DE102015224917B4

DE102015224917B4 - Ionenquelle

Info

Publication number: DE102015224917B4
Application number: DE102015224917.4A
Authority: DE
Inventors: Mingda Wang
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2019-10-10
Anticipated expiration: 2035-12-11
Also published as: US20160172146A1; GB2535591B; US10176977B2; CN105702556A; GB2535591A; JP2016115674A; DE102015224917A1; CN105702556B; JP6739931B2; GB201521498D0

Abstract

Ionenquelle, die folgende Merkmale aufweist:einen Körper (1104), der eine Ionisierungskammer (1108) umgibt;einen Elektronenextrahierer (1140), der konfiguriert ist zum Beschleunigen von Elektronen in die Ionisierungskammer (1108);eine Elektronenquelle (1116) außerhalb der Ionisierungskammer (1108), die eine Elektronenabstoßeinrichtung (1144), eine thermionische Kathode (1138) und eine Elektronenlinse (1266, 1270) zwischen der thermionischen Kathode (1138) und dem Elektronenextrahierer (1140) aufweist; undeine Spannungsquelle, die konfiguriert ist zum Anlegen jeweiliger Spannungen an die Elektronenabstoßeinrichtung (1144), die thermionische Kathode (1138), die Elektronenlinse (1266, 1270) und den Elektronenextrahierer (1140), wirksam zum:Emittieren von Elektronen von der thermionischen Kathode (1138);Beschleunigen der Elektronen zu der Ionisierungskammer (1108) hin; undErzeugen eines Potentialtals an der Elektronenlinse (1266, 1270), das wirksam ist zum Verlangsamen der Elektronen und Bilden einer virtuellen Kathode (1262), die die verlangsamten Elektronen aufweist, an der Elektronenlinse (1266, 1270),dadurch gekennzeichnet, dassdie Elektronenlinse (1266, 1270) eine erste Elektronenlinse (1266) zwischen der thermionischen Kathode (1138) und dem Elektronenextrahierer (1140), und eine zweite Elektronenlinse (1270) zwischen der ersten Elektronenlinse (1266) und dem Elektronenextrahierer (1140) aufweist, und wobei die Spannungsquelle konfiguriert ist zum Anlegen jeweiliger Spannungen an die erste Elektronenlinse (1266) und die zweite Elektronenlinse (1270), wirksam zum:Beschleunigen der Elektronen von der thermionischen Kathode (1138) zu der zweiten Elektronenlinse (1270) hin; undErzeugen des Potentialtals und Bilden der virtuellen Kathode (1262) an der zweiten Elektronenlinse (1270).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Ionenquellen, die einen Elektronenstrahl verwenden, wie sie z. B. bei Massenspektrometrie verwendet werden können, und insbesondere auf Ionenquellen, die für weiche Elektronenionisierung konfiguriert sind.
Ein Massenspektrometrie(MS)-System allgemein umfasst eine Ionenquelle zum Ionisieren von Komponenten einer Probe von Interesse, einen Massenanalysator zum Trennen der Ionen basierend auf ihren unterschiedlichen Masse-Ladungs-Verhältnissen (oder m/z-Verhältnissen oder einfacher gesagt „Massen“), einen Ionendetektor zum Zählen der getrennten Ionen und Elektronik zum Verarbeiten von Ausgangssignalen von dem Ionendetektor nach Bedarf, um ein durch einen Benutzer interpretierbares Massenspektrum zu erzeugen. Das Massenspektrum ist typischerweise eine Reihe von Spitzen, die die relativen Häufigkeiten von erfassten Ionen als eine Funktion ihrer m/z-Verhältnisse anzeigen. Das Massenspektrum kann verwendet werden, um die Molekülstrukturen von Komponenten der Probe zu bestimmen, wodurch es ermöglicht wird, dass die Probe qualitativ und quantitativ charakterisiert wird.
Ein Beispiel einer Ionenquelle, die in MS weit verbreitet ist, ist eine Elektronenionisierungs(EI)-Quelle. In einer typischen EI-Quelle wird Probenmaterial in der Form eines Moleküldampfes in eine Ionisierungskammer eingeführt. Ein Elektronenemitter, typischerweise eine thermionische Kathode, wie z. B. ein erhitzter Faden, der aus einem feuerfesten Material besteht (z. B. Wolfram) wird verwendet, um energetische Ionen zu emittieren. Die emittierten Elektronen werden dann kollimiert und als ein Strahl in die Ionisierungskammer beschleunigt unter dem Einfluss einer Potentialdifferenz, die zwischen dem Faden und einer Anode eingeprägt ist. Das Probenmaterial wird in die Ionisierungskammer eingeführt entlang einem Weg, der den Weg des Elektronenstrahls schneidet. Eine Ionisierung des Probenmaterials tritt auf als Folge dessen, dass der Elektronenstrahl das Probenmaterial in der Region beschießt, wo sich die Proben- und Elektronenwege schneiden. Die Primärreaktion des Ionisierungsprozesses kann durch die folgende Gleichung: M + e^-→ M*⁺ + 2e^- beschrieben werden, wobei M ein Analytmolekül bezeichnet, e^- ein Elektron bezeichnet und M*⁺ das resultierende Molekülion bezeichnet. Das heißt, Elektronen nähern sich einem Molekül nahe genug, um zu bewirken, dass das Molekül durch elektrostatische Abstoßung ein Elektron verliert und folglich ein einfach geladenes positives Ion gebildet wird. Eine Potentialdifferenz wird verwendet, um die Ionen, die in der Ionisierungskammer gebildet werden, zu einer Austrittsöffnung anzuziehen, wonach der resultierende Ionenstrahl in ein nachgeschaltetes Gerät beschleunigt wird, wie z. B. den Massenanalysator, oder zuerst zu einer dazwischenliegenden Komponente, wie z. B. einer Ionenführung, Massenfilter, usw.
Das elektrische Feld, das verwendet wird, um die Elektronen in die Ionisierungskammer zu beschleunigen, wird normalerweise durch eine Fadenspannung erzeugt, die relativ zu der Ionisierungskammerspannung negativ (oder weniger positiv) ist. In vielen EI-Ionenquellen wird eine negativere Elektronenabstoßeinrichtung, die weiter entfernt von der Ionisierungskammer angeordnet ist, verwendet, um mehr Elektronen dazu zu zwingen, in die Ionisierungskammer einzudringen. In einigen der bekannten EI-Ionenquellen ist eine Elektronenlinse zwischen Faden und Ionisierungskammer angeordnet, um Elektronen von dem Faden weg zu ziehen. Während Elektronen mit Gasproben kollidieren, werden Probenneutralteilchen ionisiert, falls die Elektronenenergie größer ist als Probenionisierungspotentiale. Normalerweise dringt der Elektronenstrahl mit einer Energie um 20 -150 eV in die Ionisierungskammer ein, da das typische Probenionisierungspotential zwischen 7,5 bis 15 eV liegt. In solch einer EI-Ionenquelle sind Moleküle extensiv fragmentiert und es werden in der Bibliothek suchbare Massenspektren geschaffen. In einigen Fällen, beispielsweise Strukturaufklärung oder unbekannter Identifikation werden jedoch Massenspektren mit reichen Molekülionen und/oder diagnostischen Ionen höherer Masse bevorzugt. Dies wurde in einigen der bekannten EI-Ionenquellen praktiziert durch Betreiben bei einer niedrigeren Elektronenenergie (8-20 eV), was als „Niedrigelektronenenergie-EI“ oder „weiche EI“ bezeichnet wird. In dem weiche-EI-Modus muss die Spannungsdifferenz zwischen Faden und Ionisierungskammer nahe dem Probenionisierungspotential eingestellt sein, z. B. 10 eV, was zu niedriger elektrischer Feldstärke zwischen Faden und Ionisierungskammer führt. Leider verhindert die niedrige elektrische Feldstärke, dass die EI-Quelle einen stabilen Elektronenstrahl höherer Intensität erzeugt. Somit waren bisherige Versuche, weiche Ionisierung über EI zu implementieren, darauf beschränkt, eine unerwünscht niedrige EI-Signalintensität zu erzeugen.
Wenn die Elektronenenergie über 20 eV liegt, zeigen bekannte EI-Ionenquellen im Allgemeinen eine angemessene Leistung. Wenn die Elektronenergie jedoch geringer als 20 eV ist, ist es für bekannte EI-Ionenquellen schwierig, einen stabilen und hochintensiven Niedrigelektronenenergie-Elektronenstrahl zu erzeugen. Somit sind bekannte EI-Ionenquellen für weiche EI nicht optimal.
Daher besteht ein Bedarf an EI-Ionenquellen, die effektiver sind zum Implementieren von weicher Ionisierung.
Die WO 2014 / 128 462 A1 beschreibt eine Analysevorrichtung für die Massenspektrometrie, die einen Elektronenstoßionisator mit einem Elektronenemitter und einer Ionisationszielzone umfasst. Ein Elektronenextraktionselement ist mit einem Elektronenpfad ausgerichtet, der zwischen dem Elektronenemitter und der lonisationszielzone definiert ist. Das Elektronenextraktionselement ist konfiguriert, um Elektronen entlang des Elektronenwegs zwischen dem Emitter und dem Extraktionselement vom Emitter weg zu beschleunigen, und um die Elektronen entlang des Elektronenwegs zwischen dem Extraktionselement und der lonisationszielzone zu verlangsamen.
Andere, bekannte Ionenquellen sind z.B. in der US 2005 / 0 184 735 A1 und der DE 11 2010 003 411 T5 beschrieben.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ionenquelle zum Herstellen eines Elektronenstrahls für Elektronenionisierung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Ionenquelle gemäß Anspruch 1.
Um die obigen Probleme vollständig oder teilweise anzugehen, und/oder andere Probleme, die durch Fachleute auf diesem Gebiet beobachtet wurden, schafft die vorliegende Offenbarung Verfahren, Prozesse, Systeme, Vorrichtungen, Instrumente und/oder Geräte, wie sie in den nachfolgenden Implementierungen beispielhaft beschrieben sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Ionenquelle: einen Körper, der eine lonisierungskammer umgibt, einen Elektronenextrahierer, der konfiguriert ist zum Beschleunigen von Elektronen in die Ionisierungskammer; eine Elektronenquelle außerhalb der lonisierungskammer, die eine Elektronenabstoßeinrichtung, eine thermionische Kathode, und eine Elektronenlinse zwischen der thermionischen Kathode und dem Elektronenextrahierer aufweist; und eine Spannungsquelle, die konfiguriert ist zum: Anlegen jeweiliger Spannungen an die Elektronenabstoßeinrichtung, die thermionische Kathode, die Elektronenlinse und den Elektronenextrahierer, wirksam zum: Emittieren von Elektronen von der thermionischen Kathode; Beschleunigen der Elektronen zu der Ionisierungskammer hin; und Erzeugen eines Potentialtals an der Elektronenlinse, das wirksam ist zum Verlangsamen der Elektronen und zum Bilden einer virtuellen Kathode, die die verlangsamten Elektronen aufweist, an der Elektronenlinse. Die Elektronenlinse umfasst eine erste Elektronenlinse zwischen der thermionischen Kathode und dem Elektronenextrahierer, und eine zweite Elektronenlinse zwischen der ersten Elektronenlinse und dem Elektronenextrahierer, und die Spannungsquelle ist zum Anlegen jeweiliger Spannungen an die erste Elektronenlinse und die zweite Elektronenlinse konfiguriert und wirksam zum: Beschleunigen der Elektronen von der thermionischen Kathode zu der zweiten Elektronenlinse hin; und Erzeugen des Potentialtals und Bilden der virtuellen Kathode an der zweiten Elektronenlinse.
Andere Geräte, Vorrichtungen, Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für Fachleute auf diesem Gebiet bei der Untersuchung der folgenden Figuren und detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es ist beabsichtigt, dass alle solche zusätzlichen Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile, die in dieser Beschreibung enthalten sind, innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung liegen und durch die angehängten Ansprüche geschützt sind.
Die Erfindung wird durch Bezugnahme auf die folgenden Figuren besser verständlich. Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, stattdessen wird der Schwerpunkt darauf gelegt, die Prinzipien der Erfindung darzustellen. In den Fig. bezeichnen gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Ionenquelle gemäß einigen Ausführungsbeispielen;
2 eine perspektivische Querschnittsansicht der in 1 dargestellten Ionenquelle;
3 ein Modell der Ionenquelle, die durch Ionensimulationssoftware erzeugt wird;
4 das gleiche Modell wie 3, das die Ionenbahnen zeigt, einschließlich eines Ionenstrahls, der entlang der Quellenachse beschränkt ist;
5 eine detailliertere Ansicht der Region um die Linsenanordnung herum;
6 ein weiteres Modell der Ionenquelle, die durch Ionensimulationssoftware erzeugt wird;
7 eine schematische Ansicht eines Beispiels von Hardware, die mit der Ionenquelle versehen sein kann;
8 eine schematische Ansicht eines Abschnitts der in 1 und 2 dargestellten Ionenquelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
9 eine schematische Ansicht eines Beispiels eines Massenspektrometrie(MS)-Systems, in dem eine Ionenquelle wie hierin offenbart vorgesehen sein kann;
10A eine schematische Querschnittseiten(längs-)ansicht einer bekannten EIIonenquelle;
10B ein Diagramm, das die Größe des elektrischen Potentials oder „Potentials des Raums“ (in Volt) in der in 10a dargestellten Ionenquelle als eine Funktion der Axialposition (oder Elektrodenposition) aufzeigt;
11A eine schematische Querschnittsseiten(längs-)ansicht eines Beispiels einer EIIonenquelle, die für weiche EI konfiguriert ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
11B ein Diagramm, das die Größe des elektrischen Potentials oder „Potentials des Raums“ (in Volt) in der in 11A dargestellten Ionenquelle als eine Funktion einer Axialposition (oder Elektrodenposition) aufzeigt;
12A eine schematische Querschnittsseiten(längs-)ansicht eines Beispiels einer EIIonenquelle, die für weiche EI konfiguriert ist, gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
12B ein Diagramm, das die Größe des elektrischen Potentials oder „Potentials des Raums“ (in Volt) in der in 12B dargestellten Ionenquelle als eine Funktion einer Axialposition (oder Elektrodenposition) aufzeigt;
13A ein Massenspektrum des zusammengesetzten N-Dotriacontan, gemessen durch ein Massenspektrometer, das eine herkömmliche Ionenquelle aufweist mit einer Konfiguration, die mit der in 10A und 10B dargestellten Ionenquelle übereinstimmt; und
13B ein Massenspektrum des gleichen zusammengesetzten N-Dotriacontans, gemessen durch das gleiche Massenspektrometer wie in 13A, aber unter Verwendung einer Ionenquelle mit einer Konfiguration, die mit den in 11A bis 12B gezeigten Ionenquellen übereinstimmt.

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Ionenquelle 100 gemäß einigen Ausführungsbeispielen. 2 ist eine perspektivische Querschnittsansicht der in 1 dargestellten Ionenquelle 100. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Ionenquelle 100 allgemein einen Körper 104, der eine innere Ionisierungskammer oder ein inneres Volumen 208 definiert, eine Magnetanordnung 112, eine Elektronenquelle 116 und eine Linsenanordnung 120.
Die Ionenquelle 100 kann eine Gesamtgeometrie oder Konfiguration aufweisen, die allgemein um eine Quellenachse 124 herum angeordnet ist. Beim Betrieb erzeugt die lonenquelle 100 einen Elektronenstrahl entlang der Quellenachse 124 und kann einen zu ionisierenden Probenmaterialstrom in jeder Richtung relativ zu der Quellenachse 124 einlassen. Das zu analysierende Probenmaterial kann durch jede geeignete Einrichtung in die Ionenquelle 100 eingeführt werden, einschließlich kombinierten Techniken, bei denen das Probenmaterial die Ausgabe eines analytischen Trenninstruments ist, wie z. B. eines Gaschromatographie(GC)-Instruments. Die Ionenquelle 100 erzeugt nachfolgend Ionen und fokussiert die Ionen in einen Ionenstrahl entlang der Quellenachse 124. Die Ionen verlassen die Ionenquelle 100 entlang der Quellenachse 124 und dringen in das nächste Ionenverarbeitungsgerät ein, das einen Ioneneingang entlang der Quellenachse 124 aufweisen kann.
Die Ionisierungskammer 208 weist entlang einer Quellenachse 124 eine Länge von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende auf. Ein Probeneinlass 228 ist durch den Körper 104 an jeder geeigneten Stelle gebildet, um einen Weg zum Leiten von Probenmaterial von einer Probenquelle in die Ionisierungskammer 208 bereitzustellen, wo das Probenmaterial mit dem Elektronenstrahl interagiert. Die Axiallänge der Ionisierungskammer 208 kann ausgewählt werden, um eine relativ lange funktionsfähige Elektronenstrahlregion bereitzustellen, die verfügbar ist, um die gewünschten Analytmoleküle zu ionisieren, wodurch die lonisierungseffizienz der Ionenquelle 100 und folglich die Empfindlichkeit des Instruments als Ganzes erhöht wird.
Die Magnetanordnung 112 umgibt den Körper 104 koaxial. Die Magnetanordnung 112 ist konfiguriert zum Erzeugen eines einheitlichen axialen Magnetfelds in der lonisierungskammer 208, das den Elektronenstrahl und den resultierenden Ionenstrahl entlang der Quellenachse 124 fokussiert und komprimiert. Der magnetische beschränkte Ionenstrahl und die relativ lange Ionisierungskammer 208 können die Erzeugung eines Ionenstrahl ermöglichen, der gut geeignet ist für eine verbesserte Extraktion (Emittanz) aus der lonisierungskammer 208 und schließlich in eine nachgeschaltete Ionenverarbeitungsvorrichtung, wie z. B. einen Massenanalysator oder einen anderen Vorrichtungstyp, der dem Massenanalysator vorausgeht, wie z. B. eine Ionenführung, eine Ionenfalle, ein Massenfilter, eine Kollisionszelle, usw. Der Ionenstrahl kann extrahiert werden, ohne die Ionenverluste zu erleiden, die bekannterweise in Nier-Typ-Ionenquellen auftreten, wo eine große Anzahl von Ionen auf eine Kollision mit den Innenoberflächen der Ionisierungskammer 208 hin aus den Fäden gezogen werden oder defokussiert und neutralisiert (verloren) werden. Die Magnetanordnung 112 kann eine Mehrzahl von Magneten 132 umfassen, die um die Quellenachse 124 herum umfangsmäßig voneinander beabstandet sind. Das dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst eine symmetrische Anordnung von vier Magneten 132, die an ringförmigen Jochen 134 befestigt sind. Die Magnete 132 können Permanentmagnete oder Elektromagnete sein. Der Probeneinlass 228 und andere Komponenten, wie z. B. elektrische Leitungen, können in dem Zwischenraum zwischen jedem Paar von benachbarten Magneten 132 positioniert sein. Obwohl die Magnete 132 durch Zwischenräume voneinander beabstandet sind, sind dieselben um die Quellenachse 124 herum symmetrisch angeordnet und das erzeugte axiale Magnetfeld ist einheitlich.
Die Elektronenquelle 116 kann jede Vorrichtung sein, die konfiguriert ist zum Erzeugen von Elektronen und Richten eines Elektronenstrahls durch die Ionisierungskammer 208 von dem ersten Ende. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Elektronenquelle 116 eine oder mehrere Kathoden 238. Die Kathode 238 ist für thermionische Emission konfiguriert und kann somit ein oder mehrere Fäden (oder alternativ Beschichtungen auf Kernen) sein oder umfassen, die aus thermionisch emittierendem Material bestehen, wie z. B. Rhenium oder Wolfram-Rhenium-Legierung. Die Kathode 238 wird auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, um thermionische Emission zu erzeugen. Erhitzen wird typischerweise durchgeführt durch Leiten eines elektrischen Stroms durch die Kathode 238. Der Strom kann eingestellt sein, um die Elektronenenergie einzustellen, die typischerweise auf etwa 70 eV eingestellt ist, aber auch niedriger oder höher sein kann. Die Elektronenquelle 116 umfasst auch eine Ionenabstoßeinrichtung 240 und einen Elektronenreflektor 244 (Platte oder Elektrode). Die Kathode 238 ist zwischen dem Elektronenreflektor 244 und der Ionenabstoßeinrichtung 240 positioniert, an einer Stelle, die auch als Elektronenquellenregion betrachtet werden kann, die durch die Ionenabstoßeinrichtung 240 von der Ionisierungskammer 208 getrennt ist. Die Ionenabstoßeinrichtung 240 (die auch als ein Elektronenextrahierer angesehen werden kann) kann als eine Wand oder Platte mit einer Öffnung an der Quellenachse 124 konfiguriert sein. Die Elektronenenergie ist durch die Spannungen eingestellt, die an die Ionenabstoßeinrichtung 240 und den Ionenreflektor 244 angelegt sind. Eine Spannung, die an den Elektronenreflektor 244 angelegt ist, beschleunigt die so erzeugten Elektronen zu der Linsenanordnung 120 hin. Zu diesem Zweck kann ein Axialspannungsgradient zwischen dem Elektronenreflektor 244 und jedem geeigneten leitfähigen Element (Anode) nachgeschaltet zu der Kathode 238, wie z. B. einem „Extrahierer“ der Linsenanordnung 120, angelegt werden, wie es nachfolgend beschrieben ist. Die Spannung, die an Elektronenreflektor 244 angelegt ist, ist typischerweise negativ, aber allgemeiner gesagt weniger positiv als die Ionenabstoßeinrichtung 240 und andere nachgeschaltete Optik bis zu einem „ersten Linsenelement“ der Linsenanordnung 120, die nachfolgend beschrieben ist. Der Elektronenreflektor 244 und die Kathode 238 können bei gleichen Potentialen betrieben werden, oder der Elektronenreflektor 244 kann negativer sein als die Kathode 238, um ein Abstoßen von Elektronen in die Ionisierungskammer 208 zu unterstützen.
Die Linsenanordnung 120 ist an dem zweiten Ende der Ionisierungskammer 208 positioniert, axial gegenüber zu Elektronenquelle 116. Die Linsenanordnung 120 ist unter anderem konfiguriert zum Richten eines Ionenstrahls aus der Ionisierungskammer 208 entlang der Quellenachse 124 und in die nächste Ionenverarbeitungsvorrichtung. Zu diesem Zweck umfasst die Linsenanordnung 120 eine Mehrzahl von Linsenelementen (oder Elektroden), die durch Spannungsquellen unabhängig adressierbar sind. Jedes Linsenelement kann eine Öffnung oder einen Schlitz auf der Quellenachse 124 aufweisen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Linsenanordnung 120 eine Ionenextraktionslinse (oder einen Ionenextrahierer) 248, ein erstes Linsenelement (oder Elektronenreflektor) 250, beabstandet von dem Extrahierer 248 entlang der Quellenachse 124, ein zweites Linsenelement (oder Ionenreflektor) 252, beabstandet von dem ersten Linsenelement 250 entlang der Quellenachse 124, und ein Ionenquellenaustrittslinsenelement (oder Ionenstrahlfokussierungslinsenelement) 256, beabstandet von dem zweiten Linsenelement 252 entlang der Quellenachse 124. Das Ionenquellenaustrittslinsenelement 256 kann konfiguriert sein als oder auch dienen als das Eintrittslinsenelement in eine Ionenverarbeitungsvorrichtung. Die Linsenanordnung 120 kann auch ein oder mehrere zusätzliche Ionenfokussierungslinsenelemente 254 zwischen dem zweiten Linsenelement 252 und dem Ionenquellenaustrittslinsenelement 256 umfassen, das zum Fokussieren des Ionenstrahls verwendet werden kann. Die Ionenabstoßeinrichtung 240 und der Extrahierer 248 können so gesehen werden, dass dieselben das axiale erste bzw. zweite Ende der Ionisierungskammer 208 sind. Wie es für Fachleute auf diesem Gebiet klar ist, kann eine Spannung mit geeigneter Größe an den Extrahierer 248 angelegt werden, um ein Herausziehen des Ionenstrahls aus der Ionisierungskammer 208 zu unterstützen.
Das erste Linsenelement 250 ist genau außerhalb der Ionisierungskammer 208 positioniert und ist direkt benachbart zu dem Extrahierer 248 an der nachgeschalteten Seite desselben. Eine Spannung mit geeigneter Größe kann an das erste Linsenelement 250 angelegt werden, um den Elektronenstrahl zurück in die Ionisierungskammer 208 zu reflektieren. Folglich wirken die Kathode 238 (oder die Kathode 238 und der Elektronenreflektor 244) und das erste Linsenelement 250 zusammen, um den Elektronenstrahl vor und zurück zu reflektieren durch die Ionisierungskammer 208 entlang der Quellenachse 124, wodurch die Elektronendichte intensiviert wird, die für EI-Ionisierung von Analyten in der Ionisierungskammer 208 verfügbar ist.
Um Elektronen zurück in die Ionisierungskammer 208 zu reflektieren, kann eine Spannung mit relativ hoher Größe an das erste Linsenelement 250 angelegt werden. Dies kann zu der Erzeugung von Ionen führen, allgemein in der Region zwischen dem ersten Linsenelement 250 und dem Extrahierer 248, die als eine Ioneneinfangregion bezeichnet werden kann. Im Vergleich zu der Ionisierungskammer 208 ist die Energie in dieser Region niedrig und somit können Ionen, die in dieser Region erzeugt werden, unerwünscht niedrige Ionenenergien haben. Folglich sind diese Ionen anfällig dafür, in dieser Region eingefangen zu werden. Diese Ionen können hierin als „Niedrig-Energie-“ oder „Niedrigere-Energie-“ oder „eingefangene“ Ionen bezeichnet werden, was sich im vorliegenden Zusammenhang auf Ionen bezieht mit Energien, die niedrig genug sind, um in der Einfangregion eingegangen zu werden unter den Betriebsbedingungen, die für die Ionenquelle 100 in Betracht gezogen werden. Im Vergleich dazu sind „Hoch-Energie-„ oder „Höhere-Energie“ oder „nicht eingefangene“ Ionen typischerweise diejenigen, die in der lonisierungskammer 208 erzeugt werden, in der Lage, die Linsenanordnung 120 zu durchdringen und in die nachgeschaltete Ionenverarbeitungsvorrichtung einzudringen, Ioneneinfangen kann zu unerwünschter Raumladung und unerwünschten Ionenstrominstabilitäten führen, was folglich zu unerwünschter unregelmäßiger Leistungsfähigkeit führt.
Das zweite Linsenelement 252 ist vorgesehen, um Ioneneinfangen in der Region zwischen dem Linsenelement 252 und dem Extrahierer 248 zu reduzieren oder zu eliminieren. Die Spannung, die an dem zweiten Linsenelement 252 eingestellt ist, kann positiver sein als die Spannung, die an dem ersten Linsenelement 250 eingestellt ist. Folglich reflektiert das zweite Linsenelement 252 die Niedrigenergieionen zurück zu dem ersten Linsenelement 250 und diese Ionen kollidieren mit dem ersten Linsenelement 250 und werden neutralisiert. Außerdem kann das erste Linsenselement 250 so nahe wie möglich an dem Extrahierer 248 angeordnet sein, um Ioneneinfangen in der Einfangregion zu minimieren.
3 ist ein Modell einer Ionenquelle 300, die durch Ionensimulationssoftware erzeugt wird. Das Modell entspricht einer Querschnittsseitenansicht der Ionenquelle 300. Die lonenquelle 300 ist im Allgemeinen ähnlich wie die oben beschriebene und in 1 und 2 dargestellte Ionenquelle 100 und entsprechend sind ähnliche Komponenten durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Das Modell umfasst ein Hochfrequenz-(HF)-Quadrupolmassenfilter 360, das auf der Achse mit der Ionenquelle 300 positioniert ist genau nachgeschaltet zu dem Austrittslinsenelement 256. 3 zeigt einen intensiven Elektronenstrahl 362, der entlang der Quellenachse konzentriert ist, in der Elektronen vor und zurück reflektiert werden zwischen der Kathode 238 und dem ersten Linsenelement 250. Bei dieser Simulation betrug die Magnetfeldstärke 750 Gauß. In der Praxis können stärkere oder schwächere Magnetfelder verwendet werden.
3 stellt auch ein Ausführungsbeispiel dar, bei dem zumindest ein Abschnitt 364 der Ionisierungskammer 208 (z. B. ein Abschnitt, der durch eine Innenoberfläche oder -oberflächen des Körpers 104 definiert ist) verjüngt oder konisch ist und in der Richtung der Linsenanordnung 120 divergiert. Das heißt, der Querschnittsbereich der lonisierungskammer 208 erhöht sich allmählich in der Richtung der Linsenanordnung 120. Diese variierende Geometrie dämpft das elektrische Feld leicht, was bewirken kann, dass Ionen vorzugsweise in der Richtung der Linsenanordnung 120 und der nachfolgenden Ionenverarbeitungsvorrichtung verlaufen.
4 ist das gleiche Modell wie 3, zeigt aber die Ionenbahnen, einschließlich eines Ionenstrahls 466, begrenzt entlang der Quellenachse. 5 ist eine detailliertere Ansicht der Region um die Linsenanordnung 120 herum. Die Ioneneinfangregion ist durch einen Kreis 568 angezeigt. In 4 und 5 Niedrig-Energie-Ionen 470 sind gezeigt, die von dem zweiten Linsenelement 252 reflektiert werden und mit dem ersten Linsenelement 250 kollidieren. 4 und 5 zeigen, dass hierin offenbarte Ionenquellen in der Lage sind, Ioneneinfangen wesentlich zu reduzieren oder zu eliminieren, während eine hocheffiziente Übertragung von Höhere-Energie-Ionen beibehalten wird, die in dem Ionenvolumen der Ionenquelle erzeugt werden. Es wird angemerkt, dass, obwohl die Ionenquelle 300 in 3-5 unter Verwendung der Konisches-Ionenvolumen-Geometrie modelliert wurde, andere Modelle simuliert wurden unter Verwendung der Gerade-Bohrung(konstanter Innendurchmesser-)Geometrie, die derjenigen, die in 2 gezeigt ist, und ähnliche Ergebnisse erzielte.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann das axiale Magnetfeld modifiziert sein, um den Elektronenstrahl und den nachfolgend erzeugten Ionenstrahl auf gewünschte Weise zu formen. Dies kann beispielsweise durch Modifizieren der Konfiguration der Magnetanordnung erreicht werden.
6 ist ein weiteres Modell einer Ionenquelle 600, die durch Ionensimulationssoftware erzeugt wird, die einen axialen Elektronenstrahl 672 und eine Magnetanordnung 612 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt. Zusätzlich zu Magneten, die relativ zu der Quellenachse radial angeordnet sind (radiale Magnete 132), umfasst die Magnetanordnung 612 einen hinteren oder axialen Magnet 674. Der axiale Magnet 674 ist auf der Quellenachse außerhalb der Ionisierungskammer 208 angeordnet, auf der Seite des Elektronenreflektors 244 gegenüber der Ionisierungskammer 208. Bei diesem Beispiel ist der axiale Magnet 674 plattenförmig und die Quellenachse verläuft durch dessen Mitte. Mit der Hinzufügung des axialen Magnets 674 ist der Elektronenstrahl 672 an dem Elektronenquellenende fokussierter und dehnt sich allmählich aus oder divergiert in der Richtung der Linsenanordnung 120. Das Ausdehnen der Hüllkurve des Elektronenstrahls 672 erzeugt eine größere Ionisierungsregion, was die Ionisierungswahrscheinlichkeit verbessern kann. Dies kann sinnvoll sein beim Adressieren der nachteiligen Auswirkungen von Raumladung auf den Ionisierungsprozess.
7 ist eine schematische Ansicht eines Beispiels von Hardware oder Elektronik 700, die mit einer Ionenquelle wie hierin offenbart versehen sein kann. Einzelne Spannungen, die an verschiedene Komponenten der Ionenquelle angelegt sind, sind als jeweilige Spannungsquellen 776, 792 dargestellt (die hierin gemeinsam sind als eine Leistungsversorgung oder Spannungsquelle bezeichnet werden können). Bei einigen Ausführungsbeispielen können eine oder mehrere Spannungen 786 an ein oder mehrere leitfähige Elemente des Körpers 104 angelegt werden. Die gezeigten Spannungsquellen 776-792 sind in Signalkommunikation mit einer Steuerung 794 (z. B. einer elektronischen prozessorbasierten Steuerung oder einem solchen Computer), um zu zeigen, dass Parameter einer oder mehrerer der Spannungsquellen 776-792 durch die Steuerung 794 gesteuert werden können. Die Parameter können beispielsweise Einstellungen und Anpassungen von Spannungsgrößen aufweisen, Ein-Aus-Zustände, Zeitgebung und Dauer von angelegten Spannungen, Koordination oder Synchronisation des Anlegens von Spannungen an zwei oder mehr der Spannungsquellen 776-792, usw. Die Steuerung 794 kann ein computerlesbares Medium oder Software 796 umfassen zum Implementieren einer programmierten Steuerung der Spannungsquellen 776-792. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Steuerung 794 eines oder mehrere der hierin offenbarten Verfahren ganz oder teilweise implementieren (z. B. unter Verwendung von Firmware und/oder Software).
Wenn eine Elektronenemission initiiert wird, kann bei einigen Ausführungsbeispielen die „anfängliche“ Elektronenenergie als die Potentialdifferenz zwischen der thermionischen Kathode 238 und der Ionenabstoßeinrichtung 240 eingerichtet werden. Diese Potentialdifferenz kann an einem gewünschten festen Wert beibehalten werden, während sich die Spannung an der Kathode 238 oder der Ionenabstoßeinrichtung 240 ändert, durch Einstellen der Spannung an der anderen Komponente. Beispielsweise kann die Ionenabstoßeinrichtung 240 rampenförmig eingestellt und optimiert werden, während nach wie vor ein geeigneter Elektronenenergieversatz beibehalten wird, durch Einstellen der Spannung an der Kathode 238, so dass dieselbe die Spannung an dem Elektronenreflektor 244 verfolgt. Zusätzlich kann die Spannung an dem ersten Linsenelement 250 die Kathodenspannung verfolgen, um die Elektronenreflektionsfunktion des ersten Linsenelements 250 zu optimieren. Die Verfolgungsfunktionen können beispielsweise durch die Steuerung 794 implementiert werden, die in 7 schematisch dargestellt ist. Als Standardoperation kann die Steuerung 794 die Kathodenspannung lesen und den gleichen Wert an das erste Linsenelement 250 anlegen. Um eine Verfeinerung bei der Optimierung des ersten Linsenelements 250 zu ermöglichen, kann eine zusätzliche angelegte Versatzspannung rampenförmig eingestellt und summiert werden mit der standardmäßig angelegten Kathodenanpassungsspannung, d.h. V_ERSTES _{LINSENELEMENT} = V_KATHODE + V_VERSATZ. Das Anlegen der Versatzspannung kann eine stärkere Reflexion von Elektronen an dem ersten Linsenelement 250 bereitstellen, um ein Eindringen der Elektronen in die Ioneneinfangregion zwischen dem ersten Linsenelement 250 und dem Extrahierer 248 zu minimieren, wodurch die Menge der funktionsfähigeren Hochenergieionen weiter erhöht wird und die Menge der unerwünschten Niedrigenergieionen reduziert wird. Gleichartig dazu variiert das rampenförmige Einstellen der Elektronenenergie die Kathodenspannung, und die Spannung, die an das erste Linsenelement 250 angelegt ist, kann auch die sich rampenförmig verändernde Kathodenspannung verfolgen.
Bei einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Effekte der Elektronenraumladung, die sich in der Ionenquelle entwickelt, zu reduzieren oder zu eliminieren. Beispielsweise können Raumladungseffekte beträchtlich genug sein, um zu bewirken, dass sich der Elektronenstrahl ungesteuert moduliert und somit die Stabilität des Ionenstrahls nachteilig beeinträchtigt. Um dies zu beheben, kann bei einigen Ausführungsbeispielen eine periodische Spannung an eines oder mehrere der leitfähigen Elemente der Elektronenquelle 116, Linsenanordnung 120 und/oder des Körpers 104 angelegt werden. Die periodische Spannung kann ein periodischer Gleichstrompuls sein (mit Pulsbreite, Periode und Amplitude empirisch optimiert) oder ein Hochfrequenz(z. B. HF)-Potential. Die periodische Spannung kann alle unerwünschte Oberflächenladung, die sich von zunehmenden Verunreinigungspegeln aufgebaut hat, entladen. Alternativ kann der Elektronenstrom gesteuert werden, um aufgebaute Raumladung zu verringern, wie z. B. durch Verwenden geeigneter Elektronenoptik, um den Elektronenstrahl periodisch weg von der Quellenachse abzulenken. Bei einigen Ausführungsbeispielen können Raumladungseffekte adressiert werden durch Implementieren von Techniken, die in der US 7 291 845 B2 offenbart sind, dessen gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
8 ist eine schematische Ansicht eines Abschnitts der in 1 und 2 dargestellten Ionenquelle 100 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Elektronenquelle 116 eine zusätzliche Elektrode (oder Elektronenextrahierer) 802 hinzugefügt zwischen der Kathode (Faden) 238 und der Ionenabstoßeinrichtung 240. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung an den Elektronenextrahierer 802 kann der Elektronenextrahierer 802 verwendet werden, um die Bedingungen des elektrischen Felds in der Elektronenquelle 116 abzustimmen, insbesondere bei einem Niedrigelektronenenergiebetrieb (z. B. 9 eV bis 25 eV). Beispielsweise kann der Elektronenextrahierer 802 dabei helfen, Elektronen weg von der Kathode 238 und zu der Ionisierungskammer 208 hin zu ziehen, und die Potentialdifferenz zwischen dem Quellenkörper 104 und der Ionenabstoßeinrichtung 240 niedrig zu halten.
9 ist eine schematische Ansicht eines Beispiels eines Massenspektrometrie(MS)-Systems 900, bei dem eine Ionenquelle 100 wie hierin offenbart vorgesehen sein kann. Das MS-System 900 umfasst im Allgemeinen eine Probenquelle 902, die Ionenquelle 100, ein Massenspektrometer (MS) 906, und ein Vakuumsystem zum Beibehalten des Inneren der Ionenquelle 100 und des MS 906 bei gesteuerten unterathmosphärischen Druckpegeln. Das Vakuumsystem ist schematisch dargestellt durch Vakuumleitungen 908 und 910, die von der Ionenquelle 100 bzw. dem MS 906 wegführen. Die Vakuumleitungen 908 und 910 sind schematisch darstellend für eine oder mehrere vakuumerzeugende Pumpen und zugeordnete Installationen und andere Komponenten, die für Fachleute auf dem Gebiet klar sind. Es ist auch klar, dass ein oder mehrere andere Typen von Ionenverarbeitungsvorrichtungen (nicht gezeigt) zwischen der Ionenquelle 100 und dem MS 906 vorgesehen sein können. Die Struktur und der Betrieb verschiedener Typen von Probenquellen, Spektrometern und zugeordneten Komponenten sind allgemein für Fachleute auf diesem Gebiet klar und werden hierin nur kurz beschrieben, wie es für ein Verständnis des derzeit offenbarten Gegenstands nötig ist. In der Praxis kann die Ionenquelle 100 mit dem MS 906 integriert sein oder anderweitig als vorderes Ende oder Einlass des MS 906 angesehen werden, und kann somit bei einigen Ausführungsbeispielen als eine Komponente des MS 906 angesehen werden.
Die Probenquelle 902 kann jede Vorrichtung oder jedes System sein zum Zuführen einer zu analysierenden Probe in die Ionenquelle 100. Die Probe kann in einer Gasphase oder Dampfform vorgesehen sein, die von der Probenquelle 902 in die Ionenquelle 100 fließt. Bei kombinierten Systemen, wie z. B. bei Gaschromatographie-Massenspektrometrie(GC-MS)-Systemen kann die Probenquelle 902 ein GC-System sein, in diesem Fall bildet eine analytische Säule des GC-Systems 100 durch geeignete Hardware eine Schnittstelle mit der Ionenquelle.
Das MS 906 kann im Allgemeinen einen Massenanalysator 912 und einen Ionendetektor 914 umfassen, die in einem Gehäuse 916 umschlossen sind. Die Vakuumleitung 910 hält das Innere des Massenanalysators 912 bei einem sehr niedrigen (Vakuum-)Druck. Bei einigen Ausführungsbeispielen reicht der Druck des Massenanalysators 912 von 10^-4 bis 10^-9 Torr. Die Vakuumleitung 910 kann auch alle restlichen nicht analytischen neutralen Moleküle von dem MS 906 entfernen. Der Massenanalysator 912 kann jede Vorrichtung sein, die konfiguriert ist zum Trennen, Sortieren oder Filtern von Analytionen auf der Basis ihrer jeweiligen m/z-Verhältnisse. Beispiele von Massenanalysatoren umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Multipol-Elektrodenstrukturen (z. B. Quadrupolmassenfilter, Ionenfallen, usw.), Flugzeit(TOF)-Analysatoren, und Ionenzyklotronresonanz(ICR)-Fallen. Der Massenanalysator 912 kann ein System von mehr als einem Massenanalysator umfassen, insbesondere wenn Ionenfragmentierungsanalyse gewünscht ist. Beispielsweise kann der Massenanalysator 912 ein Tandem-MS- oder MSⁿ-System sein, wie es für Fachleute auf diesem Gebiet klar ist. Als weiteres Beispiel kann der Massenanalysator 912 ein Massenfilter aufweisen, gefolgt von einer Kollisionszelle, der wiederum ein Massenfilter folgt (z. B. ein Triple-Quad oder QQQ-System) oder eine TOF-Vorrichtung (z. B. ein qTOF-System). Der Ionendetektor 914 kann jede Vorrichtung sein, die konfiguriert ist zum Sammeln und Messen des Flusses (oder Stroms) von Ionen unterschiedlicher Masse, die von dem Massenanalysator 912 ausgegeben werden. Beispiele von Ionendetektoren 914 umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Elektronenvervielfacher, Fotovervielfacher und Faraday-Auffänger.
Axiale EI-Quellen, wie sie hierin offenbart sind, können bei einigen Ausführungsbeispielen entweder mit hohen Elektronenenergien oder niedrigen Elektronenenergien betrieben werden. Die Energie des Elektronenstrahls kann eingestellt werden durch Einstellen der Spannung, die an den Faden angelegt wird, wodurch der Strom durch den Faden eingestellt wird. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Elektronenstrahl über einen Bereich von 9 eV bis 150 eV eingestellt werden. Elektronenenergien von weniger als 70 eV, beispielsweise in einem Bereich von 9 eV bis 25 eV können so gesehen werden, dass dieselben innerhalb der Betriebsweise der weichen Ionisierung liegen. Axiale EI-Quellen, wie sie hierin offenbart sind, sind in der Lage, EI über diese Bereiche von Elektronenenergien effektiv zu implementieren. Selbst bei sehr niedrigen Energien sind die EI-Quellen in der Lage, einen Elektronenstrahl mit einer Intensität und einer lonisierungsausbeute zu erzeugen, die für viele Experimente ausreicht. Diese axialen EI-Quellen sind somit in der Lage, harte Ionisierung oder weiche Ionisierung zu implementieren und nach Wunsch oder Bedarf zwischen harter Ionisierung und weicher Ionisierung (auch während des gleichen Experiments) zu schalten, um die lonisierungs- und Massenanalyseprozesse für ein gegebenes Analyt oder einen Satz von Analyten zu optimieren. Die axialen EI-Quellen können somit in vielen Fällen verwendet werden, in denen herkömmliche EI verworfen wird für einen herkömmlichen weichen Ionisierungsprozess, wie z. B. chemische Ionisierung (CI). Folglich können axiale EI-Quellen, wie sie hierin offenbart sind, universellere Ionisierungsvorrichtungen sein im Vergleich zu anderen Vorrichtungen, wie z. B. Cl-Quellen und herkömmlichen EI-Quellen. Beispielsweise kann die axiale EI-Quelle mit einer niedrigen Elektronenenergie betrieben werden, die einen gewünschten lonisierungsweg favorisiert, wie z. B. die Bildung eines Molekülions oder eines anderen Ions hoher Masse. Verfahren, die sich auf den Betrieb einer axialen EI-Quelle mit niedriger Elektronenenergie beziehen, sind offenbart in der US 2014 / 0 374 583 A1 , mit dem Titel „ELECTRON IONIZATION (EI) UTILIZING DIFFERENT EI EINERGIES“, deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Axiale EI-Quellen, wie sie hierin offenbart sind, können Vorteile liefern im Vergleich zu weit verbreiteten Kreuzstrahl- oder Nier-Typ-EI-Quellen, bei denen der Ionenstrahl in einer Richtung orthogonal zu dem Elektronenstrahl erzeugt wird. Die Nier-Typ-EI-Quelle ist anfällig für einen Verlust von Ionen aufgrund einer großen Anzahl von Ionen, die aus den Fäden gezogen werden oder de-fokussiert und neutralisiert (verloren) werden auf eine Kollision mit den Innenoberflächen der Ionisierungskammer der EI-Quelle hin. Im Gegensatz dazu erzeugt eine axiale EI-Quelle, wie sie hierin offenbart ist, einen axialen Elektronenstrahl, d.h. einen Elektronenstrahl der koaxial ist mit dem resultierenden Ionenstrahl und mit der nachgeschalteten Vorrichtung, in die die Ionen übertragen werden, wie z.B. ein Quadrupolmassenfilter. Es ist viel wahrscheinlicher, dass ein axialer Elektronenstrahl Ionen erzeugt, die eine sehr viel höhere Erfolgswahrscheinlichkeit aufweisen, von der EI-Quelle in die nachgeschaltete Vorrichtung übertragen zu werden.
10A ist eine schematische Querschnittseiten(längs-)ansicht einer bekannten EIIonenquelle 1000. Die Ionenquelle 1000 umfasst im Allgemeinen einen Quellenkörper 1004, der eine innere Ionisierungskammer 1008, eine Magnetanordnung 1012, die den Quellenkörper 1004 koaxial umgibt, eine Elektronenquelle 1016 und eine Linsenanordnung 1020 umfasst. Die Ionenquelle 1000 hat eine Gesamtgeometrie oder -konfiguration, die allgemein um eine Quellenachse 1024 herum angeordnet ist. Die Ionisierungskammer 1008 hat eine Länge entlang der Quellenachse 1024 von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende. Ein Probeneinlass (nicht gezeigt) ist durch den Quellenkörper 1004 an einer geeigneten Stelle gebildet, um einen Weg bereitzustellen zum Richten von Probenmaterial von einer Probenquelle in die Ionisierungskammer 1008, wo das Probenmaterial mit dem Elektronenstrahl interagiert. Eine Ionenabstoßeinrichtung (Elektronenextrahierer) 1040 ist an dem ersten Ende positioniert und wird allgemein bei einer Spannung (einem Potential) gehalten, die Elektronen von der Elektronenquelle 1016 in die Ionisierungskammer 1008 zieht, und verhindert, dass Ionen in die Elektronenquelle 1016 eindringen.
Ein Ionenextrahierer 1048 ist an dem zweiten Ende positioniert und wird bei einer Spannung (einem Potential) gehalten, das Ionen von der Ionisierungskammer 1008 in die Linsenanordnung 1020 zieht. Die Elektronenquelle 1016 umfasst eine thermionische Kathode 1038, wie z.B. einen Faden, der thermionische Emission erzeugt, wenn derselbe durch einen elektrischen Strom erhitzt wird, wie es oben beschrieben ist. Die Elektronenquelle 1016 umfasst auch eine Elektronenabstoßeinrichtung (oder einen Elektronenreflektor) 1044, die dazu beiträgt, Elektronen in der Richtung der Ionisierungskammer 1008 zu beschleunigen. Die Kathode 1038 ist zwischen der Elektronenabstoßeinrichtung 1044 und der Ionenabstoßeinrichtung 1040 positioniert. Die Elektronenabstoßeinrichtung 1044 und die Kathode 1038 können bei gleichen Potentialen betrieben werden, oder der Elektronenreflektor 1044 kann negativer sein als die Kathode 1038, um dazu beizutragen, Elektronen in die Ionisierungskammer 1008 abzustoßen. Spannungen (Potentiale) werden an die Elektronenabstoßeinrichtung 1044, die Ionenabstoßeinrichtung 1040, den Quellenkörper 1004 und den Ionenextrahierer 1048 angelegt, um einen Axialspannungsgradienten zwischen dem Elektronenreflektor 1044 und der Linsenanordnung 1020 einzurichten. Die Spannung, die an die Elektronenabstoßeinrichtung 1044 angelegt wird ist typischerweise negativ, aber allgemeiner weniger positiv als die Ionenabstoßeinrichtung 1040 und andere nachgeschaltete Optik bis zu dem ersten Linsenelement der Linsenanordnung 1020. Einige der bekannten EI-Ionenquellen können auch eine zusätzliche Elektronenlinse 1050 zwischen der Kathode 1038 und der Ionenabstoßeinrichtung 1040 umfassen, die als ein Elektronenextrahierer wirkt, zusammen mit der Ionenabstoßeinrichtung 1040.
10B ist eine Diagramm, das die Größe des elektrischen Potentials oder „Potentials des Raums“ (in Volt) in der Ionenquelle 1000 als eine Funktion der Axialposition (oder Elektrodenposition) aufzeigt. Wie es gezeigt ist, sind die Spannungen, die an die verschiedenen Elektroden der herkömmlichen Ionenquelle 1000 angelegt sind, eingestellt, so dass sich das Potential von der Elektronenabstoßeinrichtung 1044 zu dem Eingang (z.B. Ionenabstoßeinrichtung 1040, 10A) in die Ionisierungskammer 1008 erhöht (positiver wird). Dies ist unabhängig davon der Fall, ob eine zusätzliche Ionenlinse 1050 zwischen der Kathode 1038 (Faden) und der Ionenabstoßeinrichtung 1040 vorgesehen ist. Falls die Ionenquelle 1000 in dem weichen EI-Modus betrieben wird, mit einer Elektronenenergie von etwa 20 eV oder niedriger, kann es sein, dass die resultierende niedrige elektrische Feldstärke zwischen der Kathode 1038 und der Ionenabstoßeinrichtung 1040 nicht in der Lage ist, einen stabilen hochintensiven Elektronenstrahl zu erzeugen, und folglich kann die Ionensignalintensität unannehmbar niedrig sein.
Um dieses Problem zu beheben, stellen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung eine EI-Ionenquelle und ein Verfahren für weiche EI bereit, die einen stabilen und hochintensiven Niedrigelektronenenergie-Elektronenstrahl erzeugen. Der hochintensive Niedrigelektronenenergie-Elektronenstrahl führt im Vergleich zu herkömmlichen EI-Ionenquellen zu einem höheren Probensignal und zu der Erzeugung einer größeren Anzahl von Molekülionen und diagnostischen Ionen hoher Masse. Beispielsweise führt der hochintensive Niedrigelektronenenergie-Elektronenstrahl zu einem verbesserten Verhältnis von Molekülionen zu Fragmentionen, die von einer gegebenen Probe erzeugt werden. Anstatt Elektronen direkt in die Ionisierungskammer zu injizieren, wie bei den herkömmlichen EI-Ionenquellen, steuert eine EI-Ionenquelle der vorliegenden Offenbarung so erzeugte Elektronen, so dass dieselben zuerst verlangsamt werden (bei einigen Ausführungsbeispielen bis auf eine Geschwindigkeit von beinahe null) durch ein Potentialtal (Wanne) oder Plateau, bevor dieselben in die Ionisierungskammer eindringen. Auf diese Weise entwickelt sich eine Raumladungswolke um den Potentialtalraum herum, um eine „virtuelle Kathode“ zu bilden, die durch eine hohe Dichte von Elektronen gekennzeichnet ist. Von der virtuellen Kathode werden Elektronen dann in der Ionisierungskammer als ein hochintensiver Elektronenstrahl beschleunigt. Die Intensität des Elektronenstrahls kann wesentlich höher sein als diejenige, die durch herkömmliche Ionenquellen erhalten werden kann, die bei niedriger Ionenenergie arbeiten. Der Elektronenstrahl höherer Intensität der Ionenquelle der vorliegenden Offenbarung erhöht die Intensität von Probensignalen und verbessert die Leistungsfähigkeit der weichen EI, und erleichtert dadurch Strukturaufklärung, chemische Identifikation und Tandem-MS (MS/MS) oder verwandte aufeinanderfolgende Fragmentierungsexperimente. Ferner kann die Elektronenenergie der weichen EI-Ionenquelle der vorliegenden Offenbarung programmiert sein, um die vorteilhaftesten Ionen zu erzeugen, die von einem gegebenen Experiment beabsichtigt werden.
11A ist eine schematische Querschnittseiten(längs-)ansicht eines Beispiels einer EI-Ionenquelle 1100, die für weiche EI konfiguriert ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Die Ionenquelle 1100 umfasst im Allgemeinen einen Quellenkörper 1104, der eine innere Ionisierungskammer 1108 definiert, eine Magnetanordnung 1112, eine Elektronenquelle 1116 und eine Linsenanordnung 1120. Die Ionisierungskammer 1008 umfasst im Allgemeinen einen Elektroneneinlass oder -eingang, der mit der Elektronenquelle 1116 kommuniziert, und einen Ionenauslass oder -ausgang, der mit einem nachgeschalteten Gerät kommunizieren kann, wie es an anderer Stelle in der vorliegenden Offenbarung beschrieben ist.
Beim Betrieb erzeugt die Elektronenquelle 1116 einen Elektronenstrahl und überträgt denselben in die Ionisierungskammer 1108 über den Elektroneneinlass, und ein Strom von Probenmaterial, der zu ionisieren ist, wird in die Ionisierungskammer 1108 eingelassen, wo das Probenmaterial auf den Elektronenstrahl trifft. Die Ionenquelle 1100 erzeugt nachfolgend Ionen von dem Probenmaterial und fokussiert die Ionen in einen Ionenstrahl entlang einer Quellenachse 1124. Die Ionen verlassen die Ionenquelle 1100 entlang der Quellenachse 1124 über den Ionenauslass und dringen in die nächste Ionenverarbeitungsvorrichtung ein, die einen Ioneneingang entlang der Quellenachse 1124 aufweisen kann. Bei einigen Ausführungsbeispielen, und wie es in 11A dargestellt ist, kann die Ionenquelle 1100 eine axiale Ionenquelle sein, wie im Fall von anderen Ausführungsbeispielen, die oben beschrieben sind. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann die Ionenquelle 1100 eine Gesamtgeometrie oder -konfiguration aufweisen, die allgemein um die Quellenachse 1124 herum angeordnet ist. In diesem Fall sind der Elektroneneinlass sowie der Ioneneinlass auf der Quellenachse 1124 angeordnet, und die Ionenquelle 1100 erzeugt den Elektronenstrahl entlang der Quellenachse 1124.
Die Ionisierungskammer 1108 hat eine Länge entlang der Quellenachse 1124 von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende. In dem Fall einer axialen Ionenquellengeometrie kann der Elektroneneinlass an dem ersten Ende angeordnet sein und der Ionenauslass kann an dem zweiten Ende angeordnet sein. Ein Probeneinlass (nicht gezeigt) ist durch den Quellenkörper 1104 an einer geeigneten Stelle gebildet, um einen Weg bereitzustellen zum Richten von Probenmaterial von einer Probenquelle in die Ionisierungskammer 1108, wo das Probenmaterial mit dem Elektronenstrahl interagiert. Eine Ionenabstoßeinrichtung (Elektronenextrahierer) 1140 ist an dem ersten Ende positioniert und wird bei einer Spannung gehalten, die Elektronen von der Elektronenquelle 1116 in die lonisierungskammer 1108 zieht, und verhindert, dass Ionen in die Elektronenquelle 1116 eindringen. Ein Ionenextrahierer 1148 ist an dem zweiten Ende positioniert und wird bei einer Spannung gehalten, die Ionen von der Ionisierungskammer 1108 in die Linsenanordnung 1120 zieht. Bei dem dargestellten Beispiel der axialen Geometrie können die Ionenabstoßeinrichtung 1140 und der Ionenextrahierer 1148 so gesehen werden, dass dieselben das axiale erste bzw. zweite Ende der Ionisierungskammer 1108 sind, und können ferner als dem Elektroneneinlass bzw. Ionenauslass entsprechend gesehen werden.
Die Magnetanordnung 1112 kann den Quellenkörper 1104 koaxial umgeben. Die Magnetanordnung 1112 kann konfiguriert sein zum Erzeugen eines einheitlichen axialen Magnetfelds in der Ionisierungskammer 1108, um den Elektronenstrahl und den resultierenden Ionenstrahl entlang der Quellenachse 1124 zu fokussieren und zu komprimieren. Die Magnetanordnung 1112 kann gemäß anderen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen konfiguriert sein.
Die Linsenanordnung 1120 ist an dem zweiten Ende der Ionisierungskammer 1108 positioniert, axial gegenüber zu der Elektronenquelle 1116. Die Linsenanordnung 1120 kann allgemein konfiguriert sein zum Richten eines Ionenstrahls aus der Ionisierungskammer 1108 entlang der Quellenachse 1124 und in die nächste Ionenverarbeitungsvorrichtung. Zu diesem Zweck kann die Linsenanordnung 1120 eine Mehrzahl von Linsenelementen (oder Elektroden) umfassen, die durch Spannungsquellen unabhängig adressierbar sind. Jedes Linsenelement kann eine Öffnung oder einen Schlitz auf der Quellenachse 1124 aufweisen. Die Linsenanordnung 1120 kann gemäß anderen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen konfiguriert sein und Spannungen an ihre Linsenelemente angelegt haben. Somit können die Linsenelemente verschiedene Funktionen erfüllen, wie z.B. lonenextraktion, Ionenstrahlfokussierung, Elektronenreflektion, usw. Das letzte Linsenelement der Linsenanordnung 1120 (z.B. ein Austrittlinsenelement) kann konfiguriert sein als oder auch dienen als das Eintrittslinsenelement in eine Ionenverarbeitungsvorrichtung.
Die Elektronenquelle 1116 umfasst eine thermionische Kathode 1138, wie z.B. einen Faden, der thermionische Emission erzeugt, wenn derselbe durch einen elektrischen Strom erhitzt wird, wie oben beschrieben. Die Elektronenquelle 1116 umfasst auch eine Elektronenabstoßeinrichtung (oder Elektronenreflektor) 1144, die dazu beiträgt, die Elektronen in der Richtung der Ionisierungskammer 1108 zu beschleunigen. Die Kathode 1138 ist zwischen dem Elektronenreflektor 1144 und der Ionenabstoßeinrichtung 1140 positioniert. Der Elektronenreflektor 1144 und die Kathode 1138 können bei gleichen Potentialen betrieben werden (und bei einigen Ausführungsbeispielen elektrisch verbunden sein), oder der Elektronenreflektor 1144 kann negativer sein als die Kathode 1138, um dazu beizutragen, Elektronen in die Ionisierungskammer 1108 abzustoßen.
Die Elektronenquelle 1116 umfasst ferner eine oder mehrere Elektronenlinsen zwischen der Kathode 1138 und der Ionenabstoßeinrichtung 1140, wie z. B. eine Elektronenlinse 1154, wie es nachfolgend näher beschrieben ist. Im Allgemeinen können solche Elektronenlinsen jede Konfiguration aufweisen, die durch eine Spannungsquelle mit Energie versorgt werden kann und einen axialen Weg liefert für Elektronen von der Kathode 1138 zu der Ionisierungskammer 1108. Als Beispiele können die Elektronenlinsen eine Platte sein mit einer Öffnung auf einer Achse oder ein Paar von Platten, die durch einen Zwischenraum oder Schlitz auf einer Achse getrennt sind.
11B ist ein Diagramm, das die Größe des elektrischen Potentials oder „Potentials des Raums“ (in Volt) in der Ionenquelle 1100 als eine Funktion der Axialposition (oder Elektrodenposition) aufzeigt. Wie es gezeigt ist, sind jeweilige Spannungen an die Elektronenabstoßeinrichtung 1144, die Elektronenlinse 1154, einen geeignet positionierten Elektronenextrahierer, wie z. B. die Ionenabstoßeinrichtung 1140 und/oder den Quellenkörper 1104, und den Ionenextrahierer 1148 angelegt, um einen Gesamtaxialspannungsgradienten zwischen der Elektronenabstoßeinrichtung 1144 und der Linsenanordnung 1120 einzurichten. Die Größe der Spannung, die an die Elektronenlinse 1154 angelegt ist, ist jedoch niedriger (weniger positiv) als die Spannung, die an die Ionenabstoßeinrichtung 1140 angelegt ist, oder niedriger (weniger positiv) als beide Spannungen, die an die thermionische Kathode 1138 (und Elektronenabstoßeinrichtung 1144) und die Ionenabstoßeinrichtung 1140 angelegt sind. Wie es in 11B gezeigt ist, erzeugt diese Spannungsprogrammierung ein Potentialtal oder eine Potentialwanne 1158 an der Elektronenlinse 1154. In dem vorliegenden Zusammenhang umfasst der Begriff „an“ oder „um herum“ den Ausdruck „in der Nähe von“ und wird austauschbar mit demselben verwendet. Folglich werden Elektronen, die von der thermionischen Kathode 1138 emittiert werden, anfangs zu der Ionisierungskammer 1118 hin beschleunigt, treffen aber dann das Potentialtal 1158, wo die Elektronen schnell kinetische Energie verlieren und langsamer werden, d. h. das Potentialtal 1158 verlangsamt die Elektronen. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Potentialtal 1158 eine Größe (Größendifferenz) und eine Form oder ein Profil aufweisen, das bewirkt, dass die Elektronen sich auf eine Geschwindigkeit von beinahe null verlangsamen. Das Potentialtal 1158 wiederum verursacht die schnelle Entwicklung einer virtuellen Kathode 1162 an (in der Nähe) der Elektronenlinse 1154. Daher kann die Elektronenlinse 1154 auch als virtuelle-Kathoden-erzeugende Linse bezeichnet werden. Die virtuelle Kathode 1162 kann als hochdichte Ansammlung von Elektronen charakterisiert werden, die in dem Potentialtal 1158 verlangsamt werden. Die virtuelle Kathode 1162 kann auch so gekennzeichnet werden, dass dieselbe in Kombination mit der thermionischen Kathode 1138 eine verbesserte Quelle von Elektronen für den Elektronenstrahl betreibt, der in die Ionisierungskammer 1108 übertragen wird. In dem aktuellen Zusammenhang ist ein „Elektronenextrahierer“ jedes leitfähige Element, das konfiguriert und positioniert ist zum Beschleunigen von Elektronen in die Ionisierungskammer 1108, wenn ein geeignetes Potential an den „Elektronenextrahierer“ angelegt ist. Somit wirkt bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Ionenabstoßeinrichtung 1140 als ein Elektronenextrahierer (und hindert auch Ionen daran, in die Elektronenquelle 1116 zu verlaufen von der Ionisierungskammer 1108, wie es oben angemerkt ist). Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Quellenkörper 1104 auch als ein Elektronenextrahierer angesehen werden.
Nach dem Verlangsamen und Ansammeln an der virtuellen Kathode 1162 werden die Elektronen von der virtuellen Kathode 1162 in die Ionisierungskammer 1108 beschleunigt unter dem Einfluss der Potentialdifferenz zwischen der Elektronenlinse 1154 und der lonenabstoßeinrichtung 1140. Die Raumladungsbedingungen im Zusammenhang mit der virtuellen Kathode 1162 können über Abstoßung auch zu der Beschleunigung der Elektronen in die Ionisierungskammer 1108 beitragen. Aufgrund der Erzeugung der hochintensiven virtuellen Kathode 1162 ist der Elektronenstrahl, der in die Ionisierungskammer 1108 eindringt, ein stabiler hochintensiver Elektronenstrahl, selbst wenn die Ionenquelle 1100 eingestellt ist, um bei einer niedrigen Elektronenenergie zu arbeiten, die für weiche EI erforderlich ist.
Als ein nicht beschränkendes Beispiel können die Spannungsgrößen, die an die Elektroden der Ionenquelle 1100 angelegt sind, wie folgt sein: 28 V an der thermionischen Kathode 1138 (für eine Elektronenionisierungsenergie von 12 eV), 26 V an der Elektronenlinse 1154, 45 V an der Ionenabstoßeinrichtung 1140, 40 V an dem Quellenkörper 1104 und 38 V an dem Ionenextrahierer 1148. Wie es oben angemerkt ist, kann die Spannung an der Elektronenabstoßeinrichtung 1144 die gleiche sein wie oder eine andere als die Spannung an der thermionischen Kathode 1138. Bei dem vorliegenden Beispiel sind alle Spannungsgrößen positive Werte, aber bei anderen Beispielen können eine oder mehrere der Spannungen negative Werte sein.
12A ist eine schematische Querschnittsseiten(längs-)ansicht eines Beispiels einer EIIonenquelle 1200, die für weiche EI konfiguriert ist, gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. 12B ist ein Diagramm, dass die Größe des elektrischen Potentials oder „Potentials des Raums“ (in Volt) in der Ionenquelle 1200 als eine Funktion der Axialposition (oder Elektrodenposition) aufzeigt, ähnlich zu 11B. Die Konfiguration der Ionenquelle 1200 kann allgemein ähnlich sein wie diejenige der oben beschriebenen und in 11A und 11B dargestellten Ionenquelle 1100. Folglich bezeichnen in 12A und 12B die gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen die gleichen oder ähnlichen Merkmale, die in 11A und 11B gezeigt sind. Mit Bezugnahme auf 12A umfasst die Ionenquelle 1200 zwei Elektronenlinsen zwischen der Kathode 1138 und der Ionenabstoßeinrichtung 1140, eine erste Elektronenlinse 1266 und eine zweite Elektronenlinse 1270. Die erste Elektronenlinse 1266 ist axial zwischen der thermionischen Kathode 1138 und der zweiten Elektronenlinse 1270 positioniert, und die zweite Elektronenlinse 1270 ist axial zwischen der ersten Elektronenlinse 1266 und der Ionenabstoßeinrichtung 1140 positioniert. Mit Bezugnahme auf 12B kann das Potential an der ersten Elektronenlinse 1266 höher (positiver) sein als das Potential an der thermionischen Kathode 1138, während das Potential an der zweiten Elektronenlinse 1270 niedriger (weniger positiv) ist als das Potential an der ersten Elektronenlinse 1266 (und auch niedriger sein kann als das Potential an der thermionischen Kathode 1138). Diese Konfiguration führt dazu, dass das Potentialtal 1158 und die dazugehörige virtuelle Kathode 1162 an (in der Nähe) der zweiten Elektronenlinse 1270 angeordnet sind. Daher kann die zweite Elektronenlinse 1270 auch als eine virtuelle-Kathode-erzeugende Linse bezeichnet werden. Diese Konfiguration kann wünschenswert sein zum Positionieren der virtuellen Kathode 1162 an einem größeren axialen Abstand von der thermionischen Kathode 1138 im Vergleich zu der in 11A und 11B gezeigten Konfiguration. In diesem Fall kann das Hinzufügen der ersten Elektronenlinse 1266 und das Anlegen eines höheren Potentials an die erste Elektronenlinse 1266 als an die thermionische Kathode 1138 das Beschleunigen von Elektronen von der thermionischen Kathode 1138 zu der zweiten Elektronenlinse 1270 über den erhöhten axialen Abstand ermöglichen. Der erhöhte axiale Abstand kann wünschenswert sein, um zu verhindern, dass Raumladungseffekte im Zusammenhang mit der virtuellen Kathode 1162 eine thermionische Emission von der thermionischen Kathode 1138 beeinträchtigen.
13A ist ein Massenspektrum des zusammengesetzten N-Dotriacontans, wie es durch ein Massenspektrometer gemessen wird, das eine herkömmliche Ionenquelle enthielt mit einer Konfiguration, die mit der Ionenquelle 1000 übereinstimmt, die oben beschrieben ist und in 10A und 10B dargestellt ist. Die Elektronenenergie war auf 15 eV eingestellt. Wie es gezeigt ist, beträgt die Häufigkeit des Molekülions (m/z = 450,6) etwa 1,8 × 10³ (Ionensignalintensität). Im Vergleich ist 13B ein Massenspektrum des gleichen zusammengesetzten N-Dotriacontans, gemessen durch das gleiche Massenspektrometer, aber unter Verwendung einer Ionenquelle mit einer Konfiguration, die mit den Ionenquellen 1100 und 1200 übereinstimmt, die oben beschrieben und in 11A bis 12B dargestellt sind, und somit mit einem Potentialtal und einer virtuellen Kathode arbeitet. Die Elektronenenergie war erneut auf 15 eV eingestellt. Wie es gezeigt ist, beträgt die Häufigkeit des Molekülions über 1 × 10⁴. Somit erzeugte bei diesem Beispiel der stabile hochintensive Elektronenstrahl, hergestellt durch die hierin offenbarte Ionenquelle, über fünf Mal die Anzahl von Molekülionen, die durch die herkömmliche Ionenquelle erzeugt werden, wobei die gleiche Verbindung ionisiert wird und mit der gleichen Elektronenenergie und anderen Betriebsbedingungen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann Hardware oder Elektronik, die ähnlich wie die oben beschriebene und in 7 dargestellte ist, mit der Ionenquelle 1100 oder 1200 bereitgestellt werden. Individuelle Spannungen können an die verschiedenen Komponenten der Ionenquelle 1100 oder 1200 angelegt werden, wie z. B. die Elektronenabstoßeinrichtung 1144, thermionische Kathode 1138, Elektronenlinse 1154 der Ionenquelle 1100 oder erste Elektronenlinse 1266 und zweite Elektronenlinse 1270 der Ionenquelle 1200, Ionenabstoßeinrichtung 1140, Quellenkörper 1104, Ionenextrahierer 1148 und Elektroden/Linsenelemente der Linsenanordnung 1120. Wie es oben beschrieben ist, können die Spannungen durch Spannungsquellen angelegt werden, die mit einer Steuerung 794 kommunizieren (z. B. einer elektronischen prozessorbasierten Steuerung, Rechenvorrichtung, Computer usw.). Somit kann die Steuerung 794 konfiguriert sein, um die Betriebsparameter von einer oder mehreren Spannungsquellen zu steuern, wie z. B. Einstellungen und Anpassungen von Spannungsgrößen, Ein/Aus-Zuständen, Zeitgebung und Dauer von angelegten Spannungen, Koordination oder Synchronisation des Anlegens von Spannungen an zwei oder mehr der Spannungsquellen, usw. Die Steuerung 794 kann ein computerlesbares Medium oder Software 796 umfassen zum Implementieren programmierter Steuerung der Spannungsquellen. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Steuerung 794 (z. B. unter Verwendung von Firmware und/oder Software) eines oder mehrere der hierin offenbarten Verfahren ganz oder teilweise implementieren.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist ein Massenspektrometer (MS) oder Massenspektrometrie(MS)-System vorgesehen, das eine Ionenquelle umfasst, die auf die Art der lonenquelle 1100 oder 1200 konfiguriert ist, die oben beschrieben und in 11A bis 12B dargestellt ist. Ein darstellendes Beispiel eines solchen MS-Systems ist das oben beschriebene und in 9 dargestellte MS-System 900. In diesem Fall entspricht die Ionenquelle 100 in 9 der Ionenquelle 1100 oder 1200. Das MS-System 900 kann auch die Steuerung 794, ein computerlesbares Medium oder Software 796 und andere Hardware oder Elektronik umfassen, die oben in Verbindung mit 7 beschrieben sind.
Ausführungsbeispiele von Ionenquellen 1100 und 1200, die oben beschrieben sind und in 11A bis 12B dargestellt sind, wurden hauptsächlich im Zusammenhang einer axialen Ionenquellenkonfiguration beschrieben. Es ist jedoch klar, dass der hierin offenbarte Gegenstand auch bei anderen Ausführungsbeispielen angewendet werden kann, bei denen der Elektronenstrahl orthogonal zu dem Ionenstrahl ist und nicht beide Strahlen auf der gleichen Achse ausgerichtet sind. Beispielsweise können der Elektroneneinlass und zugeordnete Elektroden oder Linsen orthogonal zu der Quellenachse 1124 ausgerichtet sein, während der Ionenauslass und zugeordnete Elektroden oder Linsen auf der Quellenachse 1124 ausgerichtet sind.
Obwohl Beispiele der Ionenquelle oben hauptsächlich im Zusammenhang von EI beschrieben sind, ist klar, dass hierin gelehrte Ionenquellen auch zusätzlich oder alternativ für chemische Ionisierung (CI) konfiguriert sein können, die eine gut bekannte Technik ist, die ebenfalls einen Elektronenstrahl verwendet. Im Fall von Cl kann die Ionenquelle einen Einlass umfassen zum Einlassen eines Reagenzgases in die Ionisierungskammer.
Beispielhafte Ausführungsbeispiele
Beispielhafte Ausführungsbeispiele, die gemäß dem offenbarten Gegenstand bereitgestellt werden, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf:

1. Eine Ionenquelle, die folgende Merkmale aufweist: einen Körper, der eine lonisierungskammer umgibt; einen Elektronenextrahierer, der konfiguriert ist zum Beschleunigen von Elektronen in die Ionisierungskammer; eine Elektronenquelle außerhalb der Ionisierungskammer, die eine Elektronenabstoßeinrichtung, eine thermionische Kathode und eine Elektronenlinse zwischen der thermionischen Kathode und dem Elektronenextrahierer aufweist; und eine Spannungsquelle, die konfiguriert ist zum: Anlegen jeweiliger Spannungen an die Elektronenabstoßeinrichtung, die thermionische Kathode, die Elektronenlinse und den Elektronenextrahierer, wirksam zum: Emittieren von Elektronen von der thermionischen Kathode; Beschleunigen der Elektronen zu der Ionisierungskammer hin; und Erzeugen eines Potentialtals an der Elektronenlinse, das wirksam ist zum Verlangsamen der Elektronen und Bilden einer virtuellen Kathode, die die verlangsamten Elektronen aufweist, an der Elektronenlinse.
2. Die Ionenquelle gemäß Ausführungsbeispiel 1, die einen Probeneinlass aufweist, der in die Ionisierungskammer führt.
3. Die Ionenquelle gemäß Ausführungsbeispiel 1 oder 2, die eine Magnetanordnung aufweist, die den Körper umgibt und konfiguriert ist zum Erzeugen eines axialen Magnetfelds in der Ionisierungskammer.
4. Die Ionenquelle gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 3, bei der die lonisierungskammer einen Ionenauslass aufweist, der orthogonal zu dem Elektronenextrahierer ausgerichtet ist.
5. Die Ionenquelle gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 3, bei der die lonisierungskammer einen Ionenauslass aufweist, der mit dem Elektronenextrahierer entlang einer Achse ausgerichtet ist.
6. Die Ionenquelle gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, bei der die Ionisierungskammer einen Ionenextrahierer aufweist, der konfiguriert ist zum Richten eines Ionenstrahls aus der Ionisierungskammer.
7. Die Ionenquelle gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 6, bei der die thermionische Kathode zwischen der Elektronenabstoßeinrichtung und dem Elektronenextrahierer positioniert ist.
8. Die Ionenquelle gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 6, bei der die thermionische Kathode orthogonal zu der Elektronenabstoßeinrichtung ausgerichtet ist.
9. Die Ionenquelle gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, bei der die Spannungsquelle konfiguriert ist zum Verlangsamen der Elektronen auf eine Geschwindigkeit von beinahe null in dem Potentialtal.
10. Die Ionenquelle gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, bei der die Elektronenlinse eine erste Elektronenlinse zwischen der thermionischen Kathode und dem Elektronenextrahierer, und eine zweite Elektronenlinse zwischen der ersten Elektronenlinse und dem Elektronenextrahierer aufweist, und wobei die Spannungsquelle konfiguriert ist zum Anlegen jeweiliger Spannungen an die erste Elektronenlinse und die zweite Elektronenlinse, wirksam zum: Beschleunigen der Elektronen von der thermionischen Kathode zu der zweiten Elektronenlinse hin; und Erzeugen des Potentialtals und Bilden der virtuellen Kathode an der zweiten Elektronenlinse.
11. Die Ionenquelle gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, bei der der Elektronenextrahierer eine Ionenabstoßeinrichtung, den Körper oder sowohl eine Ionenabstoßeinrichtung als auch den Körper aufweist.
12. Die Ionenquelle gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, die eine Steuerung aufweist, die konfiguriert ist zum Steuern der Spannungsquelle.
13. Ein Massenspektrometer (MS), das folgende Merkmale aufweist: die Ionenquelle gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele; und einen Massenanalysator nachgeschaltet zu der Ionisierungskammer.
14. Das MS gemäß Ausführungsbeispiel 13, das eine Steuerung aufweist, die konfiguriert ist zum Steuern der Spannungsquelle.
15. Ein Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls für Elektronenionisierung, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erzeugen von Elektronen, Beschleunigen der Elektronen zu einer Ionisierungskammer hin; Verlangsamen der Elektronen auf einen Pegel, der wirksam ist zum Bilden einer virtuellen Kathode außerhalb der Ionisierungskammer; wobei die virtuelle Kathode die verlangsamten Elektronen aufweist; und Beschleunigen der Elektronen von der virtuellen Kathode in die Ionisierungskammer.
16. Das Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 15, das das Erzeugen der Elektronen mit einer Elektronenenergie von etwa 20 eV oder niedriger aufweist.
17. Das Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 15 oder 16, bei dem das Erzeugen der Elektronen das Emittieren der Elektronen von einer thermionischen Kathode aufweist.
18. Das Verfahren gemäß einem der Ausführungsbeispiele 15 bis 17, das das Verlangsamen der Elektronen auf eine Geschwindigkeit von beinahe null an einer Region aufweist, wo die virtuelle Kathode gebildet ist.
19. Das Verfahren gemäß einem der Ausführungsbeispiele 15 bis 18, bei dem das Beschleunigen der Elektronen zu der Ionisierungskammer hin das Anlegen einer Spannung an einen Elektronenextrahierer aufweist, und das Verlangsamen der Elektronen das Anlegen einer Spannung an eine Elektronenlinse aufweist, die eine geringere Größe aufweist als die Spannung, die an den Elektronenextrahierer angelegt ist, und wobei die virtuelle Kathode an der Elektronenlinse gebildet ist.
20. Das Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem das Erzeugen der Elektronen das Anlegen einer Spannung an eine thermionische Kathode aufweist, und wobei die Spannung, die an die Elektronenlinse angelegt ist, eine geringere Größe aufweist als die Spannung, die an die thermionische Kathode angelegt ist.
21. Das Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 19 oder 20, das das Betreiben einer Steuerung aufweist, um die Spannungen zu steuern, die an den Elektronenextrahierer und die Elektronenlinse angelegt sind.
22. Das Verfahren gemäß einem der Ausführungsbeispiele 15 bis 21, bei dem der Elektronenextrahierer eine Ionenabstoßeinrichtung, den Körper oder sowohl eine Ionenabstoßeinrichtung als auch den Körper aufweist.
23. Das Verfahren gemäß einem der Ausführungsbeispiele 15 bis 22, bei dem das Beschleunigen der Elektronen zu der Ionisierungskammer hin das Anlegen jeweiliger Spannungen an eine erste Elektronenlinse und einen Elektronenextrahierer aufweist, und das Verlangsamen der Elektronen das Anlegen einer Spannung an eine zweite Elektronenlinse zwischen der ersten Elektronenlinse und dem Elektronenextrahierer aufweist, und wobei die Spannung, die an die zweite Elektronenlinse angelegt ist, eine geringere Größe aufweist als die Spannung, die an den Elektronenextrahierer angelegt ist, und die virtuelle Kathode an der zweiten Elektronenlinse gebildet ist.
24. Das Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 23, bei dem die Spannung, die an die zweite Elektronenlinse angelegt ist, eine geringere Größe aufweist als die Spannung, die an die erste Elektronenlinse angelegt ist.
25. Das Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 23 oder 24, bei dem das Erzeugen der Elektronen das Anlegen einer Spannung an eine thermionische Kathode aufweist, und wobei die Spannung, die an die erste Elektronenlinse angelegt ist, eine größere Größe aufweist als die Spannung, die an die thermionische Kathode angelegt ist.
26. Das Verfahren gemäß einem der Ausführungsbeispiele 15 bis 24, das das Fokussieren der Elektronen als einen Strahl entlang einer Achse der lonisierungskammer aufweist, durch Anlegen eines axialen Magnetfelds an die Ionisierungskammer.
27. Das Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 26, das das Erzeugen von Ionen durch Richten eines Probenmaterials in die Ionisierungskammer zu den Elektronen hin aufweist, wobei das Anlegen des axialen Magnetfelds die Ionen als einen Strahl entlang der Achse fokussiert.
28. Das Verfahren gemäß einem der Ausführungsbeispiele 15 bis 27, das das Erzeugen von Ionen durch Richten eines Probenmaterials in die Ionisierungskammer zu den Elektronen hin aufweist.
29. Das Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 28, bei dem die Elektronen in die lonisierungskammer als ein Elektronenstrahl entlang einer Achse beschleunigt werden, und das ferner das Fokussieren der Ionen als einen Ionenstrahl entlang der Achse aufweist.
30. Das Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 28, bei dem die Elektronen in die lonisierungskammer als ein Elektronenstrahl beschleunigt werden, und das ferner das Fokussieren der Ionen als einen Ionenstrahl orthogonal zu dem Elektronenstrahl aufweist.
31. Das Verfahren gemäß einem der Ausführungsbeispiele 28 bis 30, das das Übertragen der Ionen von der Ionisierungskammer zu einer nachgeschalteten Vorrichtung aufweist.
32. Ein Verfahren zum Analysieren von Probenmaterial, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erzeugen eines Elektronenstrahls gemäß dem Verfahren gemäß einem der Ausführungsbeispiele 15 bis 31; Erzeugen von Ionen durch Richten von Probenmaterial in die Ionisierungskammer zu den Elektronen hin; und Übertragen der Ionen von der Ionisierungskammer zu einem Massenanalysator.
33. Das Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 32, das das Messen jeweiliger Häufigkeiten von Ionen aufweist, die durch den Massenanalysator verarbeitet werden gemäß einem Spektrum von Masse-Ladungs-Verhältnissen.

Es ist klar, dass die in 7 schematisch dargestellte Systemsteuerung 794 ein oder mehrere Module darstellen kann, die konfiguriert sind zum Steuern, Überwachen, Zeitgeben, Synchronisieren und/oder Koordinieren verschiedener funktionaler Aspekte der lonenquelle. Die Systemsteuerung 794 kann auch ein oder mehrere Module darstellen, die konfiguriert sind zum Steuern von Funktionen oder Komponenten eines zugeordneten Spektrometriesystems, einschließlich, beispielsweise, Empfangen der Ionenmesssignale und Durchführen anderer Aufgaben, die sich auf Datensammlung und Signalanalyse beziehen wie es erforderlich ist, um ein Massenspektrum zu erzeugen, das die zu analysierende Probe charakterisiert.
Für alle diese Zwecke kann die Steuerung 794 ein computerlesbares Medium umfassen, das Anweisungen umfasst zum Durchführen eines der hierin offenbarten Verfahren. Die Steuerung 794 ist schematisch dargestellt als in Signalkommunikation mit verschiedenen Komponenten der Ionenquelle über verdrahtete oder drahtlose Kommunikationsverbindungen. Für diese Zwecke kann die Steuerung 794 auch einen oder mehrere Typen von Hardware, Firmware und/oder Software umfassen, sowie einen oder mehrere Speicher und Datenbanken. Die Steuerung 794 umfasst typischerweise einen Hauptelektronikprozessor, der eine Gesamtsteuerung bereitstellt, und kann einen oder mehrere Elektronikprozessoren umfassen, die für zweckgebundene Steueroperationen oder spezifische Signalverarbeitungsaufgaben konfiguriert sind. Die Systemsteuerung 794 kann auch schematisch alle Spannungsquellen darstellen, die nicht spezifisch gezeigt sind, sowie Zeitsteuerungen, Takte, Frequenz/Signalverlauf-Generatoren und dergleichen, wie sie zum Anlagen von Spannungen an verschiedene Komponenten benötigt werden. Die Steuerung 794 kann auch darstellend sein für einen oder mehrere Typen von Nutzerschnittstellenvorrichtungen, wie z. B. Nutzereingabevorrichtungen (z. B. Tastenfeld, Berührungsbildschirm, Maus und dergleichen), Nutzerausgabegeräte (z. B. Anzeigebildschirm, Drucker, visuelle Anzeigen oder Warnungen, hörbare Anzeigen oder Warnungen und dergleichen), eine grafische Nutzerschnittstelle (GUI), die durch Software gesteuert wird, und Vorrichtungen zum Laden von Medien, die durch elektronischen Prozessor lesbar sind (z. B. Logikanweisungen, die in Software ausgeführt sind, Daten und dergleichen). Die Steuerung 794 kann ein Betriebssystem (z. B. Microsoft Windows® Software) zum Steuern und Verwalten verschiedener Funktionen der Steuerung 794 umfassen.
Es ist klar, dass der Begriff „in Signalkommunikation“, wie er hierin verwendet wird, bedeutet, dass zwei oder mehr Systeme, Vorrichtungen, Komponenten, Module oder Teilmodule in der Lage sind, miteinander zu kommunizieren über Signale, die über eine Art von Signalweg verlaufen. Die Signale können Kommunikations-, Leistungs-, Daten- oder Energiesignale sein, die Information, Leistung oder Energie von einem ersten System, einer ersten Vorrichtung, Komponente, Modul oder Teilmodul zu einem zweiten System, Vorrichtung, Komponente, Modul oder Teilmodul kommunizieren können entlang einem Signalweg zwischen dem ersten und zweiten System, Vorrichtung, Komponente, Modul oder Teilmodul. Die Signalwege können physikalische, elektrische, magnetische, elektromagnetische, elektrochemische, optische, verdrahtete oder drahtlose Verbindungen umfassen. Die Signalwege können auch zusätzliche Systeme, Vorrichtungen, Komponenten, Module oder Teilmodule zwischen dem ersten und zweiten System, Vorrichtung, Komponente, Modul oder Teilmodul umfassen.
Allgemeiner gesagt werden Begriffe wie z. B. „Kommunizieren“ und „in Kommunikation mit“ (beispielsweise eine erste Komponente „kommuniziert mit“ oder „ist in Kommunikation mit“ einer zweiten Komponente) hierin verwendet, um eine strukturelle, funktionelle, mechanische, elektrische, Signal-, optische, magnetische, elektromagnetische, ionische oder fluidische Beziehung zwischen zwei oder mehr Komponenten oder Elementen anzuzeigen. Daher soll die Tatsache, dass eine Komponente mit einer zweiten Komponente kommuniziert, nicht die Möglichkeit ausschließen, dass zwischen der ersten und zweiten Komponente zusätzliche Komponenten vorliegen können, und/oder denselben wirksam zugeordnet oder in Eingriff mit denselben sind.

Claims

Ionenquelle, die folgende Merkmale aufweist: einen Körper (1104), der eine Ionisierungskammer (1108) umgibt; einen Elektronenextrahierer (1140), der konfiguriert ist zum Beschleunigen von Elektronen in die Ionisierungskammer (1108); eine Elektronenquelle (1116) außerhalb der Ionisierungskammer (1108), die eine Elektronenabstoßeinrichtung (1144), eine thermionische Kathode (1138) und eine Elektronenlinse (1266, 1270) zwischen der thermionischen Kathode (1138) und dem Elektronenextrahierer (1140) aufweist; und eine Spannungsquelle, die konfiguriert ist zum Anlegen jeweiliger Spannungen an die Elektronenabstoßeinrichtung (1144), die thermionische Kathode (1138), die Elektronenlinse (1266, 1270) und den Elektronenextrahierer (1140), wirksam zum: Emittieren von Elektronen von der thermionischen Kathode (1138); Beschleunigen der Elektronen zu der Ionisierungskammer (1108) hin; und Erzeugen eines Potentialtals an der Elektronenlinse (1266, 1270), das wirksam ist zum Verlangsamen der Elektronen und Bilden einer virtuellen Kathode (1262), die die verlangsamten Elektronen aufweist, an der Elektronenlinse (1266, 1270), dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenlinse (1266, 1270) eine erste Elektronenlinse (1266) zwischen der thermionischen Kathode (1138) und dem Elektronenextrahierer (1140), und eine zweite Elektronenlinse (1270) zwischen der ersten Elektronenlinse (1266) und dem Elektronenextrahierer (1140) aufweist, und wobei die Spannungsquelle konfiguriert ist zum Anlegen jeweiliger Spannungen an die erste Elektronenlinse (1266) und die zweite Elektronenlinse (1270), wirksam zum: Beschleunigen der Elektronen von der thermionischen Kathode (1138) zu der zweiten Elektronenlinse (1270) hin; und Erzeugen des Potentialtals und Bilden der virtuellen Kathode (1262) an der zweiten Elektronenlinse (1270).
Ionenquelle gemäß Anspruch 1, die einen Probeneinlass aufweist, der in die Ionisierungskammer (1108) führt.
Ionenquelle gemäß Anspruch 1, die eine Magnetanordnung aufweist, die den Körper (1104) umgibt und zum Erzeugen eines axialen Magnetfelds in der Ionisierungskammer (1108) konfiguriert ist.
Ionenquelle gemäß Anspruch 1, bei der die Ionisierungskammer (1108) einen lonenauslass aufweist, der orthogonal zu dem Elektronenextrahierer (1140) angeordnet ist, oder mit dem Elektronenextrahierer (1140) entlang einer Achse ausgerichtet ist.
Ionenquelle gemäß Anspruch 1, bei der die Ionisierungskammer (1108) einen lonenextrahier (1148) aufweist, der zum Richten eines Ionenstrahls aus der Ionisierungskammer (1108) konfiguriert ist.
Ionenquelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die thermionische Kathode (1138) eine Konfiguration aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Folgendem besteht: die thermionische Kathode (1138) ist zwischen der Elektronenabstoßeinrichtung (1144) und dem Elektronenextrahierer (1140) positioniert; die thermionische Kathode (1138) ist orthogonal zu der Elektronenabstoßeinrichtung (1144) ausgerichtet; und beiden der vorhergehenden.
Ionenquelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Spannungsquelle konfiguriert ist zum Verlangsamen der Elektronen auf eine Geschwindigkeit von beinahe null in dem Potentialtal.
Ionenquelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Elektronenextrahierer (1140) eine Ionenabstoßeinrichtung, den Körper (1104) oder sowohl eine lonenabstoßeinrichtung als auch den Körper (1104) aufweist.