DE102012110490A1

DE102012110490A1 - Massenspektrometer, welches Detektorenanordnungen umfasst

Info

Publication number: DE102012110490A1
Application number: DE201210110490
Authority: DE
Inventors: Philip Anthony Freedman
Original assignee: Nu Instruments Ltd
Current assignee: Nu Instruments Ltd
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2013-05-02
Also published as: GB2499868A; GB201118933D0; GB201219576D0

Abstract

Es werden Massenspektrometer vorgeschlagen, die besonders nützlich für die Untersuchung von Ionenstrahlen über einen breiten Bereich von Ionenmassen sind, worin einzelne Strahlen von Ionen verschiedener Masse auf eine Schlitzanordnung in einer Schlitzanordnungsplatte (7) abgebildet werden, wobei der Abstand der Schlitze dem Abstand des Satzes von Ionenstrahlen (1 bis 6) entspricht, der aus dem magnetischen Auffächern eines gemischten Ionenstrahls aus einer Quelle resultiert. Einzelne Detektoren (8, 9, 10, 17, 18, 19), z. B. Faraday-Becher, sind jedem Schlitz zugeordnet. Gemäß der Erfindung ist eine Anzahl von elektrostatischen Analysatoren (14, 15, 16) zwischen einigen oder allen der Schlitze in der Schlitzanordnungsplatte (7) angeordnet, durch welche Ionen mit höherer Masse als der der hauptsächlichen Spezies in dem Ionenstrahl treten, um gestreute Ionen und Elektronen abzufangen und dementsprechend die Empfindlichkeit der Vorrichtung erheblich zu steigern.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Massenspektrometer, und insbesondere auf solche Instrumente, die eine Detektoranordnung verwenden, und welche bei der Analyse von Ionenstrahlen über einen weiten Ionenmassenbereich verwendet werden sollen.
Aus der Untersuchung von Isotopenverhältnissen von Atomen und Molekülen kann viel gelernt werden. Es wurde kürzlich gezeigt, dass das Isotopenverhältnis von doppelt substituierten Spezies, wie dem ¹³C¹⁶O¹⁸O Isotopologen von CO₂ oder dem ¹³CH₃D Isotopologen von CH₄, direkte Information über die Temperatur liefern kann, bei der diese Gase gebildet wurden (siehe z. B. Eiler und Schauble, Geochimica et Cosmochimica Acta, 68 (2004) 4767–4777 (Ref. 1) und J. M. Eiler, Earth and Planetary Science Letters 262 (2007) 309–327 (Ref. 2)). Als solche können sie in verschiedener Weise Verwendung finden, wie der Möglichkeit eines absoluten Thermometers zur Untersuchung der Wärmegeschichte unseres Planeten (die für Klimauntersuchungen benötigt wird), oder könnten als Marker für unterschiedliche Methanquellen bei Bergbau-/Bohraktivitäten fungieren. Diese Technologie beruht auf dem Umstand, dass die Bindungsstärke zwischen zwei schweren Isotopen größer ist als zwischen leichteren Isotopen (bedingt durch die Nullpunktsenergie der molekularen Bindung), so dass es eine Präferenz für eine solche Verteilung gegenüber einer vollständig randomisierten Population gibt. Indem die Temperatur erhöht wird, bewegt sich das System hin zu vollständiger Randomisierung, daher die Verwendung der Technologie als Thermometer. Die hier angegebenen Isotope des Kohlenstoffs, Sauerstoffs und Wasserstoffs werden gewöhnlich als „stabile Isotope” bezeichnet, da sie nicht mit der Zeit zerfallen, und folglich der Anteil in einer Probe konstant bleibt. Isotope von Elemente, die mit der Zeit zerfallen, werden als „radiogen” bezeichnet, und werden oft in Untersuchungen wie der Datierung von Gesteinen verwendet.
Die mehrfach substituierten Isotopenspezies neigen dazu, in natürlichen Proben eine extrem niedrige Häufigkeit zu haben. So beträgt z. B. im Falle von Kohlendioxid die natürliche Häufigkeit des Kohlenstoff-13-Isotops 1,1% des Hauptspezies 12C, während die des Sauerstoff-18-Isotops nur 0,2% der Hauptspezies ist. Das seltene ¹³C¹⁶O¹⁸O Isotopologe (mit der atomaren Masse 47) macht also etwa 44 ppm der Hauptspezies (44 amu) aus. Theoretische Untersuchungen haben gezeigt, dass Temperatureffekte bei der Bildung des obengenannten Moleküls in einer Gesamtänderung der absoluten Konzentration dieser Spezies um etwa ein Teil von Tausend resultieren. Nahe an der Raumtemperatur kann eine Veränderung der absoluten Konzentration um einige ppm (parts per million) die Messung von Temperaturen auf einige Grad Celsius erlauben. Solche Veränderungen können mittels Massenspektrometrie gemessen werden.
In der gegenwärtigen Praxis der Massenspektrometrie wird in solchen Untersuchungen Gas der untersuchten Spezies in die Quelle eines Massenspektrometers eingeführt, wo es ionisiert wird, und die erzeugten Ionen mit einem Potentialfeld von 3 bis 10 kV extrahiert werden. Die Ionen treten dann durch ein Magnetfeld, wo die leichteren Spezies einer größeren Ablenkung als die schwereren Bestandteile der Probe unterliegen. Die abgetrennten Ionen werden dann auf eine Bildebene fokussiert, wo eine Detektoranordnung angeordnet ist, um die Intensität der einzelnen Massen aufzuzeichnen. Mit Kohlendioxid als Beispiel entsprechen Ionen der Masse 44 dem Molekül ¹²C¹⁶O₂, welches die hauptsächliche Isotopenkomponente des Gases darstellt. Ionen der Masse 45 können vom ¹³C¹⁶O₂ (etwa 1,1%) und vom ¹²C¹⁶O¹⁷O (etwa 0,08%) stammen. Ionen der Masse 46 stammen von der ¹²C¹⁶O¹⁸O Isotopenspezies (etwa 0,4%) zusammen mit einem untergeordneten Beitrag vom ¹³C¹⁷O¹⁶O. Technologien zur Berücksichtigung der vorhandenen kleineren isobaren Interferenzen zur Bestimmung der absoluten Konzentration von ¹³C und ¹⁸O in der ursprünglichen Probe sind gut bekannt.
Diese absoluten Konzentrationen können durch zwei Modifikationen an einer bekannteren Massenspektrometeranordnung mit einer Genauigkeit von wenigen ppm gemessen werden. Erstens werden alle Messungen im Vergleich zu einem Referenzgas bekannter Isotopenzusammensetzung vollzogen, indem zwischen Messungen am Referenzgas und solchen an der Probe abgewechselt wird. Dieses Abwechseln wird mittels besonderer Ventile kurz vor der Quelle erreicht, und die normalerweise angewendete Abfolge erlaubt die Messung an jedem Gasstrom für etwa 10 Sekunden, bevor die Ventile umgeschaltet werden und der zweite Gasstrom gemessen wird. Diese Technologie ist gut bekannt, und erlaubt die Kompensation jeglicher langsamer Drift der Transmission oder Empfindlichkeit des Instruments.
Um jegliche Variation in der Transmission der verschiedenen Isotopenspezies (unterschiedlicher Masse) zu kompensieren, werden gemeinhin alle Massen mit getrennten Detektoren gleichzeitig aufgezeichnet. Daher ist es bei den hier interessierenden Untersuchungen (aber nicht nur diesen) üblich, eine Reihe von Faraday-Bechern entlang der Bildebene des Massenspektrometers anzuordnen, wobei jeder Becher dazu angeordnet ist, Ionen einer anderen (ganzzahligen) Masse zu sammeln. In dem oben beschriebenen Beispiel würden drei Detektoren so angeordnet werden, dass sie die Strahlen von Ionen mit 44, 45 und 46 amu aufzeichnen. Da sowohl der Referenzgas- wie der Probengasstrom auf diese Weise gemessen werden, wird jegliche instrumentelle Veränderung in der Transmission oder Detektion der verschiedenen Massen kompensiert, so dass hohe Genauigkeit erreicht wird. Solch eine Anordnung wird Multi-Kollektor-Detektor-Anordnung genannt.
Um die doppelt-substituierten Isotopologen zu messen, wurde der obige Ansatz um weitere Detektoren erweitert. Für den Fall des Kohlendioxids werden gewöhnlich weitere Detektoren verwendet, zum Aufzeichnen der zusätzlichen Massen 47, 48 und 49 amu. Der 47 amu Detektor wird verwendet, um den gewünschten ¹³C¹⁶O¹⁸O-Ionenstrahl aufzuzeichnen. Wie jedoch befürchtet, und seither bestätigt, gibt es bei der erforderlichen Messgenauigkeit isobare Interferenzen anderer Spezies, die in den Gasen oft vorkommen. Selbst nach extremer „Reinigung” der Proben hat es sich als praktisch unmöglich herausgestellt, alle Stickstoff- und Chlorspezies aus dem Gas zu entfernen. So hat zum Beispiel 15N16O2 auch eine Nominal-Masse von 47 amu, und ebenso 35Cl12C, und keine dieser Spezies kann komplett aus einer Probe oder dem Referenzgas entfernt werden. Um diese Interferenzen zu berücksichtigen, konnte gezeigt werden, dass der 48 amu-Ionenstrahl verwendet werden kann, um die Stickstoff-Verunreinigung zu kompensieren (indem gezeigt wurde, dass das 47 amu-Stickstoff-Signal ein konstanter Bruchteil des 48 amu-Ionenstrahls ist), während der 49 amu-Ionenstrahl in ähnlicher Weise verwendet werden kann, um die Chlor-Kontamination zu kompensieren.
Leider gibt es weitere Interferenzen dieser untergeordneten Signale in der derzeitigen Instrumentengeneration. Diese äußern sich am deutlichsten in einer Grundlinienschwankung um die interessierenden Peaks herum, und sind auf gestreute Ionen und Elektronen zurückzuführen. So treffen zum Beispiel einige Ionen des durch die Strahlröhre des Massenspektrometers tretenden Hauptionenstrahls auf die Begrenzungswände und erzeugen beim Auftreffen auf die Metalloberfläche Sekundärelektronen und -ionen. Dieser Effekt kann einen allmählich variierenden Hintergrund von gestreuten Spezies erzeugen, vor welchem die aufgezeichneten interessierenden Strahlen dargestellt werden. Im Falle von gestreuten Elektronen wird die Grundlinie abgesenkt (wird negativ), während die Grundlinie durch Ionen erhöht wird. Theoretisch kann dieser Effekt dadurch berücksichtigt werden, indem die Grundlinie bei „halber Masse” gemessen wird, wo keine Peaks vorhanden sein sollten, sondern nur die Streuung. In einigen Fällen ist diese „allmähliche” Grundlinienabsenkung, in absoluten Größen, vielfach größer als das tatsächliche gemessene Ionenstrahlsignal.
Zusätzlich zu diesem „allmählichen” Effekt gibt es jedoch die angesammelten gestreuten Ionen und Elektronen, die aus dem Umstand resultieren, dass nicht alle auf einen Faraday-Becher auftreffenden Ionen eingefangen werden und zum aufgezeichneten Signal beitragen, und manche entkommen auch. Daher wird zwar gewöhnlich angenommen, dass ein Ion im Weiteren ignoriert werden kann, sobald es durch den Eingang des Faraday-Bechers getreten ist. Diese Annahme ist jedoch inkorrekt, da kein Faraday-Becher zu genau 100% effektiv ist. Wenn ein Ion auf den Boden des Bechers trifft, gibt es eine von Null verschiedene Wahrscheinlichkeit für die Erzeugung von Sekundär-Ionen und -Elektronen. Da der Becher nicht unendlich tief ist, gibt es eine endliche Chance, dass manche dieser Ionen und Elektronen aus dem Becher entkommen können, und ein Teil dieser Sekundären kann durch magnetische und elektrische Streufelder nahe der Detektoranordnung abgelenkt werden, und kann in benachbarte Kollektoren eintreten und von diesen aufgezeichnet werden. Diese Art von gestreuten Spezies resultieren in einem Offset der aufgezeichneten Ionenstrahlsignale für die untergeordneten Bestandteile, ist aber (ungefähr) proportional zur Hauptionenstrahlintensität. Solche Streuung resultiert in einer sichtbaren Nicht-Linearität der beobachteten Signale, und wird herkömmlicherweise durch sorgfältigen Vergleich mit bei bekannter Temperatur hergestellten Standards berücksichtigt. (Dies sind nicht die obengenannten „Referenzgase”, die zur Berücksichtigung kurzzeitiger Schwankungen der Massenspektrometer-Transmission dienen, sondern in gleicher Weise wie die Proben, aber bei unterschiedlichen Temperaturen hergestellte Gase, für die absolute Temperatur-Skalierung.)
Ein weiterer Hintergrund-Beitrag kann auftreten, wenn der Ionenstrahl über den Eingang der Kollektorschlitze gescannt wird. Solange er auf die mechanische Kante des definierenden Schlitzes trifft, werden große Mengen der Sekundären erzeugt. Dies kann sich in einer schweren Verformung der aufgezeichneten untergeordneten Signale um Start- und Endpunkt des aufgezeichneten Ionenstrahlpeaks herum äußern. Als solches sollte dieser Effekt die instrumentelle Leistungsfähigkeit des Messverfahrens nicht beeinträchtigen, da keine Messung durchgeführt wird, wenn der Ionenstrahl nicht auf den Kollektor zentriert ist. Allerdings kann dieser Effekt dazu führen, dass die „allmähliche” Schwankung schwierig zu quantifizieren ist, da der Ionenstrahl im Vergleich zur Breite und zur Beabstandung der Kollektoren nicht beliebig schmal ist, und ein signifikanter Beitrag auch bei der „halbe Masse”-Position noch vorhanden sein kann. Solche Effekte äußern sich oft in asymmetrischen Grundlinien zwischen den Peaks, und der Benutzer muss „raten”, wo die beste Position für die Grundlinienmessung ist, unter der Annahme, dass die gewählte Position die allgemeine Streuung gut repräsentiert.
Obgleich also zahlreiche Verfahren zur Berücksichtigung solcher Grundlinienmängel bekannt sind, beruhen sie auf der Annahme, Dass sie während der Messdauer stabil sind. Diese kann allerdings in der Praxis recht lang sein. Wegen der niedrigen absoluten Konzentration der untergeordneten, doppelt substituierten Spezies, und der für die Generierung aussagefähiger Daten bei der Messung erforderlichen hohen Genauigkeit, nimmt jede Probenerzeugungs- und Messungs-Sequenz einen Zeitraum von mehreren Stunden in Anspruch. Außerdem muss man auch die Standards (für die absolute Temperatur-Skalierung) mit einer ähnlichen Frequenz messen, wenn der Gesamtfehler nicht durch die Ungenauigkeit der Standard-Messung bestimmt sein soll. Es wurde gezeigt, dass auch kleine Änderungen in den Quellensteuerungsbedingungen drastische Änderungen in den Absolutwerten der Streueffekte verursachen können. Dies bedingt extreme Anforderungen an die Langzeit-Stabilität, was wiederum bedeutet, dass man dazu gezwungen ist, ein Instrument ausschließlich für diese Untersuchungen zu verwenden, statt eine universelle Lösung vorzusehen, die für solche Arbeit ebenso verwendet werden kann wie für bekanntere Untersuchungen.
Es ist von Versuchen berichtet worden, die Effekte von gestreuten Ionenstrahlen zu minimieren, aber diese waren darauf beschränkt zu versuchen, untergeordnete Ionenstrahlen in der Gegenwart intensiver Hauptstrahlen aufzuzeichnen, wobei die Streuung eine Folge von Gaskollisionen innerhalb des Massenspektrometer-Vakuumsystems ist. Diese Gaskollisionen führen zu einem Energieverlust der Ionen, und erzeugen im Massenscan beim Peak einen Sockel („tail”) auf der Seite zu niedrigeren Massen. Das übliche Beispiel ist die Messung von untergeordneten Isotopen des Urans, die oft „überdeckt” werden vom Niedermassen-”Abundance”-Sockel des hauptsächlichen 238 amu-Ions. Um diesen Sockel zu vermeiden, sind zwei Ansätze erfolgreich verfolgt worden, nämlich entweder die Anordnung eines (im physikalischen Sinn) großen energiedispersiven Elements, oder die Verwendung eines Elements zur Erzeugung einer Potentialbarriere. Die erstere Vorrichtung vermag die Ionen, die keiner Kollision unterlegen waren (und deshalb noch die ganze Beschleunigungsenergie des ursprünglichen Ionenstrahls aufweisen), physikalisch im Raum von jenen zu trennen, die aufgrund einer Kollision Energie verloren haben. Letztere werden im (üblicherweise) elektrostatischen Feld des dispersiven Elements (ein elektrostatischer Analysator, oder ESA) eine stärkere Ablenkung erfahren, und dies kann dazu verwendet werden, den Streu-Sockel der Hauptspezies zu vermeiden, oder wenigstens zu verringern. Um die unerwünschten gestreuten Ionen physikalisch vom interessierenden Hauptstrahl zu trennen, braucht man bekanntlich einen ESA mit einem mechanischen Radius, der ähnlich groß wie oder größer ist als der Radius des magnetischen Analysators. Der zweite Typ Vorrichtung, der heutzutage aufgrund seiner geringeren physikalischen Größe eher häufiger anzutreffen ist, stellt im Endeffekt eine Potentialbarriere nahe der Beschleunigungsenergie des ursprünglichen Ionenstrahls bereit. Daher können Ionen, die noch ihre ursprüngliche Energie haben, gerade noch durch die Vorrichtung treten, aber jegliche Ionen, die Kollisionen unterlegen waren und daher Energie verloren haben, weisen nicht mehr genügend Energie auf, um durch die Vorrichtung zu treten, und werden zurückgeworfen. Beide Ansätze funktionieren nur für die Niedermassen-Seite des Hauptpeaks, da der (kollisions-induzierte) Energieverlust sich rein asymmetrisch zur Niedermassen-Seite auswirkt.
Diese Arten von Vorrichtungen sind vorgesehen, Ionen mit einer Energie nahe der des ursprünglichen Ionenstrahls zurückzuwerfen, da die bei Kollisionen verlorene Energie tendenziell klein ist. In Hinblick auf das oben beschriebene Streuproblem sind eine Anzahl von Unterschieden zu verzeichnen: Der Energieunterschied zwischen den gestreuten, interferierenden Spezies und den gewünschten Ionen ist groß; die untergeordneten Ionen liegen auf der Hochmassen-Seite des hauptsächlichen in dem Massenspektrometer vorkommenden Ionenstrahls; ein großer Teil des Streubeitrags stammt von Elektronen, nicht von Ionen.
Wie weiter unten genauer beschrieben werden wird, werden gemäß der Erfindung kleine elektrostatische Analysatoren zum Abweisen dieser Spezies eingesetzt, wodurch eine einfache Lösung zu ihrer Beseitigung aus den aufgezeichneten Spektren ermöglicht wird. Da die elektrostatischen Analysator-Vorrichtungen klein sind, ist es möglich, eine Anzahl von ihnen einander benachbart anzuordnen, so dass die Hintergrund-Abweisung für viele benachbarte Massen unternommen werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Massenspektrometer bereitgestellt, mit einer Ionenstrahlquelle, Mitteln zum Erzeugen eines Magnetfelds zum Ablenken von Ionen des Ionenstrahls von der Quelle um Beträge, die von der Masse jedes Ions abhängen, und zum Erzeugen des Bildes der Quelle auf einer primären Blendenschlitzanordnung mit mehreren Schlitzen, welche verschiedenen Ablenkungspfaden der Ionen in dem Strahl unter dem Einfluss des Magnetfelds entsprechen, und mehreren Ionenstrahl-detektierenden, eine Detektoranordnung bildenden Elementen, wobei jedes Element so angeordnet ist, dass es Ionen detektiert, die durch einen zugehörigen Schlitz in der Schlitzanordnung treten, wobei die Trennung der Ionenpfade quer zur Strahlrichtung größer ist als die Breite der Ionenstrahl-detektierenden Elemente, und wobei in wenigstens einigen Ablenkungspfaden der Ionen höherer Masse als der Nominal-Masse der hauptsächlichen Spezies der Ionen in dem aus der Ionenstrahlquelle austretenden Strahl ein oder mehrere elektrostatische Analysatoren jeweils zwischen einem Schlitz in der Schlitzanordnung und dem entsprechenden Ionenstrahl-detektierenden Element angeordnet sind.
In einem solchen Spektrometer minimiert die zusätzliche ESA-Detektoranordnung die oben beschriebenen unerwünschten Streueffekte, wodurch ein stabileres und daher benutzerfreundlicheres Instrument für Untersuchungen über derart große Dynamikbereiche bereitgestellt wird, und folglich die Beschränkung vermeidet, ein besonderes Instrument für die Untersuchung mehrfach substituierter Isotopenspezies einsetzen zu müssen.
Der Einsatz von kleinen ESAs in Multi-Kollektor-Detektor-Anordnungen ist bereits beschrieben worden (siehe z. B. EP-A-0509884 ), jedoch speziell zum Ermöglichen einer Detektoranordnung, die große, einzelne Dynodendetektoren in einer Anordnung mit schiefer Kollektor-Bildebene verwendet. Durch Rotieren der Strahlen, nachdem sie durch Schlitze in einer zur Strahlrichtung schiefgestellten Platte getreten sind, kann der Abstand zwischen benachbarten Detektoren vergrößert werden, sodass größere Detektoren verwendet werden können im Vergleich zu dem Fall, dass sie auf den Pfaden von benachbarten getrennten, aber noch nahegelegenen Strahlen von Ionen unterschiedlicher Masse liegen, zum Beispiel mit einem Abstand von nur wenigen mm zwischen Strahlen benachbarter amu-Werte. In der Anordnung gemäß EP-A-0509887 werden die ESAs lediglich eingesetzt, um die Strahlen so zu rotieren, dass sie ungefähr senkrecht zur Richtung des einfallenden Ionenstrahls liegen, um die eingesetzten Detektoren großer Breite zu erlauben, und wegen dieser Größenbeschränkung muss diese Anordnung für jeden Detektor gewählt werden, wie in EP-A-0509887 illustriert. EP-A-0611169 offenbart einen alternativen Ansatz, um das Problem des kleineren Abstands zwischen benachbarten getrennten Ionenstrahlen als der Breite der verwendeten Detektoren zu lösen, indem sekundär-emissive Elemente in den Pfaden der Ionenstrahlen bereitgestellt werden und die Stärke jedes Ionenstrahls durch Erfassung von Emissionen von diesen Elementen mittels Detektoren größerer Breite als dem Abstand zwischen den getrennten Ionenstrahlen erfasst wird.
Im Gegensatz dazu ist in der Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung genügend Raum, um die Detektoren entlang der Kollektor-Bildebene anzuordnen. Dies kann gewünschtenfalls durch Nachrüsten mit den ESAs und Verlegen der Detektoren in derzeit für solche Untersuchungen verwendeten Instrumenten getan werden, insbesondere den oben beschriebenen Isotopenverhältnis-Untersuchungen, in denen der Hauptstrahl nach der Trennung vielfach stärker ist als die sehr schwachen Strahlen auf einer oder beiden Seiten des Hauptstrahls, in Bezug auf welche Streueffekte leicht zu Zähl-Ungenauigkeiten im Fall der Anzahlen der Ionen in diesen sehr schwachen Strahlen führen können.
Die Erfindung wird unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert, wobei:
1 eine grundlegende Massenspektrometer-Anordnung illustriert;
2 ein Diagramm einer Kollektoranordnung zeigt, die in gemäß dem derzeitigen Stand der Technik konstruierten Instrumenten eingesetzt wird;
3 eine Kollektoranordnung zeigt, die in einem Spektrometer gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
In Bezug auf 1 und 2 wird in bekannten Massenspektrometern gemäß dem Stand der Technik das interessierende Gas in einer Quelle 24 ionisiert, unterschiedliche Massen werden durch einen magnetischen Sektor 25 mit Radius Rm aufgefächert, wobei die leichteren Ionen eine stärkere Ablenkung erfahren als die schwereren Ionen. Die einzelnen getrennten Ionenstrahlen 1 bis 6 (1 stellt nur die Positionen der Strahlen 1, 3 und 6 dar) treffen dann auf eine primäre Blendenschlitzanordnung 7 des Massenspektrometers, hinter welcher herkömmliche Faraday-Becher 8 bis 13 angeordnet sind. Die primäre Blendenschlitzanordnung 7 ist dort angeordnet, wo der magnetische Sektor 25 das massen-verteilte Bild des Schlitzes in der Quelle 24 abbildet, aus dem der Ionenstrahl austritt. Die in 2 gezeigte Anordnung erlaubt die gleichzeitige Messung von sechs Massen und entspricht dem obengenannten Fall der Untersuchung von Kohlendioxid. In diesem Beispiel ist der Ionenstrahl 1 der finale Pfad des am stärksten abgelenkten Ions (Masse 44 amu) und der Ionenstrahl 6 der der am wenigstens abgelenkten Ionen (49 amu). Andere Anzahlen von Kollektoren sind möglich, und im Fall sehr schwacher Ionenstrahlsignale ist es möglich, einen oder mehrere der Faraday-Becher durch Ionenvervielfacher zu ersetzen. Dieses Verfahren zum Erfassen sehr schwacher Strahlen ist in der Fachwelt gut bekannt.
3 zeigt eine Detektoranordnung in einem Spektrometer gemäß der vorliegenden Erfindung. In der in 3 gezeigten Anordnung sind die drei Detektoren 17, 18 und 19 für die drei weniger abgelenkten Ionenstrahlen weiter entfernt von der primären Blendenschlitzanordnung 7 positioniert. Diese drei Ionenstrahlen werden nach dem Passieren der primären Blendenschlitzanordnung 7 von kleinen elektrostatischen Analysatoren 14, 15 bzw. 16 in die verlagerten Faraday-Becher 17, 18 bzw. 19 abgelenkt. In dem dargestellten Beispiel ist der Radius des dispergierenden Magneten z. B. 250 mm, während die Radien des ESA-Anordnungen nur 80 mm betragen. Die Auftrennung zwischen benachbarten Ionenstrahlen an der primären Blendenschlitzanordnung 7 beträgt etwa 12 mm. Weil die physikalische Breite der Faraday-Becher 17, 18, 19 etwa 4 mm beträgt, gibt es genügend Platz, um die Kollektoren hinter der primären Blendenschlitzanordnung 7 anzuordnen. Spannungen werden an die inneren und äußeren Platten der ESAs 14, 15 und 16 angelegt, um sicherzustellen, dass die Strahlen, die die korrekte Beschleunigungsenergie aufweisen, die korrekte Ablenkung erfahren, um durch einen zweiten Blendenschlitz vor jedem der Faraday-Becher 17, 18, 19 zu treten und von dem entsprechenden Kollektor erfasst zu werden. Wie dargestellt, wird die Trajektorie 21 des Strahls 4 durch die ESA 14 abgelenkt und tritt dann durch einen weiteren Schlitz 20 in den Faraday-Becher 17. Die Berechnung der zum Anlegen an die Platten der ESA erforderlichen Spannungswerte ist gut bekannt. Gestreute Ionen in dem Strahl 4 werden eine wesentlich geringere Energie aufweisen, und einer größeren Ablenkung unterliegen (Trajektorie 22), während Elektronen in dem Strahl in Gegenrichtung abgelenkt werden (Trajektorie 23), und im Ergebnis werden beide nicht in den Faraday-Becher 17 eintreten und aufgezeichnet. Obgleich drei kleine ESA-Anordnungen im dargestellten Beispiel gezeigt sind, kann die Detektoranordnung mehr, oder auch weniger aufweisen.
Die vorliegende Erfindung richtet sich nicht nur auf Massenspektrometer gemäß der obigen Beschreibung, sondern auch auf Verfahren der Erhöhung der Empfindlichkeit und Genauigkeit der Isotopenspektrometrie durch den Einsatz zusätzlicher ESA-Anordnungen, um den Pfad schwacher Ionenstrahlen abzulenken, nachdem sie durch einen entsprechenden Schlitz in einer primären Blendenschlitzanordnung getreten sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0509884 A [0017]
EP 0509887 A [0017]
EP 0611169 A [0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Eiler und Schauble, Geochimica et Cosmochimica Acta, 68 (2004) 4767–4777 (Ref. 1) [0002]
J. M. Eiler, Earth and Planetary Science Letters 262 (2007) 309–327 (Ref. 2) [0002]

Claims

Massenspektrometer mit einer Ionenstrahlquelle, Mitteln zum Erzeugen eines Magnetfelds zum Ablenken von Ionen des Ionenstrahls von der Quelle um Beträge, die von der Masse jedes Ions abhängen, und zum Erzeugen des Bildes der Quelle auf einer primären Blendenschlitzanordnung mit mehreren Schlitzen, welche verschiedenen Ablenkungspfaden der Ionen in dem Strahl unter dem Einfluss des Magnetfelds entsprechen, und mehreren Ionenstrahl-detektierenden, eine Detektoranordnung bildenden Elementen, wobei jedes Element so angeordnet ist, dass es Ionen detektiert, die durch einen zugehörigen Schlitz in der Schlitzanordnung treten, wobei die Trennung der Ionenpfade quer zur Strahlrichtung größer ist als die Breite der Ionenstrahl-detektierenden Elemente, und wobei in wenigstens einigen Ablenkungspfaden der Ionen höherer Masse als der Nominal-Masse der hauptsächlichen Spezies der Ionen in dem aus der Ionenstrahlquelle austretenden Strahl ein oder mehrere elektrostatische Analysatoren jeweils zwischen einem Schlitz in der Schlitzanordnung und dem entsprechenden Ionenstrahl-detektierenden Element angeordnet sind.
Massenspektrometer gemäß Anspruch 1, wobei wenigstens einige der Ionenstrahl-detektierenden Elemente Faraday-Becher sind.
Massenspektrometer gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei eines oder mehrere der Ionenstrahl-detektierenden Elemente Ionenvervielfacher sind.
Massenspektrometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwischen jedem elektronischen Analysator und dem zugehörigen Detektor ein zusätzlicher Schlitz angeordnet ist.
Massenspektrometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die elektrostatischen Analysatoren dazu vorgesehen sind, die Zahl der unerwünscht die Ionenstrahl-detektierenden Elemente erreichenden, gestreuten Ionen zu minimieren.
Massenspektrometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die elektrostatischen Analysatoren ausschließlich in den Ablenkungsstrahlengängen von Ionen höherer Masse als der hauptsächlichen Ionenspezies in dem Strahl angeordnet sind.