DE102010039030A1

DE102010039030A1 - Reflektron mit alternierenden Elektrodendicken sowie Flugzeitmassenspektrometer mit einem erfindungsgemäßen Reflektron

Info

Publication number: DE102010039030A1
Application number: DE201010039030
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Humboldt Universitaet zu Berlin
Current assignee: Humboldt Universitaet zu Berlin
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2012-02-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Reflektron oder einen Ionenspiegel für Flugzeitmassenspektrometer mit einer verringerten Anzahl von Elektroden. Das Reflektron (1) umfasst eine erste Reflektronstufe (10) zur Erzeugung eines ersten elektrischen Feldes (2). Die erste Reflektronstufe (10) weist eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten Elektroden (11, 12, 13) auf, mit ersten Elektroden (11) einer ersten Dicke (d1) und zweiten Elektroden (12) einer zweiten Dicke (d2). Erfindungsgemäß sind die ersten und zweiten Elektroden (11, 12) alternierend hintereinander angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reflektron mit alternierenden Elektrodendicken sowie ein Flugzeitmassenspektrometer mit einem erfindungsgemäßen Reflektron.
Stand der Technik
Ein Ionenspiegel oder ein sogenanntes Reflektron (engl. reflectron) wird eingesetzt, um die Massenauflösung von Flugzeitmassenspektrometern zu verbessern. Flugzeitmassenspektrometer sind Massenspektrometer, in denen Ionen mittels elektrischer Felder beschleunigt werden. Nach der Beschleunigung weisen Ionen mit identischem Masse-Ladungs-Verhältnis eine näherungsweise gleiche Geschwindigkeit auf. Die Zeit, die ein Ion nach der Beschleunigung benötigt, eine bestimmte Flugstrecke zu überwinden, hängt daher von dem Masse-Ladungsverhältnis des Ions ab. Dadurch kann die Masse der Ionen, genauer das Verhältnis von Masse zu Ladung, bestimmt werden.
In der Praxis weisen jedoch die Ionen u. a. aufgrund unterschiedlicher Startpositionen nach der Beschleunigung eine gewisse Breite in der Geschwindigkeitsverteilung und damit in der Ankunftszeitverteilung auf. Ein Reflektron soll diese Breite in der Ankunftszeitverteilung von Ionen gleichen Masse-Ladungs-Verhältnisses verringern, da unterschiedliche Flugzeiten bei Ionen gleichen Masse-Ladungs-Verhältnisses zu einer reduzierten Massenauflösung am Detektor führen. In einem Reflektron werden Ionen in einem elektrischen Feld abgebremst, in ihrer Laufrichtung umgekehrt und auf einen Detektor reflektiert. Ionen, die eine höhere Geschwindigkeit und damit eine höhere kinetische Energie besitzen, dringen tiefer in das Reflektron ein als Ionen die eine niedrigere kinetische Energie besitzen. Infolgedessen durchlaufen die schnelleren Ionen eine längere Flugstrecke als die langsameren Ionen mit der gleichen Masse. Somit kann bei richtig eingestellten Spannungen des Reflektrons die Flugzeitdispersion am Detektor reduziert und die Massenauflösung des Systems verbessert werden. Das elektrische Feld des Reflektrons kann sich dabei aus mehreren Stufen zusammensetzen. Ein einstufiges Reflektron umfasst ein einziges elektrisches Feld. Ein zweistufiges Reflektron umfasst zwei Gebiete mit unterschiedlich großen Feldern, wobei die Feldstärke in der ersten Region i. a. deutlich größer als die Feldstärke in der zweiten Region ist. In einem mehrstufigen Reflektron können auch noch mehr als zwei verschiedene, aneinander angrenzende Feldregionen gegeben sein.
Durch die Stufen mit unterschiedlichen Potentialanstiegen kann die Größe des Reflektrons gegenüber einem einstufigen Reflektron verringert werden. Insbesondere werden die ionenoptischen Eigenschaften dadurch verbessert. Dabei werden in das zweistufige Reflektron eintretende Ionen zunächst in der sogenannten Abbremsstufe des Reflektrons stark abgebremst. In der nachfolgenden Stufe, der Reflektionsstufe, findet anschließend die Reflektion statt. Der Potentialanstieg in den Reflektronstufen kann linear sein oder auch nichtlinear, je nach Einsatzfeld. Ein Potentialanstieg im Reflektron wird dabei üblicherweise durch einzelne, hintereinander angeordnete dünne ringförmige Elektroden erreicht, die über eine Kette von Widerständen gekoppelt sind. Somit hängt der Potentialanstieg in den Reflektronstufen stark von der Anzahl, den Abständen und den Dicken sowie von den Widerständen zwischen den einzelnen Elektroden ab. Je mehr Elektroden mit geringeren Abständen vorhanden sind, desto besser kann der theoretische Potentialanstieg approximiert werden.
So beschreibt Wang et al. (R. J. Cotter, S. Iltchenko, und D. Wang, The curvedfield reflectron: PSD and CID without scanning, stepping or lifting, International Journal of Mass Spectrometry, 240, (2005), 169–182) eine hohe Anzahl von etwa 50 einzelnen, hintereinander gereihten Elektroden. Für den Zusammenbau und die Erreichung der Genauigkeit eines solchen Reflektrons ist ein hoher Aufwand nötig.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe, ein Reflektron anzugeben, welches bei gleicher Leistungsfähigkeit kostengünstiger und einfacher herzustellen ist.
Erfindungsgemäß wird ein Reflektron oder ein Ionenspiegel für Flugzeitmassenspektrometer vorgeschlagen, welches eine erste Reflektronstufe zur Erzeugung eines ersten elektrischen Feldes umfasst. Die erste Reflektronstufe umfasst dabei eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten Elektroden bestehend aus ersten Elektroden mit einer ersten Dicke und zweiten Elektroden mit einer zweiten Dicke, wobei die ersten und zweiten Elektroden alternierend, also abwechselnd angeordnet sind.
Das erfindungsgemäße Reflektron hat den Vorteil, dass durch die alternierende Anordnung von Elektroden mit unterschiedlichen Dicken eine gewünschte Massenauflösung mit weniger Elektroden und somit kostengünstiger und einfacher erreicht werden kann.
Die erste Elektrode und die letzte Elektrode der ersten Reflektronstufe sind bevorzugt aus dritten Elektroden mit einer dritten Dicke ausgebildet. Noch bevorzugter ist die dritte Dicke kleiner als die erste Dicke und größer als die zweite Dicke. Besonders bevorzugt, beträgt die dritte Dicke im Wesentlichen die Hälfte der ersten Dicke.
Vorteilhafterweise kann durch die Anordnung ein elektrisches Feld mit besonders guten Reflektionseigenschaften ausgebildet werden.
Die erste Dicke der ersten Elektroden ist um mindestens einen Faktor 5, bevorzugt um einen Faktor 10, noch bevorzugter um mindestens einen Faktor 20 größer ist als die zweite Dicke der zweiten Elektroden. Die zweite Dicke der zweiten Elektroden ist kleiner als 2 mm, bevorzugt kleiner als 1 mm, noch bevorzugt kleiner als 0,6 mm. Die erste Dicke der ersten Elektroden ist größer als 5 mm, bevorzugt größer als 10 mm, noch bevorzugter größer als 12 mm.
Die ersten Elektroden und die zweiten Elektroden der ersten Reflektronstufe umfassen bevorzugt Elektroden in Ringform, welche einen zylinderförmigen Feldbereich ausbilden.
Die dritten Elektroden umfassen bevorzugt einen Ring und einen mit dem Ring verbundenen, für Ionen durchlässigen Boden oder Deckel, insbesondere ein gespanntes Drahtgitter.
Vor der ersten Reflektronstufe kann eine zweite Reflektronstufe zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Feldes angeordnet sein, wobei die Feldstärke des zweiten elektrischen Feldes größer als die Feldstärke des ersten elektrischen Feldes ist.
Der Potentialanstieg in der ersten und/oder zweiten Reflektronstufe ist in einem Ausführungsbeispiel linear.
Durch die Ausbildung eines zweistufigen Reflektrons können unterschiedliche Potentialanstiege in den einzelnen Stufen ausgebildet werden, die Massenauflösung verbessert und die Länge des Reflektrons minimiert werden.
Die erste und letzte Elektrode der zweiten Reflektronstufe umfassen einen Ring und einem mit dem Ring verbundenen, für Ionen durchlässigen Boden oder Deckel, insbesondere ein Drahtgitter.
Im Rahmen dieser Erfindung hat ein Ring bevorzugt eine kreisförmige oder ellipsoidale Form.
Die Elektroden der zweiten Reflektronstufe weisen eine Dicke auf, die einen Faktor 5, bevorzugt um einen Faktor 10, noch bevorzugter um einen Faktor 20 größer ist als die Dicke der zweiten Elektroden der ersten Reflektronstufe, noch bevorzugter die gleiche Dicke, wie die erste Dicke der ersten Elektroden der ersten Reflektronstufe.
Das Reflektron umfasst bevorzugt potentialformende Gitternetze, die jeweils an der ersten und der letzten Elektrode einer Reflektronstufe angeordnet sind und an denen eine vorbestimmte Spannung anliegt.
Durch die Gitternetze kann das Feld im Reflektron sehr gut definiert werden. Durch eine Abschirmung wird eine Beeinflussung der Ionenbewegung außerhalb des Reflektrons vermieden.
Das Gitternetz an der ersten Elektrode der ersten Reflektronstufe weist eine Spannung auf, die kleiner ist als die Spannung der letzten Elektrode der ersten Reflektronstufe. Demzufolge steigt das Potential im Reflektron vom Eingang her an.
Besonders bevorzugt sind die letzte Elektrode der zweiten Reflektronstufe und die erste Elektrode der ersten Reflektronstufe aus einer gemeinsamen Elektrode gebildet, wobei zur Unterteilung der Reflektronstufen die Mitte der betreffenden Elektrode mit einem Gitternetz verbunden ist, an dem eine Spannung anliegt.
Durch diese Ausbildung kann das Feld weiter symmetrisiert und das Reflektron platzsparend ausgebildet werden.
Der Abstand zwischen benachbarten Elektroden der ersten und/oder zweiten Reflektronstufe ist bevorzugt kleiner als 1 mm und bevorzugter gleich der zweiten Dicke der zweiten Elektroden der ersten Reflektronstufe.
Auch diese Ausbildung der Abstände der Elektrode in der ersten und/oder zweiten Reflektronstufe trägt zur Ausbildung eines symmetrischen, homogenen Feldes bei.
Ein erfindungsgemäßes Reflektron kann demzufolge sehr kompakt ausgebildet sein. Das Reflektron kann eine Länge von kleiner 150 mm, insbesondere kleiner 100 mm aufweisen. Es kann aber selbstverständlich auch länger ausgebildet sein.
Die Länge der ersten Reflektronstufe ist bevorzugt kleiner als 100 mm, bevorzugter kleiner als 80 mm und/oder die Länge der zweiten Reflektronstufe ist bevorzugt kleiner als 20 mm, bevorzugter kleiner als 15 mm.
Ferner wird ein Flugzeitmassenspektrometer vorgeschlagen, umfassend eine Ionenquelle, einen Detektor und ein Reflektron gemäß der vorliegenden Erfindung zur Abbremsung und Umlenkung des in das Reflektron eintretenden Ionenstrahles auf den Detektor.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines zweistufigen Reflektrons,
2 eine schematische Darstellung der Potentialanstiege in einem zweistufigen Reflektron,
3 den Aufbau eines Reflektrons des Standes der Technik in einem Längsschnitt,
4 den Aufbau eines Reflektrons des Standes der Technik in einer Frontalansicht,
5 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Reflektrons nebst Feldlinien,
6 die Potentialanstiege in einem erfindungsgemäßen Reflektron,
7, 8 den Aufbau der Elektroden in einem erfindungsgemäßen Reflektron,
9 ein Flugzeitmassenspektrometer mit einem erfindungsgemäßen Reflektron.
Ausführungsformen der Erfindung
Die prinzipielle Funktionsweise eines zweistufigen Reflektrons 1 ist schematisch in 1 dargestellt. Dabei werden in das Reflektron 1 von links eintretende Ionen in der Stufe 20 des Reflektrons stark abgebremst und in der Stufe 10 findet anschließend die eigentliche Umkehrung der Flugbahn oder Reflektion statt. Die Funktionsweise ist analog für Anionen.
Die Erfindung wird im Folgenden exemplarisch an einem zweistufigen Reflektron beschrieben werden. Jedoch kann es sich auch um ein einstufiges Reflektron 1 handeln oder um ein Reflektron 1 mit mehr als zwei Stufen. Die Stufe, in der die Umkehrung der Flugbahn geschieht, wird im Folgenden exemplarisch als „erste Stufe” bezeichnet. Die vorgeschaltete Abbremsstufe 20 eines zweistufigen Reflektrons der 1 wäre in dieser Nomenklatur die „zweite” Stufe, obwohl sie der ersten Stufe physikalisch vorgeschaltet ist. Dem Fachmann ist somit klar, dass sich die Zählweise der Stufen nicht auf die Reihenfolge bezieht, in der ein Ion die Stufen durchfliegt. Die Zählweise ist allein der Tatsache geschuldet, dass auch allein eine einzige Stufe zur Abbremsung und Umkehrung der Flugbahn ausreichend sein kann, je nach Länge des Reflektrons und Energie der Ionen. Ferner wird explizit darauf hingewiesen, dass die Erläuterung der Erfindung anhand eines zweistufigen Reflektrons rein exemplarisch und nicht beschränkend ist. Auch die eine Stufe eines einstufigen Reflektrons kann mit den im Folgenden beschriebenen Merkmalen der „ersten” Stufe ausgebildet sein. Auch die Abbremsstufe eines zweistufigen Reflektrons kann zudem mit den Merkmalen der „ersten” Stufe ausgebildet sein. Bei einem mehrstufigen Reflektron mit mehr als zwei Stufen kann jede der Reflektronstufen mit den Merkmalen der erfindungsgemäßen „ersten” Stufe ausgebildet sein.
Der Potentialanstieg in den Reflektronstufen 10, 20 kann linear sein oder auch nichtlinear, je nach Einsatzfeld. Im Stand der Technik wird in beiden Fällen der Potentialanstieg durch einzelne, identische hintereinander angeordnete dünne ringförmige Elektroden approximiert, die über eine Kette von Widerständen gekoppelt sind. Somit hängt der Potentialanstieg in den Reflektronstufen stark von der Anzahl, den Abständen und der Dicke der einzelnen Elektroden ab sowie den Widerständen. Je mehr Elektroden mit geringeren Abständen vorhanden sind, desto besser kann der theoretische Potentialanstieg approximiert werden. Deshalb besitzen die meisten in der Literatur beschriebenen Reflektrons eine hohe Anzahl an einzelnen hintereinander gereihten Elektroden gleicher Dicke, z. B. größer 25.
2 zeigt den Anstieg eines elektrischen Potentials in zwei Reflektronstufen 10 und 20 des Standes der Technik. Die beiden Reflektorstufen 10 und 20 sind hintereinander in x-Richtung angeordnet. Das Potential U steigt entlang der x-Achse mit zunehmender Eindringtiefe in das Reflektron 1 an. Zu Anschauungszwecken kann ein idealisiertes Potential aus drei Gitternetzen allein gebildet werden, die jeweils auf Masse (Eingang des Reflektrons) oder an Spannungen U_R1 (Ende des Reflektrons) und U_R2 (Übergang zwischen den Reflektronstufen) anliegen, wobei U_R1 > U_R2 (siehe auch 1). Ein erstes Gitternetz 5 ist senkrecht zur x-Achse über die Eintrittsfläche des Reflektrons 1 gespannt. Ein zweites Gitternetz 5 ist parallel dazu am Übergang zwischen erster und zweiter Reflektronstufe 10, 20 gespannt. Ein drittes Gitternetz 5 ist wiederum parallel dazu am Ende der ersten Reflektronstufe 10 gespannt. Mit der Annahme, dass diese Netze unendlich lang sind, ergibt sich ein linearer Potentialanstieg innerhalb des Reflektrons.
Werden jedoch in einer Simulation des Feldes eines solchen Reflektrons die Netze auf endliche Maße beschränkt und eine geerdete Abschirmung um die Elektroden in die Simulationen mit aufgenommen, so „sackt” das Potential an den Rändern der beiden Reflektronstufen ab. Dieser Effekt ist stärker bei der längeren ersten Reflektronstufe 10, wie in 3 zu sehen. Dieses „Absacken” des Potentials reduziert deutlich die Auflösung eines Reflektron-Flugzeitmassenspektrometers. Wird aber die längere Reflektronstufe 10 aus mehreren einzelnen Ringelektroden wie in 3 gezeigt gebildet, ist eine deutliche Verbesserung erreichbar. Werden die Anzahl der Elektroden, die Dicke der Elektroden und die Abstände zwischen den Elektroden optimiert, so kann auch die Auflösung eines idealisierten Reflektrons wie in 2 gezeigt erreicht werden.
3 zeigt einen Längsschnitt durch ein zylindersymmetrisches Reflektron 1 des Standes der Technik, 4 eine Frontalansicht. Der Ioneneingangsbereich eines Reflektrons 1 ist kreisförmig, wie in 4 gezeigt. In 3 ist dies die linke Seite des Reflektrons 1. Das Reflektron 1 erstreckt sich in x-Richtung und bildet einen Zylinder aus. Auf dem Umfang des Zylinders sind hintereinander beabstandet die ringförmigen Elektroden 21, 12 angeordnet. Der Begriff „ringförmig” bezieht sich hier auf die innere Form der Elektroden, die äußere Form ist unerheblich. Diese können noch von einer Abschirmung 4 umgeben sein. D. h. ein Ion fliegt durch den Ringinnenbereich einer Elektrode 21, 12 hindurch, in dem Längsschnitt der 3 durch die Mitte eines Reflektrons 1. In 3 sieht man jeweils nur den oberen und unteren Ringbereich einer Elektrode 21, 12. Zur Ausbildung eines elektrischen Feldes 2 wird eine Spannung an jede der Elektroden 12, 21 angelegt. Die Spannung steigt dabei vom Eingang zum Ende des Reflektrons 1 linear oder nicht-linear an. Zwischen den Elektroden 12, 21 bildet sich ein elektrisches Feld 2 aus, durch welches eindringende Ionen abgebremst und in ihrer Bewegung umgekehrt werden.
Abgebildet sind in 3 Äquipotentiallinien innerhalb eines zweistufigen Reflektrons 1 mit 26 einzelnen Elektroden 12, 21. Die zweite Reflektronstufe 20 mit einer Länge von L_R2 = 12 mm besteht aus zwei „topfförmigen” Elektroden 21 und die erste Reflektronstufe 10 mit einer Länge von L_R1 = 75,2 mm aus 23 ringförmigen Elektroden 12 mit 1,6 mm Dicke und einem ebensolchen Abstand zwischen den Elektroden 12. Topfförmige Ringelektroden können dabei so gebildet werden, dass sich über die Ringunter- oder -oberseite einer Elektrode ein für Ionen(teil-)durchlässiger Boden oder Deckel erstreckt. Bevorzugt ist dieser Boden oder Deckel ein Drahtgitter. Die Elektrodenkonfiguration ist dabei zylindersymmetrisch. Die Äquipotentiallinien sind annähernd parallel und belegen eine sehr homogene Potentialverteilung. 4 zeigt im Querschnitt ein solches Gitternetz 5.
Allerdings werden hierbei sehr viele Elektroden, im vorliegenden Falle mehr als 25 Elektroden benötigt. Auf eine Länge von 75,2 mm der ersten Reflektronstufe sind 23 Elektroden angeordnet. Es wird also etwa alle 3,3 mm eine Elektrode benötigt.
Die erfindungsgemäße Lösung erreicht vorteilhafterweise die gleiche Massenauflösung von R ≥ 3000 bei circa der halben Anzahl an Elektroden.
5 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Reflektron 1 nebst Äquipotentiallinien der Felder im Reflektron 1. 6 zeigt die Potentialanstiege und die Elektrodenkonfiguration eines erfindungsgemäßen Reflektrons 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 5. 7 und 8 zeigen in Vergrößerung den oberen Elektrodenabschnitt bzw. die oberen und unteren Elektrodenabschnitte der 5.
Wie es auch in 5 zu sehen ist, liefert die erfindungsgemäße Elektrodenkonfiguration nahezu parallele Äquipotentiallinien, welches die hohe Feldhomogenität und die hohe Massenauflösung von R = 3000 dieser Konfiguration begründet. In 6 ist ersichtlich, dass der Potentialanstieg in der zweiten Reflektronstufe 20 wesentlich stärker auf kürzerem Raum ausfällt als der Anstieg in der ersten Reflektronstufe 10. Es sind ebenso Trajektorien von reflektierten Ionen eingezeichnet.
Bei diesem Reflektron 1 umfasst die erste Reflektronstufe 10 Elektroden 11, 12 mit abwechselnder Elektrodendicke d₁ und d₂, wie insbesondere in den 7 und 8 zu sehen ist. Im Detail umfasst die Elektrodenkonfiguration der ersten Reflektronstufe 10 ersten Elektroden 11 mit einer ersten Dicke d₁ und zweite Elektroden 12 mit einer zweiten Dicke d₂. Die ersten und zweiten Elektroden 11, 12 sind dabei abwechselnd oder alternierend in der ersten Reflektronstufe 10 angeordnet. D. h., auf eine erste Elektrode 11 folgt eine zweite Elektrode 12, darauf folgt eine erste Elektrode 11 und wieder eine zweite Elektrode 12 usw..
Die ersten Elektroden 11 weisen bevorzugt eine Dicke d₁ auf, die einen Faktor 10, bevorzugt einen Faktor 20 größer ist als die Dicke d₂ der zweiten Elektroden 12. Durch diese unterschiedlichen Größenordnungen von alternierenden Elektrodendicken können homogene, parallele Äquipotentiallinien erzeugt werden, die denen ähnlich sind, die durch Elektroden mit Drahtgittern 5 entstehen (siehe z. B. die zweite Reflektronstufe 20). Allerdings haben Drahtgitter 5 den Nachteil, dass die Transmissivität mit steigender Anzahl der Drahtgitter 5 abnimmt.
Die ersten Elektroden 11 und die zweiten Elektroden 12 der ersten Reflektronstufe 10 sind bevorzugt Elektroden, die einen zylinderförmigen Feldraum ausbilden. Die Elektroden sind im Inneren kreissymmetrisch ausgebildet. In 5 und 7 weisen die Elektroden auch noch eine Abschirmung 4 auf, die auf der dem Reflektroninnenraum abgewandten Seite der Elektroden angeordnet ist. In 8 sind diese Abschirmungen 4 weggelassen.
In der vorliegenden Erfindung sind bevorzugt auch Drahtgitter 5 zur Lokalisierung und Beschränkung des Feldes auf das Reflektron 1 eingesetzt. Diese sind dann aber lediglich zu Beginn bzw. zum Abschluss einer Reflektronstufe 10, 20 angeordnet. D. h., ein erstes Drahtgitter 5 ist am Eingang des Reflektrons 1 angeordnet und mit der ersten Elektrode verbunden. Ein zweites Gitter 5 befindet sich zwischen den Reflektronstufen 10, 20. Ein drittes Gitter 5 ist am Ende des Reflektrons 1 angeordnet.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die erste Elektrode und die letzte Elektrode der ersten Reflektronstufe 10 aus dritten Elektroden 13 mit einer dritten Dicke d₃ ausgebildet. Die dritte Dicke d₃ ist dabei kleiner als die erste Dicke d₁ und größer als die zweite Dicke d₂. Besonders bevorzugt beträgt sie die Hälfte der ersten Dicke d₁. Dadurch können die Feldlinien symmetrisch ausgebildet werden und sie terminieren am Anfang und am Ende des Reflektrons 1 bzw. einer Reflektronstufe 10, 20.
Die zweite Dicke d₂ der zweiten Elektroden 12 ist bevorzugt kleiner als 1 mm, noch bevorzugt kleiner als 0,6 mm. Dies erlaubt eine Miniaturisierung des Reflektrons 1 bei gleichzeitiger Verbesserung der Feldhomogenität. Eine solche Elektrodenkonfiguration liefert nahezu parallele Äquipotentiallinien.
Die erste Dicke d₁ der ersten Elektroden 11 ist in einem Ausführungsbeispiel größer als 10 mm, bevorzugt größer als 12 mm. Die Ausdehnung sollte jedoch 30 mm, noch besser 25 mm nicht überschreiten, da ansonsten Störeffekte zu groß würden und die Feldhomogenität sich verschlechtern würde. Diese Elektrodendicken stehen im Verhältnis zum Innenradius der Elektroden bzw. des Reflektrons gemäß des Ausführungsbeispiels. Bei größeren Innenradien kann auch die Dicke dementsprechend vergrößert bzw. angepasst werden.
Die dritten Elektroden 13 sind bevorzugt ebenfalls ringförmige Elektroden, umfassen aber zusätzlich einen mit dem Ring verbundenen, für Ionen(teil )durchlässigen Boden oder Deckel. Dieser Boden oder Deckel kann insbesondere ein Drahtgitter sein, welches am Ring befestigt ist und sich über seine Ober- oder Unterseite erstreckt. Eine solche Elektrodenkonfiguration kann auch als Topfelektrode bezeichnet werden. Der Boden des Topfes kann dabei nach links oder rechts in 5 zeigen. In 5 weist der Boden der ersten Topfelektrode zu Beginn der ersten Reflektronstufe 10 in Richtung Reflektroneingang, während der Boden der letzten Topfelektrode am Ende der ersten Reflektronstufe 10 vom Reflektroneingang abgewandt ist.
5 zeigt exemplarisch aber nicht beschränkend ein zweistufiges Reflektron 1. Auf die zweite Stufe 20 kann aber auch verzichtet werden, wenn die erste Stufe 10 entsprechend länger ausgebildet wird. Vor der ersten Reflektronstufe 10 ist in 5 eine zweite Reflektronstufe 20 zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Feldes 2b angeordnet. Die Potentialdifferenz zwischen Eingang- und Abschluss der zweiten Stufe 20 ist dabei bevorzugt größer als die Potentialdifferenz zwischen Eingang und Abschluss der ersten Stufe 10.
Die Elektroden 21 der zweiten Reflektronstufe 20 umfassen bevorzugt ebenfalls Elektroden, die aus einem Ring und einem mit dem Ring verbundenen, für Ionen durchlässigen Boden oder Deckel, insbesondere einem Drahtgitter 5 bestehen. Die Drahtgitter 5 erlauben eine Lokalisierung des Feldes innerhalb des Reflektrons 1 und somit eine Minimierung der Störeinflüsse auf das Reflektron. Wiederum weist der Boden 5 der ersten Elektrode 21 am Beginn der zweiten Reflektronstufe 20 zum Eingang hin (s. 8), während der Boden 5 der zweiten und letzten Elektrode 21 der zweiten Stufe 20 vom Reflektroneingang abgewandt ist.
Die Elektroden 21 der zweiten Reflektronstufe 20 weisen eine vierte Dicke d₄ auf, die um einen Faktor 10, bevorzugt einen Faktor 20 größer ist als die zweite Dicke d₂ der zweiten Elektroden 12 der ersten Reflektronstufe 10. Noch bevorzugter weisen sie die gleiche Dicke auf, wie die dritte Dicke d₃ der dritten Elektroden 13 der ersten Reflektronstufe 10. Vorteilhafterweise werden dadurch die Äquipotentiallinien homogener ausgebildet.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel der 5–8 sind die letzte Elektrode 21 der zweiten Reflektronstufe 20 und die erste Elektrode 13 der ersten Reflektronstufe 10 aus einer gemeinsamen Ringelektrode gebildet. Zur Unterteilung der Reflektronstufen 10, 20 erstreckt sich lediglich in der Mitte der betreffenden Ringelektrode über ihren Durchmesser ein für Ionen teildurchlässiges Gitternetz, an dem eine Spannung U_R2 anliegt.
Die Spannung U_R2 ist kleiner als die Spannung U_R1 am Gitter 5 am Ende des Reflektrons 1. Somit steigt die Spannung im Reflektron 1 an, bevorzugt linear. An den Elektroden 11, 12 zwischen den Elektroden 13 liegen Spannungen an, die ebenfalls ansteigen, bevorzugt linear, so dass in der ersten Reflektronstufe 10 und/oder der zweiten Reflektronstufe 20 die Spannung kontinuierlich ansteigt. Üblicherweise liegen die Spannungen an den Elektroden 11, 12, 23, 21 bei einigen kV.
Der Abstand d_A zwischen benachbarten Elektroden der ersten und/oder zweiten Reflektronstufe 10, 20 ist gewöhnlich kleiner als 1 mm. Er entspricht bevorzugt der zweiten Dicke d₂ der zweiten Elektroden 12 der ersten Reflektronstufe 10, also der kleinsten Elektrodendicke des Reflektrons 1. Auch hierdurch wird die Homogenität des Potentialanstiegs verbessert.
Ein konkretes erfindungsgemäßes Reflektron 1 weist dabei eine Länge von bevorzugt kleiner 150 mm, bevorzugter kleiner 100 mm auf. Die Länge L_R1 der ersten Reflektronstufe 10 ist bevorzugt kleiner als 100 mm, noch bevorzugter kleiner als 80 mm. Die Länge L_R2 der zweiten Reflektronstufe 20 ist kleiner als 20 mm, noch bevorzugter kleiner als 15 mm. Das Reflektron kann also sehr kompakt ausgebildet sein. Die Erfindung ist aber nicht auf diese kompakten Abmessungen beschränkt, ein Reflektron kann auch wesentlich länger ausgebildet sein.
In dem konkreten Ausführungsbeispiel der 5 besteht das Reflektron 1 aus 12 einzelnen Elektroden. Gezeigt sind die Äquipotentiallinien innerhalb des zweistufigen Reflektrons. Die Äquipotentiallinien sind annähernd parallel und belegen eine sehr homogene Potentialverteilung. Dabei besteht die zweite Reflektronstufe 20 mit einer Länge von L_R1 = 12 mm aus zwei „topfförmigen” Elektroden und die erste Reflektronstufe 10 mit einer Länge von L_R2 = 72,5 mm besteht aus 11 Elektroden. Die schmalen Elektroden 12 sind 0,5 mm dick und die breiten Elektroden 11 sind 13 mm dick. Die Abstände zwischen den einzelnen Elektroden 11, 12 betragen jeweils 0,5 mm und entsprechen der Dicke der schmalen Elektroden 12. Der Innendurchmesser der Elektroden 11, 12, 13 beträgt 116 mm. Der Aussendurchmesser der Elektroden 11, 12, 13 beträgt 140 mm.
Die Elektrodenringe sind an der nach Außen gewandten Seite mit einer Nut 6 genutet. Somit kann das Gewicht der Elektroden reduziert werden.
Die Elektrodenkonfiguration der ersten Reflektronstufe 10 besteht also aus fünf 0,5 mm zweiten Elektroden 12, vier 13 mm dicken ersten Elektroden 11 und zwei 6,5 mm dicken dritten Elektroden 13 mit jeweils 0,5 mm Abständen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Endelektroden, an denen die Netze angebracht sind, mit 6,5 mm (aus Symmetriegründen) die halbe Dicke der ersten Dicke d₁ der ersten, breiteren Elektroden 11 besitzen. Es wird durchschnittlich alle 6,6 mm eine Elektrode 11, 12, 13 benötigt.
Diese neue Elektrodenkonfiguration weist eine Reihe von Vorteilen auf. Das Reflektron 1 weist eine geringere Komplexität und einen einfacheren Aufbau auf. Dies erlaubt die Reduzierung möglicher Fertigungs- und mechanischer Toleranzen bei gleichzeitig verbesserter Massenauflösung.
Es wird eine geringere Anzahl an Widerständen zwischen den Elektroden benötigt, was mit einer Reduzierung von Potentialfehlern und somit wiederum einer besseren Massenauflösung einhergeht. Ferner kann erfindungsgemäß die Elektrodenoberfläche reduziert werden und ein schnelleres Abpumpen und verbessertes Vakuum erreicht werden.
Ein solches Reflektron 1 wurde zunächst mit dem Programm SIMION auf einem Computer simuliert und dann konstruiert und erfolgreich getestet. Dazu wurde ein vorhandenes lineares Flugzeitmassenspektrometer mit dem konstruierten Reflektron erweitert. Somit konnte mit dem neuen Reflektron die Massenauflösung des vorhanden linearen Flugzeitmassenspektrometers von ursprünglich 1000 auf über 3000, genau 3340 verdreifacht werden.
9 zeigt ein erfindungsgemäßes Flugzeitmassenspektrometer. Eine an einer gepulsten Düse 101 befestigte Elektronenkanone ionisert einen Atom- bzw. Molekularstrahl, der in einen Flugzeitbeschleuniger 102 eintritt. Hier werden die Ionen senkrecht zur Molekularstrahlachse beschleunigt. Ein Umlenker 103 dient zur Umlenkung der Ionen auf einen Reflektor 104. Die reflektierten Ionen werden dann auf einen MCP-Detektor 105 gelenkt.
Die Erfindung wurde exemplarisch und nicht beschränkend anhand eines zweistufigen Reflektrons erläutert. Hierbei war exemplarisch aber nicht beschränkend die Reflektionsstufe, in der eindringende Teilchen reflektiert werden, als die Stufe mit alternierenden Elektrodendicken und allen weiteren Merkmalen dieser Reflektronstufe gemäß der Erfindung beschrieben. Dem Fachmann ist dabei klar, dass bei entsprechend verlängerter Ausbildung der Abbremsstufe auch diese vorteilhaft alternativ oder zusätzlich mit alternierenden Elektrodendicken ausgebildet sein kann. Bei einem einstufigen Reflektron ist es diese eine Stufe die mit alternierenden Elektrodendicken und den weiteren Merkmalen gemäß der Erfindung ausgestattet ist. Bei einem mehrstufigen Reflektron mit mehr als zwei Reflektronstufen kann jede der Reflektronstufen vorteilhaft mit alternierenden Elektrodendicken und allen weiteren Merkmalen der „ersten” Reflektronstufe gemäß der Erfindung ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

1: Reflektron
2: Elektrisches Feld
4: Abschirmung der Elektroden
5: Gitternetze
6: Nut
10: erste Reflektronstufe
11: erste Elektroden der ersten Reflektronstufe
12: zweite Elektroden der ersten Reflektronstufe
13: dritte Elektroden der ersten Reflektronstufe
20: zweite Reflektronstufe
21: erste Elektroden der zweiten Reflektronstufe
101: Düse mit Elektronenkanone
102: Flugzeitbeschleuniger
103: Umlenker
104: Reflektron
105: Detektor

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 Nicht-Patentliteratur

R. J. Cotter, S. Iltchenko, und D. Wang, The curvedfield reflectron: PSD and CID without scanning, stepping or lifting, International Journal of Mass Spectrometry, 240, (2005), 169–182 [0005]

Claims

Reflektron (1) für Flugzeitmassenspektrometer umfassend eine erste Reflektronstufe (10) zur Erzeugung eines ersten elektrischen Feldes (2), wobei die erste Reflektronstufe (10) eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten Elektroden (11, 12, 13) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Reflektronstufe (10) erste Elektroden (11) mit einer ersten Dicke (d₁) und zweite Elektroden (12) mit einer zweiten Dicke (d₂) aufweist, und die ersten und zweiten Elektroden (11, 12) alternierend angeordnet sind.
Reflektron (1) nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode und die letzte Elektrode der ersten Reflektronstufe (10) aus dritten Elektroden (13) mit einer dritten Dicke (d₃) ausgebildet sind.
Reflektron (1) nach Anspruch 2, wobei die dritte Dicke (d₃) kleiner als die erste Dicke (d₁) und größer als die zweite Dicke (d₂) ist, bevorzugt die Hälfte der ersten Dicke (d₁) beträgt.
Reflektron (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Dicke (d₁) der ersten Elektroden (11) um mindestens einen Faktor 5, bevorzugt um mindestens einen Faktor 20 größer ist als die zweite Dicke (d₂) der zweiten Elektroden (12).
Reflektron (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Dicke (d₂) der zweiten Elektroden (12) kleiner als 2 mm, bevorzugt kleiner als 0,6 mm ist.
Reflektron (1) nach einem der vohergehenden Ansprüche, wobei die erste Dicke (d₁) der ersten Elektroden (11) größer als 5 mm, bevorzugt größer als 12 mm ist und/oder kleiner als 20 mm ist.
Reflektron (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Elektroden (11) und die zweiten Elektroden (12) der ersten Reflektronstufe (10) Elektroden mit einer Ringform umfassen.
Reflektron (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, wobei die dritten Elektroden (13) Elektroden umfassen, die aus einem Ring und einem mit dem Ring verbundenen, für Ionen durchlässigen Boden oder Deckel, insbesondere einem Drahtgitter bestehen.
Reflektron (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor der ersten Reflektronstufe (10) eine zweite Reflektronstufe (20) zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Feldes (2b) angeordnet ist, und wobei die Feldstärke des zweiten elektrischen Feldes (2b) größer als die Feldstärke des ersten elektrischen Feldes (2a) ist.
Reflektron (1) nach Anspruch 9, wobei die erste und letzte Elektrode (21) der zweiten Reflektronstufe (20) Elektroden umfassen, die aus einem Ring und einem mit dem Ring verbundenen, für Ionen durchlässigen Boden oder Deckel, insbesondere einem Drahtgitter bestehen.
Reflektron (1) nach Anspruch 9 oder 10, wobei Elektroden (21) der zweiten Reflektronstufe (20) eine vierte Dicke (d₄) aufweisen, die einen Faktor 10, bevorzugt einen Faktor 20 größer ist als die zweite Dicke (d₂) der zweiten Elektroden (12) der ersten Reflektronstufe (10), noch bevorzugter die gleiche Dicke aufweisen, wie die dritte Dicke (d₃) der dritten Elektroden (13) der ersten Reflektronstufe (10).
Reflektron (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11, wobei die letzte Elektrode der zweiten Reflektronstufe (20) und die ersten Elektrode der ersten Reflektronstufe (10) aus einer gemeinsamen Elektrode gebildet werden, wobei zur Unterteilung der Reflektronstufen (10, 20) in der Mitte der betreffenden Elektrode sich über ihren Durchmesser ein für Ionen durchlässiges Gitternetz erstreckt.
Reflektron (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand (d_A) zwischen benachbarten Elektroden kleiner als 1 mm ist und bevorzugt der zweiten Dicke (d₂) der zweiten Elektroden (12) der ersten Reflektronstufe (10) entspricht.
Reflektron (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Reflektron eine Länge von kleiner 150 mm, bevorzugt kleiner 100 mm aufweist.
Reflektron (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge (L_R1) der ersten Reflektronstufe (10) kleiner als 100 mm ist, bevorzugt kleiner als 80 mm und/oder die Länge (L_R2) der zweiten Reflektronstufe (20) kleiner als 20 mm, bevorzugt kleiner als 15 mm ist.
Flugzeitmassenspektrometer umfassend eine Ionenquelle (101), einen Detektor (113) und ein Reflektron (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Abbremsung und Umlenkung des in das Reflektron (110) eintretenden Ionenstrahles auf den Detektor (113).