DE102009029899A1

DE102009029899A1 - Massenspektrometer und Verfahren zur Isotopenanalyse

Info

Publication number: DE102009029899A1
Application number: DE102009029899A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr. Schwieters; Silke Seedorf; Michael Deerberg
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2010-12-23
Also published as: GB201121718D0; US8592757B2; US20120085904A1; DE112010002579B4; GB2483201B; GB2483201A; DE112010002579A5; WO2010145776A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Massenspektrometer für die Analyse von Isotopenverhältnissen, mit mindestens einem magnetischen Analysator und wahlweise auch einem elektrischen Analysator,mit einer ersten Anordnung von Ionen-Detektoren und/oder Ionen-Passagen und einer hierzu in Ionenstrahlrichtung nachgeordneten zweiten Anordnung von Ionen-Detektoren, mit mindestens einem Deflektor im Bereich der beiden Anordnungen von Ionen-Detektoren oder zwischen diesen Anordnungen. Daneben betrifft die Erfindung eine Multikollektoranordnung, besondere Verwendungen und ein Verfahren zur Isotopenanalyse einer Probe. Das erfindungsgemäße Massenspektrometer weist eine Steuerung für den mindestens einen Deflektor auf, derart, dass mindestens einem Ionen-Detektor aus der zweiten Anordnung Ionenstrahlen verschiedener Isotope zuführbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Massenspektrometer für die Analyse von Isotopenverhältnissen, mit mindestens einem magnetischen Analysator und wahlweise auch einem elektrischen Analysator, mit einer ersten Anordnung von Ionen-Detektoren und/oder Ionen-Passagen und einer hierzu in Ionenstrahlrichtung nachgeordneten zweiten Anordnung von Ionen-Detektoren, mit mindestens einem Deflektor im Bereich der beiden Anordnungen von Ionen-Detektoren oder zwischen diesen Anordnungen. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Isotopenanalyse einer Probe.
Bevorzugte Anwendungsgebiete der Erfindung sind die Geochronologie und die Steuerung und Kontrolle nuklearer Prozesse.
Antrieb für die Erfindung ist der Wunsch nach einem möglichst universellen Mess-System. Insbesondere für die verschiedenen Methoden der Geochronologie sind verschiedene Elemente mit jeweils mehreren Isotopen von Interesse.
Bedeutend ist zum Beispiel die Altersbestimmung an Zirkon, sowohl mit der sog. ”Uran-Blei-Methode” als auch mit der ”Lutetium-Hafnium-Methode”. Die Details dieser Methoden sind für die Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Wesentlich ist, dass – gewöhnlich bei hohem Untergrund der Hauptbestandteile des Ausgangsgesteins (die für die Uran-Blei-Methode relevanten Isotope stellen bestenfalls wenige Prozent, typisch sogar nur einige ppm des Gesamtmaterials) – Mengenverhältnisse mehrerer Isotope gemessen werden müssen, z. B. ²⁰⁴Pb, ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb, ²³⁵U, ²³⁸U, sowie ggf. weitere Massen/Isotope zur Absicherung und Korrektur der Ergebnisse. Am selben Gestein können auch Datierungen nach der Lu/Hf-Methode gewonnen werden, wobei hier die Anteile wesentlich größer sind (in Zirkon: HfO₂ bis 30% (typisch sind 5%), ThO₂ bis 12%, U₃O₈ bis 1,5%).
Die zum Teil sehr unterschiedlichen Intensitäten erforden die Messung mit verschiedenen Detektortypen (Faraday-Auffänger für hohe Ionenströme, Channeltron und Sekundärelektronenverfielfacher (SEV) für niedrige und sehr niedrige. Außerdem kann es zur Abtrennung des Untergrunds benachbarter Massen erforderlich sein eine Energiebarriere einzuführen (S. 9 der Triton/Neptun Broschüre der Anmelderin).
Eine weitere Anwendung ist die Messung von (angereichertem) Uran, bei dem die Massen 233, 234, 235, 236 und 238 beobachtet werden. Hier ist ²³⁸U das dominierende Isotop. In natürlichem Uran ist das Isotop 235 mit ca. 0,7% und 234 mit ca. 5 ppm vorhanden.
Die Messungen werden typischerweise mit (doppelt fokussierenden) Multikollektor Massenspektrometern durchgeführt, bei denen den verschiedenen Isotopen verschiedene Messkanäle zugeordnet werden. Der Typ des Messkanals hängt dabei von der (erwarteten) Intensität und der Intensität der benachbarten Kanäle ab.
Um verschiedenartige Messungen durchzuführen können bei Multi-Kollektor-Systemen entweder die Kollektoren beweglich sein (TFS Neptun oder TFS Triton) oder der massenabhängige Abstand zwischen den Isotopen durch ein ionenoptisches Element kompensiert werden.
In einem typischen (Stand der Technik) Aufbau werden für den universellen Einsatz bewegliche Elemente bereit gehalten, die Faraday- und/oder Channeltron-Detektoren tragen sowie ein spezieller Kanal mit einem Ionenzähler (Sekundärelektronenvervielfacher) und einem Faraday-Detektor, bei dem zwischen Zähl- und Faraday-Betrieb umgeschaltet werden kann. In diesem Kanal steht vor dem Zähl-Detektor zusätzlich eine Energiebarriere (RPQ) zur Verfügung.
Zusätzlich können gegebenenfalls, z. B. für die Messung von Uran, separate Zähldetektoren (Channeltrons) bereitgehalten werden, insbesondere für höhere Massen, bei denen sehr geringe Abstände zwischen den Detektoren für benachbarte Massen benötigt werden.
Zur Ionisierung kann thermische Ionisation, oder ICP (inductively coupled plasma), z. B. nach vorheriger Laser-Ablation von einer Probe dienen.
Ein Massenspektrometer der Anmelderin mit der Bezeichnung Triton oder Neptune ist mit einer Multikollektor-Einrichtung versehen. Dabei sind in einer ersten Anordnung mehrere Ionen-Detektoren parallel nebeneinander zum Teil verschiebbar gehalten. Die Verschiebung ermöglicht eine Anpassung der Position der Detektoren an die Massenpositionen der erwarteten Ionenstrahlen. Zwischen den Detektoren können Zwischenräume als Ionenpassagen generell vorhanden sein oder durch Verschieben der Detektoren gebildet werden.
Die Detektoren der ersten Anordnung sind quer zum Ionenstrahl relativ schmal ausgebildet, sodass entsprechend viele Massenpositionen abgedeckt werden können. Diese Detektortypen sind aber vielfach nicht zum Nachweis geringster Zählraten geeignet oder haben einen eingeschränkten dynamischen Bereich. Es handelt sich beispielsweise um Faraday-Auffänger, Mini-Sekundärelektronenvervielfacher oder sogenannte Channeltrons. Auch Kombinationen sind möglich. Wesentlich mehr Platz benötigen demgegenüber standardmäßige Sekundärelektronenvervielfacher (SEV), insbesondere in Verbindung mit einer vorgeordneten Energiebarriere. Diese ist beispielsweise als RPQ ausgebildet (Retarding Potential Quadrupole).
Ionenstrahlen von Isotopen mit sehr geringen Zählraten werden vorzugsweise durch eine Ionenpassage in der ersten Anordnung geleitet und gelangen dann in einen SEV der zweiten Anordnung. Gegebenenfalls passieren die Ionenstrahlen zuvor eine Energiebarriere zum Ausblenden von Ionenstrahlen anderer Massen, die durch Streuung an die Position des SEV gelangt sind. Das Prinzip der Energiebarrieren ist in der DE 40 02 849 A1 und EP 1 339 089 B1 erläutert. Bekannt ist auch die Ablenkung von Ionenstrahlen durch Deflektoren, vergleiche die Massenspektrometer Triton und Neptune der Anmelderin.
Die Kosten der Ionen-Detektoren hängen naturgemäß von deren Anzahl und Typ ab. Gerade die SEV mit vorgeordneten Energiebarrieren sind im Verhältnis zu Faraday-Auffängern relativ teuer. Es ist deshalb sinnvoll mit möglichst wenigen SEV oder generell mit möglichst wenigen Detektoren insbesondere in der zweiten Anordnung auszukommen.
Gewünscht ist eine erhöhte Flexibilität des Gerätes bei gleichzeitiger Verbesserung der Leistungsfähigkeit. Letzteres insbes. für die Messung von U und Pb.
Das erfindungsgemäße Massenspektrometer ist gekennzeichnet durch eine Steuerung für den mindestens einen Deflektor derart, dass mindestens einem Ionen-Detektor aus der zweiten Anordnung Ionenstrahlen verschiedener Isotope (mit unterschiedlichen Masse-zu-Ladung-Verhältnissen) zuführbar sind. Der Ionendetektor der zweiten Anordnung wird demnach für die Messung verschiedener Isotope genutzt. Erreicht wird dies, indem bei Bedarf ein Ionenstrahl einer bestimmten Massenposition, welcher normalerweise den Ionendetektor der zweiten Anordnung nicht erreichen würde, durch Deflektion genau diesem Ionen-Detektor zugeführt wird. Da der Ionen-Detektor aus der zweiten Anordnung ohnehin einer bestimmten Ionenmasse und entsprechend einer bestimmten Position zugeordnet ist, ergibt sich durch die Deflektion die Möglichkeit der Detektierung einer weiteren Ionenmasse. Dadurch kann die Anzahl der Ionen-Detektoren der zweiten Anordnung reduziert werden. Im Extremfall ist in der zweiten Anordnung nur noch ein Ionen-Detektor vorhanden. Zugleich sind den n möglichen Ionenpassagen der ersten Anordnung n – 1 Deflektoren zugeordnet. Von einer n-ten Ionenpassage gelangt der Ionenstrahl ohne Deflektor zum Ionen-Detektor der zweiten Anordnung.
Zusätzlich zu den beweglichen Auffängern (unterschiedlicher Typen) und dem üblichen Zähl-Kanal mit Energiebarriere werden weitere Kanäle bereitgestellt, in denen durch Umlenkung (z. B. mittels Deflektoren) die jeweiligen Ionenstrahlen auf den gewünschten Detektor geleitet werden. Insbesondere wird dabei die Möglichkeit geschaffen von verschiedenen Positionen in der Bildebene den selben Detektor zu erreichen. Auf diese Art können zum Beispiel bei beschränkten Raumverhältnissen die Flexibilität erhöht oder die Anzahl besonders kostspieliger Detektoren minimiert werden. Im Extremfall können virtuelle Messkanäle (d. i. Positionen in der Bildebene des Massenspektrometers) beliebigen realen Auffängern (Faraday Detektor, Channeltron, Standard SEV, Mini-SEV) zugeordnet werden.
Das erfindungsgemäße Massenspektrometer wird insbesondere verwendet für die Isotopenverhältnisanalyse im Zusammenhang mit schweren Elementen wie Uran, Blei, Plutonium, Hafnium, Thorium, Lutetium, Ytterbium, Quecksilber. Eine weitere wichtige Anwendung oder Teil der erstgenannten Anwendung ist die Altersbestimmung von Mineralien wie Zirkon. In einer Probe können demnach Isotope verschiedener Elemente, ggf. auch in Verbindungen enthalten sein.
Das Massenspektrometer kann einfach oder doppelt fokussierend ausgebildet sein. Vorzugsweise ist ein doppelt fokussierendes Massenspektrometer mit einem magnetischen und einem elektrischen Sektor vorgesehen.
Grundsätzlich bestehen hinsichtlich der möglichen Ionenquellen keine Beschränkungen. Vorzugsweise werden ICP (Inductive Coupled Plasma), GD (Glow Discharge) oder TI-(Thermal Ionization)-Ionenquellen verwendet.
Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ist vorgesehen, dass in der ersten Anordnung mehrere Ionen-Detektoren entlang einer Reihe parallel nebeneinander angeordnet sind, wobei mindestens einer der Ionen-Detektoren entlang der Reihe verschiebbar ist. Dies ermöglicht die gezielte Positionierung der Ionen-Detektoren entweder zum Auffangen bestimmter Ionenströme oder zur Erzielung einer Ionenpassage – einer Lücke – für den Durchtritt eines Ionenstrahls, damit dieser in den Bereich der zweiten Anordnung gelangen kann.
Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung sind mehrere Deflektoren vorgesehen, insbesondere parallel nebeneinander. Vorteilhafterweise sind mehrere Deflektoren mit einem Abstand zueinander sowohl quer zum Ionenstrahl als auch einem Abstand parallel zum Ionenstrahl vorgesehen. Die Deflektoren sind demnach schräg zueinander versetzt angeordnet, vorzugsweise aus Platzgründen oder um von einem Deflektor kommende Ionen nochmals umzulenken in einen Ionen-Detektor der zweiten Anordnung. Dies kann von Vorteil sein für Detektoren, die Ionenstrahlen nur unter einem bestimmten Winkel erfassen können.
Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ist vorgesehen, dass die Deflektoren zugleich Energiebarrieren sind oder dass den Detektoren Energiebarrieren zugeordnet, insbesondere vorgeordnet sind. Als Energiebarrieren können ionenoptische Elemente, beispielsweise Ionenlinsen, Bremselektroden oder RPQ (Retarding Potential Quadrupole) wirken.
Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann der zweiten Anordnung von Ionen-Detektoren eine dritte Anordnung von Ionen-Detektoren nachgeordnet sein. Damit Ionenstrahlen die Detektoren der dritten Anordnung erreichen, sind Ionenpassagen (Lücken) in der ersten und zweiten Anordnung vorhanden oder durch Verschieben von Detektoren zu bilden. Zusätzlich können ein oder mehrere Deflektoren vorgesehen sein, um von der ersten Anordnung kommende Ionenstrahlen in passende Lücken der zweiten Anordnung umzulenken. Auch die Detektoren der dritten Anordnung können so wie die Detektoren der ersten und/oder zweiten Anordnung vorzugsweise entlang einer Reihe verschiebbar sein, insbesondere parallel zur Reihe der Detektoren in der ersten Anordnung.
Vorzugsweise erfolgt die Ablenkung innerhalb der von den Ionenstrahlen (Trajektorien) aufgespannten Ebene. Alternativ kann aber auch in die dritte Dimension ausgewichen werden.
Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung sind in der ersten Anordnung nur oder überwiegend Faraday-Auffänger als Ionen-Detektoren vorgesehen. Diese sind besonders schmal.
Vorteilhafterweise ist in der ersten Anordnung mindestens ein Channeltron vorhanden. In Verbindung mit den Faraday-Auffängern können so verschiedene Isotope bzw. Massen besser detektiert werden.
In der ersten Anordnung kann auch mindestens ein Mini-SEV (miniaturisierter Sekundärelektronenvervielfacher) vorhanden sein. Die Möglichkeit der Detektierung unterschiedlicher Isotope bzw. Massen wird dadurch weiter verbessert.
Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ist in der zweiten Anordnung mindestens ein Sekundärelektronenvervielfacher vorhanden. Wahlweise gilt dies auch für die dritte Anordnung. Dem mindestens einen Sekundärelektronenvervielfacher in der zweiten oder dritten Anordnung kann eine Energiebarriere zugeordnet bzw. vorgeordnet sein. Dadurch ist eine Aussonderung von fehlgeleiteten Ionen mit verringerter Energie vor dem Eintritt in den Sekundärelektronenvervielfacher möglich.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Multikollektoranordnung zur Verwendung in einem Isotopen-Massenspektrometer.
Gegenstand der Erfindung sind auch die in den Ansprüchen angegebenen Verwendungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Isotopenanalyse einer Probe mit einem einfach oder doppelt fokussierenden Massenspektrometer, einer ersten Anordnung von Ionen-Detektoren und Ionenpassagen und einer zweiten Anordnung von Ionen-Detektoren und mit mindestens einem Deflektor, ist dadurch gekennzeichnet, dass während einer Messung mindestens ein Isotop der Probe eine Ionenpassage der ersten Anordnung passiert und von einem bestimmten Ionen-Detektor der zweiten Anordnung detektiert wird, und dass während einer weiteren Messung mindestens ein anderes Isotop derselben Probe eine Ionenpassage der ersten Anordnung passiert und durch Deflektion demselben bestimmten Ionen-Detektor (der zweiten Anordnung) wie bei der anderen Messung zugeführt wird. Möglich ist auch eine umgekehrte Reihenfolge, nämlich zunächst die Messung eines Isotops mit Deflektion vor Erreichen des Detektors der zweiten Anordnung und anschließend die Messung eines anderen Isotopes mit demselben Ionen-Detektor der zweiten Anordnung aber ohne vorangehende Deflektion. Mit dem dargestellten Verfahren ist eine Mehrfachnutzung von Ionen-Detektoren der zweiten Anordnung für Isotope derselben Probe in insbesondere unmittelbar aufeinanderfolgende Messungen möglich.
Vorteilhafterweise können während einer Messung Ionenstrahlen zwischen der ersten und zweiten Anordnung einander kreuzen. Der zu berücksichtigende Trefferquerschnitt der Ionen ist so klein, dass eine Kollision so gut wie ausgeschlossen ist.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung im Übrigen und aus den Ansprüchen.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste Multikollektoranordnung, insbesondere in einem erfindungsgemäßen Massenspektrometer,
2 eine zweite Multikollektoranordnung,
3 eine dritte Multikollektoranordnung,
4 eine vierte Multikollektoranordnung.
1:
Ein einfach oder doppelt fokussierendes Massenspektrometer mit einer Multikollektoranordnung wird um zusätzliche Messkanäle erweitert. Dabei werden eine Bildebene passierende Ionenstrahlen von Deflektoren in die gewünschte Position umgelenkt.
Beispielsweise lenkt ein Deflektor 21 einen Ionenstrahl auf einen Hauptkanal mit Energiebarriere 16/17. Ein weiterer Ionenstrahl kann mit einem Deflektor 19 wahlweise auf einen Faraday-Auffänger 20 oder einen SEV 18 geleitet werden. Ein benachbarter Ionenstrahl wird mit einem Deflektor 22 auf einen weiteren SEV 24 mit Energiebarriere 23 umgelenkt. In einer Bildebene 27 können weitere ggf. bewegliche Auffänger positioniert sein, z. B. ein Faraday-Auffänger 26 oder ggf. asymmetrisch aufgebaute Miniatur-SEVs 25. Asymmetrische(Mini-)SEVs haben die Eintrittsöffnung am Rand und können so in der ersten Anordnung eingesetzt werden, z. B. im Außenbereich der Anordnung und mit den Eintrittsöffnungen nebeneinander oder wenn nur Signale im Abstand von zwei oder mehr Masseneinheiten von Interesse sind.
Der Aufbau in 1 kann zum Beispiel dazu dienen eine universelle Massenspektrometerkombination um spezielle für Uran optimierte Detektionsmöglichkeiten zu erweitern.
Bei angereichertem Uran dominieren die Massen 235 und 238. Die Ausläufer dieser Peaks können die Messungen auf den Nachbarkanälen stören (siehe Tabellen für Ausläufer von U238). Dies kann durch einen Energiebarriere verhindert werden.
Eine weitere Anwendung ist die Datierung von Zirkon. Dabei ist es von Interesse verschiedene Isotope von U, Th, Hf, Lu, Yb, Pb und Hg zu messen. Mit dem Aufbau der 1 können zunächst gleichzeitig die Elemente U, Th, Pb und Hg gemessen werden, und danach die Elemente Hf, Lu und Yb. Dabei wird der Detektor ”RPQ C” in beiden Messungen benutzt, aber von verschiedenen Positionen in der Bildebene 27 aus angesteuert.
Die Auswahl der Detektoren wird entsprechend der Signalintensitäten und erwarteten Störungen getätigt. Zusätzlich zu den hinter der Bildebene 27 liegenden Auffängern – Mess-Kanal RPQ-C mit Faraday-Auffänger 15 und SEV 17 mit Energiebarriere 16 (retarding potential), Kanal RPQ-A mit SEV 24 mit Energiebarriere 23, sowie RPQ-B mit SEM 18 und Faraday 20 – werden noch zwei weitere SEV 25 in der Bildebene eingesetzt. Da nicht immer direkt benachbarte Massen von Interesse sind (z. B. nicht ”203”) ist es oft kein Problem, wenn ein ”in-line” SEM die doppelte Breite eines Massenabstandes in der Bildebene hat.
2: Konfiguration zu Tabellen 1 und 2.

SEV gezeichnet als Auffänger mit Dreieck in der Ecke;
Faraday als ”Tasche” gezeichnet;
Channeltron als Tasche mit ”Schleife”;
Bremslinse als parallele Linien angedeutet.

Die einzelnen Passagen P1 bis P17 führen zu verschiedenen Detektoren (siehe Tabellen).
Die Messungen in den beiden Zeilen von Tabelle 2 (obere Zeile: lange Striche in der Zeichnung, untere Zeile: kurz gestrichelt in der Zeichnung) werden für eine Probe nacheinander bzw. abwechselnd durchgeführt. Zwischen den Messungen müssen ggf. einige der Auffänger verschoben werden.
Die Passagen sind hier beweglich und eher ein logisches Konzept als ein Physisches. Um Ionen aus der primären Detektionsfläche in die hintere Zone zu bringen genügt im Prinzip ein freier oder feldfreier Raum, es können sich dort aber auch definierende Blenden und weitere ionenoptische Elemente befinden. Diese können beweglich oder fest sein.
Die Detektorzuordnung orientiert sich an den relativen Intensitäten der Isotope. Hierbei dienen die Deflektoren 101...106 zur Ablenkung der Ionenstrahlen. Insbesondere erlauben es die Deflektoren 101, 102 und 105, dass der Kanal ”RPQ-C” mit SEV 107 und Bremslinse 110 sowohl von der Passage P11 als auch von der Passage P5 erreicht werden kann. Die Detektoren sind zugleich Strahlweichen.
Die SEV zeichnen sich gegenüber den Channeltrons durch einen größeren dynamischen Bereich aus, die Channeltrons sind kleiner und können problemlos hinter bzw. neben Passagen im Abstand von einer Masse angeordnet werden.
Im Beispiel der Tabelle 2 misst man auf dem Mittelkanal RPQ-C die Masse 175Lu. Lu ist eine Interferenz auf 176Hf und muss genau bestimmt werden, um das Verhältnis 176Hf/177Hf korrekt zu bestimmen. Dies ist das geologisch interessante Verhältnis.
Die Lu-Konzentration ist in der Regel deutlich kleiner als die Hf-Konzentration und daher ist es wichtig diese Kontamination mit dem Ionen-Zähler zu messen.
Auf dem selben Gerät können problemlos Proben weiterer Anwendungen gemessen werden, z. B. 90Sr, 88Sr, 87Sr, 86Sr, 84Sr für medizinische und geologische Untersuchungen und 210Pb, 208Pb, 207Pb, 206Pb, 204Pb für die Altersdatierung von Proben.
3 zeigt eine Konfiguration mit feststehenden Schlitzen vorzugsweise im Bereich der Bildebene 27, nämlich eine hypothetische Konfiguration für drei durch unterschiedliche Stricharten dargestellte Messsituationen (------, _._._._., _ _ _ _ _), bei denen die hinteren Detektoren 107, 108, 109 variabel zugeordnet sind. Die Deflektoren sowie eventuelle Energie-Filter oder -Barrieren sind der Übersicht halber nicht eingezeichnet.
Auch bei konstanten Passagen kann mit variabler Vergrößerung (z. B. ”Zoom-Linse”) das Detektorsystem effizient angesteuert werden. Gegebenenfalls kann der Massenabstand so variieren, dass nur jede zweite Passage (oder weniger) einer Masse zugeordnet ist.
Optional können die Faraday-Detektoren beweglich sein, sodass sie z. B. hinter beliebige Passagen bewegt werden können (und insbesondere auch Passagen freigegeben werden können.
4 zeigt eine Konfiguration in der alle Detektoren – SEVs 130 bis 133 und Faraday-Auffänger 140 bis 143 – hinter der Brenn-/Bildebene 27 angeordnet sind. In der Bildebene 27 befinden sich nur (optional bewegliche) Passagen mit Deflektoren 150–155. Die Deflektoren leiten die Ionenstrahlen den gewünschten Detektoren zu. Dabei ist es im Prinzip auch möglich, dass sich Ionenstrahlen kreuzen, da sich – zumindest bei moderaten Strahlintensitäten – die Ionen kaum wechselseitig beeinflussen.
Die Mehrfachnutzung des centre RPQ (mit Strahlweiche 102) erlaubt es, dass mit einem Apparat ohne Umbauten nahezu beliebige Anwendungen optimal gemessen werden können.
Anmerkungen zur Tabelle 1:
*1:
*2: U500: Angereichertes Uran mit 50% 235U.
*3: gibt an wieviel Prozent des U238-Signals (bzw. U235-Signals) im jeweiligen Kanal als Störung vorliegen. Diese Störung wird durch das RPQ praktisch völlig unterdrückt.
*4 Die Kanäle 7 bis 15 können beliebig für andere Messungen eingesetzt werden.
*5: Kanal 11 wird insbesondere auch benutzt um verschiedene Massen wechselweise zu messen (peak jumping). Dabei ist insbesondere von Vorteil, dass hinter einer Passage SEM mit Energiefilter und Faraday-Auffänger zur Verfügung stehen.
*6: Die Störung von 1 ppm bedeutet, das das Signal in Position 236 und 234 bei schwach bis mäßig angreichertem Uran um einige Prozent verfälscht werden kann.
Anmerkungen zu Tabelle 2:
Abkürzungen:

Ch:

Channeltron,

F:

Faraday Auffänger.

RPQ:

retarding potential quadrupole (= Sekundärelektronenvervielfacher [SEV] mit vorgeschalteter Energiebarriere, z. B. einer ”Bremslinse”).

SEM:

secondary electron multiplier (= SEV).

Tabelle 2

RPQ-C

SEM

RPQ-A

new

F

Ch

F

Ch

SEM

238

235

232

207

206

205

204

202

U

-

Th

-

208 Pb

Pb

Hg

179

178

177

176

174

173

171

Hf

-

Hf

175 Lu

Hf

Yb

-

P17

P16

P15

P14

P13

P12

P11

P10

P9

P8

P7

P6

P5

P4

P3

P2

P1

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4002849 A1 [0014]
- EP 1339089 B1 [0014]

Claims

Massenspektrometer für die Analyse von Isotopenverhältnissen, mit mindestens einem magnetischen Analysator und wahlweise auch einem elektrischen Analysator, mit einer ersten Anordnung von Ionen-Detektoren und/oder Ionenpassagen und einer hierzu in Ionenstrahlrichtung nachgeordneten zweiten Anordnung von Ionen-Detektoren, mit mindestens einem Deflektor im Bereich der beiden Anordnungen von Ionen-Detektoren oder zwischen diesen Anordnungen, und mit einer Steuerung für den mindestens einen Deflektor derart, dass mindestens einem Ionen-Detektor (17, 107) aus der zweiten Anordnung Ionenstrahlen verschiedener Isotope (mit unterschiedlichen Masse-zu-Ladung-Verhältnissen) zuführbar sind.
Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Anordnung mehrere Ionen-Detektoren entlang einer Reihe parallel nebeneinander angeordnet sind, wobei mindestens einer der Ionen-Detektoren entlang der Reihe verschiebbar ist.
Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Deflektoren vorgesehen sind, insbesondere parallel nebeneinander.
Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Deflektoren vorgesehen sind, mit einem Abstand zueinander sowohl quer zum Ionenstrahl als auch parallel zum Ionenstrahl.
Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deflektoren zugleich Energiebarrieren sind oder dass den Detektoren Energiebarrieren zugeordnet sind.
Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten Anordnung von Ionen-Detektoren eine dritte Anordnung von Ionen-Detektoren nachgeordnet ist.
Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Anordnung nur oder überwiegend Faraday-Auffänger als Ionen-Detektoren vorgesehen sind.
Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Anordnung mindestens ein Channeltron vorhanden ist.
Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Anordnung mindestens ein Mini-SEV vorhanden ist.
Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere in der zweiten Anordnung mindestens ein Sekundärelektronenvervielfacher (SEV 17, 107) vorhanden ist, insbesondere zum Detektieren der Ionenstrahlen verschiedener Isotope/Strahlpositonen.
Massenspektrometer nach Anspruch 6 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der dritten Anordnung mindestens ein SEV vorhanden ist.
Massenspektrometer nach Anspruch 6 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem SEV in der zweiten oder dritten Anordnung eine Energiebarriere oder ein Energiefilter zugeordnet ist.
Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder einen der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle zu dem mindestens einen Deflektor ein oder mehrere ionenoptische Elemente vorgesehen sind.
Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder einen der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem mindestens einen Deflektor ein oder mehrere ionenoptische Elemente vorgesehen sind.
Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoren beweglich sind.
Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder einen der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ionenoptische Elemente, insbesondere Deflektoren, als Strahlweichen (101, 102, 103) vorgesehen sind, nämlich zum wahlweisen Ablenken oder Führen von Ionenstrahlen in Richtung auf ausgewählte Detektoren, vorzugsweise auch mit der Möglichkeit einen Ionenstrahl zu teilen und Teilstrahlen auf zwei oder mehr Detektoren zu richten, die insbesondere verschiedener Bauart sind.
Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder einem der weiteren Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der ersten Anordnung mindestens ein asymmetrischer SEV (25), nämlich ein SEV mit randseitiger Eintrittsöffnung, vorgesehen ist.
Verfahren zur Isotopenanalyse einer Probe mit einem einfach oder doppelt fokussierenden Massenspektrometer, einer ersten Anordnung von Ionen-Detektoren und Ionen-Passagen, einer zweiten Anordnung von Ionen-Detektoren und mit mindestens einem Deflektor, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Messung mindestens ein Isotop der Probe eine Ionenpassage der ersten Anordnung passiert und von einem bestimmten Ionen-Detektor der zweiten Anordnung detektiert wird, und dass während einer weiteren Messung mindestens ein anderes Isotop derselben Probe eine Ionenpassage der ersten Anordnung passiert und durch Deflektion demselben bestimmten Ionen-Detektor (der zweiten Anordnung) wie bei der anderen Messung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Messung Ionenstrahlen einander zwischen der ersten und zweiten Anordnung kreuzen.
Verwendung des Massenspektrometers nach einem der Ansprüche 1 bis 17 für die Analyse von Zirkon.
Verwendung des Massenspektrometers nach einem der Ansprüche 1 bis 17 für die Messung der Isotopenverhältnisse von Uran.
Verwendung des Massenspektrometers nach einem der voranstehenden Ansprüche für die Messung der Isotopenverhältnisse von Plutonium.
Verwendung des Massenspektrometers nach einem der Ansprüche 1 bis 17 für die Analyse des Gehalts an Uran, Blei, Hafnium in einer Probe.