DE102007021701A1 - Method for filling target volume with ions of different masses in time-of-flight mass spectrometer, involves ordering of ions either by mass-sequential extraction from storage device or by rearranging flight order of ions by bunching - Google Patents

Method for filling target volume with ions of different masses in time-of-flight mass spectrometer, involves ordering of ions either by mass-sequential extraction from storage device or by rearranging flight order of ions by bunching Download PDF

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Abstract

The method involves dispatching ions to target volume as sorted ion swarms with equal energy in time-controlled order. The heavy ions are dispatched prior to light ions and ordering of ions is performed either by mass-sequential extraction from storage device (20) or by rearranging flight order of ions by bunching during flight and restoring their energy by reversed bunching. The ions are stored with terminating direct current (DC) barrier and extraction is performed by resonant excitation of mass-specific ion oscillation to enable ions to cross the barrier. Independent claims are included for the following: (1) storage device; (2) time-of-flight mass spectrometer; (3) method of operating time-of-flight mass spectrometer; and (4) method of operating ion trap mass spectrometer.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Befüllung eines Füllvolumens mit Ionen verschiedener Masse, aber gleicher Energie aus einem entfernt gelegenen Vorratsspeicher. Das Füllvolumen kann beispielsweise die Messzelle eines Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometers (ICR-MS), der Pulser eines Flugzeitmassenspektrometers mit orthogonalem Ioneneinschuss (OTOF) oder eine elektrostatische Ionenfalle sein.The The invention relates to the filling of a filling volume with ions of different mass, but with the same energy removed from one stockpile. The filling volume For example, the measuring cell of an ion cyclotron resonance mass spectrometer (ICR-MS), the pulser of a time-of-flight mass spectrometer with orthogonal Ion injection (OTOF) or an electrostatic ion trap.

Die Erfindung besteht darin, räumlich begrenzte Ionenschwärme mit Ionen gleicher Masse entweder durch ein massensequentielles Entnahmeverfahren aus dem Vorratsspeicher, beginnend mit den schwersten Ionen, oder durch eine Umsortierung der Flugreihenfolge während des Fluges dem Füllvolumen so zuzuführen, dass die Ionenschwärme verschiedener Masse trotz gleicher kinetischer Energie, also verschiedener Fluggeschwindigkeit, gleichzeitig in das Füllvolumen eintreten. Die massensequentielle Entnahme in abnehmender Massenreihenfolge kann beispielsweise durch eine sinkende Pseudopotentialbarriere verwirklicht werden, die zunächst die schweren Ionen entlässt. Die Umsortierung während des Fluges kann beispielsweise durch ein doppeltes Bunching vorgenommen werden.The Invention is spatially limited ion swarms with ions of equal mass either by mass sequential Removal procedure from the storage, starting with the heaviest Ions, or by a resorting of the flight sequence during the Flight the filling volume to feed that the ion swarms different mass despite the same kinetic energy, so different Airspeed, at the same time enter the filling volume. The mass sequential Removal in decreasing mass order can, for example, by a sinking pseudopotential barrier to be realized, the first heavy Releases ions. The resorting during the Flight can for example be made by a double bunching become.

Stand der TechnikState of the art

Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer haben eine Messzelle, die sich, wie in 1 dargestellt, weit von der Ionenquelle entfernt im Inneren eines starken Magnetfelds befindet. Die Ionen der Ionenquelle werden dabei für gewöhnlich in einem Vorratsspeicher außerhalb des Magnetfelds gesammelt und dann zu Beginn eines Messzyklus' in die Messzelle überführt. Die Überführung erfolgt durch Bildung eines Ionenstrahls mit an sich frei fliegenden Ionen, die aber auch durch ein Ionenleitsystem längs einer Bahn geführt werden können. Das Einfangen der Ionen in der Messzelle ist schwierig; es wäre dafür sehr günstig, wenn die Ionen aller Massen mit gleicher, sehr niedriger Energie von nur Bruchteilen eines Elektronenvolts gleichzeitig in die Messzelle eintreten könnten. Einzelheiten dazu sind dem Fachmann bekannt. Das gleichzeitige Eintreten wird aber durch die Flugzeitdispersion zwischen Vorratsspeicher und Messzelle verhindert. Diese Flugzeitdispersion kann durch starkes Beschleunigen der Ionen aus dem Vorratsspeicher und starkes Abbremsen vor dem Eintritt in die Messzelle vermindert, aber nicht beseitigt werden.Ion cyclotron resonance mass spectrometers have a measuring cell, which, as in 1 shown far from the ion source located inside a strong magnetic field. The ions of the ion source are usually collected in a storage memory outside the magnetic field and then transferred at the beginning of a measurement cycle 'in the measuring cell. The transfer takes place by formation of an ion beam with ions that are free to fly, but which can also be guided along a path by an ion guide system. The trapping of the ions in the measuring cell is difficult; it would be very favorable for the ions of all masses with the same, very low energy of only fractions of an electron volt to enter the measuring cell simultaneously. Details are known to the person skilled in the art. The simultaneous occurrence is prevented by the time-dispersion between storage and measuring cell. This time-of-flight dispersion can be reduced, but not eliminated, by greatly accelerating the ions from the reservoir and causing them to decelerate before entering the measurement cell.

Für die Einfädeln der Ionen in das starke Magnetfeld, das in axialer Richtung durch das Streufeld des Magneten vorgenommen wird, ist es außerdem notwendig, die Ionen zu einem feinem Ionenstrahl zu bündeln. Ionen, die sich außerhalb der Streufeldachse befinden, werden vom Streufeld wie in einer magnetischen Flasche erst zu immer engeren Spiralen aufgewickelt und dann reflektiert.For threading the Ions in the strong magnetic field, which in the axial direction through the Stray field of the magnet is made, it is also necessary to concentrate the ions into a fine ion beam. Ions that are outside the stray field axis are located in the stray field as in a magnetic field Bottle is first wound to ever narrower spirals and then reflected.

Ähnliche Probleme mit der Flugzeitdispersion treten auch bei der Befüllung von elektrostatischen Ionenfallen auf, beispielsweise von Ionenfallen des Kingdon-Typs. In diesen elektrostatischen Ionenfallen werden die Ionen in radial wirkenden elektrischen Feldern auf Umläufen gehalten. Die Ionen werden mit gleicher Energie durch einen elektrisch schaltbaren Eingangsbereich in einen Umlauf eingeschossen. Die Befüllung muss abgeschlossen sein, bevor die schnellsten, also die leichtesten Ionen nach einem Umlauf wieder die Einschussstelle passieren, weil dann hier die Potentialverhältnisse von den Einschuss- auf die Umlaufbedingungen umgestellt sein müssen. Es müssen also nach Möglichkeit die Ionen aller Massen gleichzeitig in die elektrostatische Ionenfalle eintreten; schwere Ionen dürfen keinesfalls später eintreten als leichte Ionen. Auch hier ist ein feiner Ionenstrahl günstig für den Einschuss.Similar Problems with the time-of-flight dispersion also occur during the filling of electrostatic ion traps, such as ion traps of the Kingdon type. In these electrostatic ion traps the Ions in radial electric fields held on circulations. The ions are replaced by an electrically switchable with the same energy Entrance area injected into a circulation. The filling must be completed before the fastest, so the lightest Ions pass the bullet point again after one revolution because then here the potential conditions have changed from the bullet to the circulation conditions. It have to so if possible the ions of all masses simultaneously into the electrostatic ion trap enter; Heavy ions are allowed not later enter as light ions. Again, there is a fine ion beam Cheap for the A shot.

Auch bei Flugzeitmassenspektrometern mit orthogonalem Ioneneinschuss stört die Flugzeitdispersion, und zwar beim Einschuss der Ionen aus einem Vorratsspeicher in den Ionenpulser, der die Ionen in die Flugstrecke auspulst. Die Flugzeitdispersion führt hier zu einer Massendiskriminierung.Also in time-of-flight mass spectrometers with orthogonal ion injection disturbs the Time-of-flight dispersion, namely the injection of ions from one Storage in the ion pulser, which injects the ions into the flight path auspulst. Time-of-flight dispersion leads to mass discrimination.

Zudem ist im Vorratsspeicher meist ein Stoßgas vorhanden, das zur Stoßfokussierung und Kühlung der Ionen dient. Die Ionen lassen sich dann gut und mit sehr geringer Energiestreuung im Vorratsspeicher sammeln. Die oben beschriebenen Füllvolumina dagegen liegen alle in Gebieten sehr guten Vakuums, um die Ionen keine Stöße mit Restgasmolekülen erleiden zu lassen. Zwischen Vorratsspeicher und Füllvolumen sind daher meist mehrere differentielle Pumpstufen zu durchlaufen. Die Überführung der Ionen vom Vorratsspeicher zum Füllvolumen findet nach einer Beschleunigung der Ionen durch freien, möglichst stoßfreien Flug statt.moreover is in the storage tank usually a collision gas present, which is for shock focusing and cooling the ion serves. The ions can then be well and with very little Collect energy spread in the storage tank. The ones described above fill volumes on the other hand, all in areas of very good vacuum, are the ions do not suffer any shocks with residual gas molecules allow. Between storage and filling volume are therefore usually to go through several differential pumping stages. The transfer of the ions from the storage tank to the filling volume takes place after an acceleration of the ions by free, if possible hitless Flight instead.

Es gibt also in verschiedenen Bereichen der Massenspektrometrie eine gleichartige Problemlage, die bei der Überführung von Ionen aus einem Vorratsspeicher in ein entfernt liegenden Füllvolumen auftritt und primär in der Flugzeitdispersion von Ionen verschiedener Masse bei gleicher Energie besteht. Die Ionen verschiedener Masse haben verschiedene Geschwindigkeiten und kommen deshalb nacheinander im Füllvolumen an, was je nach Aufgabe des Füllvolumen zu Problemen führen kann. Der Abstand zwischen Vorratsspeicher und dem zu füllenden Füllvolumen ist häufig unvermeidbar; meist wird er durch die Notwendigkeit differentiellen Pumpens zwischen Vorratsspeicher und dem zu füllenden Füllvolumen, aber auch zusätzlich durch andere Umstände erzwungen, wie beispielsweise die lange Anlaufstrecke in ein starkes Magnetfeld. Ein sekundäres Problem liegt in der Notwendigkeit zur Ausbildung eines feinen Ionenstrahls.Thus, in various areas of mass spectrometry, there is a similar problem situation that occurs when transferring ions from a storage reservoir into a remote filling volume and consists primarily in the time-of-flight dispersion of ions of different mass with the same energy. The ions of different masses have different speeds and therefore arrive one after the other in the filling volume, which can lead to problems depending on the task of the filling volume. The distance between the storage reservoir and the filling volume to be filled is often unavoidable; usually it is forced by the need differential pumping between storage and the filling volume to be filled, but also in addition by other circumstances, such as the long run-up distance in a strong magnetic field. A secondary problem is the need to form a fine ion beam.

Diese Verhältnisse sollen hier am Beispiel eines Flugzeitmassenspektrometers etwas näher erläutert werden, wobei aber der unten geschilderte problemlösende Erfindungsgedanke nicht nur auf die Verhältnisse in diesem Flugzeitmassenspektrometer eingeschränkt werden soll.These conditions here are the example of a time-of-flight mass spectrometer something be explained in more detail, but the problem-solving inventive concept described below is not only on the conditions in this time-of-flight mass spectrometer.

Unter dem Begriff „Masse" werde hier immer die „ladungsbezogene Masse" m/z verstanden, die allein in der Massenspektrometrie eine Rolle spielt, und nicht einfach die „physikalische Masse" m. Die dimensionslose Zahl z gibt die Anzahl der Elementarladungen des Ions an, also die Anzahl der überschüssigen und nach außen als Ionenladung wirksamen Elektronen oder Protonen des Ions. Ausnahmslos kann in allen Massenspektrometer immer nur die ladungsbezogene Masse m/z gemessen werden, nicht die physikalische Masse m selbst. Die ladungsbezogene Masse ist der Massenbruchteil pro Elementarladung des Ions. Unter „leichten" oder „schweren" Ionen werden hier sinngemäß immer Ionen mit geringer oder hoher ladungsbezogener Masse m/z verstanden. Auch der Begriff „Massenspektrum" bezieht sich grundsätzlich immer auf die ladungsbezogenen Massen m/z.Under The term "mass" is always used here to refer to the "charge - related Mass "m / z understood, which plays a role in mass spectrometry alone and not simply the "physical Mass "m. The dimensionless Number z indicates the number of elementary charges of the ion, ie Number of excess and outward electrons acting as ionic charge or protons of the ion. without exception In all mass spectrometers, only the charge-related mass can be measured m / z are measured, not the physical mass m itself Charge-related mass is the mass fraction per elementary charge of the ion. Under "light" or "heavy" ions are here always, mutatis mutandis Understood ions with low or high charge-related mass m / z. The term "mass spectrum" always refers in principle on the charge-related masses m / z.

Flugzeitmassenspektrometer mit Einschuss eines Primärionenstrahls orthogonal zur Flugstrecke werden als OTOF bezeichnet (orthogonal time-of-flight mass spectrometer). 2 stellt ein solches OTOF dar. Sie besitzen einen so genannten Pulser (11) am Anfang der Flugstrecke (19), der einen Ausschnitt des Primärionenstrahls (10), also ein fadenförmiges Ionenpaket, rechtwinklig zur bisherigen Strahlrichtung in die Flugstrecke (19) hinein beschleunigt. Dabei bildet sich ein bandförmiger Sekundärionenstrahl (12), der aus einzelnen, quer liegenden fadenförmiges Ionenpaketen besteht, wobei diese fadenförmiges Ionenpakete aus Ionen jeweils gleicher Massen bestehen. Die fadenförmiges Ionenpakete mit leichten Ionen fliegen schnell; solche mit schwereren Ionen fliegen langsamer. Die Flugrichtung dieses bandförmigen Sekundärionenstrahls (12) liegt zwischen der bisherigen Richtung des Primärionenstrahls und der dazu rechtwinkligen Beschleunigungsrichtung, weil die Ionen ihre Geschwindigkeit in der ursprünglichen Ionenstrahlrichtung des Primärionenstrahls (10) beibehalten. Ein solches Flugzeitmassenspektrometer wird vorzugsweise mit einem geschwindigkeitsfokussierenden Reflektor (13) betrieben, der den bandförmigen Sekundärionenstrahl (12) mit den fadenförmiges Ionenpaketen in seiner ganzen Breite reflektiert und auf einen ebenfalls flächig ausgedehnten Detektor (14) lenkt.Time-of-flight mass spectrometers with a shot of a primary ion beam orthogonal to the flight path are called OTOFs (orthogonal time-of-flight mass spectrometers). 2 represents such an OTOF. They have a so-called pulser ( 11 ) at the beginning of the route ( 19 ) containing a section of the primary ion beam ( 10 ), ie a thread-like ion packet, at right angles to the previous beam direction in the flight path ( 19 ) into it. In this case, a band-shaped secondary ion beam ( 12 ), which consists of individual, transverse thread-like ion packets, these filamentary ion packets consisting of ions of equal masses. The filamentary ion packets with light ions fly fast; those with heavier ions fly more slowly. The direction of flight of this band-shaped secondary ion beam ( 12 ) lies between the previous direction of the primary ion beam and the direction perpendicular thereto acceleration direction, because the ions their speed in the original ion beam direction of the primary ion beam ( 10 ). Such a time-of-flight mass spectrometer is preferably provided with a speed-focusing reflector ( 13 ) operating the ribbon-shaped secondary ion beam ( 12 ) is reflected with the thread-like ion packets in its entire width and onto a likewise extensively extended detector ( 14 ) steers.

Wie in 2 und in der detaillierteren Darstellung des Einschussregimes in 3 sichtbar, werden die Ionen des Primärionenstrahls (10) im Pulser (11) quer zu ihrer Einschussrichtung, der x-Richtung, beschleunigt. Die Beschleunigungsrichtung nennen wir die y-Richtung. Der resultierende Ionenstrahl (12) hat jedoch eine Richtung, die zwischen der y-Richtung und der x-Richtung liegt, da die Ionen ihre ursprüngliche Geschwindigkeit in x-Richtung ungestört beibehalten. Der Winkel des Ionenstrahls (12) zur y-Richtung beträgt α = arcus tangens vx/vy, wenn vx die Geschwindigkeit der Ionen im Primärstrahl in x-Richtung und vy die Geschwindigkeitskomponente der Ionen nach Beschleunigung in y-Richtung ist. Die Richtung, in der die Ionen im Ionenstrahl (12) nach dem Auspulsen fliegen, ist unabhängig von der Masse der Ionen, wenn alle Ionen des ursprünglichen Ionenstrahls (10) die gleiche kinetische Energie Ex besaßen, also alle mit gleicher Spannungsdifferenz in x-Richtung beschleunigt wurden.As in 2 and in the more detailed account of the bullet regime in 3 visible, the ions of the primary ion beam ( 10 ) in the pulser ( 11 ) accelerates transversely to its insertion direction, the x-direction. We call the direction of acceleration the y-direction. The resulting ion beam ( 12 ), however, has a direction that lies between the y-direction and the x-direction, since the ions maintain their original velocity in the x-direction undisturbed. The angle of the ion beam ( 12 ) to the y-direction is α = arcus tangens v x / v y , if v x is the velocity of the ions in the primary beam in the x-direction and v y is the velocity component of the ions after acceleration in the y-direction. The direction in which the ions in the ion beam ( 12 ) after the pulse is independent of the mass of the ions, if all ions of the original ion beam ( 10 ) possessed the same kinetic energy E x , ie all were accelerated with the same voltage difference in the x-direction.

Der Pulser (11) arbeitet je nach gewünschtem Massenbereich des Spektrometers mit 5 bis 20 Kilohertz. Wird ein Flugzeitmassenspektrometer betrachtet, das mit 10 Kilohertz arbeitet, so werden also pro Sekunde 10 000 Einzelmassenspektren aufgenommen, die in modernen Flugzeitmassenspektrometern in einem Transientenrekorder digitalisiert und zu Summenspektren addiert werden. Ein Massenspektrum kann dabei durchaus Massensignale mit etwa 1000 Ionen enthalten, ehe eine Sättigung der Nachweiselektronik zu befürchten ist. (Ältere Flugzeitmassenspektrometer arbeiten mit Ereigniszählern oder Zeit-zu-Digital-Wandlern, haben aber nur einen geringen dynamischen Messbereich, da sie wegen der Totzeiten nur jeweils ein einziges Ion in einem Massenpeak erkennen können). Die Additionsdauer der Transientenrekorder ist wählbar: Die Additionsdauer kann eine Zwanzigstel Sekunde dauern, dann können etwa 500 Einzelmassenspektren zu einem Summenspektrum zusammengefasst werden. Die Additionsdauer kann aber auch hundert Sekunden betragen und eine Million Einzelmassenspektren im Summenspektrum umfassen. Letzteres Summenspektrum hat dann einen sehr hohen dynamischen Messbereich von etwa acht Zehnerpotenzen für die Messung der Ionen im Spektrum.The pulser ( 11 ) works according to the desired mass range of the spectrometer with 5 to 20 kilohertz. If a time-of-flight mass spectrometer operating at 10 kilohertz is considered, then 10 000 individual mass spectra are recorded per second, which are digitized in modern transient time mass spectrometers in a transient recorder and added to sum spectra. A mass spectrum may well contain mass signals with about 1000 ions before saturation of the detection electronics is to be feared. (Older time-of-flight mass spectrometers use event counters or time-to-digital transducers, but have a low dynamic range because they can only detect a single ion in a mass peak due to dead times). The addition time of the transient recorder is selectable: The addition time can take a twentieth of a second, then about 500 single mass spectra can be combined into a sum spectrum. However, the addition time can also amount to a hundred seconds and include one million individual mass spectra in the sum spectrum. The latter sum spectrum then has a very high dynamic measurement range of about eight orders of magnitude for the measurement of the ions in the spectrum.

Die Ionen, deren Massenspektrum gemessen werden soll, bestehen im Allgemeinen nicht aus einer einheitlichen Ionensorte, sondern bilden ein Gemisch aus leichten, mittelschweren und schweren Ionen. Der Massenbereich kann dabei sehr weit sein: In Verdaugemischen von Proteinen, beispielsweise, reicht der interessierende Massenbereich vom leichtesten Immonium-Ion bis zu Peptidionen mit etwa 40 Aminosäuren, also von Masse 50 Dalton bis zu etwa 5000 Dalton. In Flugzeitmassenspektrometern für Elementaranalysen an Materialproben mit Ionisierung durch ein induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) liegt der interessierende Massenbereich zwischen 5 Dalton (Analyse von Lithium) bis etwa 300 Dalton (Analyse von Uran und Transuranen). Um zu quantitativ guten analytischen Ergebnissen zu gelangen, sollten über diese Massenbereiche hinweg keine Massendiskriminierungen auftreten.The ions whose mass spectrum is to be measured generally do not consist of a single ion species but form a mixture of light, medium and heavy ions. The mass range can be very wide: In digestion mixtures of proteins, for example, the mass range of interest ranges from the lightest immonium ion to peptide ions with about 40 amino acids, that is from mass 50 daltons up to about 5000 daltons. In time-of-flight mass spectrometers for elemental analysis on inductively coupled plasma ionization (ICP) material samples, the mass range of interest is between 5 Dalton (analysis of lithium) to about 300 daltons (analysis of uranium and transuranic). To arrive at quantitatively good analytical results, mass discrimination should not occur across these mass ranges.

In dem Flugzeitmassenspektrometer der 2 und 3 wird der Primärionenstrahl mit Hilfe eines Linsensystems (9) aus einem Hochfrequenz-Ionenleitsystem (8), das hier als Vorratsspeicher dient, herausgezogen und mit geringer Energie von nur etwa 20 Elektronenvolt in den entleerten Pulser (11) eingeschossen. Dabei muss der Primärionenstrahl (10) extrem gut und reproduzierbar im Pulser positioniert werden. Ein Primärionenstrahl (10) mit 20 Elektronenvolt Energie reagiert aber außerordentlich empfindlich auf äußere elektrische oder magnetische Einflüsse; er muss daher durch eine Kapselung (18) mit sehr guter elektrischer Leitfähigkeit abgeschirmt werden. Dabei gibt es zwei Betriebsarten: eine kontinuierliche und eine gepulste. In der kontinuierlichen Betriebsweise wird der Primärionenstrahl (10) nicht unterbrochen; er fließt kontinuierlich auf den Pulser (11) zu. Da nach dem Auspulsen der Pulser (11) wieder auf Spannungen zurückgesetzt wird, die ein weiteres Füllen erlauben, füllt sich der Pulser (11) wieder mit Ionen. Der Primärstrahl (10) ist aber in der Nähe des Pulsers (11) bis weit in die abschirmende Kapselung (18) hinein durch den Vorgang des Auspulsens stark gestört; es dauert somit eine Weile, bis der ungestörte Primärstrahl (10) den Pulser (11) wieder sauber und richtig positioniert füllen kann. Deshalb wählt man meist einen gepulsten Betrieb, bei dem der Primärstrahl (10) zum Pulser (11) durch eine Schaltlinse (9) unterbrochen und erst nach Beruhigung aller elektrischen Schaltvorgänge zur Befüllung wieder freigegeben wird. Damit kann man den Nutzgrad für die Messung der Ionen leicht erhöhen.In the time-of-flight mass spectrometer the 2 and 3 is the primary ion beam by means of a lens system ( 9 ) from a high frequency ion guide system ( 8th ), which serves as a storage reservoir, pulled out and with low energy of only about 20 electron volts in the emptied pulser ( 11 ) shot. The primary ion beam ( 10 ) are positioned extremely well and reproducibly in the pulser. A primary ion beam ( 10 ) with 20 electron volts of energy but is extremely sensitive to external electrical or magnetic influences; he must therefore by an encapsulation ( 18 ) are shielded with very good electrical conductivity. There are two modes of operation: one continuous and one pulsed. In the continuous mode of operation, the primary ion beam ( 10 ) not interrupted; it flows continuously on the pulser ( 11 ) too. Since after pulsing the pulser ( 11 ) is reset to voltages that allow further filling, the pulser fills ( 11 ) again with ions. The primary beam ( 10 ) but is near the Pulser ( 11 ) far into the shielding encapsulation ( 18 ) strongly disturbed by the process of Auspulsens; it takes a while until the undisturbed primary beam ( 10 ) the pulser ( 11 ) again clean and properly positioned can fill. Therefore, one usually chooses a pulsed operation in which the primary beam ( 10 ) to the pulser ( 11 ) by a switching lens ( 9 ) is interrupted and released only after reassurance of all electrical switching operations for filling. This can easily increase the efficiency for the measurement of the ions.

Zwischen Vorratsspeicher und Pulser muss differentiell gepumpt werden, außerdem muss der Ionenstrahl durch die Kapselung (18) gut abgeschirmt werden; es herrscht notwendig ein Abstand zwischen Vorratsspeicher und Pulser. Daher diskriminiert der Einschussvorgang in den Pulser nach Massen: Wird dieser Einschussvorgang für den Pulser (11) nach kurzer Dauer durch Auspulsen der Ionen in die Flugstrecke (20) abgebrochen, so haben sehr leichte Ionen des Primärionenstrahls (10) bereits das Ende des Pulsers (11) erreicht, mittelschwere Ionen sind nur wenig in den Pulser (11) eingedrungen, aber schwere und damit langsame Ionen sind noch gar nicht bis zum Pulser (11) gekommen. Der ausgepulste Ionenstrahl (12) enthält daher nur leichte und einige wenige mittelschwere Ionen. Schwere Ionen sind überhaupt nicht enthalten. Im Kontrast dazu werden bei sehr langer Einschussdauer, bei der die schweren Ionen bis zum Ende des Pulsers (11) vorgedrungen sind, diese schweren Ionen bevorzugt im ausgepulsten Ionenstrahl (12) enthalten sein, da die mittelschweren und leichten Ionen mit ihrer hohen Geschwindigkeit den Pulser (11) bereits größtenteils wieder verlassen haben.Between storage and pulser must be pumped differentially, also the ion beam through the encapsulation ( 18 ) are well shielded; it is necessary that there is a gap between the storage and the pulser. Therefore, the shot-in process in the pulser discriminates according to masses: If this shot-in process for the pulser ( 11 ) after a short duration by pulsing the ions into the flight path ( 20 ), so very light ions of the primary ion beam ( 10 ) already the end of the Pulser ( 11 ), medium-heavy ions are only slightly in the pulser ( 11 ), but heavy and therefore slow ions are not even up to the pulser ( 11 ) came. The pulsed ion beam ( 12 ) therefore contains only light and a few medium-heavy ions. Heavy ions are not included at all. In contrast, in the case of a very long shot-in duration, during which the heavy ions reach the end of the pulse ( 11 ), these heavy ions preferentially in the pulsed ion beam ( 12 ), because the medium and light ions with their high speed the pulser ( 11 ) have already largely left again.

Das Diagramm der 4 zeigt dieses Verhalten. Es wird als Vorratsspeicher ein Quadrupol-Stabsystem (8) von etwa 8 Zentimeter Länge mit einer Schaltlinse (9) am Ende verwendet. Es ist in diesem Diagramm die Verzögerungszeit t (in Mikrosekunden) für das Auspulsen der Ionen aus dem Pulser (11) gegenüber der Öffnungszeit der Schaltlinse (9) auf der horizontalen Achse aufgetragen, und der Logarithmus des Ionenstroms für Ionen verschiedener Massen bildet die vertikale Achse. Der dynamische Messbereich ist hier nicht extrem groß gewählt, er beträgt hier etwas mehr als vier Zehnerpotenzen. Man sieht, dass die Ionen der Masse 322 Dalton den Pulser schon nach 30 Mikrosekunden optimal füllen, während die Ionen der Masse 2722 Dalton erst nach etwa 160 Mikrosekunden ihr Maximum der Intensität im Pulser erreichen. Wenn schwere Ionen nachgewiesen werden sollen, ist hier nur ein Messbetrieb mit einer Verzögerungszeit für das Auspulsen von etwa 160 Mikrosekunden möglich. Die leichten Ionen sind dann allerdings bereits auf etwa 10 % ihre Maximalintensität abgesunken, und das auch nur deshalb, weil der Vorratsspeicher (8) durch die Linse (7) hindurch ständig mit weiteren Ionen befüllt wird, die einfach durch den Vorratsspeicher (8) durchlaufen. Damit ist der Takt der Spektrenaufnahme auf maximal 6 Kilohertz beschränkt. Das Massenspektrum der 5 wurde mit diesem konventionellen Verfahren und einer Verzögerungszeit von 160 Mikrosekunden aufgenommen: das Massenspektrum zeigt eine Mixtur von Substanzen, die üblicherweise zum Kalibrieren von Massenspektrometern verwendet wird.The diagram of 4 shows this behavior. It is stored as a storage quadrupole rod system ( 8th ) of about 8 centimeters in length with a switching lens ( 9 ) used in the end. In this diagram, the delay time t (in microseconds) for pulsing the ions out of the pulser ( 11 ) compared to the opening time of the switching lens ( 9 ) is plotted on the horizontal axis, and the logarithm of the ion current for ions of different masses forms the vertical axis. The dynamic measuring range is not chosen to be extremely large here, it is slightly more than four orders of magnitude. It can be seen that the ions of the mass 322 daltons optimally fill the pulser already after 30 microseconds, while the ions of the mass 2722 daltons reach their maximum intensity in the pulser only after about 160 microseconds. If heavy ions are to be detected, only a measuring operation with a delay time of about 160 microseconds is possible here. However, the light ions have already dropped to their maximum intensity at about 10%, and that is only because the storage reservoir ( 8th ) through the lens ( 7 ) is constantly filled with other ions through which simply by the memory ( 8th ) run through. Thus, the clock of the spectral recording is limited to a maximum of 6 kilohertz. The mass spectrum of 5 was recorded with this conventional method and a delay time of 160 microseconds: the mass spectrum shows a mixture of substances commonly used to calibrate mass spectrometers.

Dieses massendiskriminierende Verhalten zeigt sich sowohl beim kontinuierlichen wie auch beim unterbrochenen Primärstrahl. Wie eigene, noch nicht veröffentlichte Experimente zeigen, wirkt die Massendiskriminierung noch gravierender, wenn ein relativ kurzer Vorratsspeicher ohne kontinuierlichen Nachschub verwendet wird. 6 zeigt das Schema einer Anordnung mit einem kurzen Vorratsspeicher (20), der rückwärtig von einer Blende (21) abgeschlossen ist. Die Blende (21) kann durch eine Ionen abstoßende Spannung den weiteren Nachschub von Ionen unterbinden, und gleichzeitig die Leerung des kurzen Vorratsspeichers (20) beschleunigen. Das Diagramm der 7 zeigt wieder die logarithmischen Intensitäten der Ionen verschiedener Massen, aufgetragen über der Verzögerungszeit, mit der der Pulser (11) betrieben wird. Im Vergleich zum Diagramm der 4 zeigt sich hier, dass die Ionen der Masse 2722 Dalton bereits nach 80 Mikrosekunden ihr Maximum erreichen, aber die Massendiskriminierung ist sehr hoch. Es kann mit dieser Anordnung und diesem Betrieb überhaupt nicht erreicht werden, ein Spektrum zu messen, das Ionen aller Massen enthält. Die Ionen jeder Masse bilden nur einen räumlich kurzen Ionenschwarm, der den Pulser kurzzeitig passiert. Mit dieser Anordnung kann kein vernünftiger Messbetrieb aufgebaut werden; zudem ist der Grad der Ausnutzung der Ionen überhaupt nicht zufriedenstellend.This mass discriminating behavior is evident in both the continuous and the interrupted primary beam. As our own, unpublished experiments show, mass discrimination is even more serious when a relatively short supply of storage is used without continuous replenishment. 6 shows the diagram of an arrangement with a short storage memory ( 20 ), the rear of a panel ( 21 ) is completed. The aperture ( 21 ) can suppress the further supply of ions by an ion-repelling voltage, and at the same time the emptying of the short storage memory ( 20 ) speed up. The diagram of 7 again shows the logarithmic intensities of the ions of different masses, plotted against the delay time with which the pulser ( 11 ) is operated. Compared to the diagram of 4 It can be seen here that the ions of mass 2722 daltons reach their maximum already after 80 microseconds, but the mass discrimination is very high. It can not be achieved with this arrangement and this operation at all, a Spek to measure the center containing ions of all masses. The ions of each mass form only a spatially short ion swarm, which passes the pulser for a short time. With this arrangement, no reasonable measuring operation can be established; In addition, the degree of utilization of the ions is not satisfactory at all.

Durch eine kurzzeitige Öffnung des Linsensystems (9) oder durch schnelle und vollständige Entleerung eines Vorratsspeichers ohne kontinuierlichen Nachschub von Ionen in den Vorratsspeicher hinein werden die Ionen stets in Form einer kurzen Ionenwolke entnommen. Die Entnahme der Ionen wird stets mit ihrer Beschleunigung gekoppelt, die den Ionen eine vorgegebene kinetische Energie verleiht und einen Ionenstrahl formt. In dieser Ionenwolke, die insgesamt den Ionenstrahl bildet, befinden sich im Allgemeinen Ionen der verschiedenen Massen. Beim Flug dieser Ionenwolke separieren sich die Ionen verschiedener Massen, weil sie mit verschiedenen Geschwindigkeiten fliegen. Die Wolkenteile mit verschiedenen Massen innerhalb des Ionenstrahls sollen im Weiteren als „Ionenschwärme" bezeichnet werden. Ein Ionenschwarm ist also eine räumlich begrenzte Wolke von Ionen einer Masse. In der stoßfrei fliegenden Wolke des Ionenstrahls schieben sich also die Ionenschwärme langsam auseinander und können sich vollständig voneinander separieren, wie aus 7 zu entnehmen ist. Jeder Ionenschwarm besitzt eine räumliche Länge, die sich beim stoßfreien Flug in einem feldfreien Raum nicht ändert, wenn alle Ionen des Ionenschwarms die gleiche kinetische Energie besitzen.Through a brief opening of the lens system ( 9 ) or by fast and complete emptying of a storage without continuous supply of ions into the storage reservoir into the ions are always removed in the form of a short ion cloud. The removal of the ions is always coupled with their acceleration, which gives the ions a given kinetic energy and forms an ion beam. In this ion cloud, which forms the ion beam as a whole, there are generally ions of the various masses. During the flight of this ion cloud, the ions of different masses separate because they fly at different speeds. The cloud parts with different masses within the ion beam are referred to as "ion swarms." An ion swarm is thus a spatially limited cloud of ions of a mass, so in the bum-free cloud of the ion beam, the ion swarms slowly move apart and become completely separated separate, like out 7 can be seen. Each ion swarm has a spatial length that does not change in bum-free flight in a field-free space when all ions of the ion swarm have the same kinetic energy.

Flugzeitmassenspektrometern mit orthogonalem Ioneneinschuss können immer nur in beschränkten Massenbereichen arbeiten, da es einerseits durch Ionenleitsystem (6) und Vorratsspeicher (8) stets untere (und auch obere) Massenbegrenzungen gibt, andererseits durch den Aufnahmetakt eine maximale Zeitdauer für die Spektrenaufnahme und damit für die obere Grenze des gemessenen Massenbereichs gibt. Im Allgemeinen können in solchen Flugzeitmassenspektrometern mehrere Arbeits-Massenbereiche eingestellt werden, beispielsweise 50 bis 1000 Dalton, 200 bis 3000 Dalton oder 500 bis 10000 Dalton. Dabei werden für die Arbeits-Massenbereiche die Bedingungen für die Ionenleitsysteme und Vorratsspeicher und der Zeittakt für die Spektrenaufnahme umgestellt.Time-of-flight mass spectrometers with orthogonal ion injection can only ever work in restricted mass ranges, since on the one hand 6 ) and storage memory ( 8th ) always lower (and upper) mass limitations, on the other hand by the recording clock a maximum time for the spectral recording and thus for the upper limit of the measured mass range are. Generally, in such time-of-flight mass spectrometers, multiple working mass ranges may be set, for example, 50 to 1000 daltons, 200 to 3000 daltons, or 500 to 10,000 daltons. In the process, the conditions for the ion guide systems and storage memories and the timing for the spectral recording are changed for the working mass areas.

Im Betrieb des Flugzeitmassenspektrometers nach dem Stande der Technik, wie er in den 2, 3 und 4 gezeigt ist, gibt es somit für die Empfindlichkeit des Ionennachweises für Ionen einer bestimmten Masse des für das Flugzeitmassenspektrometer eingestellten Arbeits-Massenbereichs eine optimale Verzögerung zwischen dem Öffnungszeitpunkt der Linse (9) und dem Auspulsen des Pulser (11), wie es auch bereits aus US 6,285,027 B1 (I. Chemushevich und B. Thompson) prinzipiell bekannt ist. Die Einstellung für einen bevorzugten inneren Massenbereich höchster Empfindlichkeit kann über Öffnungszeitpunkt der Linse (9), die Dauer des Einschusses in den Pulser (11) und den Auspulsungszeitpunkt erfolgen, wobei andere Ionenmassen des eingestellten Arbeits-Massenbereichs notwendigerweise diskriminiert werden. Die Verzögerungszeit kann über die elektrische Beschaltung von Schaltlinse (9) und Pulser (11) geregelt werden. Ein solcher Betrieb mit einer stets zu wählenden Masse, für die ein Optimum der Empfindlichkeit erreicht wird, ist aber für ein analytisches Verfahren sehr unbequem und im praktischen Betrieb schwer auszuführen.In the operation of the time-of-flight mass spectrometer according to the prior art, as described in US Pat 2 . 3 and 4 Thus, for the sensitivity of the ion detection for ions of a certain mass of the working mass range set for the time of flight mass spectrometer, there is an optimal delay between the opening time of the lens (FIG. 9 ) and the pulsing of the pulser ( 11 ), as it already did US 6,285,027 B1 (I. Chemushevich and B. Thompson) is known in principle. The setting for a preferred internal mass range of highest sensitivity can be achieved by opening the lens ( 9 ), the duration of the injection into the pulser ( 11 ) and the Auspulsungszeitpunkt, with other ion masses of the set working mass range necessarily be discriminated. The delay time can be controlled via the electrical wiring of switching lens ( 9 ) and pulser ( 11 ) be managed. However, such an operation with an always-to-be-elected mass for which an optimum of sensitivity is achieved is very inconvenient for an analytical process and difficult to carry out in practical operation.

Die Energie der eingeschossenen Ionen im Primärionenstrahl (10) stellt prinzipiell einen weiteren Parameter dar; diese Energie der eingeschossenen Ionen ist jedoch meist nicht oder nur in sehr engen Grenzen variierbar, die durch die Geometrie des Flugzeitmassenspektrometers, insbesondere bei gegebener gesamter Fluglänge im Flugzeitmassenanalysator durch den Abstand zwischen Pulser (11) und Detektor (14), festgelegt sind. Dieser Abstand bestimmt den oben erläuterten Ablenkwinkel α, der zum Betrieb des Massenspektrometers einzuhalten ist, da sonst die Ionen nicht voll auf den Detektor treffen.The energy of the injected ions in the primary ion beam ( 10 ) represents in principle another parameter; However, this energy of the injected ions is usually not or only within very narrow limits variable by the geometry of the time-of-flight mass spectrometer, in particular given total flight length in the time of flight mass analyzer by the distance between pulser ( 11 ) and detector ( 14 ). This distance determines the above-explained deflection angle α, which is to be observed for the operation of the mass spectrometer, otherwise the ions do not hit the detector fully.

Für die Befüllung des Pulsers im Flugzeitmassenspektrometer ist es erforderlich, dass die Energiestreubreite der Ionen sehr klein ist, da sonst die Ionen mit verschiedenen Ablenkwinkeln α in die Flugstrecke eintreten und nicht mehr alle den Detektor treffen. Auch für andere Füllvolumina, beispielsweise zur Befüllung der Messzelle im ICR-Massenspektrometer, ist eine sehr kleine Energiestreubreite der Ionen wichtig,For the filling of the Pulsers in the time-of-flight mass spectrometer require that the energy scattering of the ions is very small, otherwise the ions with different deflection angles α in Enter the route and not all meet the detector. Also for other filling volumes, for example for filling the measuring cell in the ICR mass spectrometer, is a very small energy sweeping width important to the ions,

Durch die Verwendung von Wanderfeld-Effekten in so genannten „travelling wave guides" kann erreicht werden, dass Ionen verschiedener Massen gleichzeitig in den Pulser (11) eingeschossen werden, weil damit allen Ionen die gleiche Geschwindigkeit gegeben wird, siehe dazu „An Investigation into a Method of Improving The Duty Cycle on ao-Tof Mass Analysers", S. D. Pringle et al., Proc. of the 52nd ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, Nashville, May 23–27, 2004 , oder „Appliacations of a travelling wave-based radio-frequency-only stacked ring ion guide", K. Giles et al., Rapid Commun. Mass Spectrom. 2004; 18; 2401–2414 . Da aber die Ionen verschiedener Massen im Pulser verschiedene kinetische Energien haben, werden sie alle unter verschiedenen Austrittswinkeln α für den Ionenstrahl (12) aus dem Pulser (11) aufgepulst und können daher nicht alle den Detektor (14) erreichen. Die Massendiskriminierung tritt jetzt am Detektor (14) statt im Pulser (11) auf.Through the use of traveling field effects in so-called "traveling wave guides" it can be achieved that ions of different masses enter the pulser simultaneously ( 11 ), because it gives all ions the same speed, see below Prison et al., Proc. Of the 52nd ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, Nashville, May 23-27, 2004 , or Giles et al., Rapid Commun. Mass. Spectrom. 2004; 18; 2401-2414. "Applicants of a traveling wave-based radio-frequency-only stacked ring ion guide" , However, since the ions of different masses in the pulser have different kinetic energies, they are all at different exit angles α for the ion beam (FIG. 12 ) from the pulser ( 11 ) and therefore can not all the detector ( 14 ) to reach. The mass discrimination now occurs at the detector ( 14 ) instead of in the pulser ( 11 ) on.

Eine weitere Möglichkeit zum Zusammenschieben der Ionenwolken verschiedener Massen wird in der Arbeit „A Novel MALDI Time of Flight Mass Spectrometer" von J. F. Brown et al., 53rd ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, 2005, beschrieben, wobei aber hier die Ionen im Pulser nicht die gleiche Energie haben, so dass auch hier die Massendiskriminierung zum Detektor verlagert wird.Another way to push together the ion clouds of different masses is in the work "A Novel MALDI Time of Flight Mass Spectrometer" by JF Brown et al., 53rd ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, 2005, but here the ions in the pulser do not have the same energy, so that here too the mass discrimination is shifted to the detector.

Es ist aber das Einschussverfahren für den Pulser (11) bei gegebener Energie der Ionen im Primärionenstrahl (10) nicht nur nach Startzeitpunkt und Dauer zu optimieren, es muss auch ein optimal feiner Primärionenstrahl (10) erzeugt werden, um ein hohes Auflösungsvermögen des Flugzeitmassenspektrometers zu erhalten. Fliegen alle Ionen genau in der Achse des Pulsers (11) hintereinander her und haben die Ionen keine Geschwindigkeitskomponenten quer zum Primärionenstrahl (10), so lässt sich theoretisch – leicht einsehbar – ein unendlich hohes Massenauflösungsvermögen erreichen, weil alle Ionen gleicher Masse als fast unendlich dünne Ionenfäden genau in gleicher Front fliegen und zu genau derselben Zeit auf den Detektor (14) aufprallen. Hat der Primärionenstrahl (10) einen endlichen Querschnitt, aber kein Ion eine Geschwindigkeitskomponente quer zur Primärionenstrahl (10), so lässt sich in bekannter Weise durch eine Raumfokussierung im Pulser (11) wiederum theoretisch eine unendlich hohe Massenauflösung erreichen. Die hohe Massenauflösung lässt sich sogar noch dann erreichen, wenn zwischen dem Ionenort (gemessen von der Strahlachse des Primärstrahls aus in Richtung der Beschleunigung, also in y-Richtung) und der Ionenquergeschwindigkeit im Primärstrahl (10) in Richtung der Beschleunigung eine strikte Korrelation besteht. Besteht jedoch keine solche Korrelation, das heißt, sind Ionenorte und Ionenquergeschwindigkeiten statistisch verteilt ohne eine Korrelation zwischen beiden Verteilungen, so lässt sich keine hohe Massenauflösung erreichen.But it is the shot-in procedure for the pulser ( 11 ) given the energy of the ions in the primary ion beam ( 10 ) not only according to start time and duration, it must also be an optimally fine primary ion beam ( 10 ) to obtain a high resolution of the time-of-flight mass spectrometer. All ions fly exactly in the axis of the pulser ( 11 ) and the ions have no velocity components across the primary ion beam ( 10 ), so theoretically - easily visible - can achieve an infinitely high mass resolution, because all ions of the same mass as almost infinitely thin ionic threads fly exactly in the same front and at exactly the same time on the detector ( 14 ). Does the primary ion beam ( 10 ) has a finite cross section, but no ion has a velocity component across the primary ion beam ( 10 ), it can be in a known manner by a spatial focusing in the pulser ( 11 ) theoretically reach an infinitely high mass resolution. The high mass resolution can even be achieved if between the ion site (measured from the beam axis of the primary beam in the direction of acceleration, ie in the y direction) and the ion lateral velocity in the primary beam ( 10 ) in the direction of acceleration is a strict correlation. However, if there is no such correlation, that is, if ion sites and ionic lateral velocities are statistically distributed without a correlation between the two distributions, then high mass resolution can not be achieved.

Es ist also neben der Optimierung des Einschussvorganges in Bezug auf den Massenbereich der angebotenen Ionen auch eine Konditionierung der Ionen im Primärionenstrahl (10) in Bezug auf Orts- und Geschwindigkeitsverteilung erforderlich, um eine hohe Massenauflösung im Flugzeitmassenspektrometer zu erreichen. Diese Konditionierung des Ionenstrahls erfordert es, gut durch Stöße im neutralen Stoßgas beruhigte und so thermalisierte Ionen durch ein sehr gutes ionenoptisches System (9) sehr fein aus der Achse des Vorratsspeichers (8) herauszuziehen.In addition to the optimization of the shot-in process with respect to the mass range of the ions offered, it is therefore also a conditioning of the ions in the primary ion beam ( 10 ) in terms of location and velocity distribution to achieve high mass resolution in the time-of-flight mass spectrometer. This conditioning of the ion beam requires well-soyed and thus thermalized ions through collisions in the neutral collision gas through a very good ion-optical system ( 9 ) very fine from the axis of the memory ( 8th ).

Vorratsspeicher sind in der Regel als multipolare, mit Stoßgas befüllte Hochfrequenz-Stabsysteme ausgebildet, die beidseitig durch Blenden oder Linsensysteme mit Ionen abstoßendem Potential verschlossen sind. Es werden für gewöhnlich hier quadrupolare oder hexapolare Stabsysteme eingesetzt. Die Ionen geben durch Stöße mit dem Stoßgas ihre kinetische Energie ab und sammeln sich im Minimum des Pseudopotentials, also in der Achse des Stabsystems. Dieser Vorgang wird „Stoßfokussierung" genannt. Das Minimum des Pseudopotentials ist für leichte Ionen ausgeprägter und steiler als für schwere Ionen, daher sammeln sich die leichten Ionen genau in der Achse, und die schwereren Ionen etwas außerhalb, von der coulombschen Abstoßung der leichten Ionen auf Abstand gehalten. Dieser Effekt ist jedoch nur bei Befüllung mit hohen Zahlen an Ionen zu bemerken. Im Normalbetrieb eines Flugzeitmassenspektrometers beträgt die Füllung maximal etwa einige wenige Tausend Ionen, normalerweise sogar nur einige Hundert Ionen; hier ist dieser Effekt der massenselektiven Anordnung der Ionen im Vorratsspeicher noch nicht messbar wirksam.storage reservoir are usually as multipolar, filled with collision gas high-frequency rod systems formed on both sides by aperture or lens systems with Ion repulsive Potential are closed. It is usually here quadrupolar or hexapolar rod systems used. The ions give by impact with the Push gas theirs kinetic energy and accumulate at the minimum of the pseudopotential, ie in the axis of the rod system. This process is called "impact focusing." The minimum of the pseudopotential is for slight ions more pronounced and steeper than for heavy ones Ions, therefore, the light ions accumulate exactly in the axis, and the heavier ions just outside, from the coulomb's Repulsion of the light ions kept at a distance. This effect is only at filling to notice with high numbers of ions. In normal operation of a time-of-flight mass spectrometer is the filling maximum about a few thousand ions, usually only a few hundred ions; Here is this effect of mass selective Arrangement of the ions in the storage device not yet measurably effective.

In Stabsystemen mit mehr als drei Stabpaaren (Oktopol-, Dekapol- oder Dodekapol-Stabsysteme) ist das Minimum des Pseudopotential in der Achse nicht so ausgeprägt, und es können sich die Ionen, abgestoßen von ihrer eigenen Raumladung, auch außen vor den Stäben sammeln. Es ist dann schwieriger, die Ionen als feiner Strahl in Achsennähe herauszuziehen.In Rod systems with more than three pairs of rods (Oktopol-, Dekapol- or Dodecapole rod systems) is the minimum of pseudopotential in the Axis not so pronounced and it can the ions, repelled from their own space charge, even outside collecting in front of the bars. It is then more difficult to extract the ions as a fine beam near the axis.

Sind die Vorratsspeicher als Stabsysteme mit parallel ausgerichteten Polstäben ausgebildet, so werden sie auch als „lineare Ionenfallen" bezeichnet, im Gegensatz zu so genannten „dreidimensionalen Ionenfallen", die aus Ring- und Endkappenelektroden bestehen. Besonders geeignet als Vorratsspeicher sind Stabsysteme mit zwei oder drei Stabpaaren, die im Inneren Quadrupol- oder Hexapolfelder aufspannen. Es soll jedoch angemerkt werden, dass auch dreidimensionale Ionenfallen als Vorratsspeicher verwendet werden können. Darüber hinaus gibt noch ganz andere Systeme, die ebenfalls als Vorratsspeicher Verwendung finden können, beispielsweise quadrupolare oder hexapolare Plattenstapel, wie sie in der Offenlegungsschrift DE 10 2004 048 496 A (C. Stoermer et al.) beschrieben sind. Diese können im Inneren einen Potentialgradienten längs der Achse aufbauen, womit sich Ionen schnell aus dem Vorratsspeicher austreiben lassen. Ähnliches gilt auch für Vorratsspeicher aus gewendelten Drahtpaaren, wie sie in DE 195 23 859 C2 (J. Franzen) beschrieben sindIf the storage devices are designed as rod systems with parallel pole rods, they are also referred to as "linear ion traps", in contrast to so-called "three-dimensional ion traps", which consist of ring and end cap electrodes. Rod storage systems with two or three pairs of rods, which span quadrupole or hexapole fields in the interior, are particularly suitable as storage reservoirs. It should be noted, however, that even three-dimensional ion traps can be used as a storage reservoir. In addition, quite different systems, which can also be used as a storage memory, for example, quadrupolar or hexapolar plate stacks, as in the published patent application DE 10 2004 048 496 A (C. Stoermer et al.). These can build up a potential gradient along the axis in the interior, with which ions can be driven out of the storage reservoir quickly. The same applies to storage of coiled wire pairs, as they are in DE 195 23 859 C2 (J. Franzen)

Der Druck im Vorratsspeicher liegt in der Regel zwischen 0,01 und 1 Pascal. Das Vakuum im Pulser und in der Flugstrecke (19) des Flugzeitmassenspektrometers muss aber sehr gut gehalten werden, mit einem Druck möglichst unter 10–4 Pascal. Das macht es erforderlich, dass das Linsensystem (9) auch noch die Aufgabe einer Druckbarriere übernehmen muss und dass zwischen Vorratsspeicher und Pulser differentiell zu pumpen ist. Das Linsensystem muss zu diesem Zweck entweder eine Blende mit sehr feiner Öffnung, beispielsweise von nur etwa 0,5 Millimeter, enthalten oder aber selbst eine Zwischenbepumpung erfahren, also als differentielle Druckstufe konstruiert sein.The pressure in the storage reservoir is usually between 0.01 and 1 Pascal. The vacuum in the pulser and in the flight path ( 19 ) of the time of flight mass spectrometer but must be kept very well, with a pressure as possible below 10 -4 Pascal. This requires that the lens system ( 9 ) must also take over the task of a pressure barrier and that is to pump differentially between storage and pulser. The lens system must for this purpose either a very fine aperture, for example, contain only about 0.5 millimeters, or even experience an intermediate pumping, so be designed as a differential pressure stage.

Könnten die Tausend Ionen einer Füllung des Vorratsspeichers ohne Verluste alle bis zum Detektor gebracht und gemessen werden, so würden bei einem Betrieb mit 10 Kilohertz Taktrate in einer Sekunde Zehn Millionen Ionen gemessen werden können, und das ohne Massendiskriminierung. Der dynamische Messbereich für Spektrenaufnahmen von einer Sekunde Dauer läge bei etwa 1:1 000 000. Diese Werte können bei heute üblichem Betrieb nicht erreicht werden.Could the Thousand ions of a filling of the Inventory without losses all brought to the detector and be measured, so would operating at 10 kilohertz clock rate in a second tens of millions Ions can be measured and that without mass discrimination. The dynamic range for spectra of one second duration at about 1: 1 000 000. These values can be used today Operation can not be achieved.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Es ist die Aufgabe der Erfindung, Gerät und Verfahren bereitzustellen, mit denen Ionen verschiedener Masse aus einem Vorratsspeicher so in ein entfernt liegendes Füllvolumen überführt werden, dass sie gleichzeitig mit gleicher kinetischer Energie und geringer Energiestreubreite in das Füllvolumen eintreten. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, die zu überführenden Ionen möglichst in einem feinen Strahl zu bündeln.It the object of the invention is to provide apparatus and methods with which ions of different mass from a storage reservoir so be transferred to a remote filling volume that at the same time with the same kinetic energy and low energy spread enter the filling volume. It is another object of the invention to convert Ions as possible to focus in a fine beam.

Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention

Die Grundidee der Erfindung besteht darin, die Ionen aus dem Vorratsspeicher in Form sortierter Ionenschwärme so mit massenspezifischem Zeitversatz zum entfernt liegenden Füllvolumen zu entsenden, dass die Ionenschwärme mit den Ionen verschiedener Massen das Füllvolumen im Wesentlichen gleichzeitig mit im Wesentlichen gleicher kinetischer Energie der Ionen und mit geringer Energiestreubreite erreichen. Die Ionenschwärme mit schweren und daher langsamen Ionen sind früher zu entsenden als die Ionenschwärme mit leichten und schnellen Ionen, damit alle gleichzeitig ankommen. Die Sortierung der Ionenschwärme für den massenspezifischen Zeitversatz kann dabei entweder bei der Entnahme der Ionenschwärme aus dem Vorratsspeicher vorgenommen werden, oder durch eine Umsortierung der Ionenschwärme während ihres Fluges zum Füllvolumen. Für diese Sortierungen werden jeweils einige Realisierungsformen angegeben.The The basic idea of the invention is to remove the ions from the storage reservoir in the form of sorted ion swarms so with mass-specific time offset to the distant filling volume to send that the ion swarms with the ions of different masses, the filling volume substantially simultaneously with substantially the same kinetic energy of the ions and with achieve low energy spread. The ion swarms with heavy and therefore slow ions are to be sent earlier than the ion swarms with light and fast ions, so that all arrive at the same time. The Sorting of ion swarms for the mass-specific time offset can be either at the time of removal the ion swarms be made from the storage, or by a resort the ion swarms while their flight to the filling volume. For this Sorts are given in each case a few implementation forms.

Eine massensequentielle Entnahme von Ionenschwärmen von schweren zu leichten Ionen aus dem Vorratsspeicher kann mit Hilfe einer gezielt massenselektiv überwindbaren Potentialbarriere am Ende des Vorratspeichers vorgenommen werden.A Mass sequential extraction of ion swarms from heavy to light Ions from the storage reservoir can be overcome with the help of a targeted mass selectively Potential barrier be made at the end of the storage tank.

Diese Potentialbarriere kann beispielsweise eine Gleichspannungsbarriere in einem Linsensystem sein, in Verbindung mit einem harmonischen Potentialtopf innerhalb des Vorratspeichers, in dem die Ionen resonant so angeregt werden können, dass sie die Potentialbarriere überwinden können. Ein Beispiel ist der axiale Auswurf aus einer linearen Ionenfalle durch radiale resonante Anregung der massenspezifischen Ionenschwingungen im Streufeld am Ende der Ionenfalle. Die Ionen verlassen die lineare Ionenfalle mit nur sehr geringer Energiestreuung. Es lässt sich hier leicht ein Auswurfsverfahren konstruieren, bei dem der Auswurf massensequentiell von hohen zu niedrigen Massen erfolgt und zeitlich so gesteuert wird, dass die Ionenschwärme verschiedener Massen bei gleicher Beschleunigung gleichzeitig im Füllvolumen ankommen.These Potential barrier, for example, a DC barrier be in a lens system, in conjunction with a harmonic Potential well within the storage reservoir, where the ions are resonant can be stimulated that they overcome the potential barrier can. An example is the axial ejection from a linear ion trap by radial resonant excitation of the mass-specific ion oscillations in the stray field at the end of the ion trap. The ions leave the linear ion trap with very little energy spread. It is easy to eject Construct, where the ejection mass sequentially from high to low mass occurs and is controlled in time so that the ion swarms different masses at the same acceleration at the same time in the filling volume Arrive.

Noch einfacher ist der Verschluss des Vorratsspeichers durch ein Gitter, das durch abwechselnden Anschluss der Gitterstäbe an die Phasen einer Hochfrequenzspannung eine Pseudopotentialbarriere aufbaut. Die Pseudopotentialbarriere bildet zwischen den Gitterstäben sattelförmige Gebirgspässe aus, wie in 11 zu sehen. Bei einer gegebenen Hochfrequenzspannung ist die Höhe der Sättel dieser Pseudopotentialbarriere umgekehrt proportional zur Masse der Ionen. Wird durch Absenken der Hochfrequenzspannung die Pseudopotentialbarriere erniedrigt, so treten zunächst Ionen hoher Massen, dann zunehmend Ionen geringerer Massen über die Gebirgspässe hinweg aus. Die austretenden Ionen erhalten durch das Herabrollen vom Gebirgspass eine geringfügige Beschleunigung, die für Ionen aller Massen gleich ist. Die Ionen können dann gleichmäßig nachbeschleunigt und zum Füllvolumen geschossen werden. Durch Wahl der richtigen Zeitfunktion für die Verringerung der Hochfrequenzspannung kann erreicht werden, dass die Ionenschwärme aller Massen das Füllvolumen gleichzeitig erreichen. Für die Erzeugung eines feinen Ionenstrahls sind hier besondere Maßnahmen erforderlich, die weiter unten geschildert werden. Durch ein Gleichspannungspotentialgefälle im Vorratspeicher können die Ionen gegen das abschließende Gitter gedrückt werden, dadurch treten die Ionen einer Masse schnell aus und es werden recht kurze Ionenschwärme gebildet.Even simpler is the closure of the storage memory by a grid that builds by alternately connecting the bars to the phases of a high frequency voltage, a pseudopotential barrier. The pseudopotential barrier forms saddle-shaped mountain passes between the bars, as in 11 to see. For a given RF voltage, the height of the saddles of this pseudopotential barrier is inversely proportional to the mass of the ions. If the pseudopotential barrier is lowered by lowering the high-frequency voltage, then ions of high masses, then increasingly ions of lesser masses, pass over the mountain passes. The leaking ions get a slight acceleration by rolling down the mountain pass, which is the same for ions of all masses. The ions can then be accelerated evenly and shot to the filling volume. By choosing the right time function for the reduction of the high-frequency voltage, it can be achieved that the ion swarms of all masses simultaneously reach the filling volume. For the production of a fine ion beam special measures are required here, which are described below. Due to a DC voltage potential difference in the storage reservoir, the ions can be pressed against the final grid, as a result of which the ions of a mass rapidly escape and relatively short ion swarms are formed.

Es liegt hier gedanklich nahe, lineare oder dreidimensionale Hochfrequenz-Ionenfallen als Vorratsspeicher zu verwenden, und die Ionen durch eine der für diese Ionenfallen bekannten Scanfunktionen durch Schlitze in den Stabelektroden oder durch Löcher in den Endkappenelektroden dieser Ionenfallen auszuwerfen. Diese Ausführungsformen erfüllen jedoch nicht die Aufgabe der Erfindung, weil sie die Ionen nicht energiehomogen auswerfen. Beim Durchtritt durch die Schlitze oder Löcher erhalten die Ionen je nach Phase und Stärke der Hochfrequenzspannung Be schleunigungen, die von kleinen kinetischen Energien der Ionen bis zu einigen Kiloelektronenvolt führen. Diese riesig große Energiestreubreite der Ionen macht diese Art der Ionenfallen als Vorratsspeicher für diese Erfindung unbrauchbar.It is thought-out here to use linear or three-dimensional radio-frequency ion traps as storage, and eject the ions through one of the scanning functions known for these ion traps through slots in the rod electrodes or through holes in the end cap electrodes of these ion traps. However, these embodiments do not fulfill the object of the invention because they do not eject the ions in an energy-homogeneous manner. When passing through the slots or holes, the ions receive accelerations, depending on the phase and intensity of the high-frequency voltage, which lead from small kinetic energies of the ions up to a few kilo-electron volts. This huge amount of energy of the ions makes this type of ion traps as storage feed cher unusable for this invention.

Wie bereits angemerkt, kann aber auch die Flugreihenfolge der wie üblich entnommenen Ionenschwärme umgekehrt werden. Entweichen alle Ionen gleichzeitig ohne besondere Maßnahmen aus dem Vorratsspeicher und werden diese Ionen alle gleichmäßig beschleunigt, so separieren sich die Ionenschwärme im Fluge, wobei die leichten Ionen voraus fliegen. Liegen die Ionen in Form relativ kurzer Ionenschwärme vor, so kann man in besonderen Flugstrecken durch schnelle Steuerung von Potentialen erreichen, dass die schweren Ionen massenproportional beschleunigt werden, so dass die schwereren Ionen im weiteren Verlauf der Flugstrecke die leichteren Ionen überholen können. Diese Art der massenselektiven Beschleunigung wird „Bunching" genannt. Es fliegen nun die schwereren Ionen voraus, allerdings mit höherer kinetischer Energie. Werden nun die schwereren Ionen durch einen abschaltbaren Potentialanstieg wieder massenproportional abgebremst, so erzielt man ebenfalls den für die Erfindung notwendigen Effekt, dass die schwereren Ionen den leichten mit gleicher Energie, aber langsamerer Geschwindigkeit voraus in Richtung Füllvolumen fliegen.As already noted, but also the flight order of as usual taken ion swarms be reversed. Escape all ions at the same time without special activities from the storage reservoir and these ions are all accelerated evenly, this is how the ion swarms separate on the fly, with the light ions flying ahead. Lying the ions in the form of relatively short ion swarms Before, so you can in special air routes through fast control of potentials that accelerate the heavy ions in proportion to the mass so that the heavier ions continue in the course of the flight to overtake the lighter ions can. This type of mass-selective acceleration is called "bunching." It's flying now the heavier ions ahead, but with higher kinetic Energy. Now the heavier ions are switched off by a Potential increase again slowed down proportionally, so achieved one also for the the invention necessary effect that the heavier ions the light with equal energy but slower speed ahead in Direction filling volume fly.

Es ist besonders günstig, wenn die Entnahme oder Sortierung so kurze Ionenschwärme erzeugt, dass das das Füllvolumen die Ionenschwärme vollständig in sich aufnehmen kann. Das macht den Einfang der Ionen in den Messzellen von Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometern besonders einfach, ist für die Füllung von elektrostatischen Ionenfallen unbedingt notwendig und ebenfalls günstig für die Pulser in Flugzeitmassenspektrometern, da dann ein gewünscht hoher Nutzgrad für die Ionen erreicht wird. Kurze Ionenschwärme werden durch schnelle Entleerung erzeugt, hilfreich dafür sind kurze Vorratsspeicher und Gleichspannungspotentialgradienten innerhalb der Vorratsspeicher. Der Begriff „Ionenschwarm" wurde oben als ein räumlich begrenzter Schwarm von Ionen gleicher Masse definiert, der einen Teil des Ionenstrahls bildet.It is particularly cheap if the extraction or sorting produces such short ion swarms, that's the filling volume the ion swarms completely in can absorb. This makes the capture of the ions in the measuring cells of ion cyclotron resonance mass spectrometers particularly simple, is for the filling of electrostatic ion traps is absolutely necessary and also Cheap for the Pulser in time-of-flight mass spectrometers, since then a desired high Efficiency for the ions are reached. Short ion swarms are caused by rapid emptying generated, helpful for that Both short stores and DC potential gradients are within the storage tank. The term "ion swarm" has been used above as a spatial limited swarm defined by ions of equal mass, the one Part of the ion beam forms.

Beschreibung der AbbildungenDescription of the pictures

1 zeigt schematisch ein Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer, bei dem Ionen aus dem Vorratsspeicher (63) durch ein Ionenleitsystem (64) zur Messzelle (65) zu überführen sind. Die Messzelle (65) befindet sich in einem Vakuumsystem mit differentiellen Pumpstufen (6771), das in den Magnetfelderzeuger (66) hineinragt und durch Pumpen (7276) differentiell evakuiert wird. Die Ionen werden in einer Ionenquelle (61) erzeugt und durch ein Ionenleitsystem (62) in den Vorratsspeicher (63) verbracht. 1 schematically shows an ion cyclotron resonance mass spectrometer, in which ions from the storage reservoir ( 63 ) by an ion guide system ( 64 ) to the measuring cell ( 65 ) are to be transferred. The measuring cell ( 65 ) is in a vacuum system with differential pumping stages ( 67 - 71 ), which is in the magnetic field generator ( 66 ) and by pumping ( 72 - 76 ) is evacuated differentially. The ions are stored in an ion source ( 61 ) and by an ion guide system ( 62 ) in the storage memory ( 63 ) spent.

2 zeigt schematisch ein Flugzeitmassenspektrometer, wie es dem Stand der Technik entspricht. Ein Betrieb mit Zwischenspeicherung der Ionen im Vorratsspeicher (8) sieht wie folgt aus: In einer Ionenquelle (1) mit einer Sprühkapillare (2) werden an Atmosphärendruck Ionen erzeugt, die durch eine Kapillare (3) ins Vakuumsystem gebracht werden. Ein Ionentrichter (4) leitet die Ionen durch ein Linsensystem (5) in einen ersten Ionenspeicher (6), aus dem Ionen geschaltet durch ein weiteres Linsensystem (7) in den Vorratsspeicher (8) verbracht werden können. Der Vorratsspeicher (8) wird mit Stoßgas beschickt, um die Ionen durch Stöße zu fokussieren. Aus dem Vorratsspeicher (8) wird durch die Schalt- und Beschleunigungslinse (9) der Pulser (11) mit Ionen eines Primärstrahls (10) beschickt. Die Linse (9) kann kontinuierlich, aber auch als Schaltlinse für die Erzeugung einzelner Ionenpakete verwendet werden. Zwischen Schaltlinse (9) und Pulser (11) ist die Flugstrecke durch eine Kapselung (18) abgeschirmt, um den gegenseitigen elektrischen Einfluss von Schaltlinse und Pulser aufeinander und besonders alle elektrischen und magnetischen Störungen des Primärionenstrahls (10) zu mindern. Der Pulser pulst einen Abschnitt des Primärionenstrahls (10) orthogonal in die auf hohem Potential befindliche Driftstrecke (19) aus, wodurch der neue Ionenstrahl (12) entsteht. Der Ionenstrahl (12) wird im Reflektor (13) geschwindigkeitsfokussierend reflektiert und im Detektor (14) gemessen. Das Massenspektrometer wird durch die Pumpen (15), (16) und (17) evakuiert. 2 schematically shows a time-of-flight mass spectrometer, as in the prior art. An operation with temporary storage of the ions in the storage reservoir ( 8th ) looks like this: In an ion source ( 1 ) with a spray capillary ( 2 ) ions are generated at atmospheric pressure through a capillary ( 3 ) are brought into the vacuum system. An ion funnel ( 4 ) conducts the ions through a lens system ( 5 ) in a first ion storage ( 6 ), from which ions are switched by another lens system ( 7 ) in the storage memory ( 8th ) can be spent. The storage tank ( 8th ) is charged with collision gas to focus the ions by impact. From the storage tank ( 8th ) is controlled by the switching and accelerating lens ( 9 ) the pulser ( 11 ) with ions of a primary beam ( 10 ). The Lens ( 9 ) can be used continuously, but also as a switching lens for the generation of individual ion packets. Between switching lens ( 9 ) and pulser ( 11 ) is the route through an encapsulation ( 18 ) in order to minimize the mutual electrical influence of switching lens and pulser on each other and especially all electrical and magnetic disturbances of the primary ion beam ( 10 ). The pulser pulses a section of the primary ion beam ( 10 ) orthogonally into the high potential drift path ( 19 ), whereby the new ion beam ( 12 ) arises. The ion beam ( 12 ) is reflected in the reflector ( 13 ) is reflected in a speed-focusing manner and in the detector ( 14 ). The mass spectrometer is controlled by the pumps ( 15 ) 16 ) and ( 17 ) evacuated.

3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Flugzeitmassenspektrometer der 2, mit Vorratsspeicher (8), Schaltlinse (9), Primärstrahl (10), Abschirmung (18), Pulser (11) und orthogonal beschleunigtem Ionenstrahl (12). Der Vorratsspeicher wird in der für die Messwerte in 4 gültigen Betriebsweise dauernd mit Ionen des Strahles (25) durch die Linse (7) hindurch befüllt. 3 shows an enlarged section of the time-of-flight mass spectrometer of 2 , with memory ( 8th ), Switching lens ( 9 ), Primary beam ( 10 ), Shielding ( 18 ), Pulser ( 11 ) and orthogonally accelerated ion beam ( 12 ). The reserve memory is in the for the measured values in 4 valid operation with ions of the beam ( 25 ) through the lens ( 7 ) through.

4 gibt Messwerte wieder, die mit der Anordnung nach 2 und 3 gewonnen wurden. Die Logarithmen der gemessenen Mengen der Ionensorten mit 322, 622, 922, 1522, 2122 und 2711 Dalton sind über der Verzögerungszeit (in Mikrosekunden) des Auspulsens im Pulser (11) zum Öffnungszeitpunkt der Schaltlinse (9) aufgetragen. Bei etwa 160 Mikrosekunden Verzögerung können die Ionen aller Massen gleichzeitig gemessen werden, aber die leichten Ionen sind bereits auf etwa 10 Prozent ihres Maximalwertes abgefallen. Diese Betriebsweise entspricht der herkömmlicher kommerzieller Massenspektrometer. 4 returns readings that match the order 2 and 3 were won. The logarithms of the measured amounts of the 322, 622, 922, 1522, 2122 and 2711 dalton ion types are over the delay time (in microseconds) of the pulse in the pulser ( 11 ) at the opening time of the switching lens ( 9 ) applied. At about 160 microsecond delay, the ions of all masses can be measured simultaneously, but the light ions have already dropped to about 10 percent of their maximum value. This mode of operation corresponds to that of conventional commercial mass spectrometers.

5 zeigt ein Massenspektrum, dass mit der Anordnung nach 3 und einer Verzögerungszeit von 160 Mikrosekunden aufgenommen wurde. 5 shows a mass spectrum that with the arrangement according to 3 and a delay time of 160 microseconds.

In 6 ist eine experimentelle Modifizierung der Apparatur aus 3 wiedergegeben, die nicht dem Stand der Technik entspricht: es wurde der Vorratsspeicher (8) aus 3 in zwei Ionenspeicher (20) und (22) mit dazwischen liegender Sperrblende (21) geteilt. Der kurze Vorratsspeicher (20) erlaubt die Bildung relativ kurzer Ionenschwärme.In 6 is an experimental modification of the apparatus 3 reproduced, the not according to the state of the art: it was the storage memory ( 8th ) out 3 in two ion stores ( 20 ) and ( 22 ) with intervening barrier ( 21 ) divided. The short reserve memory ( 20 ) allows the formation of relatively short ion swarms.

Die 7 zeigt Messwerte, die mit dieser experimentellen Anordnung nach 6 gewonnen wurden, wobei ein Betrieb gewählt wurde, bei dem die Ionen (25) nicht dauernd aus dem Ionenspeicher (22) in den Vorratsspeicher (20) nachfließen. Es sind wieder die Logarithmen der Intensitäten gegen die Verzögerungszeit des Auspulsen aufgetragen. Man sieht deutlich die Bildung kurzer Ionenschwärme, die dazu führt, dass zu keiner Verzögerungszeit ein Massenspektrum gewonnen werden kann, das Ionen aller Massen enthält. Vorteilhaft für die Anwendung einer hohen Aufnahmerate für Massenspektren ist, dass die schweren Ionen der Masse 2722 Dalton jetzt nach bereits 80 Mikrosekunden Verzögerung ihr Intensitätsmaximum erreichen.The 7 shows readings with this experimental arrangement 6 were selected, with an operation in which the ions ( 25 ) not permanently from the ion storage ( 22 ) in the storage memory ( 20 ). Again, the logarithms of the intensities are plotted against the delay time of the pulse. One sees clearly the formation of short ion swarms, which leads to the fact that at no delay time a mass spectrum can be won, which contains ions of all masses. It is advantageous for the application of a high acceptance rate for mass spectra that the heavy ions of mass 2722 daltons now reach their maximum intensity after an already 80 microsecond delay.

8 stellt die Funktion der Flugzeiten t der Ionen vom Vorratsspeicher (20) bis zum Pulser (11) als Funktion ihrer Masse m/z dar, wie sie aus 7 gewonnen werden können. 8th represents the function of the flight times t of the ions from the reserve memory ( 20 ) to the pulser ( 11 ) as a function of their mass m / z, as they are 7 can be won.

9 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit einem bipolaren Hochfrequenz-Gitter (23) hinter einem kurzen Vorratsspeicher (20). Das Hochfrequenz-Gitter kann in Form eines Bradbury-Nielsen-Gitters ausgeführt sein. Am bipolaren Hochfrequenz-Gitter (23) liegen die beiden Phasen einer Hochfrequenzspannung von einigen Megahertz, deren Pseudopotential in Verbindung mit Gleichspannungen an Blende (21) und der Linseneinheit (9) eine Barriere für den Ausfluss von Ionen aus dem Vorratsspeicher (20) bildet. Nur Ionen sehr hoher Massen oberhalb einer Massenschwelle können austreten. Wird die Massenschwelle schnell abgesenkt, so verlassen in schneller Folge erst schwere Ionen und dann fortlaufend leichtere Ionen den Vorratsspeicher (20). Durch ein Ionen abstoßendes Potential an der Blende (21) kann ein sehr schneller Ausfluss erreicht werden, der eine Zeitdauer von nur einigen Zehn Mikrosekunden umfasst. 9 shows an embodiment according to the invention with a bipolar high-frequency grating ( 23 ) behind a short memory ( 20 ). The high frequency grating may be in the form of a Bradbury-Nielsen grating. At the bipolar high-frequency grid ( 23 ) are the two phases of a high-frequency voltage of a few megahertz, whose pseudopotential in connection with DC voltages at aperture ( 21 ) and the lens unit ( 9 ) a barrier to the outflow of ions from the storage reservoir ( 20 ). Only ions of very high masses above a mass threshold can escape. If the mass threshold is lowered rapidly, only heavy ions and then continuously lighter ions leave the storage reservoir in rapid succession ( 20 ). Due to an ion-repelling potential at the diaphragm ( 21 ) can be reached a very fast outflow, which covers a period of only a few tens of microseconds.

In 10 wird in einer groben Simulation gezeigt, wie sich die Maxima aus 7 nach der Idee dieser Erfindung durch massensequentielles Abschicken der einzelnen Ionenschwärme zum Pulser so zusammenschieben lassen, dass die Ionen verschiedener Massen den Pulser gleichzeitig durchfliegen. Es lässt sich dann mit einer Verzögerungszeit des Pulsers um etwa 80 Mikrosekunden ein gemischgetreues Massenspektrum messen. Befinden sich die Ionen durch die Ausbildung kurzer Ionenschwärme jeweils voll im Pulser, so erhält man einen Nutzgrad der Ionen von nahezu 100 Prozent.In 10 is shown in a rough simulation, as the maxima out 7 according to the idea of this invention by mass sequential sending the individual ion swarms to the pulser can push together so that the ions of different masses fly through the pulser simultaneously. It can then be measured with a delay time of the pulser by about 80 microseconds a mixture true mass spectrum. If the ions are fully packed in the pulser due to the formation of short ion swarms, the ion yields almost 100 percent efficiency.

11 stellt das Pseudopotential an drei Gitterstäben eines bipolaren Hochfrequenz-Gitters dar. Zwischen den Gitterdrähten gibt es jeweils sattelförmige Durchgangspässe. Da die Höhe des Pseudopotentials umgekehrt proportional zur Masse eines Ions ist, werden leichte Ionen zurückgehalten, während schwere Ionen oberhalb einer durch die Amplitude der Hochfrequenzspannung einstellbaren Massenschwelle die Pseudopotentialsättel passieren können. Der Durchtritt der Ionen ist verlustfrei; die Ionen können nicht durch Anstoßen an die Stäbe des Gitters verloren gehen, weil sie diese nicht erreichen können. 11 represents the pseudopotential on three bars of a high-frequency bipolar grid. There are saddle-shaped passages between the grid wires. Since the height of the pseudopotential is inversely proportional to the mass of an ion, light ions are retained, while heavy ions above a mass threshold adjustable by the amplitude of the high frequency voltage can pass the pseudopotential saddles. The passage of the ions is lossless; The ions can not be lost by abutting the bars of the grid because they can not reach them.

In 12 ist ein bipolares Hochfrequenz-Gitter (31, 32) vor den Stirnflächen (30) eines hyperbolischen Quadrupol-Stabsystems dargestellt. Die Ionenwolke im Quadrupolsystem, das als Vorratsspeicher dient, hat einen nur sehr geringen Querschnitt (33). Der mittlere Spalt (34) des Gitters ist hier ein wenig breiter ausgeführt, dadurch liegt hier der Potentialsattel auf niedrigerem Pseudopotential, und Ionen können den Vorratsspeicher nur durch diesen Spalt verlassen.In 12 is a bipolar high frequency grating ( 31 . 32 ) in front of the faces ( 30 ) of a hyperbolic quadrupole rod system. The ion cloud in the quadrupole system, which serves as a storage reservoir, has only a very small cross section ( 33 ). The middle gap ( 34 ) of the grid is made here a little wider, thus here is the potential saddle at a lower pseudo potential, and ions can leave the reservoir only through this gap.

13 gibt eine technische Ausführungsform eines bipolaren Hochfrequenz-Gitters wieder. Die Öffnung in einer Grundplatte (40) aus Platinenmaterial oder aus Keramik wird dabei mit aufgelöteten dünnen Drähten (41) überspannt. Die Drähte (41) können dabei in feinen, metallisierten Bohrungen eingelötet sein. Die Grundplatte kann auch eine gedruckte Schaltung für die Versorgung der Drähte mit Spannungen enthalten; hier sind einfache Anschlüsse für die zwei Phasen einer Hochfrequenzspannung eingezeichnet. Es ist jedoch auch möglich, den Drähten individuell Gleichspannungen zu überlagern, beispielsweise, um die Ionen von den äußeren Spalten zum mittleren Spalt zu treiben. 13 is a technical embodiment of a bipolar high-frequency grating again. The opening in a base plate ( 40 ) made of board material or ceramic is doing with soldered thin wires ( 41 ) spans. The wires ( 41 ) can be soldered in fine, metallized holes. The base plate may also include a printed circuit for supplying the wires with voltages; Here are simple connections for the two phases of a high-frequency voltage drawn. However, it is also possible to individually superimpose DC voltages on the wires, for example to drive the ions from the outer gaps to the middle gap.

14 zeigt eine fokussierende Doppel-Gitteranordnung am Ende eines Dodekapol-Stabsystems aus Stabpaaren (81, 82), das als Vorratsspeicher dient. Ein Dodekapol-Stabsystem kann die Ionen nicht von sich aus in der Achse halten; die Ionen sind weit über den inneren Querschnitt verteilt. Die Gitteranordnung besteht aus einem ersten Gitter mit den Stabpaaren (83, 84), wobei die Stäbe in der Mitte jeweils doppelkonusförmig verjüngt sind. Durch Anschluss der beiden Phasen einer Hochfrequenzspannung an die Stabpaare ergeben sich zwischen den Stäben Wannen des Pseudopotentials, die die durch Gleichspannungen angedrückten Ionen zur Mitte fließen lassen, wo sie durch Absenken der Hochfrequenzspannung in etwa punktförmig durch die Abflüsse (89) ausfließen können. Sie gelangen dann in die Potentialwanne zwischen den Stäben (86) und (87) des nächsten Gitters, fließen dort, angetrieben durch eine leichte Gleichspannung zwischen beiden gekreuzten Gittern, wiederum zur Mitte und können dort punktförmig durch das zweite Gitter hindurchtreten. 14 shows a focusing double lattice arrangement at the end of a dodecapole rod system consisting of pairs of rods ( 81 . 82 ), which serves as a storage. A dodecapole rod system can not hold the ions in the axis of their own accord; the ions are distributed well over the inner cross section. The grid arrangement consists of a first grid with the pairs of bars ( 83 . 84 ), wherein the rods are tapered in the middle of each double cone. By connecting the two phases of a high-frequency voltage to the rod pairs arise between the rods troughs of the pseudo potential, which can flow the impressed by DC voltages ions to the center, where they by lowering the high frequency voltage in about point by the outflows ( 89 ) can flow out. You then enter the potential well between the rods ( 86 ) and ( 87 ) of the next grid, flow there, driven by a slight DC voltage between the two crossed grids, again to the center and can punctually pass through the second grid.

15 zeigt das wannenförmige Pseudopotential zwischen den Gitterstäben (86) und (87) in Form von Höhenschichtlinien mit einem Minimum (90), das bei Absenken der Hochfrequenzspannung als Austrittsöffnung für die jeweils schwersten Ionen dient. 15 shows the trough-shaped pseudopotential between the bars ( 86 ) and ( 87 ) in the form of height layer lines with a minimum ( 90 ), which serves as a discharge opening for the heaviest ions when lowering the high-frequency voltage.

Die 16 und 17 zeigen die sortierte Entnahme von Ionen quer aus einem Quadrupol-Stabsystem. Die im Quadrupol-Stabsystem mit den Polstäben (9194) gespeicherte Wolke (95) positiv geladener Ionen wird entmischt, wenn an den Polstäben (91) und (92) den Hochfrequenzspannungen eine positive Gleichspannung gegenüber den Polstäben (93) überlagert ist und (94) die Ionen aus dem Zentrum drückt. Werden jetzt die Hochfrequenzspannungen abgesenkt, so entweichen zunächst die schweren, dann zunehmend leichtere Ionen quer aus dem Quadrupol-Stabsystem, wie schematisch in 17 gezeigt.The 16 and 17 show the sorted removal of ions transversely from a quadrupole rod system. The quadrupole rod system with the pole rods ( 91 - 94 ) stored cloud ( 95 ) of positively charged ions is demixed when at the pole rods ( 91 ) and ( 92 ) the high frequency voltages a positive DC voltage with respect to the pole rods ( 93 ) is superimposed and ( 94 ) pushes the ions out of the center. If the high-frequency voltages are now lowered, then the heavy, then increasingly lighter ions escape transversely from the quadrupole rod system, as shown schematically in FIG 17 shown.

18 stellt in den sechs Spuren 1–6 dar, wie die Flugreihenfolge von kurzen Ionenschwärmen durch Bunching in die erfindungsgemäße Reihenfolge umgekehrt wird und wie durch ein zweites Bunching die Ionen wieder auf gleiche Energie gebracht werden können. Haben die Ionensschwärme den Abschnitt A erreicht, so können die schweren Ionen durch Einschalten eines Bunching-Potentialgefälles (Spur 2) gegenüber leichten Ionen so beschleunigt werden, dass sie (Spur 3) die leichten Ionen an der Stelle B überholen. Die schweren Ionen fliegen jetzt weiterhin mit erhöhter Geschwindigkeit, die aber durch ein Bunching-Potentialgradient in Abschnitt C (Spur 4) wieder ausgebremst wird. Haben jetzt durch das Ausbremsen alle Ionen wieder gleiche kinetische Energie, so wird das Bremspotential abgeschaltet (Spur 5), und die Ionenschwärme fliegen jetzt wieder mit gleicher Energie weiter, Dabei holen die leichten Ionen die schweren an der Stelle D wieder ein (Spur 6), an dieser Stelle muss das Füllvolumen angeordnet sein. 18 illustrates in the six lanes 1-6 how the flight order of short ion swarms is reversed by bunching in the order according to the invention and how by a second bunching the ions can be brought back to the same energy. When the ion swarms reach section A, the heavy ions can be accelerated by switching on a bunching potential gradient (lane 2) relative to light ions so that they (lane 3) overtake the light ions at point B. The heavy ions now continue to fly at increased speed, but this is slowed down by a bunching potential gradient in section C (lane 4). If all ions now have the same kinetic energy due to braking, the brake potential is switched off (lane 5) and the ion swarms continue to fly again with the same energy. The light ions recapture the heavy ones at point D (lane 6). , at this point, the filling volume must be arranged.

Die 19 zeigt, dass dieser Vorgang auch durch dynamische Veränderungen der Potentiale („dynamisches Bunching") in einzelnen Abschnitten erreicht werden kann. Gezeigt wird ein Schema für die Umkehr der Reihenfolge der Ionenpakete verschiedener Massen in einer Flugstrecke mit aufwärts und abwärts gefahrenen Potentialen in zwei Abschnitten der Flugstrecke. Die Strecke (40) gibt das Potential im Vorratsspeicher und (41) den Potentialgradienten der Beschleunigungsstrecke in der Linseneinheit (9) wieder. Die Strecke (42) ist eine feldfreie Flugstrecke, in der sich die Ionenschwärme der leichten Ionen (kleine Kreise) weiter entfernen als die der schweren (große Kreise). Die Ionenschwärme laufen dann in den Potentialabschnitt (43) ein, der sich auf zunächst auf Grundpotential befindet, sich aber nach dem Einlaufen aller Ionen kontinuierlich anhebt, siehe Pfeil (44). Beim Auslaufen der Ionen erhalten bei richtiger Steuerung die leichten Ionen keine weitere Beschleunigung, wohl aber die schwereren Ionen. In der feldfreien Flugstrecke 46 kommt es dann zur Umkehr der Flugreihenfolge, da die schweren Ionen die leichten überholen. Die zusätzliche Energie der schweren Ionen wird durch den Potentialanstieg (47) zum Abschnitt (48) wieder abgebremst, wobei das Potential des Abschnitts (48) zum Grundpotential herunter gefahren wird (siehe Pfeil (49)), und zwar so, dass die leichten Ionen überhaupt nicht mehr abgebremst werden. Die Ionen laufen dann in der erfindungsgemäßen Reihenfolge und mit wiederhergestellt gleicher Energie zum schematisch angedeuteten Füllvolumen (51).The 19 shows that this process can also be achieved by dynamical changes in the potentials ("dynamic bunching") in individual sections, showing a scheme for reversing the order of the ion packets of different masses in a flight path with up and down potentials in two sections The route ( 40 ) gives the potential in the storage memory and ( 41 ) the potential gradient of the acceleration section in the lens unit ( 9 ) again. The distance ( 42 ) is a field-free flight path in which the ion swarms of the light ions (small circles) are farther away than those of the heavy ones (large circles). The ion swarms then run into the potential segment ( 43 ), which is initially at ground potential, but continuously rises after the entry of all ions, see arrow ( 44 ). When the ions are phased out, the light ions will not accelerate further if properly controlled, but the heavier ions will. In the field-free flight route 46 Then it comes to reversing the flight order, as the heavy ions overtake the light. The additional energy of the heavy ions is due to the potential increase ( 47 ) to the section ( 48 ), whereby the potential of the section ( 48 ) is driven down to the ground potential (see arrow ( 49 )), in such a way that the light ions are no longer decelerated at all. The ions then run in the sequence according to the invention and with restored equal energy to the schematically indicated filling volume ( 51 ).

Bevorzugte AusführungsformenPreferred embodiments

Die Grundidee der Erfindung besteht darin, die Ionen in Form von Ionenschwärmen aus dem Vorratsspeicher zu entnehmen und nicht gleichzeitig, sondern nach Massen sortiert zeitversetzt zum Pulser zu senden, damit alle Ionenschwärme im Wesentlichen gleichzeitig und mit im Wesentlichen gleicher Energie in das Füllvolumen eintreten. Da schwere Ionen gleicher kinetischer Energie langsamer fliegen, müssen ihre Ionenschwärme früher abgeschickt oder durch Umsortierung während des Fluges vor die leichten Ionen gebracht werden.The The basic idea of the invention consists of the ions in the form of ion swarms to remove the memory and not at the same time, but sorted by mass to send to the pulser delayed, so that all ion swarms essentially simultaneously and with substantially the same energy in the filling volume enter. Because heavy ions of equal kinetic energy slow down have to fly their ion swarms earlier sent or by resorting during the flight in front of the light Ions are brought.

Für diese sehr einfach erscheinende Grundidee der Erfindung werden hier beispielhaft mehrere Ausführungsformen angegeben. Es wird dem Fachmann aber durchaus möglich sein, in Kenntnis der Erfindung weitere Ausführungsformen zu entwickeln.For this very simple basic idea of the invention will be exemplified here several embodiments specified. However, it will be entirely possible for a person skilled in the art to be aware of the invention further embodiments to develop.

Eine erste der hier vorgestellten erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen dem Vorratsspeicher nicht gleichzeitig, sondern massensequentiell und dadurch bereits sortiert entnommen werden, wobei die schweren Ionen früher entnommen und zum Pulser geschossen werden als die leichteren Ionen. Die massensequentielle Entnahme kann dabei sowohl mit Hilfe einer Gleichspannungsbarriere in Verbindung mit einem harmonischen Oszillator im Vorratsspeicher, wie auch mit einer gitterförmigen Pseudopotentialbarriere am Ausgang des Vorratsspeichers verwirklicht werden.A first of the embodiments according to the invention presented here is characterized in that that the ions are not the storage of memory at the same time, but mass sequentially and thereby be taken already sorted, the heavy Ions earlier taken and shot to the pulser than the lighter ions. The mass sequential extraction can be done with the help of a DC barrier in conjunction with a harmonic oscillator in the memory, as well as with a grid-shaped pseudopotential barrier be realized at the output of the memory.

Die Gleichspannungsbarriere wird für gewöhnlich in einem ausgangsseitigen rotationssymmetrischen Linsensystem aufgespannt, wobei sich der tiefste Punkt der Barriere in der Achse des Linsensystems befindet. Um die Gleichspannungsbarriere massengeordnet überwinden zu können, müssen die Ionen einer massenselektiv wirkenden Energiezufuhr unterworfen werden können. Das kann durch eine resonante Energiezufuhr in einem Potentialtopf geschehen, in dem die Ionen massenspezifisch schwingen können und der im Vorratsspeicher enthalten sein muss. Solche Speichersysteme mit Potentialtöpfen und der Möglichkeit zur resonanten Anregung der Ionen sind bekannt.The DC barrier is usually clamped in an output side rotationally symmetric lens system with the lowest point of the barrier in the axis of the lens system. In order to overcome the DC barrier on a mass basis, the ions of a mass-selective acting energy be subjected to feed. This can be done by a resonant energy supply in a potential well in which the ions can oscillate mass-specific and must be included in the memory. Such storage systems with potential wells and the possibility of resonant excitation of the ions are known.

Eine besonders einfache massenselektive Energiezufuhr kann in einer linearen Quadrupol-Ionenfalle vorgenommen werden, die als Vorratsspeicher dient. Es handelt sich um den axialen Auswurf der Ionen durch radiale resonante Anregung der massenspezifischen Ionenschwingungen im Streufeld am Ende der Ionenfalle. Allerdings werden hier nur diejenigen Ionen ausgeworfen, die sich jeweils im Streufeld befinden, nicht alle Ionen aus der Ionenfalle. Diese Art des axialen Auswurfs ist für diese Erfindung aber trotzdem interessant, weil die Ionen mit sehr geringer kinetischer Energie und vor allem einer sehr kleinen Streubreite der kinetischen Energie austreten. Auch werden hier relativ kurze Ionenschwärme gebildet, obwohl nicht alle Ionen aus der Ionenfalle ausgeworfen werden; die Schwarmbildung ergibt sich durch Erschöpfung der erreichbaren Ionen im Streufeld. Die Ionen, die auf diese Weise die Potentialbarriere im Linsensystem überwinden, treten mit sehr geringer überschüssiger Energie genau in der Mitte des Linsensystems aus. Sie sind daher bereits ideal fokussiert. Beim Herabrollen von der Potentialbarriere erhalten sie alle eine gleichartige Beschleunigung, die je nach Bedarf durch weitere Potentialverläufe verringert oder verstärkt werden kann.A Particularly simple mass-selective energy supply can be in a linear Quadrupole ion trap be made, which serves as a storage. It is about to the axial ejection of the ions by radial resonant excitation the mass - specific ion oscillations in the stray field at the end of the Ion trap. However, only those ions are ejected here, which are each in the stray field, not all ions from the Ion trap. However, this type of axial ejection is still for this invention interesting because the ions with very low kinetic energy and above all a very small range of kinetic energy escape. Also, relatively short ion swarms are formed here, although not all ions are ejected from the ion trap; the Swarm formation results from exhaustion of the achievable ions in the stray field. The ions, in this way the potential barrier overcome in the lens system, occur with very little excess energy right in the middle of the lens system. They are therefore already ideal focused. Obtained when rolling down from the potential barrier They all have a similar acceleration, as needed further potentials reduced or reinforced can be.

Eine andere Realisierung für ein massensequentielles Entleeren eines Vorratsspeichers in der gewünschten Reihenfolge kann über eine Elektrodenstruktur erfolgen, an der durch Hochfre quenzspannungen eine Barriere durch Pseudopotentiale aufgebaut wird. In 11 wird das Ionen beider Polaritäten abstoßende Pseudopotential eines bipolaren Gitters mit dünnen Gitterdrähten gezeigt. Das Pseudopotential ist um die Gitterdrähte herum besonders stark und weist zwischen den Gitterdrähten sattelartige Pässe auf. Das Pseudopotential ist nicht für alle Ionen gleich hoch, da es in einem umgekehrt proportionalen Verhältnis zur Masse der Ionen steht. Das Pseudopotential ist also für Ionen großer Masse niedriger als für leichte Ionen. Ein solches Gitter (23) kann den Vorratsspeicher am Ausgang verschließen. Durch hohe Hochfrequenzspannungen können die Pseudopotentiale der Potentialsättel genügend hoch eingestellt werden, dass auch schwere Ionen den Vorratsspeicher nicht verlassen können. Hinter dem Gitter kann eine Ziehlinse (9) mit einem leicht Ionen anziehenden Gleichspannungspotential angebracht sein. Wird nun die Hochfrequenzspannung erniedrigt, und gegebenenfalls auch die drückenden und ziehenden Gleichspannungen an den Linsen (21) und (9) verstärkt, so fließen, wie für die Erfindung erforderlich, zunächst die schweren Ionen und dann fortlaufend immer leichtere Ionen aus. Diese werden in der Ziehlinse (9) fokussiert, auf die erforderliche Energie beschleunigt und zum Füllvolumen geschickt. Für die Befüllung des Pulsers eines OTOF ist beispielsweise eine Energie von etwa 20 Elektronenvolt günstig. Für die hierfür notwendige Fokussierung des Ionenstrahls sind besondere Maßnahmen erforderlich.Another implementation for a mass sequential emptying of a storage memory in the desired order can be carried out via an electrode structure, at which a Hochfre quenzspannungen a barrier is built by pseudo potentials. In 11 For example, the ion of both polarities repulsive pseudopotential of a bipolar lattice with thin grid wires is shown. The pseudopotential is particularly strong around the grid wires and has saddle-like passes between the grid wires. The pseudopotential is not the same for all ions because it is inversely proportional to the mass of ions. The pseudopotential is therefore lower for ions of large mass than for light ions. Such a grid ( 23 ) can close the storage tank at the exit. Due to high high-frequency voltages, the pseudopotentials of the potential saddles can be set sufficiently high that even heavy ions can not leave the storage reservoir. Behind the grid, a drawing lens ( 9 ) be attached with a slightly ion attracting DC potential. If now the high frequency voltage is lowered, and possibly also the pressing and pulling DC voltages on the lenses ( 21 ) and ( 9 ), then, as required for the invention, first the heavy ions and then continuously lighter ions flow out. These are in the drawing lens ( 9 ), accelerated to the required energy and sent to the filling volume. For example, an energy of about 20 electron volts is favorable for filling the pulse of an OTOF. For the necessary focusing of the ion beam special measures are required.

Im Fall einer Barriere aus Pseudopotentialen können kurze Ionenschwärme durch kurze Vorratsspeicher (20) in Verbindung mit schneller Entleerung erzeugt werden. Die schnelle Entleerung kann durch entsprechende elektrische Potentialgradienten im Inneren des Vorratsspeichers (20) und durch Saugspannungen am Linsensystem (9) erreicht werden. Unter einem kurzen Vorratsspeicher soll hier ein Vorratsspeicher verstanden werden, dessen Länge kürzer ist als etwa der vierfache innere Durchmesser des Speicherraums. In einem solchen Vorratsspeicher (20) lässt sich durch ein Ionen abstoßendes Potential an der Eingangsblende (21) erreichen, dass die Ionen im Inneren zur ausgangsseitigen Ende vor die Pseudopotentialbarriere des Gitters (23) getrieben werden und den Vorratsspeicher verlassen, sobald die Pseudopotentialbarriere am Gitter (23) genügend erniedrigt wird. Gleichspannungspotentialgradienten innerhalb des Vorratsspeichers können jedoch auch durch eine Vielzahl bekannter Maßnahmen erzeugt werden, beispielsweise durch Verwendung von quadrupolaren oder hexapolaren Blendenstapeln, oder durch spannungsversorgte Widerstandsbeschichtungen auf den Polstäben eines Multipol-Stabsystems.In the case of a barrier of pseudopotentials, short ion swarms can be generated by short storage memories ( 20 ) in connection with rapid emptying. The rapid emptying can be achieved by appropriate electrical potential gradients in the interior of the reservoir ( 20 ) and by suction stresses on the lens system ( 9 ) can be achieved. A short storage memory is to be understood here as a storage reservoir whose length is shorter than approximately four times the inner diameter of the storage space. In such a storage memory ( 20 ) can be detected by an ion-repelling potential at the input aperture ( 21 ) that the ions in the interior to the output end in front of the pseudopotential barrier of the grid ( 23 ) and leave the memory as soon as the pseudopotential barrier on the grid ( 23 ) is sufficiently lowered. However, DC potential gradients within the reservoir may also be generated by a variety of known means, such as by use of quadrupole or hexapole diaphragm stacks, or by voltage supplied resistive coatings on the pole rods of a multipole rod system.

12 stellt das Schema eines bipolaren Gitters vor der Stirnfläche eines Quadrupol-Stabsystems mit hyperbolischen Polstäben dar, das hier den Vorratsspeicher bildet. Ein solches Gitter wird auch häufig als Bradbury-Nielsen-Gitter bezeichnet, obwohl letzteres eigentlich mit Gleichspannungen betrieben wird und als Ionenstromschalter Einsatz findet. Die Ionenwolke im Vorratsspeicher bildet nach ihrer Dämpfung im Stoßgas einen langgestreckten dünnen Zylinder mit recht kleinem kreisförmigem Querschnitt (33) in der Achse des Vorratsspeichers aus. An den beiden Gitterkämmen (31) und (32), die das Gitter bilden, liegen die beiden Phasen der Hochfrequenzspannung. Es ist hier der mittlere Spalt ein wenig weiter gewählt als die übrigen Spalte, dadurch ergibt sich hier ein niedrigeres Sattelpotential, und der Ausfluss der Ionen findet allein durch diesen Spalt statt, zumal hier auch eine Saugspannung des nachfolgenden Ziehlinsensystems (9) einen größeren Felddurchgriff erlebt. Durch die Form des Sattelpotentials wird aus den ausfließenden Ionen ein Ionenstrahl geformt, der quer zur Spaltrichtung außerordentlich fein ist, und der durch das Zieh- und Beschleunigungs-Linsensystem (9) zu einem sehr günstig geformten Primärionenstrahl (10) beschleunigt wird. Für das Beispiel eines Flugzeitmassenspektrometers mit Pulser ist ein elliptischer Querschnitt des Primärionenstrahls günstig für ein hohes Massenauflösungsvermögen, wobei die günstigste Orientierung aber von der Konstruktionsart des Pulsers abhängt, da es Pulser mit Gittern und gitterfreie Pulser mit Schlitzblenden gibt. Die übrigen Zinken der beiden Gitterkämme (31) und (32) spielen nur beim Einströmen der Ionen in den Vorratsspeicher eine Rolle, da sie die zunächst ungedämpft und wild einströmenden Ionen im Vorratsspeicher halten. Für ein erstes Zurückhalten der einströmenden Ionen kann das Gitter auch insgesamt auf ein abstoßendes Gleichspannungspotential gelegt werden. 12 represents the scheme of a bipolar lattice in front of the face of a quadrupole rod system with hyperbolic pole rods, which forms the storage reservoir here. Such a grid is also often referred to as a Bradbury-Nielsen grid, although the latter is actually operated with DC voltages and is used as an ion current switch. The ion cloud in the storage reservoir forms after its damping in the collision gas an elongated thin cylinder with a fairly small circular cross-section ( 33 ) in the axis of the storage memory. At the two grid crests ( 31 ) and ( 32 ), which form the grid, are the two phases of the high-frequency voltage. Here, the middle gap is chosen a little further than the remaining column, this results in a lower saddle potential, and the outflow of ions takes place solely through this gap, especially since here also a suction of the following Ziehlinsensystems ( 9 ) experienced a larger field penetration. Due to the shape of the saddle potential, an ion beam is formed from the outflowing ions, which is extremely fine across the gap direction, and by the drawing and accelerating lens system ( 9 ) to a very favorably shaped primary ion beam ( 10 ) is accelerated. For the example of a pulse time-of-flight mass spectrometer, an elliptical cross-section of the primary ion beam is favorable for high mass resolving power, but the most favorable orientation depends on the design of the pulser since there are pulser with grids and grating-free pulser with slit diaphragms. The remaining tines of the two grid crests ( 31 ) and ( 32 ) play only a role in the influx of ions into the reservoir, since they hold the initially undamped and wild incoming ions in the reservoir. For a first retention of the incoming ions, the grid can also be placed on a repulsive DC potential as a whole.

Eine technische Ausführungsform eines solchen bipolaren Gitters ist in 13 gezeigt. Hier wird die Öffnung einer Supportplatte (40) durch feine, eingelötete Drähte (41) überspannt. Die Drähte können beispielsweise 0,2 Millimeter stark sein, bei einem Abstand von etwa 0,8 Millimeter. Solch dünne Drähte verringern Verluste von Ionen höherer Energie, die bis zu den Drähten vordringen könnten, erfordern allerdings höhere Hochfrequenzspannungen, um die Sattelpotentiale gleich hoch zu halten wie bei dickeren Drähten. Die Supportplatte (40) kann beispielsweise aus dem Material für elektronische Platinen hergestellt sein; bei größeren Anforderungen an ein sauberes und unverschmutztes Vakuum auch aus Keramik. Die Supportplatte kann auch kompliziertere Schaltungen aufnehmen als die in der Abbildung gezeigte einfache Zuführung der beiden Hochfrequenzphasen über die Kontakte (42) und (43). So können beispielsweise die Hochfrequenzspannungen der äußeren Drähte mit Ionen abstoßenden Gleichspannungspotentialen überlagert werden, um die Ionen auch hier zum mittleren Spalt zu verweisen.A technical embodiment of such a bipolar lattice is in 13 shown. Here is the opening of a support plate ( 40 ) by fine soldered wires ( 41 ) spans. For example, the wires may be 0.2 millimeters thick, with a spacing of about 0.8 millimeters. Such thin wires reduce losses of higher energy ions that could penetrate to the wires, but require higher RF voltages to keep the saddle potentials the same as thicker wires. The support plate ( 40 ) may for example be made of the material for electronic boards; For larger demands on a clean and unpolluted vacuum also made of ceramic. The support plate can also accommodate more complicated circuits than the simple supply of the two high-frequency phases shown in the figure via the contacts ( 42 ) and ( 43 ). For example, the high-frequency voltages of the outer wires can be superimposed with ion-repelling DC potentials in order to direct the ions to the middle gap.

Die Fokussierung der austretenden Ionen zur Achse hin kann aber auch bei Pseudopotentialgittern in ganz anderer Weise vorgenommen werden. Das wird hier am Beispiel eines Dodekapol-Stabsystems gezeigt, das als Vorratsspeicher dienen soll. In 14 ist schematisch das Austrittsende des Dodekapol-Stabsystems dargestellt, wobei die Polstäbe nur als schwarz gefüllte Kreise erscheinen. Dieses Stabsystem mit sechs Polstabpaaren bildet in Achsennähe kein besonders gut ausgeprägtes Minimum des im Inneren herrschenden Pseudopotentials aus. Die Ionen sammeln sich daher nicht streng in der Achse, sondern verteilen sich, durch ihre Ladung voneinander abgestoßen, weit über die innere Fläche des Querschnitts. Dabei sammeln sich insbesondere die schweren Ionen außen vor den Polstäben. Der Vorteil eines solchen Dodekapol-Stabsystems liegt darin, Ionen eines sehr großen Massenbereichs ohne Verluste aufnehmen zu können. Der Nachteil liegt darin, die schweren Ionen nicht einfach achsennah herausziehen zu können, weil sie sich nicht in Achsennähe sammeln. Es bedarf also hier einer besonderen Form der Fokussierung der schweren Ionen während des Austritts zur zentralen Achse des Stabsystems.The focusing of the exiting ions towards the axis can, however, also be carried out quite differently in the case of pseudopotential gratings. This is shown here using the example of a dodecapole rod system, which is to serve as a storage. In 14 schematically shows the exit end of the dodecapole rod system, the pole bars appear only as black circles. This rod system with six pole pairs does not form a particularly well-defined minimum of the internal pseudopotential near the axis. The ions therefore do not accumulate strictly in the axis, but spread out from each other by their charge far beyond the inner surface of the cross section. In particular, the heavy ions accumulate outside in front of the pole rods. The advantage of such a dodecapole rod system is that it can absorb ions of a very large mass range without losses. The disadvantage is that they can not simply pull out the heavy ions near the axis, because they do not collect near the axis. It therefore requires a special form of focusing the heavy ions during the exit to the central axis of the rod system.

Diese Fokussierung wird hier durch zwei gekreuzte Gitter vorgenommen, die beiden Gitterstäbe mit besonderer Forma haben. Die Gitterstäbe verjüngen sich jeweils konisch zur Mitte hin; sie haben somit eine doppelkonische Form. Vor dem ersten Gitter herrscht im Vorratsspeicher ein Gleichspannungsgefälle, das die Ionen zum Gitter drückt. Zwischen den beiden Gittern. die einen Abstand nur wenigen Millimeter haben, drückt eine kleine Gleichspannung (es genügen wenige Volt oder sogar nur Zehntel Volt) die Ionen in das zweite Gitter hinein. Durch die doppelkonische Form der Gitterstäbe entsteht zwischen den Stäben jeweils eine langgestreckte Potentialwanne mit einem Minimum des Pseudopotentials in der Mitte zwischen den verjüngten Stellen der Gitterstäbe, wie in 15 zu sehen ist. Die Ionen, die durch die Gleichspannungsgra dienten in die Pseudopotentiale um die Stäbe hineingedrückt werden, laufen in den Potentialrinnen zur Mitte, wobei auch noch eine Sortierung so erfolgt, dass die schwersten Ionen am weitesten in die Minima hineinlaufen. Wird jetzt das Pseudopotential durch Verringerung der Hochfrequenzamplitude herabgesetzt, so laufen die schwersten Ionen zuerst aus, und zwar durch die Potentialminima (89) des ersten Gitters mit den Stabpaaren (83, 84) hindurch in die Pseudopotentialwanne zwischen den Gitterstäben (86) und (87) des zweiten Gitters hinein. Hier werden sie wieder zur Mitte der Potentialwanne geführt, und werden, bei Absenken auch der Hochfrequenzamplitude an diesem zweiten Gitter, durch das Potentialminimum (90) der 15 gut fokussiert austreten. Die Minima der Pseudopotentialwannen können zu kleineren Durchtrittsöffnungen verschärft werden, indem die Verjüngungen der Gitterstäbe durch stärkere Einkerbungen verschärft werden.This focusing is done here by two crossed grids, which have two bars with special forma. The bars taper each conically towards the middle; they thus have a double conical shape. In front of the first grid, a DC voltage gradient prevails in the reserve memory, which presses the ions to the grid. Between the two bars. which have a distance of only a few millimeters, a small DC voltage (just a few volts or even just tenths of a volt) pushes the ions into the second grid. Due to the biconical shape of the grid bars, an elongated potential well is formed between the bars, with a minimum of the pseudopotential in the middle between the tapered areas of the bars, as in FIG 15 you can see. The ions, which are pressed into the pseudopotentials around the rods by the DC voltage gradients, run in the potential troughs to the center, whereby even a sorting takes place so that the heaviest ions run furthest into the minima. If now the pseudopotential is lowered by reducing the high-frequency amplitude, then the heaviest ions run out first, through the potential minima ( 89 ) of the first grid with the pairs of bars ( 83 . 84 ) into the pseudopotential well between the bars ( 86 ) and ( 87 ) of the second grid. Here they are guided again to the middle of the potential well, and, when lowering, the high-frequency amplitude at this second grid is also determined by the potential minimum ( 90 ) of the 15 emerge well focused. The minima of the pseudopotential wells can be tightened to smaller openings by tightening the taper of the bars by stronger indentations.

Eine andere Ausführungsform besteht darin, die Ionen bereits im Vorratsspeicher so zu sortieren, dass sich die Ionen verschiedener Masse an verschiedenen Stellen sammeln, und die Ionen dann so aus dem Vorratsspeicher austreten zu lassen, dass ihre Sortierung erhalten bleibt. Dabei sollen sich die schweren Ionen nahe am Ausgang versammeln, die leichten Ionen davon weit entfernt, damit die schweren Ionen zuerst austreten. Die Sortierung kann durch eine gegenpolige Überlagerung eines Gleichspannungsfeldes mit einem Pseudopotentialfeld erreicht werden. Das Gleichspannungsfeld übt auf die Ionen eine massenunabhängige Kraft aus, während die Kraft des Pseudopotentialfeldes massenabhängig ist. Die Orte mit einem Gleichgewicht beider Kräfte sind also von der Masse der Ionen abhängig. Die Ionen finden sich dann nach Dämpfung ihrer kinetischen Energie durch das Stoßgas an Stellen des jeweiligen Gleichgewichts der Kräfte ein und werden so räumlich nach Massen sortiert. Weiträumige Pseudopotentialfelder können beispielsweise durch Hochfrequenz-Stabsysteme mit konisch verlaufenden Stäben erzeugt werden. Nach Öffnen des Vorratsspeichers und durch ein Absenken der Hochfrequenzspannung laufen dann zuerst die schweren und zunehmend die leichteren Ionen aus dem Vorratsspeicher heraus.Another embodiment is to sort the ions already in the storage memory so that the ions of different mass collect at different locations, and then let the ions escape from the storage memory so that their sorting is maintained. At the same time the heavy ions should gather near the exit, the light ions far away from them, so that the heavy ions emerge first. The sorting can be achieved by a polarity superposition of a DC voltage field with a pseudopotential field. The DC field exerts a mass-independent force on the ions, while the force of the pseudopotential field is mass-dependent. The places with a balance of both forces are thus dependent on the mass of ions. The ions are then found after attenuation of their kinetic energy by the collision gas in places of the ever The equilibrium of the forces and are sorted spatially by mass. Spacious pseudopotential fields can be generated, for example, by high frequency rod systems with conically extending rods. After opening the storage reservoir and lowering the high-frequency voltage, the heavy and increasingly the lighter ions then run out of the storage reservoir first.

Die Ionen müssen aber nicht aus den Stirnflächen von Multipol-Stabsystemen herausgezogen werden, wie in den obigen Beispielen; sie können auch quer durch die Lücke zwischen zwei Polstäben in nach Massen sortierter Folge von schweren zu leichten Ionen heraustransportiert werden. Diese Polstäbe dienen als Gitter, das die Pseudopotentialbarriere aufbaut. Dieser Vorgang ist für ein Quadrupol-Stabsystem in den 16 und 17 dargestellt. In einem Quadrupol-Stabsystem, das mit Stoßgas gefüllt ist, ordnen sich die Ionen in der Achse des Stabsystems, und zwar so, dass die leichten Ionen innen, und die schweren Ionen darum herum angeordnet sind. Wird jetzt der Hochfrequenzspannung eines Stabpaares eine abstoßende Gleichspannung überlagert, so werden die Ionen aus dem Zentrum gedrückt, und zwar so, dass die schweren Ionen am weitesten vom Zentrum entfernt sind. Dieser Zustand ist in 16 wiedergegeben. Wird jetzt die Hochfrequenzspannung an den Polstäben erniedrigt, so verlassen zunächst die schweren Ionen den Vorratsspeicher, wie in 17 dargestellt, danach zunehmend auch die leichten Ionen. Es entsteht ein breites Band als Ionenstrahl, das für manche Zwecke sehr gut geeignet ist. Durch eine Krümmung des Quadrupol-Stabsystems in Längsrichtung kann ein Auswerfen der Ionen zur konkaven Seite hin das breite Band auch wieder auf den Radiusmittelpunkt der Krümmung hin fokussieren.However, the ions need not be extracted from the faces of multipole rod systems, as in the above examples; they can also be transported across the gap between two pole bars in mass sorted series of heavy to light ions. These poles serve as a grid that builds the pseudopotential barrier. This process is for a quadrupole rod system in the 16 and 17 shown. In a quadrupole rod system filled with collision gas, the ions align themselves in the axis of the rod system, with the light ions inside, and the heavy ions around them. If a repulsive DC voltage is now superimposed on the high-frequency voltage of a pair of rods, the ions are forced out of the center in such a way that the heavy ions are farthest from the center. This condition is in 16 played. If the high-frequency voltage at the pole rods is lowered, the heavy ions first leave the storage reservoir, as in 17 then increasingly the light ions. It creates a broad band as an ion beam, which is very suitable for some purposes. By bending the quadrupole rod system in the longitudinal direction, ejecting the ions towards the concave side can also focus the wide band again on the radius center of the curvature.

Wie anhand dieses Quadrupol-Stabsystems zu erkennen ist, können auch die bekannten Hochfrequenz-Ionenfallen als Vorratsspeicher verwendet werden, entweder eine lineare Hochfrequenz-Ionenfalle mit vier runden oder hyperbolischen Polstäben, oder eine dreidimensionale Hochfrequenz-Ionenfalle mit zwei Endkappenelektroden und einer Ringelektrode. Es liegt dann die Idee nahe, die Ionen durch eine der für diese Ionenfallen bekannten Scanfunktionen durch Schlitze in den Polstäben oder durch Löcher in den Endkappenelektroden dieser Ionenfallen auszuwerfen, und zwar nicht in der üblichen Reihenfolge von leichten zu schweren Ionen, sondern in umgekehrter Reihenfolge. Das ist zumindest bei Auswurf durch resonante Anregung der Ionen möglich. Diese Ausführungsformen erfüllen jedoch nicht die Aufgabe der Erfindung, weil sie die Ionen nicht energiehomogen auswerfen. An den Polstäben und an den Endkappen liegen je nach Phase sehr hohe elektrische Felder bis zu mehreren Kilovolt pro Millimeter an. Im Augenblick des Durchtritts der Ionen durch die Schlitze oder Löcher erhalten die Ionen je nach der momentanen Phase und Stärke der Hochfrequenzspannung Beschleunigungen, die den Ionen kinetische Energien von kleinen Werten bis zu einigen Kiloelektronenvolt zuteilen. Diese große Energiestreubreite der Ionen macht diese Art des Ionenauswurfs für diese Erfindung unbrauchbar.As can be seen by this quadrupole rod system can also the known high-frequency ion traps are used as a storage, either a linear radiofrequency ion trap with four round or hyperbolic ones Polstäbe, or a three-dimensional high-frequency ion trap with two end-cap electrodes and a ring electrode. It then comes close to the idea, the ions by one of the for These ion traps are known scanning functions through slots in the pole rods or through holes eject in the end cap electrodes of these ion traps, namely not in the usual Order from light to heavy ions but in reverse Sequence. This is at least when ejected by resonant excitation the ions possible. These embodiments fulfill However, not the object of the invention, because they do not have the ions Eject energy uniformly. Lie on the pole rods and on the end caps Depending on the phase, very high electric fields up to several kilovolts per millimeter. At the moment of passage of ions through the slits or holes get the ions depending on the instantaneous phase and strength of the High-frequency voltage accelerations, which are kinetic to the ions Allot energies from small values up to several kilo-electron volts. This size Energy sweep of the ions makes this kind of ion ejection for these Invention useless.

Ein grundsätzlich anderes Verfahren zum gleichzeitigen Befüllen eines Füllvolumens mit Ionen verschiedener Masse und gleicher Energie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenschwärme dem Vorratsspeicher gleichzeitig oder sogar in der Reihenfolge von leichten zu schweren Ionen entnommen und gleichmäßig beschleunigt werden, wobei sofort oder nach einer kurzen Flugstrecke die Schwärme leichter Ionen den Schwärmen schwererer Ionen vorausfliegen, und dass in einer weiteren Flugstrecke die Ionenschwärme in ihrer Reihenfolge umsortiert werden. Die Umsortierung kann durch doppeltes statisches wie auch dynamisches Bunching erreicht werden. Eine Realisierungsmöglichkeit für diese Umkehr der Flugreihenfolge ist im Prinzipbild der 18 gezeigt.A fundamentally different method for simultaneously filling a filling volume with ions of different mass and the same energy is characterized in that the ion swarms are taken from the storage store at the same time or even in the order of light to heavy ions and uniformly accelerated, wherein immediately or after a short flight the Swarms of light ions fly ahead of the swarms of heavier ions, and that in another flight the ion swarms are rearranged in their order. The resort can be achieved by double static as well as dynamic bunching. One realization possibility for this reversal of the flight sequence is in the outline of the 18 shown.

18 zeigt in den sechs Spuren 1–6 anhand von sechs Flugzuständen kurzer Ionenschwärme in zeitlicher Reihenfolge, wie die Flugreihenfolge dieser kurzen Ionenschwärme durch ein so genanntes „Bunching" umgekehrt werden kann, allerdings erhalten dabei die schwereren Ionen erhöhte kinetische Energien. Ein zweites Bunching dient dann dazu, die Ionen wieder auf ihre ursprüngliche kinetische Energie zu bringen. 18 shows in the six lanes 1-6 six flight states of short ion swarms in chronological order, how the flight order of these short ion swarms can be reversed by a so-called "bunching", but the heavier ions receive increased kinetic energies, a second bunching serves to bring the ions back to their original kinetic energy.

Längs der Flugstrecke können in zwei Abschnitten A und C Bunching-Potentialgradienten ein- und abgeschaltet werden. Haben die Ionensschwärme den Abschnitt A erreicht, ohne dass hier der Potentialgradient eingeschaltet ist (Spur 1 der 18), so können die schweren Ionen durch Einschalten des Bunching-Potentialgefälles (Spur 2) gegenüber leichten Ionen so beschleunigt werden, dass sie (Spur 3) die leichten Ionen an der Stelle B der Flugbahn überholen. Die schweren Ionen fliegen jetzt weiterhin mit erhöhter Geschwindigkeit, die aber durch einen eingeschalteten Bunching-Bremspotentialgradienten in Abschnitt C (Spur 4) wieder ausgebremst wird. Haben jetzt durch das Ausbremsen alle Ionen wieder gleiche kinetische Energie, so wird das Bremspotential abgeschaltet (Spur 5), und die Ionenschwärme fliegen jetzt wieder mit ihrer ursprünglichen Energie weiter. Dabei holen die leichten Ionen die schweren an der Stelle D der Flugbahn wieder ein (Spur 6). Das Füllvolumen muss also an dieser Stelle angeordnet sein, um erfindungsgemäß die Ionen aller Massen gleichzeitig und mit gleicher Energie in das Füllvolumen eintreten zu lassen.Bunching potential gradients can be switched on and off in two sections A and C along the route. Have the ion swarms reached section A without the potential gradient being switched on (lane 1 of FIG 18 ), the heavy ions can be accelerated by switching on the bunching potential gradient (lane 2) with respect to light ions so that they (lane 3) overtake the light ions at the point B of the trajectory. The heavy ions now continue to fly at increased speed, but this is slowed down by an activated Bunching Bremspotentialgradienten in section C (lane 4) again. If all ions now have the same kinetic energy due to braking, the brake potential is switched off (lane 5), and the ion swarms now fly on with their original energy. The light ions retrieve the heavy at the point D of the trajectory (lane 6). The filling volume must therefore be arranged at this point in order to allow the ions of all masses to enter the filling volume simultaneously and with the same energy.

Dieser Fall von statischen Bunching-Potentialgradienten, die zwar schaltbar sind, aber nach dem Einschalten stationär vorhanden sind, steht ein dynamisches Bunching gegenüber, in dem die Potentiale in bestimmten, örtlich festgelegten Abschnitten der Flugstrecke dynamisch verändert werden. Dieses Verfahren wird schematisch in 19 gezeigt. Hier wird die Umkehr der Flugreihenfolge also durch zwei Streckenabschnitte (43) und (48) mit zeitlich schnell veränderlichen Potentialen erreicht. Die beiden Streckenabschnitte können beispielsweise zwei metallische Rohrstücke sein, die auf Potentiale gelegt werden können. Beim Ausgang aus dem ersten Streckenabschnitt (43) wird durch ein ansteigendes Potential (44) eine massenabhängige Beschleunigung der Ionen vorgenommen, worauf sich in einer dazwischen liegenden feldfreien Flugstrecke (45) die Flugreihenfolge der Ionenpakete umkehrt. Bei Einflug in den zweiten Streckenabschnitt (48) wird durch ein fallendes Potential (49) dafür gesorgt, dass alle Ionen wieder die gleiche kinetische Energie annehmen, bevor die Ionenschwärme, nunmehr in der erfindungserforderlichen Reihenfolge, in das Füllvolumen eintreten. Durch eine Zeitsteuerung der Potentialänderungen in den beiden Streckenabschnitten kann somit dafür gesorgt werden, dass die Ionenschwärme alle gleichzeitig und mit gleicher Energie das Füllvolumen erreichen.This case of static bunching potential gradients, which are switchable but stationary after power-up, is contrasted by dynamic bunching, in which the potentials are dynamically altered in certain, fixed sections of the flight path. This method is shown schematically in 19 shown. Here, the reversal of the flight sequence is thus by two sections ( 43 ) and ( 48 ) with temporally rapidly changing potentials. The two sections may be, for example, two metallic pieces of pipe, which can be set to potentials. At the exit from the first section ( 43 ) is characterized by an increasing potential ( 44 ) carried out a mass-dependent acceleration of the ions, whereupon in an intervening field-free flight path ( 45 ) reverses the flight order of the ion packets. When entering the second section ( 48 ) is affected by a falling potential ( 49 ) ensured that all ions again assume the same kinetic energy before the ion swarms, now in the order required by the invention, enter the filling volume. By timing the potential changes in the two sections, it is thus possible to ensure that the ion swarms all reach the filling volume simultaneously and with the same energy.

Für diese beiden Verfahren der Umsortierung während des Fluges ist eine längere Flugstrecke erforderlich, in der der Primärstrahl mit den Ionenschwärmen in Gefahr läuft, seinen feinen Querschnitt einzubüßen. Diese Gefahr kann vermieden werden, indem der gesamte Primärionenstrahl in ein lang gestrecktes, ständig die Ionen fokussierendes Multipolfeld eingesperrt wird. In diesem Multipolfeld muss allerdings ein gutes Vakuum herrschen, um jede Abbremsung der Ionen zu vermeiden, wie es ja auch in der Regel für das Füllvolumen, beispielsweise den Pulser (11) und die Flugstrecke (29) des Flugzeitmassenanalysators, erforderlich ist. Das Multipolfeld kann als segmentiertes Multipol-Stabsystem ausgebildet sein, wobei einzelne Segmente als Streckenabschnitte für die Potentialänderung dienen.These two methods of resorting during the flight require a longer flight distance, where the primary beam with the ion swarms runs the risk of losing its fine cross-section. This danger can be avoided by trapping the entire primary ion beam in an elongated multipole field constantly focusing the ions. In this multipole field, however, a good vacuum must prevail in order to avoid any deceleration of the ions, as is generally the case for the filling volume, for example the pulser ( 11 ) and the route ( 29 ) of the time of flight mass analyzer. The multipole field can be designed as a segmented multipole rod system, with individual segments serving as route sections for the potential change.

Für die Ausführung der erfindungsgemäßen Verfahren können Massenspektrometer verwendet werden, die zum Teil gegenüber heute verwendeten Geräten nur geringfügig modifiziert sind.For the execution of inventive method can Mass spectrometers are used, some of them compared to today used devices only slightly are modified.

So kann ein Flugzeitmassenspektrometer für den orthogonalen Einschuss von Ionen, die einem Vorratsspeicher entnommen, beschleunigt, zu einem Primärionenstrahl geformt und zum Pulser versendet werden, durch eine leichte Modifikation des Vorratsspeichers und der Zeitsteuerung des Ionenversands für das erfindungsgemäße Verfahren eingerichtet werden. Der Vorratsspeicher muss dabei so eingerichtet werden, dass er eine massensequentiellen Entnahme der Ionen in der Reihenfolge von hohen zu niedrigen Massen erlaubt.So can be a time-of-flight mass spectrometer for orthogonal injection of ions that are taken from a storage reservoir, accelerates, too a primary ion beam shaped and shipped to the pulser, by a slight modification the storage memory and the timing of ion shipping for the inventive method be set up. The storage tank must be set up in this way be that he mass sequential removal of the ions in the Order from high to low masses allowed.

Solche Einrichtungen können beispielsweise die massencharakteristischen Ionenschwingungen der Ionen in einer Ionenfalle, die als Vorratsspeicher dient, für einen Auswurf der Ionen resonant anregen. Sie können insbesondere in einer linearen Hochfrequenz-Ionenfalle die Ionenschwingungen der Ionen im Streufeld am Ende der linearen Ionenfalle resonant radial anregen, wodurch ein axialer Auswurf der Ionen bewirkt wird.Such Facilities can For example, the mass-characteristic ion vibrations of Ions in an ion trap, which serves as a storage reservoir, for a Excite the ejection of the ions resonantly. You can especially in one linear high-frequency ion trap the ion oscillations of the ions in the Stimulate stray field resonantly radially at the end of the linear ion trap. whereby an axial ejection of the ions is effected.

Solche Einrichtungen können aber auch als ausgangsseitig an einer linearen Hochfrequenz-Ionenfalle angebrachte Elektrodenstruktur, insbesondere ein bipolares Hochfrequenz-Gitter (23), mit entsprechenden Spannungsgeneratoren ausgeführt sein. Auch ein multipolares Gitter, angeschlossen an eine mehrphasige Hochfrequenzspannung, kann hier verwendet werden. An dem Gitter kann durch die Hochfrequenzspannungen eine Pseudopotentialbarriere aufgebaut werden. Diese kann, wie oben beschrieben, sehr einfach zu einer massensequentiellen Entleerung verwendet werden, die von schweren zu leichten Massen läuft. Solche Gitter sind in den 12, 13, 14 und 15 im Detail gezeigt. Das Pseudopotential um die Drähte eines einfachen Gitters herum ist in 11 wiedergegeben.Such devices can also be used as an output side of a linear high-frequency ion trap attached electrode structure, in particular a bipolar high-frequency grating ( 23 ), be designed with corresponding voltage generators. A multipolar grid connected to a polyphase high frequency voltage can also be used here. At the grid can be constructed by the high-frequency voltages a pseudopotential barrier. This can, as described above, be very easily used to mass sequential evacuation, which runs from heavy to light masses. Such grids are in the 12 . 13 . 14 and 15 shown in detail. The pseudopotential around the wires of a simple grid is in 11 played.

Wie oben bereits beschrieben, können die Füllvolumen zu sehr verschiedenartigen Massenspektrometern gehören, beispielsweise als Messzellen zu Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometern, als Pulsern zu Flugzeitmassenspektrometern, oder zu Massenspektrometern mit elektrostatischen Ionenfallen. Für alle diese Massenspektrometer ist es günstig, durch die Erzeugung kurzer Ionenschwärme eine schnelle Befüllung der Füllvolumina zu ermöglichen. Das kann durch räumlich und zeitlich kurze Ionenschwärme geschehen, die wiederum durch ein schnelles Entleeren der Vorratsspeicher erzeugt werden. Hierfür sind einerseits sehr kurze Vorratsspeicher (20) günstig, andererseits können im Inneren des Vorratsspeichers (20) Potentialgradienten längs seiner Achse für eine schnelle Entleerung sorgen. Das kann beispielsweise durch den Felddurchgriff eines Potentials von der eingangsseitig angebrachten Blende (21) aus geschehen. Ein axialer Potentialgradient kann aber durch quadrupolare oder hexapolare Plattenstapel erzeugt werden, wie in DE 10 2004 048 496 A (C. Stoermer et al.) beschrieben. Solche Potentialgradienten drücken die Ionen gegen die Pseudopotentialbarriere und sorgen für eine sehr schnelle Entleerung in der Größenordnung von etwa zehn Mikrosekunden pro Ionenschwarm.As already described above, the filling volumes may belong to very diverse mass spectrometers, for example as measuring cells to ion cyclotron resonance mass spectrometers, as pulsers to time-of-flight mass spectrometers, or to mass spectrometers with electrostatic ion traps. For all these mass spectrometers, it is advantageous to allow rapid filling of the filling volumes by generating short ion swarms. This can be done by spatially and temporally short ion swarms, which in turn are generated by a rapid emptying of the storage. For this purpose, on the one hand very short storage ( 20 ) favorable, on the other hand, inside the memory ( 20 Potential gradients along its axis provide for rapid evacuation. This can be achieved, for example, by the field penetration of a potential from the input side ( 21 ) happen. However, an axial potential gradient can be generated by quadrupolar or hexapole plate stacks as in DE 10 2004 048 496 A (C. Stoermer et al.). Such potential gradients push the ions against the pseudopotential barrier and provide very fast depletion on the order of about ten microseconds per ion swarm.

Eine Beschreibung eines erfindungsgemäßen Messablaufs sei hier für ein Flugzeitmassenspektrometer gegeben, wobei der Pulser als Füllvolumen angesehen wird. Die Beschreibung stützt sich auf die 2, die eigentlich den Stand der Technik wiedergibt, wobei aber der kritische und erfindungsgemäße Bereich von Vorratsspeicher bis Pulser aus der 9 übernommen wird. Als Beispiel für einen Verfahrensablauf werde hier ein Verfahren beschrieben, wie es dem Anspruch 1 in der speziellen Form des Unteranspruchs 4 zugrunde liegt.A description of a measuring procedure according to the invention is given here for a time-of-flight mass spectrometer, the pulser serving as a filling volume is considered. The description is based on the 2 , which actually reflects the state of the art, but with the critical and inventive range of storage memory to Pulser from the 9 is taken over. As an example of a procedure, a method will be described here, as it is based on claim 1 in the specific form of subclaim 4.

In einer Elektrosprüh-Ionenquelle (1) mit einer Sprühkapillare (2) werden an Atmosphärendruck Ionen erzeugt, die durch eine Kapillare (3) ins Vakuumsystem gebracht werden. Ein Ionentrichter (4) formt die Ionen zu einem Ionenstrom (25), der die Ionen durch die Linsensysteme (5) und (7) und das Ionenleitsystem (6) in den ersten Ionenspeicher (22) trägt, aus dem über ein Schalten der Potential an der Blende (21) und ein Schalten der beiden Speicher-Achsenpotentiale der Vorratsspeicher (20) befüllt werden kann. Mindestens der Vorratsspeicher (20) wird mit Stoßgas beschickt, um die Ionen durch Stöße zu fokussieren. Der Druck des Stoßgases soll zwischen 0,01 und 10 Pascal liegen, optimal liegt der Druck im Vorratsspeicher (20) bei etwa einem Pascal, um eine sehr schnelle Dämpfung der Ionen mit einer Zeitkonstanten von etwa 10 Mikrosekunden zu erreichen.In an electrospray ion source ( 1 ) with a spray capillary ( 2 ) ions are generated at atmospheric pressure through a capillary ( 3 ) are brought into the vacuum system. An ion funnel ( 4 ) forms the ions into an ionic current ( 25 ), the ions through the lens systems ( 5 ) and ( 7 ) and the ion guide system ( 6 ) in the first ion storage ( 22 ), from which a switching of the potential at the diaphragm ( 21 ) and switching the two memory axis potentials of the memory ( 20 ) can be filled. At least the storage memory ( 20 ) is charged with collision gas to focus the ions by impact. The pressure of the collision gas should be between 0.01 and 10 Pascal, optimally the pressure in the storage reservoir ( 20 ) at about one pascal to achieve very fast attenuation of the ions with a time constant of about 10 microseconds.

Die Elektrosprüh-Ionenquelle (ESI) (1) ist hier eine von mehreren Optionen. Es kann beispielsweise auch eine Ionisierung der Probenmoleküle durch matrixunterstützte Laserdesorption (MALDI), entweder außerhalb des Vakuumsystems oder aber auch innerhalb des Vakuumsystems, beispielsweise vor dem Ionentrichter (4), vorgenommen werden.Electrospray ion source (ESI) ( 1 ) is one of several options. For example, it is also possible to ionize the sample molecules by matrix-assisted laser desorption (MALDI), either outside the vacuum system or else inside the vacuum system, for example before the ion funnel (FIG. 4 ).

Aus dem Vorratsspeicher (20) wird nun der Pulser (11) mit Ionen eines Primärstrahls (10) beschickt, und zwar erfindungsgemäß in Form von Ionenschwärmen, die massensequentiell durch Absenken des Pseudopotentials am bipolaren Hochfrequenz-Gitter (23) in Verbindung mit Saugspannungen an der Zieh- und Beschleunigungslinse (9) aus dem Vorratsspeicher heraustransportieret werden. Eine Zieh- und Beschleunigungslinse ist dadurch charakterisiert, dass sie vor der Linse ein Saugfeld für die Ionen aufbaut, und dass die Ionen in der Linse beschleunigt werden, dass also vor und hinter der Linse andere Achsenpotentiale herrschen. Eine Beschleunigungslinse kann einen divergenten Primärionenstrahl zu einem sehr feinen Ionenstrahl mit engem Querschnitt und geringer Divergenz fokussieren.From the storage tank ( 20 ) is now the pulser ( 11 ) with ions of a primary beam ( 10 ), in accordance with the invention in the form of ion swarms, which are mass-sequentially lowered by lowering the pseudopotential on the bipolar high-frequency grating (US Pat. 23 ) in connection with suction stresses on the pulling and accelerating lens ( 9 ) are transported out of the storage tank. A pulling and accelerating lens is characterized in that it builds up a suction field for the ions in front of the lens, and that the ions in the lens are accelerated, that is, before and behind the lens other axis potentials prevail. An accelerating lens can focus a divergent primary ion beam into a very fine ion beam of narrow cross-section and low divergence.

Da die Ionen einer Masse möglichst schnell aus dem Vorratsspeicher ausfließen sollen, um einen kurzen Ionenschwarm zu erzeugen, soll erstens der Vorratsspeicher (20) kurz sein, und zweitens auch im Inneren des Vorratsspeichers ein elektrisches Feld herrschen, dass die Ionen zum Ausgang treibt. In eigenen Experimenten hat sich ein Quadrupol-Vorratsspeicher von nur 10 Millimeter Länge bei sechs Millimeter innerem Scheiteldurchmesser als günstig erwiesen. In Verbindung mit dem elektrischen Durchgriffsfeld des Potentials an der Blende (21) ergibt sich eine Ausflusszeit von nur etwa 10 Mikrosekunden, wie man aus der gestrichelten Verlängerung der Flugzeitenkurve der 8 für die fiktive Masse null Dalton abschätzen kann.Since the ions of a mass should flow out of the storage reservoir as quickly as possible in order to generate a short ion swarm, first of all the storage ( 20 ) and, secondly, that there is an electric field inside the reservoir that drives the ions to the exit. In our own experiments, a quadrupole storage reservoir of only 10 millimeters in length with six millimeter inner vertex diameter has proved favorable. In conjunction with the electrical penetration field of the potential at the diaphragm ( 21 ) results in an outflow time of only about 10 microseconds, as can be seen from the dashed extension of the time-of-flight curve of 8th for the fictitious mass can estimate zero daltons.

Es kann im Vorratsspeicher auch mit anderen Mitteln ein Potentialgradient in der Achse erzeugt werden, wie es beispielsweise in der Patentschrift US 6,111,250 (B. A. Thomson und C. L. Jolliffe) oder in US 7,164,125 B2 (J. Franzen et al.) beschrieben wird. Besonders günstig ist auch ein quadrupolarer oder hexapolarer Blendenstapel, wie er in der bereits oben zitierten Offenlegungsschrift DE 10 2004 048 496.1 (C. Stoermer et al.) vorgestellt wird. In diesen Fällen kann der Vorratsspeicher auch länger sein, da sich die Ionen durch das innere elektrische Feld vor dem Ausgang des Vorratsspeichers versammeln.It can be generated in the memory with other means a potential gradient in the axis, as for example in the patent US 6,111,250 (BA Thomson and CL Jolliffe) or in US 7,164,125 B2 (Franzen, J., et al.). Also particularly favorable is a quadrupolar or hexapole diaphragm stack, as described in the publication cited above DE 10 2004 048 496.1 (C. Stoermer et al.). In these cases, the storage may also be longer, since the ions gather through the internal electric field before the output of the reservoir.

Über die Ausbildung des Pseudopotentials an bipolaren Hochfrequenz-Gittern, wie es in 11 zu sehen ist, oder an ähnlichen Elektrodenanordnungen wurde bereits ausgiebig berichtet. Da die Höhe eines Pseudopotentials dieser Art umgekehrt proportional zur Masse der Ionen ist, kann durch schnelles und kontinuierliches Absenken der Hochfrequenzspannung erreicht werden, dass zunächst Ionen hoher Masse und dann fortlaufend niedrigerer Massen austreten. Durch Überlagerung der Hochfrequenzspannungen an den Drähten mit Gleichspannungen können die Ionen zum zentralen Spalt getrieben werden, durch den allein sie austreten können. Der zentrale Spalt kann auch etwas breiter sein als die benachbarten Spalte, wie in 12 zu sehen, dann ist dort das Sattelpotential niedriger, so dass die Ionen nur hier austreten. Der mittlere Spalt kann dabei auch durch ein Verbiegen der Gitterstäbe in der Mitte weiter offen sein, um die Ionen bevorzugt in der Achse des Vorratsspeichers austreten zu lassen. In Verbindung mit einem Saugfeld der Zieh- und Beschleunigungslinse (9), deren Felddurchgriff durch das Gitter reicht, kann ein außerordentlich günstig geformter Primärionenstrahl (10) erzeugt werden.On the formation of the pseudopotential on bipolar radiofrequency gratings, as it is in 11 can be seen, or similar electrode arrangements has already been extensively reported. Since the height of a pseudopotential of this type is inversely proportional to the mass of the ions, it can be achieved by rapidly and continuously lowering the high-frequency voltage that ions of high mass and then progressively lower masses emerge first. By superimposing the high frequency voltages on the wires with DC voltages, the ions can be driven to the central gap, through which they alone can escape. The central gap may also be slightly wider than the adjacent column, as in 12 The saddle potential is lower there so that the ions only escape here. The middle gap may also be further open by bending the grid bars in the middle, in order to allow the ions preferably to emerge in the axis of the storage reservoir. In conjunction with a suction field of the pulling and accelerating lens ( 9 ), whose field penetration extends through the grid, can be an extremely favorable shaped primary ion beam ( 10 ) be generated.

Zwischen Schaltlinse (9) und Pulser (11) ist die Flugstrecke durch eine durch Kapselung (18) abgeschirmt, um den Einfluss von elektrischen und magnetischen Störungen auf den Primärionenstrahls (10) zu mindern. Ein Ionenstrahl von nur 20 Elektronenvolt Energie ist außerordentlich störanfällig und kann sehr leicht abgelenkt werden. Dadurch werden sofort die Massenspektren verschlechtert, da für ihre Qualität eine außerordentlich gute und reproduzierbare Positionierung des Primärionenstrahls (10) beim Durchflug durch den Pulser (11) erforderlich ist.Between switching lens ( 9 ) and pulser ( 11 ) is the route through an encapsulation ( 18 ) to detect the influence of electrical and magnetic disturbances on the primary ion beam ( 10 ). An ion beam of only 20 electron volts of energy is extremely susceptible to interference and can be easily distracted. As a result, the mass spectra are immediately degraded because of their quality an exceptionally good and reproducible positioning of the primary ion beam ( 10 ) when passing through the pulser ( 11 ) is required.

Der Pulser pulst wie bei allen herkömmlichen Flugzeitmassenspektrometern mit orthogonalem Ioneneinschuss einen Abschnitt des Primärionenstrahls (10) orthogonal in die auf hohem Potential befindliche Flugstrecke (19) aus, wodurch der neue Ionenstrahl (12) entsteht. Der Ionenstrahl (12) wird im Reflektor (13) geschwindigkeitsfokussierend reflektiert und im Detektor (14) gemessen. Das Massenspektrometer wird durch die Pumpen (15), (16) und (17) evakuiert.The pulser pulses a portion of the primary ion beam, as in all conventional orthogonal ion impact time-of-flight mass spectrometers ( 10 ) orthogonally into the high-potential flight path ( 19 ), whereby the new ion beam ( 12 ) arises. The ion beam ( 12 ) is reflected in the reflector ( 13 ) is reflected in a speed-focusing manner and in the detector ( 14 ). The mass spectrometer is controlled by the pumps ( 15 ) 16 ) and ( 17 ) evacuated.

Erfindungsgemäß werden dem Vorratsspeicher (20) massenselektiv und massensequentiell möglichst kurze Ionenschwärme entnommen, zu einem Primärionenstrahl (10) geformt und zum Pulser (11) geschossen. Wie die oben geschilderten Experimente bestätigen, kann mit einer Anordnung ähnlich der in 9 dabei trotz eines Weges von etwa 40 Millimeter zwischen der Linse (9) und dem Pulser (11) eine Flugzeit für schwere Ionen auf nur 80 Mikrosekunden herabgedrückt werden. Damit kann eine sehr vorteilhafte Taktrate von 10 Kilohertz für die Aufnahme der Massenspektren erzielt werden. Der Pulser (11) hat eine nutzbare Länge von etwa 20 Millimeter.According to the storage memory ( 20 ) mass selectively and mass sequentially extracted as short ion swarms, to a primary ion beam ( 10 ) and the pulser ( 11 ) shot. As confirmed by the experiments described above, with an arrangement similar to that in 9 despite a path of about 40 millimeters between the lens ( 9 ) and the pulser ( 11 ) a time of flight for heavy ions are reduced to only 80 microseconds. Thus, a very advantageous clock rate of 10 kilohertz for recording the mass spectra can be achieved. The pulser ( 11 ) has a usable length of about 20 millimeters.

Die Massenauflösung des Entleerungsvorgangs kann sehr gering sein. Ein überlappendes Abschicken der Ionenschwärme ist nicht schädlich für die Erfindung. Damit lassen sich die erforderlichen Zeiten von nur etwa 50 bis 80 Mikrosekunden für das Absenken des Pseudopotentials am Gitter (23) leicht erfüllen.The mass resolution of the emptying process can be very low. An overlapping sending of the ion swarms is not detrimental to the invention. Thus, the required times of only about 50 to 80 microseconds for lowering the pseudopotential on the grid ( 23 ) easily fulfill.

Es ist bekannt, dass es für Pseudopotential-Barrieren auch jeweils untere Massenschwellen gibt, wenn nämlich die Ionen so leicht und schnell sind, dass sie bereits in einer Ionen anziehenden Halbwelle der Hochfrequenzspannung das Feld durchdringen oder bis zu den Gitterstäben vordringen können, Diese Schwelle hat analoge Eigenschaften zu den unteren Massenschwellen für Quadrupol-Filter, Hochfrequenz-Ionenleitsystemen, oder Hochfrequenz-Vorratsspeichern. Diese untere Massenschwelle kann jedoch durch Wahl der Frequenz der Hochfrequenzspannung stets kleiner gemacht werden als die untere Massenschwelle der Vorratsspeicher, so dass sie keine Beeinträchtigung darstellt. Es ist dabei günstig, die Frequenz der Hochfrequenzspannung am Gitter als ganzzahlig Vielfaches der Frequenz am Vorratsspeicher zu wählen, damit keine unerwünschten Interferenzen auftreten.It is known for it Pseudopotential barriers also each lower mass thresholds, if indeed The ions are so light and fast that they are already in one Ion attracting half-wave of the high-frequency voltage penetrate the field or up to the bars can penetrate This threshold has analogous properties to the lower mass thresholds for quadrupole filters, High-frequency ion guide systems, or high-frequency storage memories. However, this lower mass threshold can be selected by choosing the frequency High frequency voltage always be made smaller than the lower one Mass threshold of the storage, so that it does not affect represents. It is favorable the frequency of the high frequency voltage at the grid as an integer multiple of the To select frequency at the memory, so no unwanted Interferences occur.

Ist der Vorratsspeicher (20) entleert, so kann er aus dem vorhergehenden Ionenspeicher (22) der 9 durch Schalten des Potentials an der Blende (21) und der Achsenpotentiale beider Ionenspeicher wieder neu befüllt werden. Es ist besonders günstig, wenn in diesem ersten Ionenspeicher (22) ebenfalls ein Potentialgradient in der Achse eingeschaltet werden kann, wenn er also beispielsweise als quadrupolarer Blendenstapel ausgeführt ist, da sich dann durch diesen Potentialgradienten ein besonders schneller Überführungsvorgang für die Ionen von Ionenspeicher (22) zu Vorratsspeicher (20) erreichen lässt.Is the reserve memory ( 20 ), it can from the previous ion storage ( 22 ) of the 9 by switching the potential at the diaphragm ( 21 ) and the axis potentials of both ion stores are refilled again. It is particularly favorable when in this first ion storage ( 22 ), a potential gradient in the axis can also be switched on, that is to say if it is designed, for example, as a quadrupolar diaphragm stack, since then a particularly fast transfer process for the ions of ion accumulator ( 22 ) to storage ( 20 ).

Kann der Strahldurchmesser des Ionenstrahls, der in den Pulser eingeschossen wird, von den jetzt üblichen 0,6 Millimeter auf etwa 0,3 Millimeter verringert werden, so wird damit theoretisch das Auflösungsvermögen des Flugzeitmassenspektrometers um einen Faktor vier verbessert, da die Restfehler der Ortsfokussierung quadratischer Natur sind. Jetzige Tischgeräte mit effektiven Flugstrecken von rund zwei Meter haben Auflösungsvermögen von rund R = 15 000, das heißt, zwei Ionen der Massen 5000 und 5001 lassen sich gut von einander trennen. Die Verbesserung um den Faktor vier auf R = 60 000 wird sich jedoch nicht voll erreichen lassen, da auch andere Einflüsse eine Rolle spielen, beispielsweise Einflüsse des Detektors. Es ist aber zu erwarten, dass sich die Massengenauigkeit, die bei jetzigen Flugzeitmassenspektrometern oben beschriebener Bauart etwa drei Millionstel der Masse beträgt, erheblich steigert. Es sind durch die Verbesserungen im Querschnitt des Primärionenstrahls, die mit dieser Erfindung einhergehen, Massengenauigkeiten von etwa einem Millionstel der zu messenden Masse zu erwarten.can the beam diameter of the ion beam injected into the pulser becomes, from the now usual 0.6 millimeters will be reduced to about 0.3 millimeters, so will thus theoretically the resolution of the Time-of-flight mass spectrometer improved by a factor of four, since the residual errors of the spatial focus are square in nature. current desktop devices with effective flight distances of around two meters have resolution of around R = 15,000, that is, two ions of the masses 5000 and 5001 are well separated separate. The improvement by a factor of four to R = 60,000 however, can not be fully achieved, as well as other influences Play role, such as influences of the detector. But it is to expect the mass accuracy that is present in current time-of-flight mass spectrometers described above type is about three millionths of the mass, considerably increases. It is through the improvements in the cross section of the primary ion beam, associated with this invention, mass accuracies of about one millionth of the mass to be measured.

Ein solches Massenspektrometer wird aber nicht nur eine höhere Massengenauigkeit haben, es steigt auch der Nutzgrad („duty cycle") für die Ionen, weil der Pulser jeweils genau mit Ionen befüllt werden kann und nur wenige Ionen verloren gehen. Die relativ dichte Befüllung des Pulsers mit Ionen, die mit dem System der 9 möglich ist, lässt sich allerdings nur in Massenspektrometern mit Analog-zu-Dezimal-Wandlern (ADC) gut ausnutzen.However, such a mass spectrometer will not only have a higher mass accuracy, it will also increase the duty cycle for the ions, because the pulser can be filled exactly with ions and only a few ions are lost.The relatively dense filling of the pulser with ions that interfere with the system 9 is possible, but it can only be used well in mass spectrometers with analog-to-decimal converters (ADC).

Mit modernen Ionenquellen und Einführungssystemen für die Ionen in das Vakuumsystem kann der Ionenstrom im Vakuumsystem in den Maxima der Substanzzuführung zur Ionenquelle durchaus etwa ein Picoampère erreichen. Das entspricht etwa Tausend Ionen im Pulser (11) bei einer Pulsfrequenz von zehn Kilohertz. Wenn der Pulser mit etwa Tausend Ionen befüllt wird, so kann die Anzahl der Ionen, die in einem Messintervall des ADC zu erfassen sind, durchaus etwa 200 Ionen betragen, da sich ein Massenpeak bei heutigen Transientenrekordern mit zwei Gigahertz Aufnahmerate über fünf bis zehn Messintervalle erstreckt. Analog-zu-Dezimal-Wandler genügender Schnelligkeit und genügender Messbreite zur Erfüllung dieser Aufgabe sind in modernen Transientenrekordern vorhanden. Diese können bei acht Bit Digitalisierungsbreite im Messtakt von zwei Gigahertz messen, in Zukunft sind Transientenrekorder mit 8 Gigahertz Messrate bei zehn bis zwölf Bit Messbreite zu erwarten.With modern ion sources and introduction systems for the ions in the vacuum system, the ion current in the vacuum system in the maxima of the substance supply to the ion source can reach about a picoampère. This corresponds to about a thousand ions in the pulser ( 11 ) at a pulse rate of ten kilohertz. When the pulser is filled with about one thousand ions, the number of ions to be detected in one measurement interval of the ADC may well be about 200 ions since a mass peak in today's transient recorders with two gigahertz acquisition rate extends over five to ten measurement intervals , Analog-to-decimal converters of sufficient speed and sufficient measuring range to fulfill this task are present in modern transient recorders. These can measure with an eight-bit digitizing width at a measuring rate of two gigahertz; in the future, transient recorders with an 8-gigahertz measuring rate will measure at ten to twelve bits to expect broad.

Der größte Vorteil des erfindungsgemäßen Messverfahrens liegt aber darin, dass überhaupt keine Einstellung der Verzögerungszeit durch den Bediener für die Wahl der günstigsten Empfindlichkeit innerhalb des Arbeits-Massenbereichs mehr zu erfolgen braucht. Im Allgemeinen können in Flugzeitmassenspektrometern mit orthogonalem Ioneneinschuss mehrere Arbeits-Massenbereiche eingestellt werden, beispielsweise 50 bis 1000 Dalton, 200 bis 3000 Dalton oder 500 bis 10000 Dalton, wie oben bereits dargelegt. Für jeden dieser Arbeits-Massenbereiche kann mit dieser Erfindung automatisch die richtige Zeitfunktion für die Leerung des Vorratsspeichers eingestellt. In jedem Fall wird dabei ein gemischgetreues Massenspektrum aufgenommen, das aufgrund seiner hohen Ionenausnutzung auch gleichzeitig die höchstmögliche Empfindlichkeit für alle Ionen des Arbeits-Massenbereichs zeigt.Of the biggest advantage of the measuring method according to the invention but that is in that, anyway no adjustment of the delay time by the operator for the choice of the cheapest Sensitivity within the working mass range more to be done needs. In general, you can in time-of-flight mass spectrometers with orthogonal ion injection several Working mass ranges are set, for example 50 to 1000 daltons, 200 to 3000 daltons, or 500 to 10,000 daltons, such as already stated above. For Any of these working mass ranges can be automated with this invention the right time function for set the emptying of the storage tank. In any case, will it recorded a true-to-mass spectrum, due to its high ion utilization at the same time the highest possible sensitivity for all Ion of the working mass range shows.

Ähnliche Vorteile ergeben sich auch für die anderen Arten von Massenspektrometern, für die die erfindungsgemäßen Füllverfahren eingesetzt werden können.Similar Benefits also arise for the other types of mass spectrometers for which the filling method according to the invention can be used.

Claims (20)

Verfahren zum Befüllen eines Füllvolumens mit Ionen verschiedener Masse und gleicher Energie aus einem räumlich entfernten Vorratsspeicher, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen in Form von Ionenschwärmen zum Füllvolumen versendet werden, wobei die Ionenschwärme entweder durch massensequentielle Entnahme aus dem Vorratsspeicher in der Reihenfolge von schweren zu leichten Ionen oder durch eine Umsortierung ihrer Reihenfolge während des Fluges so zum Füllvolumen gesendet werden, dass alle Ionenschwärme im Wesentlichen gleichzeitig, mit im Wesentlichen gleicher kinetischer Energie ihrer Ionen und mit geringer Energiestreuung in das Füllvolumen eintreten.A method for filling a filling volume with ions of different mass and the same energy from a spatially distant storage, characterized in that the ions are sent in the form of ion swarms to the filling volume, the ion swarms either by mass sequential removal from the storage memory in the order of heavy to light Ions or by resorting their order during flight to the fill volume such that all ion swarms enter the fill volume substantially simultaneously, with substantially the same kinetic energy of their ions and with little energy spread. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen in einem Vorratsspeicher mit einer abschließenden Gleichspannungsbarriere gespeichert werden und dass eine massensequentielle Entnahme durch resonante Anregung von massenspezifischen Ionenschwingungen im Vorratsspeicher erfolgt, die den Ionen ein Überwinden der Gleichspannungsbarriere ermöglicht.Method according to claim 1, characterized in that that the ions in a storage store with a final DC barrier be saved and that a mass sequential removal by resonant excitation of mass-specific ion oscillations takes place in the storage reservoir, which overcome the ions the DC barrier allows. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine massensequentielle Entnahme der Ionen durch eine räumliche Sortierung der Ionen verschiedener Massen in einem Pseudopotentialfeld innerhalb des Vorratsspeichers erfolgt.Method according to claim 1, characterized in that that a mass sequential removal of the ions by a spatial Sorting the ions of different masses in a pseudopotential field within of the storage memory takes place. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine massensequentielle Entnahme der Ionen aus dem Vorratsspeicher durch ein Absenken einer Pseudopotentialschwelle an einem Gitter erfolgt.Method according to claim 1, characterized in that that a mass sequential removal of the ions from the storage reservoir by lowering a pseudopotential threshold on a grid. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gitter mit erweiterter mittlerer Spaltöffnung die Ionen bevorzugt durch die mittlere Spaltöffnung austreten lässt.Method according to claim 4, characterized in that a grating with an extended middle gap opening prefers the ions through the middle gap opening lets emerge. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gitter mit doppelkonischen Gitterstäben am Ausgang des Vorratsspeichers die austretenden Ionen auf kleine Durchlassöffnungen verengt.Method according to claim 4, characterized in that that a grid with doppelkonischen bars at the output of the memory the exiting ions narrowed to small passage openings. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gekreuzte Gitter mit doppelkonischen Gitterstäben die austretenden Ionen durch eine kleine Austrittsöffnung in der mittleren Spaltöffnung des zweiten Gitters auf einen engen Strahlquerschnitt verengen.Method according to Claim 6, characterized that two crossed lattices with double conical bars the leaking ions through a small outlet opening in the middle gap opening of the narrow the second grid to a narrow beam cross-section. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsspeicher ein multipolares Polstabsystem ist, dass die Ionen durch Gleichspannungspotentiale an den Polstäben in Richtung auf einen Spalt zwischen den Polstäben gedrückt und durch ein Absenken der Hochfrequenzspannung an den Polstäben aus dem Spalt ausgetrieben werden.Method according to claim 4, characterized in that that the storage is a multipolar pole system that the ions by DC potentials on the pole rods in the direction pressed on a gap between the pole rods and by lowering the high-frequency voltage at the pole rods expelled from the gap become. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine schnelle massensequentielle Entnahme durch eine gezielte Unterstützung der Entleerung des Vorratsspeichers durch Potentialgradienten erfolgt, die im Inneren des Vorratsspeichers herrschen oder am Ausgang des Vorratspeichers anliegen.Method according to one of claims 1 to 7, characterized that a rapid mass sequential removal by a targeted support the emptying of the storage memory is carried out by potential gradients, which prevail inside the reservoir or at the exit of the Storage reservoir abut. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen dem Vorratsspeicher gleichzeitig oder in der Reihenfolge von leichten zu schweren Ionen entnommen werden, worauf die leichten Ionen den schwereren Ionen mit gleicher Energie vorausfliegen, dass nachfolgend die Flugreihenfolge der Ionen verschiedener Massen durch ein erstes Bunching umgekehrt wird und dass nach der Umkehr der Flugreihenfolge die Ionen durch ein zweites Bunching wieder auf ihre ursprüngliche und im Wesentlichen für alle Ionen gleiche kinetische Energie gebracht werden.Method according to claim 1, characterized in that that the ions belong to the storage store at the same time or in the order be removed from light to heavy ions, followed by the light Ions fly ahead of the heavier ions with equal energy below the sequence of flights of ions of different masses a first bunching is reversed and that after reversing the flight order the ions back to their original through a second bunching and essentially for all ions are brought to the same kinetic energy. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Bunching um ein statisches Bunching mit einer Potentialrampe oder ein dynamisches Bunching mit zeitlich veränderlichen Potentialen handelt.Method according to claim 9, characterized in that that the bunching is a static bunching with a Potential ramp or dynamic bunching with time-varying potentials is. Flugzeitmassenspektrometer mit orthogonalem Ioneneinschuss der Ionen aus einem Vorratsspeicher in einen Pulser, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulser als Füllvolumen aus dem Vorratsspeicher mit einem der Befüllungsverfahren der Ansprüche 1 bis 11 befüllt wird.Time-of-flight mass spectrometer with orthogonal ion injection of the ions from a storage reservoir into a pulser, characterized in that the pulser serves as filling volume from the reservoir Memory is filled with one of the filling method of claims 1 to 11. Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer mit einem Vorratsspeicher für Ionen und einer Messzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle als Füllvolumen mit einem der Befüllungsverfahren der Ansprüche 1 bis 11 aus dem Vorratspeicher befüllt wird.Ion cyclotron resonance mass spectrometer with a Storage for Ions and a measuring cell, characterized in that the measuring cell as filling volume with one of the filling methods the claims 1 to 11 is filled from the storage tank. Massenspektrometer mit elektrostatischer Ionenfalle und einem Vorratsspeicher, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrostatische Ionenfalle mit einem der Befüllungsverfahren der Ansprüche 1 bis 11 aus dem Vorratsspeicher befüllt wird.Mass spectrometer with electrostatic ion trap and a storage store, characterized in that the electrostatic Ion trap with one of the filling methods the claims 1 to 11 is filled from the storage tank. Vorratsspeicher zur Speicherung von Ionen, die zu einem Füllvolumen versendet werden sollen, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsspeicher durch ein bipolares oder multipolares Gitter abgeschlossen ist, an dem sich durch Hochfrequenzspannungen eine Pseudopotentialbarriere aufbauen lässt.Storage for storage of ions that a filling volume to be sent, characterized in that the storage by a bipolar or multipolar lattice is completed at the build up a pseudopotential barrier by high frequency voltages leaves. Vorratsspeicher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Spaltöffnung des Gitters etwas weitere ist als die anderen Spaltöffnungen.Storage device according to claim 15, characterized in that that the middle gap opening the grid is something more than the other stomata. Vorratsspeicher nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Gitterstäbe mit Gleichspannungen überlagert sind, die die Ionen zur mittleren Spaltöffnung treiben.Storage device according to claim 16, characterized in that that the outer grid bars are superimposed with DC voltages are that drive the ions to the middle gap opening. Vorratsspeicher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter aus Gitterstäben besteht, die eine doppelkonische Form mit einer Verjüngung in der Mitte haben.Storage device according to claim 15, characterized in that that the grid of bars There is a double conical shape with a rejuvenation in have the middle. Vorratsspeicher nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gekreuzte Gitter mit doppelkonischen Gitterstäben hintereinander angeordnet sind.Storage device according to claim 18, characterized that two crossed grids with double conical bars in a row are arranged. Vorratsspeicher nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Vorratsspeichers ein Gleichspannungsgefälle herrscht, das die Ionen gegen das Gitter treibt.Storage device according to one of claims 15 to 19, characterized in that in the interior of the storage a DC gradient prevails, that drives the ions against the grid.
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