren Zeit t₂ in einer zweiten verschiedene Richtung verlaufen. Zu einer dritten Zeit t₃, die später als die zweite Zeit t₂ liegt, kann das Magnetfeld in der ersten Richtung verlaufen. Zu einer vierten Zeit t₄, die später als die dritte Zeit t₃ liegt, kann das Magnetfeld in der zweiten Richtung verlaufen. Vorzugsweise sind die erste Magnetfeldrichtung und/oder die zweite Magnetfeldrichtung im wesentlichen parallel zur Mikrokanalplatte.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Richtung des Magnetgelds zeitlich im wesentlichen kontinuierlich geändert, um von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen im wesentlichen kontinuierlich um oder über die Detektionsfläche zu bewegen, zu führen oder zu drehen. Gemäß einer anderen Ausführungsform ändert sich das Magnetfeld zeitlich im wesentlichen schrittweise, um von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen im wesentlichen schrittweise um oder über die Detektionsfläche zu bewegen, zu führen oder zu drehen.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Magnetfeld zu der ersten Zeit t₁ eine erste Magnetfeldstärke und zu der zweiten Zeit t₂ eine zweite Magnetfeldstärke auf. Die erste Magnetfeldstärke kann der zweiten Magnetfeldstärke im wesentlichen gleichen, oder die erste Magnetfeldstärke kann von der zweiten Magnetfeldstärke erheblich verschieden sein. Zu einer dritten Zeit t₃, die später als die zweite Zeit t₂ liegt, kann das Magnetfeld die erste Stärke aufweisen, und zu einer vierten Zeit t₄, die später als die dritte Zeit t₃ liegt, kann das Magnetfeld die zweite Stärke aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Magnetfeldstärke zeitlich im wesentlichen kontinuierlich geändert, um von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen im wesentlichen kontinuierlich um oder über die Detektionsfläche zu bewegen, zu führen oder zu drehen. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird die Magnetfeldstärke zeitlich im wesentlichen schrittweise geändert, um von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen um oder über die Detektionsfläche zu bewegen, zu führen oder zu drehen.
Der Detektor kann weiter eine Gitterelektrode aufweisen, die zwischen der Mikrokanalplatte und der Detektionsvorrichtung angeordnet ist. Die Gitterelektrode kann im wesentlichen halbkugelförmig oder auf andere Weise nicht-planar sein.
Der Detektor kann eine Detektionsvorrichtung mit einem einzigen Detektionsbereich aufweisen. Der einzige Detektionsbereich kann einen Elektronenvervielfacher, einen Szintillator oder eine Photoelektronenvervielfacher-Röhre aufweisen. Vorzugsweise weist der einzige Detektionsbereich eine oder mehrere Mikrokanalplatten auf und können die eine oder die mehreren Mikrokanalplatten über eine erste Anzahl von Kanälen wenigstens einige der von der zweiten Anzahl von Kanälen der stromaufwärts der Detektionsvorrichtung angeordneten Mikrokanalplatte abgegebenen Elektronen empfangen, wobei die erste Anzahl von Kanälen erheblich größer sein kann als die zweite Anzahl von Kanälen, dieser im wesentlichen gleichen kann oder erheblich kleiner als diese sein kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Detektor eine Detektionsvorrichtung mit einem ersten Detektions bereich und wenigstens einem zweiten getrennten Detektionsbereich auf. Der zweite Detektionsbereich ist vorzugsweise von dem ersten Detektionsbereich beabstandet. Der erste und der zweite Detektionsbereich können im wesentlichen gleiche oder erheblich verschiedene Detektionsflächen aufweisen. Vorzugsweise ist die Fläche des ersten Detektionsbereichs um einen Prozentsatz p größer als die Fläche des zweiten Detektionsbereichs, wobei p aus der folgenden Gruppe ausgewählt sein kann: < 10%, 10–20%, 20–30%, 30–40%, 40–50%, 50–60%, 60–70%, 70–80%, 80–90% und > 90%. Vorzugsweise ist die Anzahl der von der ersten Detektionsfläche empfangenen Elektronen um einen Prozentsatz q größer ist als die Anzahl der von der zweiten Detektionsfläche empfangenen Elektronen, wobei q aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: < 10%, 10–20%, 20–30%, 30–40%, 40–50%, 50–60%, 60–70%, 70–80%, 80–90% und > 90%.
Der erste und/oder der zweite Detektionsbereich können eine oder mehrere Mikrokanalplatten, einen Elektronenvervielfacher, einen Szintillator oder eine Photoelektronenvervielfacher-Röhre aufweisen. Vorzugsweise weist die Detektionsvorrichtung wenigstens ein zickzackförmig angeordnetes Paar von Mikrokanalplatten auf.
Der Detektor kann weiter wenigstens eine Kollektorplatte aufweisen, die eingerichtet ist, um bei der Verwendung wenigstens einige von der Detektionsvorrichtung erzeugte oder abgegebene Elektronen zu empfangen. Die wenigstens eine Kollektorplatte kann so geformt sein, daß eine zeitliche Verbreiterung der Flugzeit der auf die Detektionsvorrichtung einfallenden Elektronen wenigstens teilweise kompensiert wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Detektionsvorrichtung so geformt sein, daß eine zeitliche Verbreiterung der Flugzeit der auf die Detektionsvorrichtung einfallenden Elektronen wenigstens teilweise kompensiert wird. Vorzugsweise weist der Detektor eine oder mehrere Elektroden auf, die eingerichtet sind, um eine zeitliche Verbreiterung der Flugzeit der auf die Detektionsvorrichtung einfallenden Elektronen wenigstens teilweise zu kompensieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind eine oder mehrere Elektroden eingerichtet, um zwischen der Mikrokanalplatte und der Detektionsvorrichtung ein elektrisches Feld bereitzustellen. Ein zeitlich veränderliches Potential kann an wenigstens eine der einen oder mehreren Elektroden angelegt werden. Die Amplitude des zeitlich veränderlichen Potentials wird vorzugsweise zeitlich im wesentlichen sinusförmig geändert. Die Amplitude des zeitlich veränderlichen Potentials kann sich mit einer aus der folgenden Gruppe ausgewählten Frequenz ändern: 10–50 Hz, 50–100 Hz, 100–150 Hz, 150–200 Hz, 200–250 Hz, 250–300 Hz, 300–350 Hz, 350–400 Hz, 400–450 Hz, 450–500 Hz, 500–550 Hz, 550–600 Hz, 600–650 Hz, 650–700 Hz, 700–750 Hz, 750–800 Hz, 800–850 Hz, 850–900 Hz, 900–950 Hz, 950–1000 Hz, 1,0–1,5 kHz, 1,5–2,0 kHz, 2,0–2,5 kHz, 2,5–3,5 kHz, 3,5–4,5 kHz, 4,5–5,5 kHz, 5,5–7,5 kHz, 7,5–9,5 kHz, 9,5–12,5 kHz, 12,5–15 kHz, 15,0–20,0 kHz und > 20 kHz. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ändert sich die Amplitude des Potentials mit einer Frequenz zwischen etwa 50 Hz und etwa 10 kHz.
Zusätzlich oder alternativ kann das zeitlich veränderliche Potential intermittierend an wenigstens eine der einen oder mehreren Elektroden angelegt werden. Die Frequenz, mit der das Potential an die eine oder die mehreren Elektroden angelegt wird, kann aus der vorstehenden Gruppe ausgewählt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden wenigstens einige der von getrennten Kanälen der Mikrokanalplatte abgegebenen Elektronen auf im wesentlichen getrennten, nicht überlappenden Bereichen auf der Detektionsfläche empfangen.
Die Detektionsfläche kann sich in Umfangsrichtung und zusammenhängend um die Austrittsfläche der Mikrokanalplatte erstrecken. Die Detektionsvorrichtung kann im wesentlichen in der gleichen Ebene liegen wie die Mikrokanalplatte.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung ein Massenspektrometer mit einem vorstehend beschriebenen Detektor vor.
Vorzugsweise bildet der Detektor einen Teil eines Flugzeit-Massenanalysators. Der Detektor kann weiter einen Analog-Digital-Wandler ("ADC") und/oder einen Zeit-Digital-Wandler ("TDC") aufweisen, die mit dem Detektor verbunden sind.
Das Massenspektrometer kann eine Ionenquelle aufweisen, welche aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus folgendem besteht: einer Elektrosprayionisations-Ionenquelle ("ESI-Ionenquelle"), einer Atmosphärendruckionisations-Ionenquelle ("API-Ionenquelle"), einer Atmosphärendruck-Ionenquelle mit chemischer Ionisation ("APCI-Ionenquelle"), einer Atmosphärendruck-Photoionisations-Ionenquelle ("APPI-Ionenquelle"), einer Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle ("LDI-Ionenquelle"), einer induktiv gekoppelten Plasma-Ionenquelle ("ICP-Ionenquelle"), einer Ionenquelle mit schnellem Atombeschuß ("FAB-Ionenquelle"), einer Flüssig-Sekundärionen-Massenspektrometrie-Ionenquelle ("LSIMS-Ionenquelle"), einer Feldionisations-Ionenquelle ("FI-Ionenquelle"), einer Felddesorptions-Ionenquelle ("FD-Ionenquelle"), einer Elektronenstoß-Ionenquelle ("EI-Ionenquelle"), einer Ionenquelle mit chemischer Ionisation ("CI-Ionenquelle") und einer matrixunterstützten Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle ("MALDI-Ionenquelle"). Die Ionenquelle kann kontinuierlich oder gepulst sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren zum Detektieren von Teilchen mit den folgenden Schritten vor: Empfangen von Teilchen an einer Eintrittsfläche einer Mikrokanalplatte, Abgeben von Elektronen von einer Austrittsfläche der Mikrokanalplatte, wobei die Austrittsfläche eine erste Fläche aufweist, und Empfangen von wenigstens einigen der Elektronen auf einer Detektionsfläche eines Detektors mit einer zweiten Fläche. Zu einer ersten Zeit t₁ werden von der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen an einem ersten Abschnitt oder Bereich der Detektionsfläche empfangen, und zu einer zweiten späteren Zeit t₂ werden von der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen an einem zweiten verschiedenen Abschnitt oder Bereich der Detektionsfläche empfangen.
Gemäß einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Massenspektrometrie vor, das ein vorstehend beschriebenes Verfahren zum Detektieren von Teil chen einschließt.
Gemäß einer ersten bevorzugten Hauptausführungsform fallen Primärionen auf eine erste Mikrokanalplatte, die ansprechend darauf Sekundärelektronen erzeugt. Die Sekundärelektronen werden anschließend auf eine oder mehrere sekundäre Mikrokanalplatten oder andere Detektionsvorrichtungen gerichtet, die so eingerichtet sind, daß ihre Gesamtfläche vorzugsweise erheblich größer ist als diejenige der ersten Mikrokanalplatte und daß sie davon beabstandet sind. Auf diese Weise werden die von der ersten Mikrokanalplatte erzeugten Sekundärelektronen über eine größere zweite Elektronenvervielfachungsfläche dispergiert. Das Dispergieren der Sekundärelektronen über eine verhältnismäßig große Elektronenvervielfachungsfläche ist verglichen mit dem Dispergieren des Ionenstrahls über eine verhältnismäßig große Ionendetektionsfläche vorteilhaft, weil es nicht erforderlich ist, daß ein elektrisches Feld in den Bereich stromaufwärts des Ionendetektors eingebracht wird. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Bereich stromaufwärts des Ionendetektors der Driftbereich eines Flugzeit-Massenspektrometers ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der von der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte erzeugte und dann abgegebene Sekundärelektronenstrom über die Detektionsvorrichtung dispergiert. Dementsprechend können die Elektronen über eine verhältnismäßig große Anzahl von Kanälen entweder in einer einzigen größeren Mikrokanalplatte oder in mehreren Mikrokanalplatten mit einer höheren Gesamtzahl von Kanälen dispergiert werden. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß die von der ersten Mikrokanalplatte abgegebenen Sekundärelektronen umgelenkt werden oder die Sekundärelektronen über die Oberfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten der Detektionsvorrichtung gelenkt werden.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Hauptausführungsform werden von der ersten Mikrokanalplatte emittierte Sekundärelektronen über eine Zeitskala, die sich auf die Erholungszeit der einzelnen Kanäle der einen oder mehreren Mikrokanalplatten bezieht, über eine oder mehrere Mikrokanalplatten einer Detektionsvorrichtung gelenkt bzw. gescannt. Durch Verteilen der Sekundärelektronen von der ersten Mikrokanalplatte über die Mikrokanalplatten der Detektionsvorrichtung ist der Detektor in der Lage, einen verhältnismäßig hohen Ausgangsstrom für eine gegebene Gesamtverstärkung bei einer minimalen Verzerrung der Impulshöhenverteilungen abzugeben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können die von der ersten Mikrokanalplatte abgegebenen Sekundärelektronen gleichmäßig oder ungleichmäßig zwischen zwei oder mehr getrennten sekundären Mikrokanalplattenanordnungen, Elektronenvervielfacherröhren ("EMT") oder Photoelektronenvervielfacher-Röhren ("PMT") aufgeteilt werden. Der Ausgangsstrom solcher Elektronenvervielfacher kann dann mit einem geeigneten Prozessor, beispielsweise einem Analog-Digital-Wandler ("ADC") oder einem Zeit-Digital-Wandler, gekoppelt werden. Alternativ kann eine Kombination von Analog- und Zeit-Digital-Wandlern mit den Elektronenvervielfachern gekoppelt werden. Durch Koppeln einer Kombination von Analog- und Zeit-Digital-Wandlern mit den Elektronenvervielfachern kann der Dynamikbereich des Ionendetektionssystems insgesamt vergrößert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird es Primärionen ermöglicht, auf eine Eintrittsfläche einer ersten Mikrokanalplattenanordnung zu treffen, so daß Sekundärelektronen erzeugt und von der Austrittsfläche abgegeben werden. Die erste Mikrokanalplatte kann vorzugsweise bei einer verhältnismäßig niedrigen Verstärkung betrieben werden, und die von der ersten Mikrokanalplattenanordnung emittierten Sekundärelektronen können vorzugsweise im wesentlichen gleichmäßig auf eine zweite größere Mikrokanalplatte oder mehrere Mikrokanalplatten mit einer Gesamtfläche, die größer als diejenige der ersten Mikrokanalplatte ist, defokussiert werden. Hierdurch wird eine Erhöhung der Anzahl der für die Elektronenvervielfachung verfügbaren Kanäle bereitgestellt, ohne daß die Eigenschaften der einzelnen Kanäle, beispielsweise die Zeitkonstante für die Kanalerholung oder der Kanalwiderstand, geändert werden. Diese Ausführungsform führt daher dazu, daß ein höherer maximaler Ausgangsstrom von den Sekundärelektronenvervielfachern erzeugt werden kann, ohne daß der Ionendetektor sättigt. Es können verschiedene Verfahren verwendet werden, um den Sekundärelektronenstrahl von der ersten Mikrokanalplattenanordnung zu der zweiten Mikrokanalplattenanordnung abzulenken, zu fokussieren, zu richten oder zu führen, welche das Einsetzen elektrostatischer und/oder magnetischer Felder einschließen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform detektiert der Detektor Teilchen, beispielsweise Ionen, an einer ersten Mikrokanalplatte, die eine einzige kreisförmige Mikrokanalplatte mit einem aktiven Querschnittsdurchmesser D auf weist. Eine hinter der ersten Mikrokanalplatte angeordnete Detektionsvorrichtung kann ein zickzackförmig angeordnetes Paar von kreisförmigen Mikrokanalplatten mit einem aktiven Durchmesser von 2D aufweisen. Gemäß dieser Ausführungsform ist der maximale Ausgangsstrom des Ionendetektors in etwa viermal größer als die maximale Ausgabe einer einzigen Anordnung eines zickzackförmigen Paars mit einem Durchmesser D bei gleicher Verstärkung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die erste Mikrokanalplatte eine einzige kreisförmige Mikrokanalplatte mit einem aktiven Durchmesser von 25 mm sein. Die erste Mikrokanalplatte hat vorzugsweise einen Kanaldurchmesser von 10 μm und kann eine Kanalteilung von 12 μm aufweisen, so daß insgesamt 3,9 × 10⁶ Kanäle bereitgestellt werden können. Das zickzackförmig angeordnete Paar von Mikrokanalplatten kann vorzugsweise einen größeren aktiven Durchmesser von 50 mm aufweisen. Die Kanäle in dem zickzackförmig angeordneten Paar von Mikrokanalplatten können vorzugsweise auch einen Durchmesser von 10 μm und eine Kanalteilung von 12 μm aufweisen, so daß sich insgesamt 1,6 × 10⁷ Kanäle ergeben. Der Widerstand in jedem Kanal in den Mikrokanalplatten kann 1,2 × 10¹⁴ Ω betragen. Dementsprechend beträgt der Gesamtwiderstand der ersten Mikrokanalplatte 3 × 10⁷ Ω und der Gesamtwiderstand jeder Mikrokanalplatte in dem zickzackförmig angeordneten Paar von Mikrokanalplatten 7,5 × 10⁶ Ω. Die Kanäle von jeder der Mikrokanalplatten haben vorzugsweise ein Länge-Durchmesser-Verhältnis von 46 : 1, wenngleich auch andere Verhältnisse verwendet werden können.
Gemäß der vorstehend erwähnten bevorzugten Ausführungsform führt das Anlegen einer Vorspannung von 380 V an die erste Mikrokanalplatte zu einer mittleren Verstärkung von etwa × 10 über die erste Mikrokanalplatte. Die Ankunft eines einzigen Ions an der Eintrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte führt daher durchschnittlich dazu, daß zehn Elektronen von einem einzigen Kanal an der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte abgegeben werden.
Eine Vorspannung von 1700 V kann vorzugsweise an das zickzackförmig angeordnete Paar von Mikrokanalplatten angelegt werden, woraus sich eine mittlere Verstärkung von etwa 5 × 10⁵ über das zickzackförmig angeordnete Paar stromabwärts der ersten Mikrokanalplatte angeordneter Mikrokanalplatten ergibt. Dementsprechend beträgt die Gesamtverstärkung der ersten Mikrokanalplatte und des zickzackförmig angeordneten Paars von Mikrokanalplatten in dem Ionendetektor in etwa 5 × 10⁶.
Um zu gewährleisten, daß die von jedem Kanal der ersten Mikrokanalplatte abgegebenen Sekundärelektronen über die maximale Fläche des zickzackförmig angeordneten Paars von Mikrokanalplatten verteilt werden, gleicht der Durchmesser D_e der Wolke von jedem Kanal abgegebener Sekundärelektronen, wenn sie auf das zickzackförmig angeordnete Paar von Mikrokanalplatten fallen, vorzugsweise dem Durchmesser D₂ des zickzackförmig angeordneten Paars, der kleiner ist als der Durchmesser D₁ der ersten Mikrokanalplatte. Gemäß der vorstehenden Ausführungsform ist D₂–D₁ 25 mm. Der maximale Austrittswinkel ϕ, unter dem die Sekundärelektronen aus der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte austreten, in bezug auf die Ebene der ersten Mikrokanalplatte ist durch den Kanaldurchmesser d_c und die Tiefe P bestimmt, bis zu der die nicht emittierende Beschichtung, die auf die Austrittsfläche der Mikrokanalplatten aufgebracht ist, in die Kanäle eindringt (Endbeeinträchtigung). Typischerweise beträgt die Endbeeinträchtigung der Kanäle einen Kanaldurchmesser. Der maximale Austrittswinkel ϕ der von der ersten Mikrokanalplatte abgegebenen Sekundärelektronen läßt sich wie nachstehend angegeben berechnen:
Gemäß der vorstehend angegebenen Ausführungsform beträgt der maximale Austrittswinkel ϕ 45°.
Für den Kanaldurchmesser, das Verhältnis zwischen der Kanallänge und dem Kanaldurchmesser (l/d_c) und die Endbeeinträchtigung, die vorstehend angegeben wurden, kann die mittlere Energie der aus der ersten Mikrokanalplatte austretenden Sekundärelektronen auf der Grundlage der an die erste Mikrokanalplatte angelegten Vorspannung berechnet werden. Wenn eine Vorspannung von 380 V an die erste Mikrokanalplatte angelegt ist, beträgt die mittlere Energie E der aus der ersten Mikrokanalplatte austretenden Sekundärelektronen 5 eV.
Wenn keine Potentialdifferenz zwischen die Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte und die Eintrittsfläche des zickzackförmig angeordneten Paars von Mikrokanalplatten gelegt ist, kann der Durchmesser D_e der Wolke der von einem einzigen Kanal der ersten Mikrokanalplatte emittierten Sekundärelektronen nach der folgenden Gleichung berechnet werden:
wobei S der Abstand zwischen der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte und der Eintrittsfläche des zickzackförmig angeordneten Paars von Mikrokanalplatten ist. Dementsprechend sollten die Abstände zwischen der ersten Mikrokanalplatte und dem zickzackförmig angeordneten Paar von Mikrokanalplatten vorzugsweise 12,5 mm betragen, um einen Durchmesser D_e der Wolke der von einem einzigen Austrittskanal der ersten Mikrokanalplatte abgegebenen Sekundärelektronen von 25 mm zu erreichen. Der Durchmesser D_e der Wolke von Sekundärelektronen an der Eintrittsfläche des zickzackförmig angeordneten Paars von Mikrokanalplatten kann geändert werden, indem ein Potential V_b zwischen der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte und der Eintrittsfläche des zickzackförmig angeordneten Paars von Mikrokanalplatten gelegt wird. Bei einer solchen Ausführungsform kann der Durchmesser De der Wolke von Sekundärelektronen folgendermaßen berechnet werden:
Beispielsweise beträgt für einen Abstand von 50 mm und eine Potentialdifferenz von 120 V zwischen der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte und der Eintrittsfläche des zickzackförmig angeordneten Paars von Mikrokanalplatten der Durchmesser De der Wolke von Sekundärelektronen an der Eintrittsfläche des zickzackförmig angeordneten Paars von Mikrokanalplatten 25 mm.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann zugelassen werden, daß die von der ersten Mikrokanalplatte abgegebenen Sekundärelektronen einen organischen oder anorganischen Szintillator treffen. Ein organischer Szintillator oder ein Kunststoff-Szintillator ist bevorzugt, weil die Anstiegs- und Abfallszeiten solcher Szintillatoren in der Größenordnung von 0,5–2 ns liegen. Von dem Szintillator emittierte Photonen können dann durch einen Lichtleiter zu einem Photokathodenfenster gelenkt werden, das eine größere Fläche als die erste Mikrokanalplatte aufweist. Alternativ können die vom Szintillator emittierten Photonen zu mehreren Photokathoden gelenkt werden, deren Gesamtfläche größer ist als die Fläche der ersten Mikrokanalplattenanordnung. Galliumarsenid kann beispielsweise als das Photokathodenmaterial verwendet werden. Die von der Photokathode abgegebenen Elektronen können dann zu einer Detektionsvorrichtung mit einer oder mehreren weiteren Mikrokanalplatten geleitet werden. Die weiteren Mikrokanalplatten weisen vorzugsweise auch eine größere Gesamtfläche als die erste Mikrokanalplatte auf. Vorzugsweise wird der größte Teil der Elektronenvervielfachung an der zweiten Mikrokanalplattenstufe ausgeführt.
Das Dispergieren der von der ersten Mikrokanalplatte abgegebenen Sekundärelektronen über eine oder mehrere weitere zweite Mikrokanalplatten mit einer größeren Gesamtfläche ermöglicht es, daß der Eingangsionenstrom um das Verhältnis zwischen der Fläche der ersten Mikrokanalplatte und der Fläche der zweiten Mikrokanalplatte vergrößert wird, ohne daß die Verstärkung des Detektionssystems beeinträchtigt wird, wobei die Impulshöhenverteilung nur minimal beeinflußt wird. Zusätzlich ermöglicht diese Ausführungsform ein vorteilhaftes elektrisches Entkoppeln des Ausgangs des Detektors von anderen Komponenten des Massenspektrometers. Demgemäß kann der Ausgang eines Detektors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nominell auf dem Massepotential liegen, und die Bedingungen für die Aufbereitung des Ausgangssignals können daher vereinfacht sein.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Sekundärelektronen von der ersten Mikrokanalplatte über die Oberfläche einer zweiten größeren Detektionsvorrichtung dispergiert oder geführt. Die Detektionsvorrichtung weist vorzugsweise eine oder mehrere Mikrokanalplatten mit einer größeren Gesamtfläche auf. Gemäß dieser Ausführungsform können die Sekundärelektronen durch ein oder mehrere elektrische und/oder magnetische Felder über die Detektionsfläche dispergiert oder geführt werden. Gemäß dieser Ausführungsform können die von der ersten Mikrokanalplatte abgegebenen Sekundärelektronen nicht unbedingt auf die Detektionsfläche fokussiert werden, sondern sie können vorzugsweise über eine verhältnismäßig große Fläche der Detektionsfläche divergiert werden. Hierdurch wird gewährleistet, daß im wesentlichen alle Kanäle in der einen oder in den mehreren Mikrokanalplatten der Detektionsvorrichtung verwendet werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform werden die von der ersten Mikrokanalplatte abgegebenen Sekundärelektronen zu einer bestimmten Zeit auf einen diskreten Bereich der Detektionsfläche der Detektionsvorrichtung fokussiert oder geführt. Die Detektionsvorrichtung kann eine oder mehrere Mikrokanalplatten aufweisen, deren Gesamtfläche größer als diejenige der ersten Mikrokanalplatte ist. Gemäß dieser Ausführungsform werden die Sekundärelektronen vorzugsweise so fokussiert, daß sie vorzugsweise auf die bei der einen oder den mehreren Mikrokanalplatten der Detektionsvorrichtung minimal mögliche Anzahl von Kanälen fallen. Die von der ersten Mikrokanalplatte abgegebenen Sekundärelektronen können vorzugsweise durch ein zeitlich veränderliches elektrisches und/oder magnetisches Ablenkfeld zwischen verschiedenen Bereichen der zweiten Mikrokanalplattenanordnung kontinuierlich abgelenkt, geführt oder gedreht oder periodisch geschaltet, geführt oder gedreht werden. Die durchschnittliche Anzahl von Sekundärelektronen, die von einer Fläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten der Detektionsvorrichtung je Zeiteinheit empfangen werden, ist vorzugsweise kleiner als die durchschnittliche Anzahl der Sekundärelektronen, die je Zeiteinheit von einer entsprechenden Fläche der ersten Mikrokanalplatte abgegeben werden. Gemäß dieser Ausführungsform tritt vorteilhafterweise ein minimales Verbreitern der Impulshöhenverteilung auf, weil die Gesamtzahl der durch ein an der ersten Mikrokanalplatte ankommendes einzelnes Ion erzeugten Sekundärelektronen über verhältnismäßig wenige Kanäle der einen oder mehreren Mikrokanalplatten in der Detektionsvorrichtung verteilt wird. Daher ist es wahrscheinlicher, daß die Ausgabe jedes einzelnen Kanals in der einen oder den mehreren Mikrokanalplatten der Detektionsvorrichtung raumladungsbegrenzt ist, was zu einer verhältnismäßig schmalen Impulshöhenverteilung führt.
Ein besonderer Vorteil der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der maximale durchschnittliche Ausgangsstrom des Ionendetektors, der möglich ist, bevor die Verstärkung des Ionendetektors beeinträchtigt wird, gegenüber einem herkömmlichen Ionendetektionssystem erhöht ist.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun zusammen mit anderen Anordnungen, die nur der Erläuterung dienen, nur als Beispiel mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
1A eine schematische Darstellung einer Teilansicht einer herkömmlichen Mikrokanalplatte und 1B Sekundärelektronen, die innerhalb eines Kanals eines Mikrokanalplattendetektors erzeugt werden,
2 eine schematische Darstellung einer ersten Hauptausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei eine elektrostatische Linse verwendet wird, um von einer ersten Mikrokanalplatte emittierte Sekundärelektronen auf eine zweite größere Mikrokanalplatte zu divergieren,
3 ein SIMION-Modell der Flugbahnen von Sekundärelektronen, wenn sie gemäß der ersten Hauptausführungsform der vorliegenden Erfindung aus der ersten Mikrokanalplatte austreten und auf die zweite größere Mikrokanalplatte divergiert werden,
4 ein SIMION-Modell der Flugbahnen der Sekundärelektronen gemäß einer Ausführungsform, wobei eine Gitterelektrode zum Divergieren der Sekundärelektronen verwendet wird,
5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform, wobei die von der ersten Mikrokanalplatte emittierten Sekundärelektronen auf einen Szintillator fallen bzw. auftreffen und sich am Szintillator ergebende Photonen auf eine größere Photokathode divergiert werden, die vor einer zweiten Mikrokanalplatte angeordnet ist,
6 ein SIMION-Modell der Flugbahnen von Sekundärelektronen gemäß einer anderen Ausführungsform, wobei eine Elektrode bereitgestellt ist, um Sekundärelektronen in zwei getrennte Elektronenströme aufzuteilen,
7 ein SIMION-Modell der Flugbahnen der Sekundärelektronen gemäß einer Ausführungsform ähnlich der in 6 dargestellten, wobei an Stelle einer Mikrokanalplatte eine Photoelektronenvervielfacher-Röhre verwendet wird, um einen der Sekundärelektronenströme zu detektieren,
8 ein SIMION-Modell der Flugbahnen von Sekundärelektronen gemäß einer Ausführungsform, wobei die Sekundärelektronen in zwei ungleiche Sekundärelektronenströme aufgeteilt werden,
9A ein SIMION-Modell der Flugbahnen von Sekundärelektronen gemäß einer zweiten Hauptausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die von einer ersten Mikrokanalplatte emittierten Sekundärelektronen zu einer ersten Zeit zu nur einem Abschnitt der verhältnismäßig großen Mikrokanalplatte geführt werden, und 9B die Sekundärelektronen, die zu einer zweiten späteren Zeit zu einem zweiten verschiedenen Abschnitt der Mikrokanalplatte geführt werden,
10A eine schematische Darstellung einer Ausführungsform, wobei von einer ersten Mikrokanalplatte emittierte Sekundärelektronen durch eine Quadrupollinsenanordnung über die Eintrittsfläche einer verhältnismäßig großen Mikrokanalplatte gedreht werden, und 10B die Ablenkbewegung des Sekundärelektronenstrahls über die Oberfläche des Mikrokanalplattendetektors,
11A eine Ausführungsform, wobei von verschiedenen Kanälen einer ersten Mikrokanalplatte abgegebene Sekundärelektronen zeitlich veränderlich von einer elektrostatischen Linse oder Elektrodenanordnung zu im wesentlichen nicht überlappenden Bereichen einer verhältnismäßig großen Mikrokanalplatte geführt werden, und 11B eine als Beispiel dienende Wechselspannung, die an die elektrostatische Linse oder Elektrodenanordnung angelegt werden kann, um die Sekundärelektronen über die Oberfläche des Mikrokanalplattendetektors zu bewegen,
12 eine Ausführungsform, wobei eine Multipol-Stab-Linsenanordnung verwendet wird, um die Sekundärelektronen zeitlich veränderlich über die Oberfläche eines Mikrokanalplattendetektors zu bewegen,
13A ein SIMION-Modell der Flugbahnen von Sekundärelektronen gemäß einer Ausführungsform, wobei die Sekundärelektronen zu einer ersten Zeit durch die Kombination eines elektrischen und eines magnetischen Felds zu einem ersten Bereich eines koplanaren Mikrokanalplattendetektors geführt werden, und 13B die Flugbahnen der Sekundärelektronen zu einer zweiten späteren Zeit, wenn das elektrische Feld reduziert ist, und
14A ein SIMION-Modell der Flugbahnen von Sekundärelektronen gemäß einer Ausführungsform, wobei die Elektronen zu einer ersten Zeit durch ein Magnetfeld in einer ersten Richtung zu einem koplanaren zickzackförmig angeordneten Paar von Mikrokanalplatten geführt werden, und 14B die Sekundärelektronen, die zu einer zweiten späteren Zeit durch ein Magnetfeld in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung zu einem anderen koplanaren Paar von Mikrokanalplatten geführt werden.
Eine herkömmliche Mikrokanalplatte ist in 1A dargestellt. Die Mikrokanalplatte 1 weist eine periodische Anordnung von Glaskapillaren oder Kanälen 2 mit einem sehr kleinen Durchmesser auf, die durch Schmelzen miteinander verbunden wurden und zu einer dünnen Platte geschnitten wurden. Die Mikrokanalplatten 1 weisen typischerweise mehrere Millionen Kanäle 2 auf, und jeder Kanal 2 wirkt als ein unabhängiger Elektronenvervielfacher.
1B zeigt die Funktionsweise eines einzigen Kanals 2 einer Mikrokanalplatte 1. Ein einziges einfallendes Teilchen 3, beispielsweise ein Ion (oder weniger bevorzugt ein Elektron oder ein Photon) tritt in den Kanal 2 ein und bewirkt, daß Sekundärelektronen 4 von der Kanalwand 5 emittiert werden. Eine Potentialdifferenz V_D wird über die Mikrokanalplatte 1 aufrechterhalten, und sie erzeugt ein elektrisches Feld, das die Sekundärelektronen 4 zur Ausgangsfläche der Mikrokanalplatte 1 beschleunigt. Die Sekundärelektronen 4 laufen entlang parabolischen Flug bahnen durch den Kanal 2, bis sie auf die Kanalwand 5 treffen, woraufhin sie noch weitere Sekundärelektronen 4 erzeugen. Dieser Prozeß wird mehrere Male entlang dem Kanal 2 wiederholt, was dazu führt, daß eine Kaskade von Sekundärelektronen 4 vom Ausgang des bestrahlten Kanals 2 der Mikrokanalplatte 1 abgegeben oder emittiert wird. Die Mikrokanalplatte 1 kann so eingerichtet werden, daß an der Austrittsfläche ansprechend auf ein einziges einfallendes Teilchen (beispielsweise ein Ion) mehrere tausend Sekundärelektronen 4 erzeugt werden.
Eine erste Hauptausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf 2 beschrieben. 2 zeigt einen Detektor 7 für ein Massenspektrometer, vorzugsweise einen Ionendetektor, der eine erste Mikrokanalplatte 8 aufweist, von der Ionen 12 (oder weniger bevorzugt andere Teilchen) empfangen werden, oder auf die Ionen einfallen. Die erste Mikrokanalplatte 8 erzeugt vorzugsweise Sekundärelektronen 16, die dann von der ersten Mikrokanalplatte 8 emittiert werden und vorzugsweise zu einer Detektionsvorrichtung 9 übertragen werden, die hinter der ersten Mikrokanalplatte 8 angeordnet und davon beabstandet ist. Eine elektrostatische Linsenanordnung 17 oder eine Anordnung von einer oder mehreren Elektroden (oder weniger bevorzugt einer oder mehreren magnetischen Linsen) ist vorzugsweise zwischen der ersten Mikrokanalplatte 8 und der Detektionsvorrichtung 9 angeordnet. Die Detektionsvorrichtung 9 weist vorzugsweise ein Paar zickzackförmig angeordneter Mikrokanalplatten 10, 11 auf, so daß die Kanäle innerhalb der zwei Mikrokanalplatten 10, 11 unter einem Winkel zur Grenzfläche zwischen den zwei Mikrokanalplatten 10, 11 stehen. Eine Kollektorplatte 15 ist vorzugsweise hinter der hintersten der zwei die Detektionsvorrichtung 9 bildenden Mikrokanalplatten 11 angeordnet.
Die erste Mikrokanalplatte 8 ist vorzugsweise eine einzige Mikrokanalplatte, die bei einer verhältnismäßig niedrigen Verstärkung von beispielsweise × 5 und × 20 betrieben wird, und die zickzackförmig angeordneten Mikrokanalplatten 10, 11 werden vorzugsweise mit einer verhältnismäßig hohen Verstärkung von × 10⁶ betrieben. Der Ionendetektor 7 hat daher vorzugsweise eine Gesamtverstärkung zwischen 5 × 10⁶ und 2 × 10⁷.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind wenigstens eine, vorzugsweise wenigstens zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun oder zehn elektrostatische Linsen oder Elektroden 17a, 17b, 17c zwischen der ersten Mikrokanalplatte 8 und dem zickzackförmig angeordneten Paar von Mikrokanalplatten 10, 11 angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform können die elektrostatischen Linsen zylindersymmetrische Elektroden aufweisen. Es werden auch andere Elektrodenanordnungen erwogen. Die elektrostatischen Linsen dienen vorzugsweise dazu, von der ersten Mikrokanalplatte 8 auf den gewünschten Abschnitt oder den gewünschten Bereich der Detektionsfläche der Detektionsvorrichtung 9 abgegebene Sekundärelektronen 16 zu fokussieren, zu divergieren oder zu führen. Gemäß der ersten Hauptausführungsform werden Sekundärelektronen 16 vorzugsweise auf und über im wesentlichen die ganze Detektionsfläche der Detektionsvorrichtung 9 (d.h. die Mikrokanalplatten 10, 11) divergiert.
Beim Betrieb fallen die beispielsweise aus dem Drift- oder Flugbereich eines Flugzeit-Massenanalysators austretenden Ionen 12 vorzugsweise auf eine Eintrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8. Die erste Mikrokanalplatte 8 erzeugt ansprechend auf das Ankommen eines Ions (oder weniger bevorzugt auf die Ankunft eines Photons oder Elektrons) Sekundärelektronen 16. Die Anzahl der von der ersten Mikrokanalplatte 8 erzeugten Sekundärelektronen 16 je Ioneneinfall nähert sich vorzugsweise einer Poisson-Verteilung. Die von der ersten Mikrokanalplatte 8 erzeugten Sekundärelektronen 16 werden dann vorzugsweise von einer Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 abgegeben und vorzugsweise durch eine zwischen der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 und der Eintrittsfläche der Detektionsvorrichtung 9 aufrechterhaltene Potentialdifferenz zu der Detektionsvorrichtung 9 (beispielsweise einem zickzackförmig angeordneten Paar von Mikrokanalplatten 10, 11) beschleunigt.
Die Sekundärelektronen 16 treten aus der ersten Mikrokanalplatte 8 mit einer Winkelverteilung aus, die sich auf die Vorspannung über der ersten Mikrokanalplatte 8 und den Feldgradienten zwischen der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 und der Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10, welche das vordere Ende der Detektionsvorrichtung 9 bildet, bezieht. Die Sekundärelektronen 16 werden vorzugsweise nicht auf die zweite Mikrokanalplatte 10 fokussiert, sondern sie werden vorzugsweise im wesentlichen gleichmäßig über die Eintritts- oder Detektionsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 verteilt und divergiert. Dies gewährleistet, daß sich wiederholende Primärionenereignisse an der ersten Mikrokanalplatte 8 Sekundärelektronen 16 erzeugen, die über eine verhältnis mäßig große Fläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 verteilt sind.
Wenigstens einige, vorzugsweise im wesentlichen alle Sekundärelektronen 16 werden vorzugsweise von der Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 empfangen, und Tertiärelektronen 14 werden vorzugsweise ansprechend darauf von dem zickzackförmig angeordneten Paar von Mikrokanalplatten 10, 11 erzeugt. Die Tertiärelektronen 14 werden vorzugsweise von der Austrittsfläche der dritten Mikrokanalplatte 11 emittiert und können von einer Kollektorplatte 15, die hinter der dritten Mikrokanalplatte 11 angeordnet ist, empfangen und detektiert werden.
Die Dispersion der von der ersten Mikrokanalplatte 8 abgegebenen Sekundärelektronen 16 über eine zweite größere Mikrokanalplatte 10 ermöglicht es vorteilhafterweise, daß der Eingangs-Ionenstrom um das Verhältnis zwischen der Fläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 und der Fläche der ersten Mikrokanalplatte 8 erhöht wird, ohne daß die Verstärkung des Ionendetektors 7 beeinträchtigt wird.
3 zeigt eine zweidimensionale SIMION-Simulation, in der die Flugbahnen von der ersten Mikrokanalplatte 8 emittierter Sekundärelektronen 16 dargestellt sind, wenn sie zur zweiten Mikrokanalplatte 10 des Ionendetektors 7 beschleunigt werden. Eine elektrostatische Linsen- oder Elektrodenanordnung 17 ist wie dargestellt zwischen der ersten Mikrokanalplatte 8 und der zweiten Mikrokanalplatte 10 angeordnet, um die Sekundärelektronen 16 über die Detektionsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 zu verteilen. Die SIMION-Simulation repräsentiert Elektronen flugbahnen 16 für Sekundärelektronen, die unter einem zur Oberfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 senkrechten Winkel austreten und eine Anfangsenergie von 20 eV aufweisen. Bei dieser Simulation wurde die Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 auf einem Potential gehalten, das um +105 V höher war als dasjenige der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8. Die Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 kann beispielsweise bei 0 V gehalten werden und Sekundärelektronen 16 von einer im wesentlichen kreisförmigen Austrittsfläche mit einem Durchmesser von 25 mm emittieren. Die zweite Mikrokanalplatte 10 empfängt vorzugsweise wenigstens einige, vorzugsweise alle der Sekundärelektronen 16 über eine im wesentlichen kreisförmige Detektionsfläche mit einem größeren Durchmesser von beispielsweise 50 mm. Die erste Mikrokanalplatte 8 und die zweite Mikrokanalplatte 10 können gemäß einer Ausführungsform um 20 mm beabstandet sein. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein anderer Abstand zwischen der ersten Mikrokanalplatte 8 und der zweiten Mikrokanalplatte 10 verwendet werden.
Die erste Elektrode 17a, die zweite Elektrode 17b und die dritte Elektrode 17c der zwischen der ersten Mikrokanalplatte 8 und der zweiten Mikrokanalplatte 10 angeordneten elektrostatischen Linse 17 wurden in der in 3 dargestellten Simulation auf Potentialen gehalten, die um +100 V, +500 V bzw. +0 V höher waren als das Potential der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8.
Die Elektroden 17a, 17b, 17c der elektrostatischen Linse 17 sind vorzugsweise Ringelektroden, und sie weisen Kreisringe auf, deren Durchmesser vorzugsweise in Richtung der zweiten Mikrokanalplatte 10 zunehmen. Die Sekundärelektronen laufen vorzugsweise durch jede der Ringelektroden 17a, 17b, 17c der elektrostatischen Linse 17 und werden vorzugsweise über die größere Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 dispergiert.
Die elektrostatische Linse 17 oder die Elektrodenanordnung stellen vorzugsweise eine Punkt-zu-Punkt-Abbildung für Sekundärelektronen 16 bereit, welche unter einem Winkel aus der ersten Mikrokanalplatte 8 austreten, der senkrecht zu ihrer Austrittsfläche ist, und die die gleiche Anfangsenergie aufweisen. Die elektrostatische Linse 17 stellt jedoch keine Punkt-zu-Punkt-Abbildung für Sekundärelektronen 16, die unter Winkeln, die nicht senkrecht zur Austrittsfläche der Mikrokanalplatte 8 sind, aus der ersten Mikrokanalplatte 8 austreten, oder für Sekundärelektronen 16 mit einem Bereich von Energien bereit.
Es sind an jeder der Elektronenflugbahnen 16 in 3 (und bei nachfolgenden Simulationen) Markierungen dargestellt, welche der Position der Sekundärelektronen 16 bei aufeinanderfolgenden Zeitintervallen von 0,25 ns entsprechen. Wie aus 3 ersichtlich ist, erreichen Sekundärelektronen 16 mit Flugbahnen, die dichter bei den Elektroden 17a, 17b, 17c der elektrostatischen Linse 17 liegen, die zweite Mikrokanalplatte 10 vor Sekundärelektronen, die sich weiter entfernt von den Elektroden 17a, 17b, 17c bewegen (d.h. die sich innerhalb des zentralen Bereichs zwischen der ersten und der zweiten Mikrokanalplatte 8, 10 bewegen). Daher wird, wie in 3 ersichtlich ist, eine kleine zeitliche Verbreiterung in den Ankunftszeiten der Sekundärelektronen 16 an der zweiten Mikrokanalplatte 10 für von der ersten Mikrokanalplatte 8 ansprechend auf gleichzeitige Ionenankünfte erzeugte Elektronen herbeigeführt. Es ist bei dieser Simulation ersichtlich, daß die in den Ankunftszeiten der Sekundärelektronen 16 herbeigeführte zeitliche Verbreiterung in der Größenordnung einer Markierung, d.h. in der Größenordnung von 0,25 ns liegt. Diese zeitliche Verbreiterung kann, falls gewünscht, korrigiert werden, indem die Kollektorplatte 15 vorzugsweise geeignet geformt wird und/oder indem ein weiteres elektrostatisches Element zwischen der ersten und der zweiten Mikrokanalplatte 8, 10 bereitgestellt wird.
Wenngleich sie nur in zwei Dimensionen dargestellt ist, zeigt die in 3 dargestellte SIMION-Simulation Elektronenflugbahnen 16 für eine dreidimensionale Anordnung mit einer zylindrischen Symmetrie. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Kollektorplatte 15 stromabwärts des letzten Elektronenvervielfacherelements 11 (d.h. der dritten Mikrokanalplatte 11) angeordnet und kann geformt sein, um die zeitliche Verbreiterung der Ankunftszeiten von Sekundärelektronen zu kompensieren. Es wird verständlich sein, daß die Form, die Größe, die Anzahl und die Potentiale, die für die Elektroden 17a, 17b, 17c der elektrostatischen Linse 17 verwendet werden, variieren können und nicht auf die vorstehend beschriebenen als Beispiel dienenden und in der Zeichnung dargestellten Anordnungen beschränkt sind.
4 zeigt eine SIMION-Simulation der Flugbahnen von Sekundärelektronen 16 gemäß einer Ausführungsform, wobei eine Gitterelektrode 18 zwischen der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 und einer Eintritts- oder Detektionsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 angeordnet ist, um die Sekundärelektronen 16 über die Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 zu dispergieren. Die Gitterelektrode 18 kann vorzugsweise im wesentlichen nicht-planer sein und vorzugsweise gekrümmt oder kuppelförmig sein.
Eine Potentialdifferenz kann zwischen der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 und der Gitterelektrode 18 aufrechterhalten werden, so daß Sekundärelektronen 16 zur Gitterelektrode 18 beschleunigt werden. Bei dieser Simulation wurde die Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 auf einem Potential gehalten, das +1000 V höher war als dasjenige der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8. Die Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 kann bei 0 V gehalten werden und Sekundärelektronen 16 von einer im wesentlichen kreisförmigen Austrittsfläche mit einem Durchmesser von 25 mm abgeben. Die zweite Mikrokanalplatte 10 kann vorzugsweise um einen Abstand von 30 mm von der ersten Mikrokanalplatte 8 beabstandet sein, und sie empfängt vorzugsweise Sekundärelektronen 16 über einen im wesentlichen kreisförmigen Bereich mit einem Durchmesser von 40 mm.
Gemäß anderen Ausführungsformen können die von der ersten Mikrokanalplatte 8 emittierten Sekundärelektronen 16 über zwei oder mehr Detektoren verteilt werden. Die zwei oder mehr Detektoren weisen vorzugsweise Mikrokanalplatten auf. Das Verteilen der Sekundärelektronen 16 über zwei oder mehr Detektoren führt dazu, daß eine vergrößerte Anzahl von Kanälen für die Elektronenvervielfachung verfügbar ist und daher der Dynamikbereich des Ionendetektors 7 vergrößert wird. Bei solchen Ausführungsformen können die Ausgaben der letzten Vervielfachungsstufen auf die gleiche Aufzeichnungsvorrichtung oder auf getrennte Aufzeichnungsvorrichtungen gerichtet werden. Die Ausgaben der zwei oder mehr Detektoren können vorzugsweise auf eine Kombination von Analog-Digital- und Zeit-Digital-Aufzeichnungsvorrichtungen gerichtet werden, so daß der Dynamikbereich des Ionendetektors 7 vergrößert ist.
Gemäß einer Ausführungsform können die von der ersten Mikrokanalplatte 8 abgegebenen Sekundärelektronen 16 gleichmäßig oder ungleichmäßig in zwei oder mehr Portionen oder Ströme von Elektronen eingeteilt werden und auf die Eintrittsflächen der zwei oder mehr Detektoren gerichtet werden. Die zwei oder mehr Detektoren können Mikrokanalplatten, Elektronenvervielfacherröhren, Photoelektronenvervielfacher-Röhren oder eine Kombination von Detektoren einschließen. Die Verteilung des Sekundärelektronenstroms zwischen zwei oder mehr Detektoren ermöglicht eine höhere Gesamt-Ionenankunftsrate an der ersten Mikrokanalplatte, ohne daß ein Verstärkungsverlust infolge einer Detektorsättigung auftritt.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der dafür gesorgt wird, daß wenigstens einige, vorzugsweise alle der von der ersten Mikrokanalplatte 8 emittierten Sekundärelektronen 16 auf einen organischen oder anorganischen Szintillator 19 treffen, der zwischen der ersten Mikrokanalplatte 8 und der zweiten Mikrokanalplatte 10 angeordnet ist. Die Ankunft von Sekundärelektronen 16 am Szintillator 19 führt dazu, daß Photonen 20 vom Szintil lator 19 erzeugt werden. Die vom Szintillator 19 emittierten Photonen 20 werden vorzugsweise durch einen nicht fokussierenden Lichtleiter (nicht dargestellt) zu einem Photokathodenfenster 21 geleitet, das vorzugsweise eine größere Fläche aufweist als die Emissionsfläche des Szintillators 19, von der Photonen 20 emittiert werden. Die Photokathode 21 hat vorzugsweise eine größere Fläche als die erste Mikrokanalplatte 8.
Der Szintillator 19 ist vorzugsweise ein organischer Szintillator oder ein Szintillator aus Kunststoff, weil die Anstiegs- und Abfallszeiten typischerweise in der Größenordnung von 0,5–2 ns liegen. Die Photokathode 21 empfängt vorzugsweise wenigstens einige der vom Szintillator 19 emittierten Photonen 20 und erzeugt Elektronen 22 ansprechend auf Photonenankünfte. Die Photokathode 21 schließt vorzugsweise eine Galliumarsenid-Photokathode ein.
Die von der Photokathode 21 erzeugten oder emittierten Elektronen 22 werden dann vorzugsweise auf die Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 gerichtet. Die zweite Mikrokanalplatte 10 hat vorzugsweise eine Eintrittsfläche, die größer ist als die Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 und/oder des Szintillators 19. Es wird auch erwogen (wenngleich dies in 5 nicht dargestellt ist), daß die Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 größer sein könnte als die Austrittsfläche der Photokathode 21, so daß von der Photokathode 21 abgegebene Elektronen auch auf die zweite Mikrokanalplatte 10 divergiert werden könnten. Die zweite Mikrokanalplatte 10 bildet vorzugsweise eine von einem zickzackförmigen Paar von Mikrokanalplatten 10, 11, welche als ein Elektronen vervielfacher wirkt und Elektronen abgibt, die an einer Kollektorplatte 15 zu empfangen und zu detektieren sind.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform können die vom Szintillator 19 abgegebenen Photonen 20 auf mehrere Photokathoden gerichtet werden, die eine kombinierte Eintritts- oder Empfangsfläche aufweisen, die vorzugsweise größer ist als diejenige des Szintillators 19 und/oder der ersten Mikrokanalplatte 8.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Photokathode 21 nicht bereitgestellt sein, und die Photonen vom Szintillator 19 können direkt auf der zweiten Mikrokanalplatte 10 des Detektors 9 empfangen werden. Gemäß dieser Ausführungsform sind die vom Szintillator 19 abgegebenen Photonen vorzugsweise UV-Photonen.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß der Ausgang des Ionendetektors 7 elektrisch von anderen Komponenten des Massenspektrometers stromaufwärts des Detektors 9 entkoppelt werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft bei Ausführungsformen, bei denen die stromaufwärts des Detektors gelegene Komponente der Drift- oder Flugbereich eines Flugzeit-Massenspektrometers ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Kollektorplatte 15 des Ionendetektors 7 beispielsweise auf einem virtuellen Massepotential gehalten werden, wodurch das Ausgangssignal von Leistungsversorgungsrauschen und Schaltspannungen isoliert wird. Diese Konfiguration verringert nicht nur das elektronische Rauschen sondern vereinfacht auch erheblich die Ausgangssignal-Verstärkungsanforderungen.
6 zeigt eine zweidimensionale SIMION-Simulation, in der die Flugbahnen von Sekundärelektronen 16 für eine Ausführungsform dargestellt sind, bei der eine Aufteilungselektrode 26 bereitgestellt ist, um die von der ersten Mikrokanalplatte 8 emittierten Sekundärelektronen 16 so aufzuteilen, daß eine Portion oder ein Strom der Sekundärelektronen 16a von einem ersten Detektor 23 empfangen wird und eine andere Portion oder ein anderer Strom von Sekundärelektronen 16b von einem zweiten Detektor 24 empfangen wird.
Bei der in 6 dargestellten Simulation treten die Sekundärelektronen 16 unter einem zur Ebene der ersten Mikrokanalplatte 8 senkrechten Winkel mit einer Anfangsenergie von 20 eV aus der ersten Mikrokanalplatte 8 aus. Bei dieser Simulation wurde die Aufteilungselektrode 26 auf einem Potential von +300 V gehalten und wurden die Eintrittsflächen der zwei Detektoren 23, 24 auf einem Potential von +1000 V in bezug auf die Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 gehalten. Der Abstand zwischen der ersten Mikrokanalplatte 8 und der Ebene, in der die Detektoren 23, 24 angeordnet sind, betrug 31 mm. Die erste Mikrokanalplatte 8 gibt Sekundärelektronen 16 von einem vorzugsweise im wesentlichen kreisförmigen Bereich aus, der einen Durchmesser von vorzugsweise 25 mm aufweist. Die Markierungen auf jeder Elektronenflugbahn 16a, 16b entsprechen der Position der Sekundärelektronen bei aufeinanderfolgenden Zeitintervallen von 0,5 ns.
Gemäß dieser Ausführungsform werden die Sekundärelektronen in zwei im wesentlichen gleiche Portionen oder Ströme 16a, 16b aufgeteilt, die dann auf die Eintrittsflächen der zwei Detektoren 23, 24 gerichtet werden. Die Detektoren 23, 24 sind vorzugsweise in der gleichen Ebene angeordnet und vorzugsweise voneinander beabstandet, um wenigstens einige der von der ersten Mikrokanalplatte 8 abgegebenen Sekundärelektronen zu empfangen.
Die kombinierte Fläche der Eintrittsflächen der zwei Detektoren 23, 24 ist vorzugsweise größer als die Fläche der ersten Mikrokanalplatte 8, welche die Sekundärelektronen abgibt, die von den zwei Detektoren 23, 24 empfangen werden. Die Detektoren 23, 24 weisen vorzugsweise jeweils ein zickzackförmig angeordnetes Paar von Mikrokanalplatten 10, 11 auf. Die Aufteilungselektrode 26 ist vorzugsweise zwischen den zwei Detektoren 23, 24 angeordnet oder befindet sich dazwischen und erstreckt sich vorzugsweise zum Zentrum der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8. Eine oder mehrere weitere Elektroden 25a, 25b können in der gleichen Ebene wie die erste Mikrokanalplatte 8 bereitgestellt werden. Die eine oder die mehreren Elektroden 25a, 25b können eine Ringelektrode bzw. Ringelektroden sein, welche die Mikrokanalplatte 8 umgeben, oder die eine oder die mehreren Elektroden 25a, 25b können getrennte diskrete Elektroden einschließen. Die eine oder die mehreren weiteren Elektroden 25a, 25b werden vorzugsweise auf einer niedrigeren Spannung in bezug auf die Detektoren 23, 24 gehalten und vorzugsweise auf der gleichen Spannung wie die erste Mikrokanalplatte 8 gehalten.
7 zeigt eine zweidimensionale SIMION-Simulation, in der Flugbahnen von Sekundärelektronen 16a, 16b für eine Ausführungsform ähnlich derjenigen in 6 dargestellt sind, wobei jedoch, wenngleich einer der Detektoren 24 ein zickzackförmig angeordnetes Paar von Mikrokanalplatten 10, 11 aufweist, der andere Detektor 23 einen Szintillator und eine Photoelektronenvervielfacher-Röhre aufweist.
8 zeigt eine zweidimensionale SIMION-Simulation, in der die Flugbahnen von Sekundärelektronen 16a, 16b für eine Ausführungsform ähnlich derjenigen in 6 dargestellt sind, wobei jedoch bei dieser Ausführungsform die Sekundärelektronen von der Aufteilungselektrode 26 ungleichmäßig zwischen den zwei Detektoren 23, 24 aufgeteilt werden. Bei dieser Simulation befindet sich die Aufteilungselektrode 26 außerhalb des Zentrums der ersten Mikrokanalplatte 8. Die Aufteilungselektrode wird vorzugsweise auf einem Potential gehalten, das um +200 V höher liegt als dasjenige der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8, das bei 0 V gehalten werden kann. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Elektrode 26 außerhalb des Zentrums der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 angeordnet, so daß in etwa 75 der von der ersten Mikrokanalplatte 8 emittierten Sekundärelektronen auf die Eintrittsfläche des ersten Detektors 23 gerichtet werden und 25 der von der ersten Mikrokanalplatte 8 emittierten Sekundärelektronen auf die Eintrittsfläche des zweiten Detektors 24 gerichtet werden. Diese Ausführungsform ermöglicht es, daß zwei verschiedene Typen von Detektionselektronik mit den zwei vorzugsweise getrennten Detektoren 23, 24 verwendet werden. Die Aufteilungselektrode 26 kann mehr oder weniger außerhalb des Zentrums der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 angeordnet werden, so daß die Sekundärelektronen in einem gewünschten Verhältnis auf die zwei Detektoren 23, 24 gerichtet werden.
Es wird nun eine zweite Hauptausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei der Ionen 12 (oder andere Teilchen) unter Verwendung einer ersten Mikrokanalplatte 8, die bei einer niedrigen Verstärkung betrieben wird, in Sekundärelektronen 16 umgewandelt werden. Die von der ersten Mikrokanalplatte 8 emittierten Sekundärelektronen 16 werden dann auf einen spezifischen Abschnitt, einen spezifischen Bereich oder eine spezifische Fläche einer Detektionsvorrichtung 9 mit einer Eintrittsfläche gerichtet, abgelenkt oder auf andere Weise geführt, die vorzugsweise größer ist als die Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8. Der Abschnitt, der Bereich oder die Fläche der Detektionsvorrichtung 9, worauf die Sekundärelektronen 16 zu einer bestimmten Zeit geleitet werden, ist vorzugsweise kleiner als die gesamte Detektionsfläche der Detektionsvorrichtung 9 (d.h. nur ein Bruchteil davon) und kann kleiner als die Gesamtfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 sein.
Die Sekundärelektronen 16 können kontinuierlich über die Oberfläche der Detektionsvorrichtung 9 oder um diese herum mitgenommen, bewegt oder gedreht werden (oder alternativ in einer vorzugsweise schrittweisen Art periodisch geschaltet, mitgenommen, bewegt oder gedreht werden), so daß die durchschnittliche Anzahl der Sekundärelektronen 16, die je Zeiteinheit auf eine Fläche, einen Abschnitt oder einen Bereich des Detektors 9 fallen, kleiner ist als die durchschnittliche Anzahl der von einem Bereich entsprechender Größe auf der ersten Mikrokanalplatte 8 emittierten Sekundärelektronen 16.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die verhältnismäßig große Detektionsvorrichtung 9 eine zweite Mikrokanalplatte 10 und wahlweise eine dritte Mikrokanalplatte auf, die vorzugsweise zickzackförmig mit der zweiten Mikrokanalplatte 10 angeordnet ist. Gemäß dieser Ausführungsform werden die von der ersten Mikrokanalplatte 8 für eine Ankunft eines einzigen Ions erzeugten Sekundärelektronen 16 auf die zweite Mikrokanalplatte 10 fokussiert oder gerichtet, so daß die Sekundärelektronen 16 auf eine möglichst geringe Anzahl von Kanälen 2 der zweiten Mikrokanalplatte 10 fallen. Diese Fokussierung der Sekundärelektronen 16 ermöglicht das Aufrechterhalten einer schmalen Impulshöhenverteilung.
Gemäß der zweiten Hauptausführungsform kann der bevorzugte Ionendetektor 7 eine erste Mikrokanalplatte 8 mit einer Fläche A₁ und eine zweite Mikrokanalplatte 10 mit einer größeren Fläche A₂ aufweisen, wobei beide Mikrokanalplatten 8, 10 vorzugsweise identische Kanaldurchmesser und Längen aufweisen. Ein elektrostatisches Linsensystem oder eine Elektrodenanordnung ist vorzugsweise zwischen der ersten Mikrokanalplatte 8 und der zweiten Mikrokanalplatte 10 angeordnet und vorzugsweise so eingerichtet, daß die Sekundärelektronen 16 auf diskrete Bereiche der Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 fokussiert, gerichtet oder geführt werden. Gemäß dieser Ausführungsform wird der maximale durchschnittliche Ausgangsstrom des Ionendetektors 7 vor dem Auftreten der Sättigung, verglichen mit dem maximalen durchschnittlichen Ausgangsstrom eines einzigen Ionendetektors mit einer Fläche A₁ um das Verhältnis A₂/A₁ erhöht. Vorzugsweise ist die Zeit, die in Anspruch genommen wird, um den Sekundärelektronenstrahl über die ganze Fläche A₂ der zweiten Mikrokanalplatte 10 mitzunehmen, zu führen oder zu richten, kleiner oder gleich der Zeitkonstanten für die Erholung eines individuellen Kanals 2 nach der Bestrahlung.
Die 9A und 9B zeigen zweidimensionale SIMION-Simulationen, in denen die Flugbahnen von einer ersten Mikrokanalplatte 8 emittierter Sekundärelektronen 16 dargestellt sind, welche zu einer ersten Zeit t₁ (9A) und einer zweiten späteren Zeit t₂ (9B) zu einer weiter hinten gelegenen zweiten Mikrokanalplatte 10 beschleunigt werden. Gemäß dieser Ausführungsform ist zwischen der ersten Mikrokanalplatte 8 und der zweiten Mikrokanalplatte 10 eine elektrostatische Linsen- oder Elektrodenanordnung 27, 28 bereitgestellt, um die Sekundärelektronen 16 auf spezifische Abschnitte, Bereiche oder diskrete Flächen der zweiten Mikrokanalplatte 10 zu richten. Die elektrostatische Linse 27, 28 weist vorzugsweise zwei oder mehr Elektroden 27, 28 auf, die zwischen der ersten Mikrokanalplatte 8 und der zweiten Mikrokanalplatte 10 angeordnet sind. Die zwei oder mehr Elektroden 27, 28 sind vorzugsweise auf entgegengesetzten Seiten zwischen den zwei Mikrokanalplatten 8, 10 angeordnet. Der Abstand zwischen den Elektroden 27, 28 nimmt vorzugsweise von der ersten Mikrokanalplatte 8 zur zweiten Mikrokanalplatte 10 zu. Wenn Sekundärelektronen 16 auf einen Abschnitt, einen Bereich oder eine Fläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 gerichtet werden, sind ein oder mehrere Abschnitte, Bereiche oder Flächen der zweiten Mikrokanalplatte 10 vorzugsweise im wesentlichen frei von einfallenden Sekundärelektronen 16, wodurch ermöglicht wird, daß sich dieser Abschnitt, dieser Bereich oder diese Fläche der Mikrokanalplatte 10 erholt und die einzelnen Kanäle 2 mit Elektronen wiederaufgefüllt werden.
9A zeigt eine SIMION-Simulation der Flugbahnen von der ersten Mikrokanalplatte 8 zu einer ersten Zeit t₁ emittierter Sekundärelektronen 16. Zu der ersten Zeit t₁ wird eine erste Elektrode 27 auf einem Potential gehalten, das vorzugsweise höher ist als dasjenige der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 und das vorzugsweise auch niedriger ist als dasjenige der Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10. Zur gleichen ersten Zeit t₁ wird eine zweite Elektrode 28 vorzugsweise auf einem Potential gehalten, das vorzugsweise niedriger ist als dasjenige der ersten Elektrode 27, und das vorzugsweise auch niedriger ist als das Potential der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8.
Die an die erste Mikrokanalplatte 8, die zweite Mikrokanalplatte 10 und die zwei Zwischenelektroden 27, 28 zur ersten Zeit t₁ angelegten Spannungen sind vorzugsweise derart, daß die von der ersten Mikrokanalplatte 8 emittierten Sekundärelektronen auf einen ersten Abschnitt, einen ersten Bereich oder eine erste Fläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 gerichtet oder geführt werden. Vorzugsweise können eine oder mehrere weitere Elektroden 25a, 25b bereitgestellt werden, welche vorzugsweise im wesentlichen koplanar mit der ersten Mikrokanalplatte 8 sind. Diese eine oder mehreren weiteren Elektroden 25a, 25b können vorzugsweise im wesentlichen auf dem gleichen Potential wie die Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 gehalten werden, wenngleich diese eine oder mehreren weiteren Elektroden 25a, 25b weniger bevorzugt auf einem anderen Potential gehalten werden können. Ähnlich können eine oder mehrere weitere Elektroden 29a, 29b bereitgestellt werden, welche vorzugsweise im wesentlichen koplanar mit der zweiten Mikrokanalplatte 10 sind. Diese eine oder mehreren weiteren Elektroden 29a, 29b können vorzugsweise im wesentlichen auf dem gleichen Potential wie die Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 gehalten werden, wenngleich diese eine oder mehreren weiteren Elektroden 29a, 29b weniger bevorzugt auf einem anderen Potential gehalten werden können.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die an die Elektroden der elektrostatischen Linse 27, 28 angelegten Potentiale vorzugsweise im Laufe der Zeit geändert, so daß das zwischen die erste Mikrokanalplatte 8 und die zweite Mikrokanalplatte 10 gelegte elektrische Feld die von der ersten Mikrokanalplatte 8 emittierten Sekundärelektronen 16 zu verschiedenen Zeiten auf verschiedene Abschnitte, Bereiche oder Flächen der zweiten Mikrokanalplatte 10 richtet oder führt. Beispielsweise kann der von der ersten Mikrokanalplatte 8 emittierte Strom von Sekundärelektronen 16 regelmäßig und/oder wiederholt zwischen zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn oder mehr als zehn verschiedenen Abschnitten, Bereichen oder Flächen der zweiten Mikrokanalplatte 10 umgeschaltet werden. Der Strom von Sekundärelektronen 16 kann alternativ analog kontinuierlich über die zweite Mikrokanalplatte 10 abgelenkt oder schrittweise über diese verschoben, bewegt oder gedreht werden.
Bei den in den 9A und 9B besonders dargestellten bzw. illustrativen Simulationen ist die zweite Mikrokanalplatte 10 von der ersten Mikrokanalplatte 8 32 mm beabstandet und wird auf einem Potential gehalten, das +1000 V höher ist als dasjenige der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8. Die erste Mikrokanalplatte 8 kann bei 0 V gehalten werden und emittiert Sekundärelektronen 16 von einem vorzugsweise im wesentlichen kreisförmigen Bereich, der einen Durchmesser von vorzugsweise 25 mm aufweist. Die zweite Mikrokanalplatte 10 hat vorzugsweise eine Detektionsfläche zum Empfangen der Sekundärelektronen 16, die vorzugsweise im wesentlichen kreisförmig ist und die vorzugsweise einen Durchmesser von 50 mm aufweist.
Zur ersten Zeit t₁ werden die Linsenelektroden 27, 28 vorzugsweise auf Potentialen von 900 V und -100 V in bezug auf Ausgangsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 gehalten. In dieser Simulation sind die Sekundärelektronen-Flugbahnen 16 für Sekundärelektronen 16 dargestellt, die aus der ersten Mikrokanalplatte 8 austreten und unter einem zur Ebene der ersten Mikrokanalplatte 8 senkrechten Winkel stehen. Die Sekundärelektronen 16 haben eine Anfangsenergie von 20 eV. Die Markierungen auf jeder Elektronenflugbahn 16 entsprechen den Positionen der Sekundärelektronen 16 bei aufeinanderfolgenden Zeitintervallen von 1 ns.
9B zeigt die Sekundärelektronen-Flugbahnen 16 zu einer zweiten späteren Zeit t₂. Zu dieser zweiten späteren Zeit t₂ werden die an die Linsenelektroden 27, 28 angelegten Potentiale umgekehrt, so daß die Sekundärelektronen 16 auf eine zweite verschiedene Fläche, einen zweiten verschiedenen Bereich oder einen zweiten verschiedenen Abschnitt der Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 gerichtet werden. Hierdurch wird er möglicht, daß sich der Bereich der zweiten Mikrokanalplatte 10, der zur ersten Zeit t₁ durch die Sekundärelektronen 16 bestrahlt wurde, erholt, so daß die Sättigung des Detektionssystems die Verstärkung des Ionendetektors 7 nicht beeinträchtigt.
10A zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei ein Quadrupol-Stabsatz 31 verwendet wird, um von der ersten Mikrokanalplatte 8 emittierte Sekundärelektronen 16 auf diskrete Bereiche der Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 zu fokussieren oder zu führen, wobei diese vorzugsweise eine im wesentlichen kreisförmige Empfangsfläche aufweist. Eine Vorspannung V_B wird vorzugsweise zwischen der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 (die vorzugsweise auch kreisförmig ist) und der Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 aufrechterhalten, um die Sekundärelektronen 16 zur zweiten Mikrokanalplatte 10 zu beschleunigen. Gleichspannungen V1, V2, V3, V4 können an jeden Stab des Quadrupol-Stabsatzes 31 angelegt werden. Die an die Stäbe des Quadrupol-Stabsatzes 31 angelegten Spannungen werden vorzugsweise zeitlich geändert, so daß die Sekundärelektronen 16 über die Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 abgelenkt oder über oder um diese gedreht werden. Gemäß dieser Ausführungsform können die Sekundärelektronen 16 vorzugsweise in einer im wesentlichen kreisförmigen Bewegung über im wesentlichen die gesamte Oberfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 abgelenkt werden. Andere Ausführungsformen werden hier erwogen, wobei die Elektronen 16 beispielsweise in einer im wesentlichen schrittweisen, regelmäßigen oder erratischen Weise über die Oberfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 bewegt werden können.
10B ist eine Ansicht entlang der Achse des Quadrupol-Stabsatzes 31. Gemäß dieser Ausführungsform werden die Sekundärelektronen 16 auf einen diskreten Bereich der zweiten Mikrokanalplatte 10 gerichtet, der dann vorzugsweise im Laufe der Zeit um die Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn abgetastet wird. Es wird daran gedacht, daß gemäß dieser Ausführungsform andere Multipollinsen, beispielsweise Hexapol- oder Oktapol-Stabsätze oder Stabsätze höherer Ordnungen, verwendet werden können.
11A zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der Linsenelektroden 27', 28' zwischen der ersten Mikrokanalplatte 8 und der zweiten Mikrokanalplatte 10 angeordnet sind. Die erste Mikrokanalplatte 8 und die zweite Mikrokanalplatte 10 sind vorzugsweise kreisförmig, und die Linsenelektroden 27', 28' sind vorzugsweise entgegengesetzt zueinander angeordnet. Die Linsenelektroden 27', 28' richten die von getrennten Kanälen oder Bereichen der ersten Mikrokanalplatte 8 abgegebenen Sekundärelektronen 16 vorzugsweise auf vorzugsweise im wesentlichen getrennte, vorzugsweise nicht überlappende Bereiche, Flächen oder Abschnitte der zweiten Mikrokanalplatte 10 (oder allgemeiner der Detektionsvorrichtung 9). Die Sekundärelektronen 16 bestrahlen auf diese Weise nur eine verhältnismäßig kleine Anzahl oder einen verhältnismäßig kleinen Teil der Gesamtzahl der Kanäle auf der zweiten größeren Mikrokanalplatte 10. Ein dynamisch veränderliches, vorzugsweise verhältnismäßig kleines elektrisches Feld wird vorzugsweise zwischen der ersten Mikrokanalplatte 8 und der zweiten Mikrokanalplatte 10 aufrechterhalten, indem eine zeitlich ver änderliche Spannung (beispielsweise Wechselspannung) an die Linsenelektroden 27', 28' angelegt wird. Das elektrische Feld bewirkt das Ablenken oder Bewegen der Sekundärelektronen 16, so daß die von den verschiedenen Kanälen oder Bereichen der ersten Mikrokanalplatte 8 abgegebenen Sekundärelektronen 16 vorzugsweise zu einer ersten Zeit t₁ von einer Anzahl im wesentlichen nicht überlappender Bereiche auf der zweiten Mikrokanalplatte 10 empfangen werden und von einer zweiten verschiedenen Anzahl im wesentlichen nicht überlappender Bereiche zu einer zweiten späteren Zeit t₂ auf der zweiten Mikrokanalplatte 10 empfangen werden. Dieser Zyklus wird dann wiederholt. Diese Ausführungsform gewährleistet, daß Sekundärelektronen 16, die sich aus aufeinanderfolgenden Ionenankünften an der ersten Mikrokanalplatte 8 innerhalb der Erholungszeit eines einzelnen Kanals ergeben, auf verschiedene Bereiche der zweiten Mikrokanalplatte 10 gerichtet werden. Hierdurch wird wiederum der maximale Ausgangsstrom des Ionendetektors 7, bevor er durch Sättigung begrenzt wird, erhöht.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist wenigstens eine der Linsenelektroden 27', 28' eine ringförmige Elektrode. Die eine oder die mehreren ringförmigen Elektroden können mit einer zeitlich veränderlichen Spannung versorgt werden, so daß die Elektronen um einen sich zeitlich veränderlichen Betrag divergiert werden oder auf den Detektor 9 fokussiert werden.
11B zeigt eine als Beispiel angegebene bzw. exemplarische Ablenkspannung, die an die Linsenelektroden 27', 28' angelegt werden kann, um das sich dynamisch ändernde elektrische Feld zu erzeugen. Die Spannung ist als eine Sinuswelle dargestellt, die eine Frequenz von ≥ 1/T aufweist, wobei T kleiner oder gleich der Erholungszeit τ eines einzelnen Kanals der Mikrokanalplatte 8 ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird die Ablenkspannung, die an die Linsenelektroden 27', 28' angelegt werden kann, um das sich dynamisch ändernde elektrische Feld zu erzeugen, intermittierend angelegt. Die Rate oder die Frequenz, mit der die Spannung an die Linsenelektroden angelegt wird, wird vorzugsweise ausgewählt, um zu gewährleisten, daß Sekundärelektronen 16, die sich aus aufeinanderfolgenden Ionenankünften an der ersten Mikrokanalplatte 8 innerhalb der Erholungszeit eines einzelnen Kanals ergeben, auf unterschiedliche Bereiche der zweiten Mikrokanalplatte 10 gerichtet werden.
12 zeigt eine weitere Ausführungsform ähnlich der in 11A dargestellten Ausführungsform, wobei jedoch ein Quadrupol-Stabsatz 31' verwendet wird, um die Sekundärelektronen 16 von der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 auf den Eingang der zweiten Mikrokanalplatte 10 zu fokussieren und zu führen. Gemäß dieser Ausführungsform können kleine, sich dynamisch ändernde Spannungen an die Stäbe eines Quadrupol-Stabsatzes 31' angelegt werden, der zwischen der ersten Mikrokanalplatte 8 und der zweiten Mikrokanalplatte 10 angeordnet ist. Diese Ausführungsform gewährleistet, daß Sekundärelektronen 16, die sich aus aufeinanderfolgenden Ionenankünften an der ersten Mikrokanalplatte 8 ergeben, nicht dazu führen, daß Sekundärelektronen 16 innerhalb der Erholungszeit eines einzelnen Kanals auf die gleichen Kanäle oder Bereiche der zweiten Mikrokanalplatte 10 gerichtet werden.
Wenngleich von der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 abgegebene Sekundärelektronen 16 eine verhältnismäßig geringe Empfindlichkeit für Magnetfelder haben können, werden dennoch weitere Ausführungsformen erwogen, bei denen Magnetfelder oder Kombinationen magnetischer und elektrostatischer Felder verwendet werden, um von der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 emittierte Sekundärelektronen 16 auf die Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 oder mehrerer Mikrokanalplatten mit einer kombinierten größeren Oberfläche zu fokussieren, zu führen oder zu richten.
Die 13A und 13B zeigen eine SIMION-Simulation der Flugbahnen von Sekundärelektronen 16 gemäß einer Ausführungsform, bei der sowohl elektrostatische Felder als auch Magnetfelder verwendet werden, um Sekundärelektronen 16 von der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 zur Eintrittsfläche der zweiten größeren Mikrokanalplatte 10 zu führen. Gemäß dieser Ausführungsform sind die erste Mikrokanalplatte 8 und die zweite Mikrokanalplatte 10 vorzugsweise im wesentlichen koplanar angeordnet. Eine Beschleunigungsplatte oder reflektierende Elektrode 30 ist vorzugsweise in einem Abstand sowohl von der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 als auch von der Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 beabstandet bereitgestellt. Ein gleichmäßiges Magnetfeld mit einer Richtung, die im wesentlichen parallel zu den Oberflächen der ersten Mikrokanalplatte 8 und der zweiten Mikrokanalplatte 10 verläuft, ist vorzugsweise bereitgestellt. Das Magnetfeld bewirkt, daß die von der ersten Mikrokanalplatte 8 emittierten Sekundärelektronen 16 in einer im wesent lichen kreisförmigen Richtung von der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 zur Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 beschleunigt werden.
Gemäß einer Ausführungsform können der Betrag und die Richtung des Magnetfelds zeitlich konstant gehalten werden. Die der Beschleunigungsplatte oder der reflektierenden Elektrode 30 zugeführte Spannung kann jedoch vorzugsweise zeitlich geändert werden. 13A zeigt die Flugbahnen von Sekundärelektronen 16 zu einer ersten Zeit t₁, wenn die Potentialdifferenz zwischen der ersten Mikrokanalplatte 8 und der zweiten Mikrokanalplatte 10 und der Beschleunigungsplatte 30 auf einem solchen Wert gehalten wird, daß die Sekundärelektronen zu einer ersten Fläche, einem ersten Bereich oder einem ersten Abschnitt der Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 geführt werden.
Wie in 13B dargestellt ist, wird die Potentialdifferenz zwischen der ersten Mikrokanalplatte 8 und der zweiten Mikrokanalplatte 10 und der Beschleunigungsplatte 30 zu einer zweiten späteren Zeit t₂ vorzugsweise so reduziert, daß die Sekundärelektronen 16 zu einer zweiten verschiedenen Fläche, einem zweiten verschiedenen Bereich oder einem zweiten verschiedenen Abschnitt der zweiten Mikrokanalplatte 10 geführt werden. Der Zyklus wird dann vorzugsweise wiederholt.
Die Potentialdifferenz zwischen der Beschleunigungsplatte oder der reflektierenden Elektrode 20 und der ersten Mikrokanalplatte 8 und der zweiten Mikrokanalplatte 10 kann gemäß einer Ausführungsform kontinuierlich geändert werden, um die Sekundärelektronen 16 über die Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 mitzunehmen oder zu bewegen. Alternativ kann die Potentialdifferenz periodisch oder auf andere Art schrittweise geändert werden, um die Sekundärelektronen 16 zwischen verschiedenen Flächen, Bereichen oder Abschnitten der Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 zu schalten, zu bewegen oder abzulenken.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Beschleunigungsplatte oder Elektrode 30 auf einem Potential gehalten, das positiver ist als dasjenige der Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 und positiver ist als dasjenige der Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10. Die in bezug auf die 13A und 13B dargestellte und beschriebene Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, weil die zeitliche Verbreiterung der Sekundärelektronen 16 an der Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 minimiert ist. Dies führt zu einer minimalen Verzerrung der endgültigen Auflösung des Ionendetektors 7.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird das an die Beschleunigungsplatte oder Elektrode 30 angelegte Potential vorzugsweise in bezug auf die Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 und die zweite Mikrokanalplatte 10 konstant gehalten, und der Betrag des Magnetfelds wird entweder kontinuierlich oder periodisch geändert. Gemäß dieser Ausführungsform kann das Magnetfeld geändert werden, um die Sekundärelektronen 16 über die Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 zu verschieben, oder um weniger bevorzugt die Sekundärelektronen 16 zwischen verschiedenen Flächen, Bereichen oder Abschnitten der Eintrittsfläche der zweiten Mikrokanalplatte 10 zu schalten.
Die 14A und 14B zeigen eine SIMION-Simulation der Flugbahnen von Sekundärelektronen 16 gemäß einer weiteren Ausführungsform, wobei zwei Detektoren 23, 24 vorzugsweise im wesentlichen symmetrisch um die erste Mikrokanalplatte 8 angeordnet sind. Die Sekundärelektronen 16, die vom Ausgang der ersten Mikrokanalplatte 8 emittiert werden, werden vorzugsweise unter Verwendung einer Gitterelektrode 32 beschleunigt, die stromabwärts der ersten Mikrokanalplatte angeordnet ist und die vorzugsweise auf einem konstanten positiven Potential in bezug zur Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 gehalten wird.
Ein Magnetfeld, das vorzugsweise einen im wesentlichen konstanten Betrag aufweist, wird vorzugsweise so eingerichtet, daß es im wesentlichen parallel zur Austrittsfläche der ersten Mikrokanalplatte 8 und zu den Eintrittsflächen der Detektoren 23, 24 verläuft. 14A zeigt die Flugbahnen der Sekundärelektronen 16 zu einer ersten Zeit t₁, wobei das Magnetfeld in einer ersten Richtung angeordnet ist, um die Sekundärelektronen 16 zum ersten Detektor 23 zu führen. 14B zeigt die Flugbahnen der Sekundärelektronen 16 zu einer zweiten späteren Zeit t₂, wobei die Richtung des Magnetfelds umgekehrt wurde, so daß die Sekundärelektronen 16 zum anderen Detektor 24 geführt werden. Der Zyklus wird dann vorzugsweise wiederholt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Detektionsfläche, die mehr als zwei Detektoren aufweist, um die erste Mikrokanalplatte 8 herum angeordnet werden. Die Detektionsfläche kann weiter vorzugsweise im wesentlichen zusammenhängend sein. Die Richtung des Magnetfelds kann vorzugs weise im wesentlichen kontinuierlich oder alternativ schrittweise periodisch geändert werden, um die Sekundärelektronen 16 zu verschiedenen Flächen des zusammenhängenden Detektors oder zu getrennten Detektoren abzulenken, umzuschalten oder zu drehen.
Es wird auch erwogen, daß bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die erste Mikrokanalplatte 8 durch einen anderen Vorrichtungstyp ersetzt werden könnte. Beispielsweise könnte dafür gesorgt werden, daß Ionen 12 auf ein beliebiges Material fallen, das Sekundärelektronen 16 erzeugt, wie beispielsweise Bor-dotierte, durch chemische Dampfabscheidung ("CVD") erzeugte Diamantfilme. Es kann dafür gesorgt werden, daß diese Filme Ionen 12 empfangen und ansprechend darauf Sekundärelektronen erzeugen.
Wenngleich bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die Fläche des Detektors 9, 23, 24, auf die die Sekundärelektronen 16 geleitet werden, in bezug auf eine Mikrokanalplatte beschrieben wurde, kann sie tatsächlich einen beliebigen Typ eines Elektronenvervielfachers (beispielsweise eine Photoelektronenvervielfacher-Röhre oder eine Elektronenvervielfacherröhre) einschließen.
Der Ionendetektor gemäß der bevorzugten Ausführungsform kann in Zusammenhang mit Massenspektrometern verwendet werden, bei denen pseudokontinuierliche Ionenquellen oder gepulste Ionenquellen, wie Ionenquellen mit einer matrixunterstützten Laserdesorptionsionisation ("MALDI") eingesetzt werden. Die bevorzugte Ausführungsform ist auch auf andere Massenspektrometer als Flugzeit-Massenspektrometer, beispielsweise Quadrupol-, Ionenfallen- und Magnetsektor- Massenspektrometer, anwendbar.
Wenngleich die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, daß verschiedene Änderungen an der Form und den Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne von dem in den anliegenden Ansprüchen dargelegten Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Detektieren von Teilchen mit den folgenden Schritten: Empfangen von Teilchen an einer Eintrittsfläche einer Mikrokanalplatte (8). Abgeben von Elektronen von einer Austrittsfläche der Mikrokanalplatte (8), wobei die Austrittsfläche eine erste Fläche aufweist, und Empfangen von wenigstens einigen der Elektronen auf einer Detektionsfläche eines Detektors (9) mit einer zweiten Fläche, Erzeugen eines zeitlich veränderlichen elektrischen und/oder magnetischen Ablenkungsfeldes zwischen der Mikrokanalplatte (8) und dem Detektor (9) zum kontinuierlichen Ablenken, Führen oder Drehen von Elektronen zwischen verschiedenen Bereichen der Detektoroberfläche, so dass zu einer ersten Zeit t₁ von der Mikrokanalplatte (8) abgegebene Elektronen in einem ersten Bereich der Detektionsfläche (10) empfangen werden und zu einer zweiten späteren Zeit t₂ von der Mikrokanalplatte (8) abgegebene Elektronen in einem zweiten vom ersten Bereich verschiedenen Bereich der Detektionsfläche (10) empfangen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zu einer dritten Zeit t₃, die später als die zweite Zeit t₂ liegt, von der Mikrokanalplatte (8) abgegebene Elektronen in dem ersten Bereich der Detektionsfläche (10) empfangen werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei zu einer vierten Zeit t₄, die später als die dritte Zeit t₃ liegt, von der Mikrokanalplatte (8) abgegebene Elektronen in dem zweiten Bereich der Detektionsfläche (10) empfangen werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Mikrokanalplatte (8) eintretenden Teilchen Ionen, Photonen oder Elektronen sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte (8) abgegebenen Elektronen in einen Bereich mit einem elektrischen Feld abgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei zu der ersten Zeit t₁ das elektrische Feld in einer ersten Richtung verläuft und wobei zu der zweiten späteren Zeit t₂ das elektrische Feld in einer zweiten verschiedenen Richtung verläuft.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei zu einer dritten Zeit t₃, die später als die zweite Zeit t₂ liegt, das elektrische Feld in der ersten Richtung verläuft.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei zu einer vierten Zeit t₄, die später als die dritte Zeit t₃ liegt, das elektrische Feld in der zweiten Richtung verläuft.
Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei die erste und/oder die zweite Richtung des elektrischen Felds unter einem Winkel zur Normalen der Mikrokanalplatte (8) geneigt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Richtung des elektrischen Felds zeitlich kontinuierlich geändert wird, um von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte (8) abgegebene Elektronen kontinuierlich um oder über die Detektionsfläche (10) zu bewegen, zu führen oder zu drehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei die Richtung des elektrischen Felds zeitlich schrittweise bzw. gestuft geändert wird, um von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte (8) abgegebene Elektronen schrittweise um oder über die Detektionsfläche (10) zu bewegen, zu führen oder zu drehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei zu der ersten Zeit t₁ das elektrische Feld eine erste Stärke aufweist und zu der zweiten späteren Zeit t₂ eine zweite Stärke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei zu einer dritten Zeit t₃, die später liegt als die zweite Zeit t₂, das elektrische Feld die erste elektrische Feldstärke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei zu einer vierten Zeit t₄, die später liegt als die dritte Zeit t₃, das elektrische Feld die zweite elektrische Feldstärke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die elektrische Feldstärke zeitlich kontinuierlich geändert wird, um von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte (8) abgegebene Elektronen kontinuierlich um oder über die Detektionsfläche (10) zu bewegen, zu führen oder zu drehen.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die elektrische Feldstärke zeitlich schrittweise geändert wird, um von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte (8) abgegebene Elektronen um oder über die Detektionsfläche (10) zu bewegen, zu führen oder zu drehen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte (8) abgegebene Elektronen in einen Bereich mit einem Magnetfeld abgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei zu der ersten Zeit t₁ das Magnetfeld in einer ersten Richtung verläuft und wobei zu der zweiten späteren Zeit t₂ das Magnetfeld in einer zweiten verschiedenen Richtung verläuft.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei zu einer dritten Zeit t₃, die später liegt als die zweite Zeit t₂, das Magnetfeld in der ersten Richtung verläuft.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei zu einer vierten Zeit t₄, die später als die dritte Zeit t₃ liegt, das Magnetfeld in der zweiten Richtung verläuft.
Verfahren nach Anspruch 18, 19 oder 20, wobei die erste Magnetfeldrichtung und/oder die zweite Magnetfeldrichtung parallel zur Mikrokanalplatte verlaufen.
Detektor nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei die Richtung des Magnetgelds zeitlich kontinuierlich geändert wird, um von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte (8) abgegebene Elektronen kontinuierlich um oder über die Detektionsfläche (10) zu bewegen, zu führen oder zu drehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei die Richtung des Magnetfelds zeitlich schrittweise bzw. gestuft geändert wird, um von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte (8) abgegebene Elektronen schrittweise um oder über die Detektionsfläche (10) zu bewegen, zu führen oder zu drehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei zu der ersten Zeit t₁ das Magnetfeld eine erste Stärke aufweist und zu der zweiten späteren Zeit t₂ eine zweite Stärke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei zu einer dritten Zeit t₃, die später liegt als die zweite Zeit t₂, das Magnetfeld die erste Stärke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei zu einer vierten Zeit t₄, die später als die dritte Zeit t₃ liegt, das Magnetfeld die zweite Stärke aufweist.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, wobei die Magnetfeldstärke zeitlich kontinuierlich geändert wird, um von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte (8) abgegebene Elektronen kontinuierlich um oder über die Detektionsfläche (10) zu bewegen, zu führen oder zu drehen.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, wobei die Magnetfeldstärke zeitlich schrittweise geändert wird, um von der Austrittsfläche der Mikrokanalplatte (8) abgegebene Elektronen um oder über die Detektionsfläche (10) zu bewegen, zu führen oder zu drehen.
Detektor zur Verwendung in einem Massenspektrometer, welcher aufweist: eine Mikrokanalplatte (8), wobei bei der Verwendung Teilchen auf einer Eintrittsfläche der Mikrokanalplatte (8) empfangen werden und Elektronen von einer Austrittsfläche der Mikrokanalplatte (8) abgegeben werden, wobei die Austrittsfläche eine erste Fläche aufweist, und eine Detektionsvorrichtung (9) mit einer Detektionsfläche (14), die dafür eingerichtet ist, bei der Verwendung wenigstens einige der von der Mikrokanalplatte (8) abgegebenen Elektronen zu empfangen, wobei die Detektionsfläche (10) eine zweite Fläche aufweist, Mittel zur Bereitstellung eines zeitlich veränderlichen elektrischen und/oder magnetischen Ablenkungsfeldes, zum kontinuierlichen Ablenken, Führen oder Drehen oder zum periodischen Schalten, Führen oder Drehen von Elektronen zwischen verschiedenen Bereichen der Detektoroberfläche, so dass zu einer ersten Zeit t1 von der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen an einem ersten Abschnitt oder Bereich der Detektionsfläche empfangen werden und zu einer zweiten späteren Zeit t2 von der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen an einem zweiten verschiedenen Abschnitt oder Bereich der Detektionsfläche empfangen werden.
Detektor nach Anspruch 29, wobei die zweite Fläche größer als die erste Fläche ist.
Detektor nach einem der vorstehenden Ansprüche 29 oder 30, welcher weiter wenigstens eine reflektierende Elektrode zum Reflektieren von Elektronen zur bzw. in Richtung der Detektionsvorrichtung aufweist.
Detektor nach Anspruch 31, wobei die wenigstens eine reflektierende Elektrode in einer Ebene angeordnet ist, die im wesentlichen parallel zu der Mikrokanalplatte verläuft.
Detektor nach einem der vorstehenden Ansprüche 29 bis 32, welcher weiter eine oder mehrere Elektroden aufweist, die zwischen der Mikrokanalplatte und der Detektionsvorrichtung angeordnet sind, so daß zwischen der Mikrokanalplatte und der Detektionsvorrichtung ein elektrisches Feld bereitgestellt ist.
Detektor nach Anspruch 33, wobei die eine oder die mehreren Elektroden eine oder mehrere ringförmige Elektroden einschließen.
Detektor nach Anspruch 33 oder 34, wobei die eine oder die mehreren Elektroden eine oder mehrere Einzellinsenanordnungen mit drei oder mehr Elektroden aufweisen.
Detektor nach Anspruch 35, wobei die eine oder die mehreren Elektroden einen oder mehrere segmentierte Stabsätze aufweisen.
Detektor nach einem der Ansprüche 33 bis 36, wobei die eine oder die mehreren Elektroden eine oder mehrere rohrförmige Elektroden aufweisen.
Detektor nach einem der Ansprüche 33 bis 37, wobei die eine oder die mehreren Elektroden einen oder mehrere Quadrupol-, Hexapol-, Oktapol-Stabsätze oder Stabsätze höherer Ordnung aufweisen.
Detektor nach einem der Ansprüche 33 bis 38, wobei die eine oder die mehreren Elektroden eine Anzahl von Elektroden mit Öffnungen umfassen, wobei die Öffnungen die gleiche Fläche aufweisen.
Detektor nach einem der Ansprüche 33 bis 39, wobei die eine oder die mehreren Elektroden eine Anzahl von Elektroden mit Öffnungen aufweisen, wobei die Öffnungen zur Detektionsvorrichtung hin zunehmend kleiner oder größer werden.
Detektor nach einem der vorstehenden Ansprüche 29 bis 40, welcher weiter eine zwischen der Mikrokanalplatte und der Detektionsvorrichtung angeordnete Gitterelektrode aufweist.
Detektor nach Anspruch 41, wobei die Gitterelektrode halbkugelförmig oder auf andere Weise nichtplanar ist.
Detektor nach einem der vorstehenden Ansprüche 29 bis 42, wobei die Detektionsvorrichtung einen einzigen Detektionsbereich aufweist.
Detektor nach Anspruch 43, wobei der einzige Detektionsbereich aufweist: (i) einen Elektronenvervielfacher, (ii) einen Szintillator oder (iii) eine Photoelektronenvervielfacher-Röhre.
Detektor nach Anspruch 43, wobei der einzige Detektionsbereich eine oder mehrere Mikrokanalplatten aufweist.
Detektor nach einem der Ansprüche 29 bis 42, wobei die Detektionsvorrichtung einen ersten Detektionsbereich und wenigstens einen zweiten getrennten Detektionsbereich aufweist.
Detektor nach Anspruch 46, wobei der zweite Detektionsbereich von dem ersten Detektionsbereich beabstandet ist.
Detektor nach Anspruch 46 oder 47, wobei der erste und der zweite Detektionsbereich im wesentlichen gleiche Detektionsflächen aufweisen.
Detektor nach Anspruch 46 oder 47, wobei der erste und der zweite Detektionsbereich verschieden große Detektionsflächen aufweisen.
Detektor nach einem der Ansprüche 46 bis 49, wobei der erste Detektionsbereich aufweist: (i) eine oder mehrere Mikrokanalplatten, (ii) einen Elektronenvervielfacher, (iii) einen Szintillator oder (iv) eine Photoelektronenvervielfacher-Röhre.
Detektor nach einem der Ansprüche 45 bis 50, wobei der zweite Detektionsbereich aufweist: (i) eine oder mehrere Mikrokanalplatten, (ii) einen Elektronenvervielfacher, (iii) einen Szintillator oder (iv) eine Photoelektronenvervielfacher-Röhre.
Detektor nach einem der vorstehenden Ansprüche 29 bis 51, wobei die Detektionsvorrichtung wenigstens ein zickzackförmig angeordnetes Paar bzw. Chevronpaar von Mikrokanalplatten aufweist.
Detektor nach einem der vorstehenden Ansprüche 29 bis 52, welcher weiter wenigstens eine Kollektorplatte aufweist, die eingerichtet ist.
Detektor nach Anspruch 53, wobei die wenigstens eine Kollektorplatte so geformt ist, daß eine zeitliche Verbreiterung der Flugzeit der auf die Detektionsvorrichtung einfallenden Elektronen wenigstens teilweise kompensiert wird.
Detektor nach einem der vorstehenden Ansprüche 29 bis 54, wobei die Detektionsvorrichtung so geformt ist, daß eine zeitliche Verbreiterung der Flugzeit der auf die Detektionsvorrichtung einfallenden Elektronen wenigstens teilweise kompensiert wird.
Detektor nach einem der vorstehenden Ansprüche 29 bis 55, welcher weiter eine oder mehrere Elektroden aufweist, die derart angeordnet sind, dass eine zeitliche Verbreiterung der Flugzeit der auf die Detektionsvorrichtung einfallenden Elektronen wenigstens teilweise kompensieret wird.
Detektor nach einem der vorstehenden Ansprüche 29 bis 56, wobei sich die Detektionsfläche in Umfangsrichtung und zusammenhängend um die Austrittsfläche der Mikrokanalplatte erstreckt.
Detektor nach einem der vorstehenden Ansprüche 29 bis 57, wobei die Detektionsvorrichtung (9) in der gleichen Ebene liegt wie die Mikrokanalplatte.
Massenspektrometer mit einem Detektor nach einem der vorstehenden Ansprüche 29 bis 58.
Massenspektrometer nach Anspruch 59, wobei der Detektor einen Teil eines Flugzeit-Massenanalysators bildet.
Massenspektrometer nach Anspruch 59 oder 60, welches weiter einen mit dem Detektor verbundenen Analog-Digital-Wandler ("ADC") aufweist.
Massenspektrometer nach Anspruch 59, 60 oder 61, welches weiter einen mit dem Detektor verbundenen Zeit-Digital-Wandler ("TDC") aufweist.