DE102017219518A1

DE102017219518A1 - Mehrfachreflexions-Massenspektrometer mit Verzögerungsstufe

Info

Publication number: DE102017219518A1
Application number: DE102017219518.5A
Authority: DE
Inventors: Hamish Stewart; Dmitry GRINFELD; Alexander Makarov
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Priority date: 2016-11-04
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2037-11-03
Also published as: GB2555609A; US20180138026A1; GB2555609B; JP6423509B2; JP2018073837A; CN108022823A; CN108022823B; US10141176B2; DE102017219518B4

Abstract

Mehrfachreflexions-Massenspektrometer, umfassend zwei Ionenspiegel, die voneinander beabstandet sind und einander in einer Richtung X gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel im Allgemeinen entlang einer Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Richtung X orthogonal zur Driftrichtung Y ist, und einen loneninjektor zum Injizieren von Ionen als einen lonenstrahl in den Raum zwischen den Ionenspiegeln in einem Neigungswinkel zur Richtung X, wobei die lonenspiegel entlang eines ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y mit einem ersten Konvergenzgrad konvergieren und die lonenspiegel entlang eines zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y mit einem zweiten Konvergenzgrad konvergieren oder parallel sind, wobei der erste Abschnitt ihrer Länge sich näher am loneninjektor befindet als der zweite Abschnitt und der erste Konvergenzgrad größer als der zweite Konvergenzgrad ist. Eine anfangs höhere Verminderung der Driftgeschwindigkeit nach der Injektion in der Richtung +Y durch Abändern des Rückführungs-Pseudopotentials, das durch die konvergierenden Spiegel entlang eines anfänglichen Längenabschnitts erzeugt wurde, ermöglicht eine erhöhte Anzahl von Oszillationen in Richtung X durch den zweiten Längenabschnitt.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Massenspektrometrie, besonders Flugzeit-Massenspektrometrie, insbesondere Massenhochauflösungs-Flugzeit-Massenspektrometrie und Elektrostatikfallen-Massenspektrometrie, die Mehrfachreflexionstechniken zum Erweitern des Ionenflugwegs verwenden.
Allgemeiner Stand der Technik
Verschiedene Anordnungen, die Mehrfachreflexion verwenden, um den Flugweg der Ionen innerhalb von Massenspektrometern zu erweitern, sind bekannt. Flugwegerweiterung ist erwünscht, um die Flugzeittrennung von Ionen innerhalb von Flugzeit-Massenspektrometern (TOF-Massenspektrometern) zu erhöhen oder die Fangzeit von Ionen innerhalb von Elektrostatikfallen-Massenspektrometern (EST-Massenspektrometern) zu erhöhen. In beiden Fällen wird dadurch die Fähigkeit, kleine Massenunterschiede zwischen Ionen zu unterscheiden, verbessert. Eine verbesserte Auflösungsleistung sowie Vorteile hinsichtlich erhöhter Massengenauigkeit und Empfindlichkeit, die typischerweise damit verbunden sind, sind ein wichtiges Attribut für ein Massenspektrometer für einen großen Anwendungsbereich, insbesondere hinsichtlich Anwendungen in der Biowissenschaft, wie z. B. der Proteomik und Metabolomik.
Eine Anordnung von zwei parallel gegenüberliegenden Spiegeln wurde durch Nazarenko et. al. im Patent SU1725289 beschrieben. Diese Spiegel wurden in einer Driftrichtung verlängert, und die Ionen folgten einem Zickzack-Flugweg, wurden zwischen den Spiegeln reflektiert und drifteten gleichzeitig relativ langsam entlang der verlängerten Länge der Spiegel in der Driftrichtung. Jeder Spiegel war aus parallelen Stabelektroden hergestellt. Die Anzahl der Reflexionszyklen und die erreichte Massenauflösung konnten durch Verändern des Ioneninjektionswinkels eingestellt werden. Die Konstruktion war dadurch auf vorteilhafte Weise einfach, dass nur zwei Spiegelstrukturen produziert und aneinander ausgerichtet werden mussten. Diesem System fehlte jedoch jedes Mittel, um Strahldivergenz in der Driftrichtung zu verhindern. Aufgrund der anfänglichen Winkelverteilung der injizierten Ionen kann nach mehreren Reflexionen die Strahlweite die Weite des Detektors übersteigen und jede weitere Erhöhung der Ionenflugzeit aufgrund des Empfindlichkeitsverlusts undurchführbar machen. Ionenstrahldivergenz ist besonders nachteilig, wenn die Flugwege der Ionen, die eine unterschiedliche Anzahl von Reflexionen durchlaufen haben, überlappen und es dadurch unmöglich machen, nur Ionen zu detektieren, die eine vorgegebene Anzahl von Oszillationen durchlaufen haben. Als ein Ergebnis weist die Konstruktion eine eingeschränkte Winkelakzeptanz und/oder eine eingeschränkte maximale Anzahl von Reflexionen auf. Darüber hinaus stellten die Ionenspiegel keine Flugzeitfokussierung in Bezug auf die anfängliche lonenstrahlverteilung über die Ebene des gefalteten Weges zur Verfügung, was zu einer herabgesetzten Flugzeitauflösung für eine große anfängliche Winkeldivergenz des Strahls führt.
Wollnik beschrieb im GB-Patent 2080021 unterschiedliche Anordnungen von parallel gegenüberliegenden gitterlosen Ionenspiegeln. Zwei Reihen von Spiegeln in linearer Anordnung und zwei gegenüberliegende Spiegelringe wurden beschrieben. Einige der Spiegel können geneigt sein, um die Strahlinjektion zu bewirken. Jeder Spiegel war rotationssymmetrisch und dazu konstruiert, räumliche Fokussierungseigenschaften zu erzeugen, um die Strahldivergenz bei jeder Reflexion zu steuern, und dadurch war es möglich, dass ein längerer Flugweg mit niedrigen Strahlverlusten erhalten wurde. Diese Anordnungen waren jedoch kompliziert herzustellen, da sie aus mehreren Spiegeln mit hoher Toleranz aufgebaut waren, die eine präzise Ausrichtung aneinander erforderten. Die Anzahl von Reflexionen, wenn die Ionen einmal den Analysator durchliefen, war durch die Anzahl der Spiegel festgelegt und konnte nicht verändert werden.
Su beschrieb eine parallele Gitterplattenspiegelanordnung, die in einer Driftrichtung verlängert war, im International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes, 88 (1989) 21-28. Die gegenüberliegenden Reflektoren waren so angeordnet, dass sie zueinander parallel waren, und die Ionen folgten einem Zickzack-Flugweg für eine Anzahl von Reflexionen, bevor sie einen Detektor erreichten. Das System wies keine Mittel zum Steuern der Strahldivergenz in der Driftrichtung auf, und das schränkte zusammen mit der Verwendung von Gitterspiegeln, die den Ionenfluss bei jeder Reflexion reduzierten, die nützliche Anzahl von Reflexionen und somit die Flugweglänge ein.
Verentchikov beschrieb in WO2005/001878 und GB2403063 die Verwendung periodisch beabstandeter Linsen, die innerhalb des feldfreien Bereichs zwischen zwei parallelen verlängerten gegenüberliegenden Spiegeln angeordnet sind. Der Zweck der Linsen war es, die Strahldivergenz in der Driftrichtung nach jeder Reflexion zu steuern und es dadurch zu ermöglichen, dass über die durch Nazarenko u. a. und Su beschriebene verlängerte Spiegelstruktur auf vorteilhafte Weise ein längerer Flugweg erhalten wurde. Um die Weglänge weiter zu vergrößern, wurde vorgeschlagen, dass ein Deflektor an dem von dem loneninjektor entfernten Ende der Spiegelstruktur platziert werden sollte, so dass die Ionen zurück durch die Spiegelstruktur abgelenkt werden können und die Flugweglänge verdoppelt wird. Die Verwendung eines Deflektors auf diese Weise ist jedoch anfällig für das Einführen von Strahlaberrationen, die letztlich die maximale Auflösungsleistung, die erhalten werden könnte, einschränken würden. In dieser Anordnung wird die Anzahl von Reflexionen durch die Position der Linsen eingestellt, und es gibt keine Möglichkeit, die Anzahl der Reflexionen und damit die Flugweglänge durch Verändern des Ioneninjektionswinkels zu ändern. Die Konstruktion ist ebenfalls komplex und erfordert präzise Ausrichtung der mehreren Linsen. Von Linsen und der Endablenkeinheit ist darüber hinaus bekannt, dass sie Strahlaberrationen einführen und dass dieses letztlich Grenzen für die Typen von Injektionsvorrichtungen, die verwendet werden konnten, setzte und die Gesamtakzeptanz des Analysators verminderte. Zusätzlich bleibt der Strahl über den gesamten Weg eng fokussiert, was ihn empfindlicher gegenüber Raumladungseffekten macht.
Makarov u. a. beschrieben in WO2009/081143 ein weiteres Verfahren zum Einführen von Strahlfokussierung in der Driftrichtung für einen Mehrfachreflexions-TOF-Analysator mit verlängertem Spiegel. Hier stand einem ersten gitterlosen verlängerten Spiegel eine Gruppe einzelner gitterloser Spiegel, die in einer senkrechten Richtung verlängert waren und nebeneinander längs der Driftrichtung parallel zu dem ersten verlängerten Spiegel eingesetzt waren, gegenüber. Die einzelnen Spiegel stellten eine Strahlfokussierung in der Driftrichtung zur Verfügung. In dieser Anordnung ist wiederum die Anzahl von Strahloszillationen innerhalb der Vorrichtung durch die Anzahl der einzelnen Spiegel festgelegt und kann nicht durch Verändern des Strahlinjektionswinkels eingestellt werden. Obwohl diese Konstruktion weniger komplex ist als die Anordnung von Wollnik und die von Verentchikov, ist sie trotzdem komplexer als die Anordnung von Nazarenko u. a. und die von Su.
Golikov beschrieb in WO2009001909 zwei asymmetrische gegenüberliegende Spiegel, die zueinander parallel angeordnet sind. In dieser Anordnung erstrecken sich die Spiegel, obwohl sie nicht rotationssymmetrisch sind, nicht in einer Driftrichtung, und der Massenanalysator weist typischerweise einen schmalen Massenbereich auf, weil sich die Ionenflugwege auf unterschiedlichen Oszillationen räumlich überlappen und nicht getrennt werden können. Die Verwendung von Abbildungsstromdetektion wurde vorgeschlagen.
Ein weiterer Vorschlag zum Bereitstellen von Strahlfokussierung in der Driftrichtung in einem System, das verlängerte parallel gegenüberliegende Spiegel verwendet, wurde von Verentchikov und Yavor in WO2010/008386 vorgelegt. In dieser Anordnung wurden periodische Linsen in einen oder beide der gegenüberliegenden Spiegel durch periodisches Modulieren des elektrischen Felds innerhalb eines oder beider Spiegel in festgelegten Abständen entlang der verlängerten Spiegelstrukturen eingeführt. In dieser Konstruktion kann wiederum die Anzahl von Strahloszillationen nicht durch Ändern des Strahlinjektionswinkels verändert werden, da der Strahl präzise mit den Modulationen in einem oder beiden Spiegeln ausgerichtet sein muss. Jeder Spiegel ist etwas komplexer in der Konstruktion als die einfachen ebenen Spiegel, die von Nazarenko u. a. vorgeschlagen wurden.
Eine etwas verwandte Herangehensweise wurde durch Ristroph u. a. in US2011/0168880 vorgeschlagen. Gegenüberliegende verlängerte Ionenspiegel umfassen Spiegelelementarzellen, von denen jede gekrümmte Unterteilungen aufweist, um eine Fokussierung in der Driftrichtung zur Verfügung zu stellen und teilweise oder vollständig eine Flugzeitaberration zweiter Ordnung in Bezug auf die Driftrichtung zu kompensieren. Wie bei anderen Anordnungen kann die Anzahl der Strahloszillationen durch Ändern des Strahlinjektionswinkels nicht verändert werden, da der Strahl präzise an den Elementarzellen ausgerichtet sein muss. Wiederum ist die Spiegelkonstruktion komplexer als die von Nazarenko u. a. Alle Anordnungen, die die Ionen in einem engen Strahl in der Driftrichtung mit der Verwendung von periodischen Strukturen halten, leiden notwendigerweise unter den Effekten von Raumladungsabstoßung zwischen den Ionen.
Sudakov schlug in WO2008/047891 ein alternatives Mittel sowohl zum Verdoppeln der Flugweglänge durch Zurückführen der Ionen entlang der Driftstrecke und gleichzeitigem Einführen von Stahlkonvergenz in der Driftrichtung vor. In dieser Anordnung umfassen die zwei parallelen gitterlosen Spiegel ferner einen dritten Spiegel, der senkrecht zu den gegenüberliegenden Spiegeln orientiert ist und an dem von dem lonendetektor entfernten Ende der gegenüberliegenden Spiegel angeordnet ist. Die Ionen dürfen in der Driftrichtung divergieren, wenn sie sich durch den Analysator vom loneninjektor wegbewegen, der dritte lonenspiegel kehrt jedoch diese Divergenz um, und nach der Reflexion in dem dritten Spiegel nach dem Eintreffen zurück in der Nähe des Ioneninjektors sind die Ionen erneut in der Driftrichtung konvergent. Das ermöglicht vorteilhafterweise, dass der lonenstrahl während des größten Teils seines Wegs durch den Analysator im Raum verteilt sein kann, was die Raumladungswechselwirkungen reduziert und außerdem die Verwendung mehrerer periodischer Strukturen entlang der oder zwischen den Spiegeln zur lonenfokussierung vermeidet. Der dritte Spiegel induziert außerdem räumliche Fokussierung in Bezug auf die anfängliche Ionenenergie in der Driftrichtung. Da keine einzelnen Linsen oder Spiegelzellen vorhanden sind, kann die Anzahl der Reflexionen durch den Injektionswinkel festgelegt werden. Der dritte Spiegel ist jedoch notwendigerweise in die Struktur der zwei gegenüberliegenden verlängerten Spiegel eingebaut und unterteilt effektiv die verlängerten Spiegel, d. h. die verlängerten Spiegel sind nicht mehr durchgehend - und ebenso ist der dritte Spiegel nicht mehr durchgehend. Dies weist den nachteiligen Effekt auf, dass aufgrund der stufenweisen Änderung des elektrischen Felds in den Lücken zwischen den Unterteilungen eine diskontinuierliche Rückführungskraft auf die Ionen induziert wird. Dies ist insbesondere signifikant, da die Unterteilungen in der Nähe des Umkehrpunkts in der Driftrichtung auftreten, wo die Ionenstrahlweite ihr Maximum erreicht. Dies kann zu unkontrollierter Ionenstreuung und unterschiedlichen Flugzeiten für Ionen, die innerhalb von mehr als einer Unterteilung während einer einzelnen Oszillation reflektiert werden, führen.
In jüngster Zeit beschrieb US2015/0028197 ein Mehrfachreflexions-Massenspektrometer, umfassend zwei Ionenspiegel, die einander in der Richtung X gegenüberliegen und beide im Allgemeinen in der Driftrichtung Y verlängert sind. In das Instrument injizierte Ionen werden wiederholt zurück und vorwärts in der Richtung X zwischen den Spiegeln reflektiert, während sie in der Richtung Y der Spiegelverlängerung hinunterdriften. Insgesamt folgt die Ionenbewegung einem Zickzackweg. Die Spiegel kommen mit zunehmendem Y zur Konvergenz und erzeugen dabei einen Pseudopotentialgradienten entlang der Y-Achse, der als ein lonenspiegel wirkt, um die Richtung der lonendriftgeschwindigkeit entlang Y umzukehren und die Ionen in Y räumlich auf einen Brennpunkt zu fokussieren, an dem ein Detektor platziert ist. Somit ermöglicht der Pseudopotentialgradient entlang der Y-Achse die Richtungsumkehrung der Ionenbewegung, ohne tatsächlich einen dritten lonenspiegel zu benötigen, wie bei Sudakov beschrieben.
Mit Blick auf das Vorstehende sind jedoch Verbesserungen nach wie vor wünschenswert, z. B. hinsichtlich der Auflösungsleistung.
Kurzdarstellung der Erfindung
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Mehrfachreflexions-Massenspektrometer bereitgestellt, das zwei lonenspiegel umfasst, die voneinander beabstandet sind und einander in einer Richtung X gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel im Allgemeinen entlang einer Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Richtung X orthogonal zur Driftrichtung Y ist, und einen Ioneninjektor zum Injizieren von Ionen als einen lonenstrahl in den Raum zwischen den lonenspiegeln in einem Neigungswinkel zur Richtung X, wobei entlang eines ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y die lonenspiegel mit einem ersten Konvergenzgrad konvergieren und entlang eines zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y die lonenspiegel mit einem zweiten Konvergenzgrad konvergieren oder parallel sind, wobei der erste Abschnitt ihrer Länge sich näher am Ioneninjektor befindet als der zweite Abschnitt und der erste Konvergenzgrad größer als der zweite Konvergenzgrad ist. Vorzugsweise weist mindestens einer der lonenspiegel entlang des ersten Abschnitts seiner Länge in der Driftrichtung Y einen ersten von null verschiedenen Neigungswinkel zur Richtung Y und entlang des zweiten Abschnitts seiner Länge in der Driftrichtung Y einen zweiten von null verschiedenen Neigungswinkel in der Richtung Y auf, der kleiner ist als der erste von null verschiedene Neigungswinkel in der Richtung Y, oder einen Neigungswinkel von null in der Richtung Y. Vorzugsweise stellen die Ionenspiegel entlang des ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y einen ersten Rückführungs-Pseudopotentialgradienten zum Vermindern der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereit, und die Ionenspiegel entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y stellen einen zweiten Rückführungs-Pseudopotentialgradienten zum Vermindern der Ionendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereit oder stellen entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge kein Rückführungs-Pseudopotential bereit, wobei der erste Rückführungs-Pseudopotentialgradient größer als der zweite Rückführungs-Pseudopotentialgradient ist. Vorzugsweise stellen die lonenspiegel entlang des ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y eine erste Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereit, und die lonenspiegel entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y stellen eine zweite Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereit oder stellen entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge keine Verzögerung der Ionendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereit, wobei die erste Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit größer als die zweite Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit ist.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Mehrfachreflexions-Massenspektrometer bereitgestellt, das zwei Ionenspiegel umfasst, die voneinander beabstandet sind und einander in einer Richtung X gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel im Allgemeinen entlang einer Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Richtung X orthogonal zur Driftrichtung Y ist, und einen loneninjektor zum Injizieren von Ionen als einen lonenstrahl in den Raum zwischen den lonenspiegeln in einem Neigungswinkel zur Richtung X, wobei mindestens einer der lonenspiegel entlang eines ersten Abschnitts seiner Länge in der Driftrichtung Y einen ersten von null verschiedenen Neigungswinkel in der Richtung Y aufweist und entlang eines zweiten Abschnitts seiner Länge in der Driftrichtung Y einen zweiten von null verschiedenen Neigungswinkel in der Richtung Y aufweist, der kleiner ist als der erste von null verschiedene Neigungswinkel in Richtung Y, oder einen Neigungswinkel von null in der Richtung Y aufweist, wobei der erste Längenabschnitt sich näher am loneninjektor befindet als der zweite Abschnitt. Vorzugsweise konvergieren entlang des ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y die lonenspiegel mit einem ersten Konvergenzgrad und entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y konvergieren die lonenspiegel mit einem zweiten Konvergenzgrad oder sind parallel, wobei der erste Konvergenzgrad größer als der zweite Konvergenzgrad ist. Vorzugsweise stellen die Ionenspiegel entlang des ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y einen ersten Rückführungs-Pseudopotentialgradienten zum Vermindern der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereit, und die lonenspiegel entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y stellen einen zweiten Rückführungs-Pseudopotentialgradienten zum Vermindern der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereit oder stellen entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge kein Rückführungs-Pseudopotential bereit, wobei der erste Rückführungs-Pseudopotentialgradient größer als der zweite Rückführungs-Pseudopotentialgradient ist. Vorzugsweise stellen die lonenspiegel entlang des ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y eine erste Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereit, und die lonenspiegel entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y stellen eine zweite Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereit oder stellen entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge keine Verzögerung der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereit, wobei die erste Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit größer als die zweite Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit ist.
Nach noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Mehrfachreflexions-Massenspektrometer bereitgestellt, das zwei lonenspiegel umfasst, die voneinander beabstandet sind und einander in einer Richtung X gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel im Allgemeinen entlang einer Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Richtung X orthogonal zur Driftrichtung Y ist, und einen loneninjektor zum Injizieren von Ionen als einen lonenstrahl in den Raum zwischen den Ionenspiegeln in einem Neigungswinkel zur Richtung X, wobei die Ionenspiegel entlang eines ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y einen ersten Rückführungs-Pseudopotentialgradienten zum Vermindern der Ionendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereitstellen, und die Ionenspiegel entlang eines zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y einen zweiten Rückführungs-Pseudopotentialgradienten zum Vermindern der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereitstellen oder entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge kein Rückführungs-Pseudopotential bereitstellen, wobei der erste Rückführungs-Pseudopotentialgradient größer ist als der zweite Rückführungs-Pseudopotentialgradient und der erste Längenabschnitt sich näher am loneninjektor befindet als der zweite Abschnitt. Vorzugsweise konvergieren entlang des ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y die Ionenspiegel mit einem ersten Konvergenzgrad und entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge konvergieren die Ionenspiegel mit einem zweiten Konvergenzgrad oder sind parallel, wobei der erste Konvergenzgrad größer als der zweite Konvergenzgrad ist. Vorzugsweise weist mindestens einer der Ionenspiegel entlang des ersten Abschnitts seiner Länge in der Driftrichtung Y einen ersten von null verschiedenen Neigungswinkel zur Richtung Y und entlang des zweiten Abschnitts seiner Länge in der Driftrichtung Y einen zweiten von null verschiedenen Neigungswinkel in der Richtung Y auf, der kleiner ist als der erste von null verschiedene Neigungswinkel in der Richtung Y, oder einen Neigungswinkel von null in der Richtung Y. Vorzugsweise stellen die Ionenspiegel entlang des ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y eine erste Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereit, und die Ionenspiegel entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y stellen eine zweite Verzögerungsrate der Ionendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereit oder stellen entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge keine Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereit, wobei die erste Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit größer als die zweite Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit ist.
Nach noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Mehrfachreflexions-Massenspektrometer bereitgestellt, das zwei Ionenspiegel umfasst, die voneinander beabstandet sind und einander in einer Richtung X gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel im Allgemeinen entlang einer Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Richtung X orthogonal zur Driftrichtung Y ist, und einen Ioneninjektor zum Injizieren von Ionen als einen lonenstrahl in den Raum zwischen den Ionenspiegeln in einem Neigungswinkel zur Richtung X, wobei die Ionenspiegel entlang eines ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y eine erste Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereitstellen, und die lonenspiegel entlang eines zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y eine zweite Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereitstellen oder entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge keine Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereitstellen, wobei die erste Verzögerungsrate der Ionendriftgeschwindigkeit größer ist als die zweite Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit und der erste Längenabschnitt sich näher am loneninjektor befindet als der zweite Abschnitt. Vorzugsweise konvergieren entlang des ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y die lonenspiegel mit einem ersten Konvergenzgrad und entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y konvergieren die Ionenspiegel mit einem zweiten Konvergenzgrad oder sind parallel, wobei der erste Konvergenzgrad größer als der zweite Konvergenzgrad ist. Vorzugsweise weist mindestens einer der lonenspiegel entlang des ersten Abschnitts seiner Länge in der Driftrichtung Y einen ersten von null verschiedenen Neigungswinkel zur Richtung Y und entlang des zweiten Abschnitts seiner Länge in der Driftrichtung Y einen zweiten von null verschiedenen Neigungswinkel in der Richtung Y auf, der kleiner ist als der erste von null verschiedene Neigungswinkel in Richtung Y, oder weist einen Neigungswinkel von null in der Richtung Y auf. Vorzugsweise stellen die lonenspiegel entlang des ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y einen ersten Rückführungs-Pseudopotentialgradienten zum Vermindern der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereit, und die lonenspiegel entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y stellen einen zweiten Rückführungs-Pseudopotentialgradienten zum Vermindern der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereit oder stellen entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge kein Rückführungs-Pseudopotential bereit, wobei der erste Rückführungs-Pseudopotentialgradient größer als der zweite Rückführungs-Pseudopotentialgradient ist.
In diesen Ausführungsformen werden die in das Spektrometer injizierten Ionen wiederholt in der Richtung X zwischen den Spiegeln zurück und vorwärts reflektiert, während sie in der Richtung Y der Spiegelverlängerung hinunterdriften, um einem Zickzackweg durch das Spektrometer zu folgen. Der Rückführungs-Pseudopotentialgradient, der z. B. durch die konvergierenden oder geneigten lonenspiegel bereitgestellt wird, stellt ein entgegengerichtetes elektrisches Feld bereit, das die Ionen schließlich veranlasst, ihre Richtung umzukehren und sich entlang Richtung Y zum Ioneninjektor zurückzubewegen, wobei sie erneut einem Zickzackweg folgen.
Eine Konvergenz der Spiegel bedeutet, dass die Entfernung zwischen den gegenüberliegenden Ionenspiegeln in der Richtung X mit zunehmender Bewegung entlang der Richtung Y weg vom loneninjektor abnimmt. Der Konvergenzgrad ist die Änderungsrate der Entfernung zwischen den gegenüberliegenden lonenspiegeln in der Richtung X mit der Bewegung entlang der Richtung Y weg vom Ioneninjektor, d. h. der Änderungswert für die Entfernung zwischen den gegenüberliegenden lonenspiegeln in der Richtung X je Bewegungseinheit entlang der Richtung Y weg vom Ioneninjektor. Somit schließen die konvergierenden Spiegel einen Konvergenzwinkel ein. Eine Konvergenz der Spiegel oder ein von null verschiedener Neigungswinkel eines Spiegels in der Richtung Y oder ein Rückführungs-Pseudopotential ist so beschaffen, dass eine Verminderung der lonendriftgeschwindigkeit (Geschwindigkeit der Ionen in der Driftrichtung Y) bewirkt wird, wenn die Ionen im Spiegel reflektiert werden, d. h. wenn sich die Ionen nach der Ioneninjektion in einer Richtung +Y vom loneninjektor wegbewegen. Vorzugsweise wird eine Verminderung der Ionendriftgeschwindigkeit durch jede Reflexion in einem lonenspiegel bewirkt, wo die Spiegel konvergieren oder einen von null verschiedenen Neigungswinkel in der Richtung Y aufweisen. Die Spiegelkonvergenz oder der von null verschiedene Neigungswinkel eines Spiegels mit zunehmendem Y, d. h. entlang des zweiten Längenabschnitts in Richtung Y, erzeugt einen Pseudopotentialgradienten entlang der Y-Achse, der als lonenspiegel wirkt, um die lonendriftgeschwindigkeit zu reduzieren, und kann schließlich die lonendriftgeschwindigkeit entlang Y umkehren (d. h. die lonendriftgeschwindigkeit wird eine Geschwindigkeit in der Richtung -Y). Das Vermindern der lonendriftgeschwindigkeit in diesem Schriftstück kann das Vermindern der Driftgeschwindigkeit auf einen negativen oder negativeren Wert beinhalten (d. h. die Rückführungsgeschwindigkeit oder Geschwindigkeit in der Richtung -Y, die zum loneninjektor gerichtet ist). Die eine oder mehreren Reflexionen des lonenstrahls von mindestens einem der Spiegel im ersten Längenabschnitt der Spiegel (vorzugsweise eine einzelne Reflexion von einem der Spiegel im ersten Längenabschnitt) und vorzugsweise die Reflexionen des lonenstrahls von den Spiegeln im zweiten Längenabschnitt stellen eine Verzögerung der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereit, wenn sich die Ionen nach der Ioneninjektion vom loneninjektor wegbewegen. Die Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y in diesem Schriftstück wird als Änderungsrate der Driftgeschwindigkeit je Längeneinheit der Spiegel in der Richtung Y oder je Zeiteinheit für ein Ion mit einem gegebenen Masse-/Ladungsverhältnis betrachtet, das sich vom loneninjektor wegbewegt.
Die Driftgeschwindigkeit der Ionen in der Richtung Y kann durch mindestens eine Reflexion in mindesten einem der lonenspiegel im ersten Längenabschnitt in der Richtung Y erheblich reduziert werden. Die Ionen weisen eine erheblich höhere durchschnittliche Verminderung ihrer Driftgeschwindigkeit in der Richtung Y durch eine Reflexion in mindestens einem der lonenspiegel im ersten Längenabschnitt in der Richtung Y auf (wo die Spiegelkonvergenz oder der Neigungswinkel größer ist), verglichen mit der durchschnittlichen Verminderung ihrer Driftgeschwindigkeit in der Richtung Y bei einer Reflexion in mindestens einem der lonenspiegel im zweiten Längenabschnitt in der Richtung Y (wo die Spiegelkonvergenz oder der Neigungswinkel kleiner oder nicht vorhanden ist). Die durchschnittliche Verminderung der Driftgeschwindigkeit in der Richtung Y bedeutet für jeden der ersten und zweiten Längenabschnitte entlang Y die durchschnittliche Verminderung ihrer Driftgeschwindigkeit je Reflexion in diesem Abschnitt (d. h. Durchschnitt aller Reflexionen in diesem Abschnitt).
Vorzugsweise ist der erste Konvergenzgrad oder der von null verschiedene Neigungswinkel in der Richtung Y, oder das Rückführungs-Pseudopotential usw. so beschaffen, dass die Driftgeschwindigkeit der Ionen in der Richtung Y über den ersten Längenabschnitt um mindestens 5 %, oder mindestens 20 %, oder einen Betrag im Bereich von 5 bis 50 %, oder einen Betrag im Bereich von 20 bis 50 % reduziert wird, nachdem die Ionen eine oder mehrere Reflexionen in den lonenspiegeln im ersten Längenabschnitt durchlaufen. Vorzugsweise weisen die Ionen im Durchschnitt (über alle der einen oder mehreren Reflexionen gemittelter Durchschnittswert) eine größere oder erheblich größere Verminderung (z. B. >5 %, >10 % oder >20 %) ihrer Driftgeschwindigkeit in der Richtung Y je Reflexion in mindestens einem der Ionenspiegel im ersten Längenabschnitt in der Richtung Y auf, verglichen mit der durchschnittlichen Verminderung ihrer Driftgeschwindigkeit in Richtung Y je Reflexion in den Ionenspiegeln des zweiten Längenabschnitts in der Richtung Y.
Somit ist ersichtlich, dass die Erfindung ein Mehrfachreflexions-Massenspektrometer mit einer höheren anfänglichen Verzögerungsstufe (nach der Injektion) bereitstellt.
Der loneninjektor zum Injizieren von Ionen als einen lonenstrahl in den Raum zwischen den Ionenspiegeln in einem Neigungswinkel zur Richtung X liegt vorzugsweise in der X-Y-Ebene. Danach folgen die injizierten Ionen ihrem Zickzackweg zwischen den Ionenspiegeln in der X-Y-Ebene. Allerdings kann der loneninjektor außerhalb der X-Y-Ebene liegen, so dass die Ionen zur X-Y-Ebene injiziert werden und durch einen Deflektor abgelenkt werden, wenn sie die X-Y-Ebene erreichen, um anschließend ihrem Zickzackweg zwischen den Ionenspiegeln in der X-Y-Ebene zu folgen. In das Spektrometer injizierte Ionen werden vorzugsweise wiederholt in der Richtung X zwischen den Spiegeln zurück und vorwärts reflektiert, während sie in der Richtung Y der Spiegelverlängerung (in der Richtung +Y) hinunterdriften. Insgesamt folgt die Ionenbewegung einem Zickzackweg. In bestimmten Ausführungsformen können die Ionen ihre Driftgeschwindigkeit entlang Y umkehren und wiederholt in der Richtung X zwischen den Spiegeln zurück und vorwärts reflektiert werden, während sie entlang der Richtung Y entlang driften (in der Richtung -Y). Auf diese Weise bewegen sich die Ionen zurück zu ihrem Injektionspunkt in der Richtung Y, da die Spiegel eine Konvergenz mit zunehmendem Y aufweisen, wodurch ein Pseudopotentialgradient entlang der Y-Achse erzeugt wird, der als ein Ionenspiegel wirkt, um die lonendriftgeschwindigkeit entlang Y umzukehren, wodurch die Ionen räumlich in Richtung Y auf einen Brennpunkt am oder nahe am Injektionspunkt fokussiert werden können, wo auch ein Detektor angeordnet sein kann. Der Detektor kann im Wesentlichen in oder in der Nähe derselben Y-Position angeordnet sein wie der Ioneninjektor. In einigen Ausführungsformen, z. B. wo keine Spiegelkonvergenz im zweiten Abschnitt vorliegt oder wo kein Neigungswinkel der Spiegel zur Y-Achse vorliegt, ist evtl. kein Rückführungs-Pseudopotentialgradient vorhanden und die Ionen werden evtl. nicht durch den Raum zwischen den Spiegeln zurückgeführt. In derartigen Ausführungsformen kann stattdessen ein Injektor an dem dem loneninjektor gegenüberliegenden Ende der lonenspiegel angeordnet sein. Allerdings sind derartige Ausführungsformen ohne Rückführungs-Pseudopotential zum Umkehren der Richtung der Ionendriftgeschwindigkeit aufgrund des Fehlens der räumlichen Fokussierung am Detektor weniger bevorzugt. Allerdings können derartige Ausführungsformen mit einer parallelen Spiegelanordnung im zweiten Längenabschnitt durch Verwendung sogenannter periodischer Linsen, wie sie z. B. beschrieben sind in WO2005/001878 und GB2403063 , verbessert werden, wobei die Verwendung von periodisch beabstandeten Linsen, die innerhalb des feldfreien Bereichs zwischen zwei parallel verlängerten gegenüberliegenden Ionenspiegeln angeordnet sind, die Steuerung der Strahldivergenz in der Driftrichtung nach jeder Reflexion ermöglicht, und es damit vorteilhafterweise möglich macht, einen längeren Flugweg über die verlängerten Spiegelstrukturen zu erreichen. Somit können die Ionenspiegel entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y in einigen Ausführungsformen im Wesentlichen nicht-parallel, aber in anderen Ausführungsformen im Wesentlichen parallel sein.
Die Erfindung ermöglicht eine höhere anfängliche Verminderung der Driftgeschwindigkeit nach der Injektion in der Richtung +Y durch Modifizieren oder Ändern des von den konvergierenden Spiegeln entlang eines anfänglichen Längenabschnitts generierten Rückführungs-Pseudopotentials, d. h. des ersten Abschnitts der Länge entlang der Richtung Y, relativ zum durch die konvergierenden Spiegel entlang eines nachfolgenden Längenabschnitts generierten Rückführungs-Pseudopotential, d. h. des zweiten Längenabschnitts entlang der Richtung Y. Das von den konvergierenden Spiegeln entlang des ersten Längenabschnitts generierte Rückführungs-Pseudopotential ist somit höher als das von den konvergierenden Spiegeln entlang des zweiten Längenabschnitts generierte Rückführungs-Pseudopotential, wenn sich die Ionen nach dem Injizieren in Richtung +Y bewegen. Die Erfindung kann am Anfang des reflektierten Wegs durch das Spektrometer ein schnelleres Vermindern der Driftgeschwindigkeit der Ionen in der Richtung Y ermöglichen, indem die Ionen mindestens eine Reflexion in mindestens einem der Spiegel im ersten Längenabschnitt in der Driftrichtung Y durchlaufen können, wobei der Konvergenzgrad zwischen den Spiegeln höher ist, was eine höhere Anzahl von Oszillationen in Richtung X und somit eine längere Flugzeit durch den zweiten Längenabschnitt in der Driftrichtung Y und einen größeren Gesamtflugweg durch das Spektrometer ermöglicht.
Entsprechend unterliegen in bestimmten Ausführungsformen die Ionen einer größeren Verminderung der Driftgeschwindigkeit in der Richtung +Y nach einer anfänglichen Reflexion im ersten Längenabschnitt der Spiegel, als nach nachfolgenden Reflexionen im zweiten Längenabschnitt der Spiegel, wenn sich die Ionen nach dem Injizieren in Richtung +Y bewegen. Die Ionen durchlaufen vorzugsweise eine einzige Reflexion im ersten Längenabschnitt der Spiegel nach Injizieren in der Richtung +Y und durchlaufen eine Vielzahl von Reflexionen im zweiten Längenabschnitt der Spiegel, wenn sich die Ionen in der Richtung +Y bewegen. Es kann auch eine Reflexion der Ionen im ersten Längenabschnitt erfolgen, nachdem die lonendriftgeschwindigkeit entlang Y durch den Pseudopotentialgradienten, der durch die konvergierenden Spiegel im zweiten Längenabschnitt gebildet wird, umgekehrt wurde und die Ionen sich entlang des zweiten Längenabschnitts in der umgekehrten Richtung -Y zurückbewegt haben. In derartigen Fällen durchlaufen die Ionen vorzugsweise eine einzige Reflexion im ersten Längenabschnitt der Spiegel, nachdem sich die Ionen entlang des zweiten Längenabschnitts in umgekehrter Richtung -Y zurückbewegt haben, wobei es sich um die finale Reflexion unmittelbar vor der Detektion handeln kann.
In einer Ausführungsform konvergieren die lonenspiegel in einem größeren Winkel, d. h. stärker, entlang eines ersten Driftbereichs der Ionenspiegel, der durch den ersten Längenabschnitt in der Richtung Y definiert ist, und konvergieren in einem kleineren Winkel, vorzugsweise einem erheblich kleineren Winkel, in Richtung Y, d. h. schwächer, entlang eines zweiten Driftbereichs, der durch den zweiten Längenabschnitt in der Richtung Y definiert ist. In einigen Ausführungsformen konvergieren die Spiegel evtl. nicht (d. h. sind evtl. parallel) entlang eines zweiten Driftbereichs, der durch den zweiten Längenabschnitt definiert ist. Dieser spezifische zweistufige Potentialgradient steht im Gegensatz zu dem einer einfachen einstufigen linearen Konvergenz, wie nach dem früheren Stand der Technik beschrieben. Die Ionendriftgeschwindigkeit in der Richtung Y wird folglich schnell im ersten Bereich nach der Injektion reduziert, wodurch eine längere Flugzeit durch den zweiten Bereich und den gesamten Flugweg ermöglicht wird. Es wurde festgestellt, dass die Erfindung mit einer anfänglichen schnellen Verzögerungsstufe für die Driftgeschwindigkeit die Anzahl der Oszillationen in Richtung X relativ zu einem einstufigen konvergierenden Spiegel ohne die anfängliche Verzögerungsstufe um 50 % oder mehr und somit die Flugzeit um 50 % oder mehr erhöht.
Dies ist vergleichbar mit dem in US2015/0028197 beschriebenen Instrument, wobei die Auflösungsleistung abhängig vom anfänglichen loneninjektionswinkel ist (in diesem Schriftstück als Neigungswinkel bezeichnet, wobei es sich um den Ioneninjektionswinkel in Richtung X in der X-Y-Ebene handelt), der die Driftgeschwindigkeit und damit die Gesamtflugzeit bestimmt. Im Idealfall sollte dieser Injektions-Neigungswinkel minimiert werden, dieses Minimum kann jedoch durch mechanische Anforderungen der Injektionsvorrichtung und/oder des Detektors, vor allem bei kompakteren Auslegungen, eingeschränkt sein. Eine nach dem früheren Stand der Technik vorgelegte Lösung besteht darin, einen zusätzlichen Deflektor einzusetzen, der zwischen den Spiegeln positioniert ist, um die Driftgeschwindigkeit nach der Ioneninjektion zu vermindern, aber dies bringt potenziell seinerseits mechanische Einschränkungen mit sich, sowie lonenverluste und Flugzeitaberrationen, die die Massenauflösung beeinflussen, und erhöht selbstverständlich die Komplexität und die Kosten des Instruments. Bei der vorliegenden Erfindung brauchen keine zusätzlichen Deflektoren zwischen den Spiegeln eingesetzt zu werden, um die Driftgeschwindigkeit zu reduzieren. Mit anderen Worten ermöglicht das Einbringen einer Verzögerungsstufe in die Spiegelstruktur selbst ein Erhöhen der Flugzeit und folgenden Auflösung, ohne dass ein zusätzlicher Deflektor zwischen den Spiegeln eingebracht werden muss, was die Anzahl der Teile und die Kosten reduziert.
Entsprechend sind in Ausführungsformen die Spiegel in Richtung X entlang mindestens dem ersten und vorzugsweise dem zweiten Abschnitt ihrer Länge in Driftrichtung nicht gleichmäßig voneinander beabstandet. In bestimmten Ausführungsformen sind die Spiegel in Richtung X entlang mindestens dem ersten und vorzugsweise dem zweiten Abschnitt ihrer Länge in Driftrichtung zueinander geneigt. Somit konvergieren die Spiegel in Richtung X entlang mindestens dem ersten und vorzugsweise dem zweiten Abschnitt ihrer Länge in Driftrichtung zueinander.
Diese Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren der Massenspektrometrie bereit, das die Schritte des Injizierens von Ionen in das Mehrfachreflexions-Massenspektrometer umfasst, z. B. in der Form eines gepulsten lonenstrahls, wie er in der TOF-Massenspektrometrie bekannt ist, und Detektieren von mindestens einigen der Ionen während oder nach deren Durchtritt durch das Massenspektrometer.
Der loneninjektor ist vorzugsweise unmittelbar an einem Ende der gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegel in Driftrichtung Y angeordnet, so dass die Ionen in das Mehrfachreflexions-Massenspektrometer von einem Ende der gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegel in der Driftrichtung injiziert werden können (Injizieren in Richtung +Y), wobei die ionenoptischen Spiegel bei ihrem Verlauf in der Driftrichtung vom Ort des loneninjektors weg konvergieren. Vorzugsweise umfassen Verfahren der Massenspektrometrie, die die vorliegende Erfindung nutzen, weiterhin das Injizieren von Ionen in das Mehrfachreflexions-Massenspektrometer von einem Ende der gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegel in der Driftrichtung, wobei die ionenoptischen Spiegel bei ihrem Verlauf in der Driftrichtung vom Ort der Ioneninjektion weg konvergieren.
Zum besseren Verständnis soll in diesem Schriftstück die Driftrichtung als Richtung Y bezeichnet werden, die gegenüberliegenden Spiegel sind voneinander in einer Entfernung in der mit X bezeichneten Richtung angeordnet, wobei die Richtung X orthogonal zur Richtung Y ist, wobei diese Entfernung an verschiedenen Orten in der Richtung Y variiert, wie beschrieben. Der lonenflugweg besetzt im Allgemeinen ein Raumvolumen, das sich in der Richtung X und der Richtung Y erstreckt, wobei die Ionen zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln (in der Richtung X) reflektiert werden und sich gleichzeitig entlang der Driftrichtung Y fortbewegen. Da die Spiegel im Allgemeinen in der senkrecht dazu stehenden Richtung Z (wobei Z senkrecht zu X und Y steht) kleiner bemessen sind, ist das vom lonenflugweg belegte Raumvolumen ein etwas verzerrtes rechteckiges Parallelepiped, dessen kleinste Abmessung vorzugsweise in Richtung Z liegt. Zum besseren Verständnis der Beschreibung in diesem Schriftstück werden Ionen in das Massenspektrometer injiziert mit Anfangsgeschwindigkeitskomponenten in der Richtung +X und +Y injiziert, bewegen sich anfangs in Richtung eines ersten ionenoptischen Spiegels, der in einer Richtung +X angeordnet ist, und entlang der Driftstrecke in einer Richtung +Y fort. Der Mittelwert der Geschwindigkeitskomponente in der Richtung Z ist vorzugsweise Null.
Das Injizieren eines lonenstrahls erfolgt vorzugsweise so, dass die Ionen im Strahl anfangs eine Geschwindigkeit in der Richtung +Y und Richtung +X haben. Die injizierten Ionen bewegen sich vorzugsweise anfangs zum ersten Spiegel der beiden gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegel, der in einer Richtung +X angeordnet ist, und werden darin zum gegenüberliegenden Spiegel reflektiert, der in einer Richtung -X angeordnet ist. Vorzugsweise findet die erste Reflexion nach der Injektion mit einer Geschwindigkeit in der Richtung +Y und Richtung +X im ersten Spiegel im ersten Längenabschnitt entlang der Richtung Y statt, wobei die Ionenspiegel mit dem ersten, d. h. höheren, Konvergenzgrad konvergieren. Dies stellt eine schnelle Verzögerung in der Driftgeschwindigkeit in der Richtung Y bereit, um eine längere Flugzeit über den zweiten Längenabschnitt entlang Richtung Y zu ermöglichen. In einer bevorzugteren Ausführungsform gibt es nur eine Reflexion der Ionen, d. h. in nur einem der Spiegel, im ersten Längenabschnitt entlang Richtung Y, wenn sich die Ionen in die Richtung +Y bewegen. In anderen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, eine Vielzahl (z. B. 2, oder 3, oder 4, oder mehr) Reflexionen in den Ionenspiegeln im ersten Längenabschnitt entlang Y zu verwenden. Es kann auch eine Reflexion der Ionen im ersten Längenabschnitt stattfinden, nachdem die lonendriftgeschwindigkeit entlang Y durch den Pseudopotentialgradienten, der durch die konvergierenden Spiegel im zweiten Längenabschnitt gebildet wird, umgekehrt wurde, und die Ionen entlang des zweiten Längenabschnitts mit Geschwindigkeit in der Richtung -Y zurückgekehrt sind. Die Reflexion von Ionen im ersten Längenabschnitt nach Umkehrung der Ionendriftgeschwindigkeit entlang Y erfolgt typischerweise in dem dem Ionenspiegel, in dem die erste Reflexion stattfand, gegenüberliegenden Ionenspiegel, und ist typischerweise die letzte Reflexion, bevor die Ionen den Detektor erreichen. Der Detektor ist vorzugsweise neben dem Ioneninjektor am Ende der Ionenspiegel angeordnet.
Vorzugsweise befindet sich kein Abschnitt des lonenstrahls innerhalb der Spiegelstruktur, wenn der lonenstrahl zwischen den zwei verschiedenen Konvergenzstufen hindurchgeht, d. h. zwischen dem ersten und zweiten Längenabschnitt in Richtung Y. Andernfalls nimmt die Divergenz der Driftenergie des lonenstrahls zu und die Ionen streuen eventuell in einem unerwünschten Ausmaß. Diese Bedingung, dass kein Abschnitt des lonenstrahls sich innerhalb eines Ionenspiegels befindet, wenn der lonenstrahl zwischen dem ersten und dem zweiten Längenabschnitt in der Richtung Y hindurchgeht, bringt eine minimale Driftgeschwindigkeit in den zweiten Längenabschnitt ein, die vom Spiegelabstand und der räumlichen Divergenz des lonenstrahls an diesem Punkt abhängig ist. Da der lonenstrahl mit zunehmendem Y divergiert, sollte bevorzugt der Übergang zwischen den beiden Stufen möglichst frühzeitig stattfinden, vorzugsweise zwischen der ersten und zweiten Reflexion nach der Injektion. Somit findet der Übergang zwischen dem ersten und zweiten Längenabschnitt in der Richtung Y vorzugsweise zwischen der ersten und zweiten Reflexion in den gegenüberliegenden lonenspiegeln nach der Injektion statt. Ein damit verbundenes Problem, insbesondere bei Ausführungsformen, die zwei lineare Stufen aufweisen, die eine Ecke im Übergang zwischen den Stufen umfassen, besteht darin, dass das Abfallen des Felds zwischen den beiden Stufen zu einer gewissen Ausweitung der Driftenergie genau in einer Entfernung von dem Punkt oder der Ecke führt, die die beiden Bereiche trennt. Vorzugsweise sind eine oder mehrere Korrekturelektroden bereitgestellt, um diese Feldstörung der elektrischen Feldstärke zu vermindern oder zu minimieren. In einer Ausführungsform können Leiterplatten- (PCB) -basierte Korrekturelektroden durch den Spiegel an dem Punkt oder der Ecke angebaut werden, an denen sich die Spiegelkonvergenz zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt verändert; auf den beiden Seiten würden sich der Umfang der Elektrodenspuren oder die angelegten Spannungen, um die Weiterführung der Stufen nachzubilden, geringfügig unterscheiden. In einer weiteren Ausführungsform kann eine geringfügige Verzerrung in die Spiegeloberfläche an dem Punkt oder der Ecke eingebaut werden, an dem/der sich die Spiegelkonvergenz verändert, so dass die erste Stufe (mit höherer Konvergenz) mit etwas zunehmender Konvergenz endet und die zweite Stufe mit etwas abnehmender Konvergenz beginnt. Dieser Effekt könnte auch mit kleinen Elektrodenpaaren nachgebildet werden, die von den Spiegelelektroden am Übergangspunkt zwischen den beiden Stufen herunterhängen.
In anderen Ausführungsformen braucht weder die erste noch die zweite Konvergenzstufe linear zu sein. Die mögliche durch den Übergang zwischen den beiden Stufen eingeführte Aberration, wie z. B. eine Ecke bei linear konvergierenden Stufen, kann durch effektives Zusammenführen der beiden Stufen mit einer glatten Kurve beseitigt werden, so dass Aberrationen in der Streuung der Driftenergie über mehrere Reflexionen herausgemittelt werden. Somit ist der Übergang zwischen dem ersten und zweiten Längenabschnitt in Richtung Y vorzugsweise eine glatte Kurve. Darüber hinaus kann der zweite Längenabschnitt der Ionenspiegel mit niedrigerem Konvergenzgrad mit mindestens einem Abschnitt konstruiert werden, der einer polynomischen (vorzugsweise parabolischen) Spiegelkonvergenz folgt, z. B. auf die Weise, wie in US2015/0028197 A1 beschrieben, wobei der räumliche Brennpunkt Y am Detektor für lonenstrahlen mit breiter Streuung der Driftenergie verbessert wird. Dies ist bei der Handhabung von verzögerten Ionen wie in der vorliegenden Erfindung zu bevorzugen, da die Streuung der Driftenergie im Verhältnis zur Driftenergie erheblich ansteigt.
Die beiden Abschnitte oder Stufen unterschiedlicher Konvergenz der Ionenspiegel brauchen nicht durch dieselben Spiegelgruppen (z. B. durch dieselben (durchgehenden) Spiegelelektroden) gebildet zu werden. So könnte z. B. jeder verlängerte Ionenspiegel am Übergangspunkt zu zwei getrennten Stufen elektrisch getrennt werden, oder mit einigen Mehrkosten und bei höherer Komplexität aus völlig unterschiedlichen Strukturen gebaut werden. Dies könnte jedoch einen gewissen Vorteil dadurch bringen, dass es eine teilweise Neuabstimmung des Spektrometers ermöglicht. Der Einfachheit halber sind der erste und zweite Längenabschnitt in Richtung Y durch dieselben durchgehenden Elektroden bereitgestellt.
Jeder Spiegel besteht vorzugsweise aus einer Vielzahl von verlängerten parallelen Stabelektroden, wobei die Elektroden allgemein in der Richtung Y verlängert sind. Derartige Spiegelstrukturen sind nach dem Stand der Technik bekannt, z. B. wie in SU172528 oder US2015/0028197 beschrieben. Die verlängerten Elektroden der Ionenspiegel können als montierte Metallstäbe oder als Metallspuren auf einer Leiterplattenbasis bereitgestellt werden. Die verlängerten Elektroden können aus einem Metall hergestellt sein, das einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wie z. B. Invar, so dass die Flugzeit Temperaturänderungen im Instrument standhält. Die Elektrodenform der Ionenspiegel kann durch Herstellung mittels Drahterodieren genau bearbeitet oder erhalten werden.
Das Massenspektrometer nach dieser Erfindung beinhaltet vorzugsweise Kompensationselektroden im Raum zwischen den Spiegeln, um den Einfluss von Flugzeitaberrationen durch die Veränderung der Entfernung zwischen den Spiegeln zu minimieren, wie in US2015/0028197 A1 beschrieben.
Der (oder die) am meisten bevorzugte(n) Konvergenzwinkel der Spiegel ist (sind) abhängig von Faktoren einschließlich der Länge der lonenspiegel und der Anzahl von Ionenreflexionen, die auf jeder Spiegelstufe erforderlich sind. Als Beispiel wäre bei einer Länge von 375 mm bei einem Injektionswinkel von mindestens 2,5 Grad und einer Verminderung der Ionenenergie auf der ersten Stufe oder im ersten Längenabschnitt der Ionenspiegel (bei 1 Reflexion von 18) um 20 bis 50 % eine effektive lineare Neigung von 0,116 Grad geeignet, die auf die beiden Spiegelstufen aufgeteilt werden kann, zum Beispiel in der folgenden Weise. Der Konvergenzwinkel zwischen den beiden Ionenspiegeln im ersten Längenabschnitt liegt bevorzugt zwischen 0,05 und 10 Grad (wobei der bevorzugte Bereich eine Anzahl von Ausführungsformen abdeckt, die hinsichtlich Länge und Injektionswinkel erheblich variieren), noch bevorzugter zwischen 0,5 und 1,6 Grad (wobei dieser engere Bereich für das Modell mit 375 mm mit dem beschriebenen minimalen Injektionswinkel geeignet ist).. Der Konvergenzwinkel zwischen den beiden Ionenspiegeln im zweiten Längenabschnitt liegt bevorzugt zwischen 0,01 und 0,5 Grad (wobei der bevorzugte Bereich Ausführungsformen abdeckt, die hinsichtlich Länge und Injektionswinkel erheblich variieren), noch bevorzugter zwischen 0,05 und 0,1 Grad.
Die Spiegellänge (Gesamtlänge der ersten und der zweiten Stufe) ist in der Erfindung nicht spezifisch begrenzt, aber bevorzugte praktische Ausführungsformen weisen bevorzugt eine Gesamtlänge im Bereich von 300 bis 500 mm auf, bevorzugter 350 bis 450 mm, insbesondere 350 bis 400 mm.
Die optischen Ionenspiegel liegen einander gegenüber. „Gegenüberliegende Spiegel“ bedeutet, dass die Spiegel so ausgerichtet sind, dass die in einen ersten Spiegel gerichteten Ionen aus dem ersten Spiegel zu einem zweiten Spiegel reflektiert werden, und die in den zweiten Spiegel eintretenden Ionen aus dem zweiten Spiegel zum ersten Spiegel reflektiert werden. Somit weisen die gegenüberliegenden Spiegel elektrische Feldkomponenten auf, die allgemein in entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind und zueinander weisen.
Das Mehrfachreflexions-Massenspektrometer umfasst zwei ionenoptische Spiegel, von denen jeder Spiegel überwiegend in eine Richtung verlängert ist. Die Verlängerung kann linear (d. h. gerade) sein, oder die Verlängerung kann nichtlinear sein (z. B. gekrümmt, oder eine Reihe von kleinen Stufen umfassen, um näherungsweise eine Kurve darzustellen), wie im Folgenden beschrieben wird. In einigen Ausführungsformen sind die Verlängerungen der ersten und zweiten Längenabschnitte linear, und in anderen Ausführungsformen sind die Verlängerungen der ersten und zweiten Längenabschnitte nicht-linear, z. B. gekrümmt. Alternativ ist in einigen Ausführungsformen die Verlängerung des ersten Abschnitts linear und die Verlängerung des zweiten Abschnitts nicht-linear, oder umgekehrt (die Verlängerung des ersten Abschnitts ist nicht-linear und die Verlängerung des zweiten Abschnitts ist linear). Die Verlängerungsform eines jeden Spiegels kann gleich oder unterschiedlich sein. Vorzugsweise ist die Verlängerungsform eines jeden Spiegels dieselbe. Vorzugsweise sind die Spiegel ein symmetrisches Spiegelpaar. Wo die Verlängerung linear ist, sind die Spiegel in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht parallel zueinander. Wo die Verlängerung nicht-linear ist, krümmt sich zumindest in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Spiegel zum anderen Spiegel entlang von mindestens einem Abschnitt seiner Länge in der Driftrichtung. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen sind die ersten und zweiten Längenabschnitte von einem oder vorzugsweise beiden Spiegeln in der Richtung Y gekrümmt. Die gekrümmten Teile von einem oder vorzugsweise beiden Spiegeln können so konstruiert sein, dass sie einer polynomischen (vorzugsweise parabolischen) Spiegelform folgen. Der Konvergenzgrad der Spiegel (d. h. der Winkel zwischen den Spiegeln) oder der Neigungswinkel eines Spiegels zur Richtung Y entlang eines gekrümmten Längenabschnitts eines lonenspiegels kann in diesem Schriftstück durch eine Tangente zur Kurve bestimmt werden. Bei gekrümmten Spiegeln, wo ein Konvergenzgradbereich oder ein Neigungswinkelbereich oder ein Verzögerungsratenbereich usw. zur Richtung Y entlang eines Längenabschnitts vorliegt, wird in diesem Schriftstück der Durchschnittswert des Konvergenzgrads oder Neigungswinkels oder der Verzögerungsrate usw., d. h. der Mittelwert der Konvergenzgrade oder Neigungswinkel usw. entlang des gekrümmten Längenabschnitts verwendet.
Die Spiegel können verlängerte Ionenspiegel jedes bekannten Typs sein. In Ausführungsformen, in denen der eine oder beide verlängerten Spiegel gekrümmt ist bzw. sind, kann das Grundkonzept von bekannten verlängerten Ionenspiegeln so angepasst werden, dass es den erforderlichen gekrümmten Spiegel ergibt. Die Spiegel können Gitterspiegel sein oder die Spiegel können gitterlos sein. Die Spiegel sind vorzugsweise gitterlos.
Wie in diesem Schriftstück beschrieben, sind die beiden Spiegel zueinander so ausgerichtet, dass sie in der X-Y-Ebene liegen und so dass die Längsabmessungen beider Spiegel allgemein in der Driftrichtung Y liegen. Die Spiegel sind voneinander beabstandet und liegen einander in Richtung X gegenüber. Allerdings liegen bei einigen Ausführungsformen, wenn die Entfernung oder die Lücke zwischen den Spiegeln dazu angeordnet ist, sich in Abhängigkeit von der Driftentfernung zu verändern, die Längsabmessungen beider Spiegel nicht genau in der Richtung Y, und deshalb werden die Spiegel als allgemein entlang der Driftrichtung Y verlängert beschrieben. Somit kann „allgemein entlang der Driftrichtung Y verlängert“ auch als hauptsächlich oder im Wesentlichen entlang der Driftrichtung Y verlängert verstanden werden. In Ausführungsformen der Erfindung ist die Längsabmessung von mindestens einem Spiegel in einem Winkel zur Richtung Y für mindestens einen Abschnitt seiner Länge angeordnet, z. B. für mindestens den ersten und zweiten Abschnitt seiner Länge, in dem die Spiegel konvergieren. Vorzugsweise wird die Längsabmessung von beiden Spiegeln für mindestens einen Abschnitt von ihrer Länge in einem Winkel zur Richtung Y angeordnet sein, z. B. für mindestens den ersten und zweiten Abschnitt von ihrer Länge, in der die Spiegel konvergieren.
In diesem Schriftstück bezeichnet in der Beschreibung sowie in den Ansprüchen die Entfernung zwischen den gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln in Richtung X die Entfernung zwischen den durchschnittlichen Umkehrpunkten der Ionen innerhalb dieser Spiegel in einer gegebenen Position entlang der Driftstrecke Y. Eine genaue Definition der effektiven Entfernung L zwischen den Spiegeln, zwischen denen ein feldfreier Bereich besteht (wo dies der Fall ist), ist das Produkt der durchschnittlichen Ionengeschwindigkeit im feldfreien Bereich und der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Umkehrpunkten. Ein durchschnittlicher Umkehrpunkt der Ionen innerhalb eines Spiegels bezeichnet in diesem Schriftstück die maximale Entfernung in der Richtung +/-X innerhalb des Spiegels, die die Ionen erreichen, die über durchschnittliche kinetische Energie und durchschnittliche anfängliche Winkeldivergenzmerkmale verfügen, d. h. den Punkt, an dem diese Ionen in der Richtung X umgekehrt werden, bevor sie sich wieder aus dem Spiegel heraus- und zurückbewegen. Ionen mit einer gegebenen kinetischen Energie in Richtung +/-X werden an einer Äquipotentialfläche innerhalb des Spiegels umgekehrt. Der geometrische Ort solcher Punkte an allen Positionen entlang der Driftrichtung eines bestimmten Spiegels definiert die Umkehrpunkte für diesen Spiegel, und der geometrische Ort wird nachstehend als eine mittlere Reflexionsfläche bezeichnet. Deshalb ist die Variation in der Entfernung zwischen den gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln durch die Variation in der Entfernung zwischen den gegenüberliegenden mittleren Reflexionsflächen der Spiegel definiert. In der Beschreibung sowie den Ansprüchen bedeutet die Bezugnahme auf die Entfernung zwischen den gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln die Entfernung zwischen den gegenüberliegenden mittleren Reflexionsflächen der Spiegel, wie soeben definiert. In der vorliegenden Erfindung weisen die Ionen unmittelbar bevor sie in die jeweils gegenüberliegenden Spiegel an einem Punkt entlang der verlängerten Länge der Spiegel eintreten, ihre ursprüngliche kinetische Energie in der Richtung +/-X auf. Die Entfernung zwischen den gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln kann deshalb auch als die Entfernung zwischen gegenüberliegenden Äquipotentialflächen definiert sein, wo die Nominal-Ionen (diejenigen, die die mittlere kinetische Energie und den mittleren anfänglichen Einfallswinkel aufweisen) in der Richtung X umkehren, wobei sich die Äquipotentialflächen entlang der verlängerten Länge der Spiegel erstrecken.
In der vorliegenden Erfindung kann die mechanische Konstruktion der Spiegel selbst bei oberflächlicher Überprüfung so erscheinen, dass sie eine konstante Entfernung voneinander in X als eine Funktion von Y beibehalten, während die mittleren Reflexionsflächen tatsächlich als eine Funktion von Y unterschiedliche Entfernungen voneinander in X aufweisen können. Beispielsweise können einer oder mehrere der gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegel aus Leiterbahnen gebildet sein, die auf einer isolierenden Aufbauscheibe aufgebracht sind (wie z. B. einer Leiterplatte), und die Aufbauscheibe eines derartigen Spiegels kann in einer konstanten Entfernung von einem gegenüberliegenden Spiegel entlang der gesamten Driftstrecke angeordnet sein, während die Leiterbahnen, die auf der Aufbauscheibe aufgebracht sind, sich in einer nicht konstanten Entfernung von den Elektroden in dem gegenüberliegenden Spiegel befinden können. Selbst wenn sich Elektroden beider Spiegel in einer konstanten Entfernung voneinander entlang der gesamten Driftstrecke befinden, können unterschiedliche Elektroden mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen innerhalb des einen oder beider Spiegel entlang der Driftstrecke vorgespannt sein, was bewirkt, dass die Entfernung zwischen den gegenüberliegenden mittleren Reflexionsflächen der Spiegel entlang der Driftstrecke variiert. Somit variiert die Entfernung zwischen den gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln in der Richtung X entlang mindestens eines Abschnitts der Länge der Spiegel in der Driftrichtung.
Vorzugsweise verändert sich die Variation der Entfernung zwischen den gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln in der Richtung X gleichmäßig als eine Funktion der Driftentfernung. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verändert sich die Variation der Entfernung zwischen den gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln in der Richtung X linear als eine Funktion der Driftentfernung, oder in zwei linearen Stufen, d. h. die Entfernung zwischen den gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln in der Richtung X verändert sich als erste lineare Funktion der Driftentfernung für den ersten Längenabschnitt und verändert sich als zweite lineare Funktion der Driftentfernung für den zweiten Längenabschnitt, wobei die erste lineare Funktion einen höheren Gradienten aufweist als die zweite lineare Funktion (d. h. die Entfernung zwischen den gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln in der Richtung X verändert sich stärker als eine Funktion der Driftentfernung für die erste lineare Funktion als die zweite). In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verändert sich die Variation der Entfernung zwischen den gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln in der Richtung X nichtlinear als eine Funktion der Driftentfernung.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die gegenüberliegenden Spiegel im Allgemeinen in der Driftrichtung linear verlängert und sind nicht zueinander parallel (d. h. sie sind entlang ihrer gesamten Länge) zueinander geneigt), und in solchen Ausführungsformen verändert sich die Variation der Entfernung zwischen den gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln in der Richtung X linear als eine Funktion der Driftentfernung (insbesondere in zwei linearen Stufen). In einer bevorzugten Ausführungsform sind die zwei Spiegel an einem Ende weiter voneinander entfernt, wobei sich das Ende in einem Bereich unmittelbar neben einem Ioneninjektor befindet, d. h. die verlängerten ionenoptischen Spiegel befinden sich in der Richtung X entlang von mindestens einem Abschnitt ihrer Länge näher beieinander, wenn sie sich in der Driftrichtung weg von dem Ioneninjektor erstrecken, d. h. die Spiegel konvergieren. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist mindestens ein Spiegel und vorzugsweise jeder Spiegel entlang mindestens eines Abschnitts seiner Länge in der Driftrichtung zu dem anderen Spiegel hin oder von ihm weg gekrümmt, und in derartigen Ausführungsformen verändert sich die Variation der Entfernung zwischen gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln in der Richtung X nichtlinear als eine Funktion der Driftentfernung. In einer bevorzugten Ausführungsform sind beide Spiegel so geformt, dass sie in einem oder beiden der ersten und zweiten Längenabschnitte eine gekrümmte Reflexionsfläche erzeugen, wobei diese Reflexionsfläche einer polynomischen (vorzugsweise parabolischen) Form folgt, um sich zueinander hin zu krümmen, wenn sie in der Driftrichtung weg von dem Ort eines Ioneninjektors verlaufen. In einer derartigen Ausführungsform sind die beiden Spiegel daher an einem Ende in einem Bereich neben einem Ioneninjektor weiter voneinander beabstandet. Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen die Vorteile bereit, dass sowohl eine erweiterte Flugweglänge als auch räumliche Fokussierung von Ionen in der Driftrichtung (Y) durch Verwenden von nichtparallelen Spiegeln erreicht wird. Derartige Ausführungsformen benötigen vorteilhafterweise keine zusätzlichen Komponenten, um sowohl die Driftstrecke dadurch zu verdoppeln, dass sie bewirken, dass Ionen umkehren und sich zurück entlang der Driftrichtung (d. h. indem sie sich in der Richtung -Y bewegen) zu einem Ioneninjektor hin weiterbewegen, als auch um räumliche Fokussierung der Ionen entlang der Richtung Y zu induzieren, wenn sie in die Nähe des Ioneninjektors zurückkehren - es müssen nur zwei entgegengesetzte Spiegel verwendet werden. Ein weiterer Vorteil entsteht aus einer Ausführungsform, in der die gegenüberliegenden Spiegel mit polynomischen (vorzugsweise parabolischen) Profilen zueinander hin gekrümmt sind, wenn sie sich in der Nähe eines Ioneninjektors weg von einem Ende des Spektrometers verlängern, da diese besondere Geometrie ferner auf vorteilhafte Weise bewirkt, dass die Ionen zur Rückkehr zu ihrem Injektionspunkt unabhängig von ihrer anfänglichen Laufgeschwindigkeit die gleiche Zeit benötigen.
Die zwei verlängerten ionenoptischen Spiegel können einander ähnlich sein oder sie können verschieden sein. Beispielsweise kann ein Spiegel ein Gitter umfassen, während der andere evtl. kein Gitter umfasst; ein Spiegel kann einen gekrümmten Abschnitt umfassen, während der andere Spiegel gerade sein kann. Vorzugsweise sind beide Spiegel gitterlos und einander ähnlich. Am meisten bevorzugt sind die Spiegel gitterlos und symmetrisch. Eine der einfachsten Auslegungen, die die Erfindung beinhalten, würde symmetrische Spiegel umfassen, die in mindestens zwei Stufen konvergieren, z. B. in zwei linearen Stufen, d. h. in denen beide ionenoptischen Spiegel aufeinander abgestimmt sind. In einigen Ausführungsformen könnte sie so konzipiert sein, dass nur ein Spiegel die stärkere Neigung in der Richtung Y aufweist, z. B. der Spiegel, den die Ionen als Erstes nach der Injektion erreichen.
Vorzugsweise injiziert ein Ioneninjektor Ionen von einem Ende der Spiegel in einem Neigungswinkel zu der X-Achse in der X-Y-Ebene in den Raum zwischen den Spiegeln, so dass die Ionen von einem gegenüberliegenden Spiegel zu dem anderen mehrmals reflektiert werden, während sie entlang der Driftrichtung von dem Ioneninjektor weg driften, um im Allgemeinen einem Zickzackweg innerhalb des Massenspektrometers zu folgen. Der Bewegung von Ionen entlang der Driftrichtung entgegen wirkt eine elektrische Feldkomponente, die aus der nicht konstanten Entfernung der Spiegel voneinander entlang mindestens eines ihrer Längenabschnitte in der Driftrichtung resultiert, z. B. der konvergierende ersten und zweiten Längenabschnitte der Ionenspiegel, die eine derartige entgegengerichtete elektrische Feldkomponente bereitstellen, und die elektrische Feldkomponente bewirkt, dass die Ionen ihre Richtung umkehren und sich zu dem Ioneninjektor zurück bewegen. Der Umkehrpunkt tritt typischerweise im zweiten Längenabschnitt der Ionenspiegel ein. Die Ionen können eine ganzzahlige oder nichtganzzahlige Anzahl vollständiger Oszillationen zwischen den Spiegeln durchlaufen, bevor sie in die Nähe des Ioneninjektors zurückkehren. Vorzugsweise verringert sich der Neigungswinkel des lonenstrahls zu der X-Achse mit jeder Reflexion in den Spiegeln, wenn sich die Ionen entlang der Driftrichtung von dem Injektor wegbewegen. Vorzugsweise setzt sich dieses fort, bis die Richtung des Neigungswinkels umgekehrt wird und die Ionen entlang der Driftrichtung zum Injektor hin zurückkehren. Der Ioneninjektor kann einen gepulsten Ioneninjektor umfassen, wie z. B. eine Ionenfalle, oder einen orthogonalen Beschleuniger, eine MALDI-Quelle oder ein anderes bekanntes loneninjektionsmittel für ein TOF-Massenspektrometer. Vorzugsweise umfasst der Ioneninjektor eine gepulste Ionenfalle, bevorzugter eine lineare lonenfalle und am bevorzugtesten eine gekrümmte lineare lonenfalle (C-Falle). Der Ioneninjektor, d. h. sein Mittelpunkt, z. B. der Mittelpunkt der Ionenfalle, von der aus die Ionen in die Spiegelstruktur injiziert werden können, befindet sich vorzugsweise an der Position Y=0. Der Detektor befindet sich gleichermaßen bevorzugt an Y=0.
Vorzugsweise umfassen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ferner einen in einem Bereich neben einem Ioneninjektor angeordneten Detektor. Der Ionendetektor kann neben dem Ioneninjektor positioniert sein, z. B. innerhalb einer Entfernung (Mitte zu Mitte) von 50 mm, oder innerhalb von 40 mm oder innerhalb von 30 mm oder innerhalb von 20 mm vom Ioneninjektor. Vorzugsweise ist der Ioneninjektor dazu angeordnet, eine Detektorfläche aufzuweisen, die parallel zur Driftrichtung Y ist, d. h. die Detektorfläche ist parallel zur Y-Achse. Der Detektor kann in einigen Ausführungsformen einen Neigungsgrad zur Richtung Y aufweisen, vorzugsweise um einen Betrag, der dem Winkel der isochronen Ebene der Ionen entspricht, z. B. einen Neigungsgrad von 1 bis 5 Grad, oder 1 bis 4 Grad, oder 1 bis 3 Grad.
Das Mehrfachreflexions-Massenspektrometer kann das gesamte Mehrfachreflexions-Flugzeit-Massenspektrometer oder einen Teil davon bilden.
Vorzugsweise ist der Ioneninjektor bei derartigen Ausführungsformen der Erfindung dazu angeordnet, eine Detektorfläche aufzuweisen, die parallel zur Driftrichtung Y ist, d. h. die Detektorfläche ist parallel zur Y-Achse. Vorzugsweise ist der Ionendetektor so angeordnet, dass sich Ionen, die das Massenspektrometer durchquert haben, entlang der Driftrichtung hin und zurück bewegen, wie vorstehend beschrieben, auf die lonendetektorfläche auftreffen und detektiert werden. Die Ionen können eine ganzzahlige oder nichtganzzahlige Anzahl vollständiger Oszillationen zwischen den Spiegeln durchlaufen, bevor sie auf einen Detektor auftreffen. Die Ionen durchlaufen vorzugsweise nur eine Oszillation in der Driftrichtung, damit die Ionen nicht demselben Weg mehr als einmal folgen, so dass es keine Überlappung der Ionen mit unterschiedlichem m/z gibt und somit eine Analyse über den gesamten Massenbereich ermöglicht wird. Falls jedoch ein reduzierter Massenbereich der Ionen erwünscht oder akzeptabel ist, kann mehr als eine Oszillation in der Driftrichtung zwischen der Injektionszeit und der Detektionszeit der Ionen ausgeführt werden, was die Flugweglänge weiter erhöht.
Zusätzliche Detektoren können innerhalb des Mehrfachreflexions-Massenspektrometers mit oder ohne zusätzliche Ionenstrahldeflektoren angeordnet sein. Zusätzlich können Ionenstrahldeflektoren verwendet werden, um Ionen auf einen oder mehrere zusätzliche Detektoren abzulenken, oder alternativ können zusätzliche Detektoren teildurchlässige Oberflächen wie z. B. Diaphragmen oder Gitter umfassen, um einen Teil eines lonenstrahls zu detektieren, während ein übriger Teil weiterfliegen darf. Zusätzliche Detektoren können zur Strahlüberwachung verwendet werden, beispielsweise um den räumlichen Ort der Ionen innerhalb des Spektrometers zu detektieren oder um die Menge der Ionen, die durch das Spektrometer hindurchtreten, zu messen. Dies kann z. B. zur Verstärkungsregelung des finalen Detektors verwendet werden. Daher kann mehr als ein Detektor verwendet werden, um mindestens einige der Ionen während oder nach ihrem Durchgang durch das Massenspektrometer zu detektieren.
Das Mehrfachreflexions-Massenspektrometer kann das gesamte Mehrfachreflexions-Elektrostatikfallen-Massenspektrometer oder einen Teil davon bilden, wie im Weiteren beschrieben wird. In derartigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst der Detektor, der sich in einem an den Ioneninjektor angrenzenden Bereich befindet, vorzugsweise eine oder mehrere Elektroden, die so angeordnet sind, dass sie nahe dem lonenstrahl sind, wenn er vorbeiläuft, die jedoch so angeordnet sind, dass sie ihn nicht unterbrechen, wobei die Detektionselektroden mit einem empfindlichen Verstärker verbunden sind, der das Messen des Abbildungsstroms, der in den Detektionselektroden induziert wird, ermöglicht.
Vorteilhafterweise können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung konstruiert sein, ohne dass sie zusätzliche Linsen oder Diaphragmen in dem Bereich zwischen gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln enthalten. Allerdings könnten in der vorliegenden Erfindung zusätzliche Linsen oder Diaphragmen verwendet werden, um das Phasenraumvolumen von Ionen innerhalb des Massenspektrometers zu beeinflussen, und es sind Ausführungsformen konzipiert, die eine oder mehrere Linsen und Diaphragmen, die in dem Raum zwischen den Spiegeln angeordnet sind, umfassen.
Vorzugsweise umfasst das Mehrfachreflexions-Massenspektrometer ferner Kompensationselektroden, die sich entlang mindestens eines Abschnitts der Driftrichtung in dem oder angrenzend an den Raum zwischen den Spiegeln erstrecken. Kompensationselektroden ermöglichen, dass weitere Vorteile bereitgestellt werden, insbesondere in einigen Ausführungsformen der des Reduzierens von Flugzeitaberrationen. Geeignete Auslegungen von Kompensationselektroden sind in US2015/0028197 A1 beschrieben, dessen gesamter Inhalt hiermit durch Verweis einbezogen wird.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Kompensationselektroden mit gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln, die im Allgemeinen entlang der Driftrichtung verlängert sind, verwendet. Vorzugsweise erzeugen die Kompensationselektroden Komponenten eines elektrischen Felds, die der Ionenbewegung entlang der Richtung +Y entlang von mindestens einem Längenabschnitt der ionenoptischen Spiegel in der Driftrichtung entgegenwirken. Diese elektrischen Feldkomponenten stellen vorzugsweise eine Rückführungskraft auf die Ionen bei ihrer Bewegung entlang der Driftrichtung bereit oder tragen zu dieser bei.
Die eine oder die mehreren Kompensationselektroden können von jeder beliebigen Form und Größe relativ zu den Spiegeln des Mehrfachreflexions-Massenspektrometers sein. In bevorzugten Ausführungsform umfassen die eine oder die mehreren Kompensationselektroden erweiterte Oberflächen parallel zu der X-Y-Ebene, die dem lonenstrahl zugewandt sind, wobei die Elektroden in Richtung +/-Z aus dem lonenstrahlflugweg verlagert sind, d. h. jede eine oder mehreren Elektroden weisen vorzugsweise eine Oberfläche auf, die im Wesentlichen parallel zur X-Y-Ebene ist, und die, wenn zwei solcher Elektroden vorhanden sind, vorzugsweise auf beiden Seiten eines Raums angeordnet sind, der sich zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln erstreckt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die eine oder die mehreren Kompensationselektroden in der Richtung Y entlang eines wesentlichen Abschnitts der Driftstrecke verlängert, wobei jede Elektrode auf einer Seite des Raums, der sich zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln erstreckt, angeordnet ist. In dieser Ausführungsform ist bzw. sind vorzugsweise die eine oder die mehreren Kompensationselektroden in der Richtung Y entlang eines wesentlichen Abschnitts verlängert, wobei der wesentliche Abschnitt mindestens eines oder mehrere von Folgenden ist: 1/10; 1/5; 1/4; 1/3; 1/2; 3/4 der gesamten Driftstrecke. Vorzugsweise umfassen die eine oder die mehreren Kompensationselektroden zwei Kompensationselektroden, die in der Richtung Y entlang eines wesentlichen Abschnitts der Driftstrecke verlängert sind, wobei der wesentliche Abschnitt mindestens eines oder mehrere des Folgenden ist: 1/10; 1/5; 1/4; 1/3; 1/2; 3/4 der gesamten Driftstrecke, wobei eine Elektrode in der Richtung +Z aus dem lonenstrahlflugweg verlagert ist, die andere Elektrode in der Richtung -Z aus dem Ionenstrahlflugweg verlagert ist und die zwei Elektroden dadurch auf beiden Seiten eines Raums angeordnet sind, der sich zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln erstreckt. Es sind jedoch andere Geometrien vorbekannt. Die eine oder mehreren Kompensationselektroden können in der Richtung Y entlang im Wesentlichen des ersten und zweiten Längenabschnitts in Richtung Y (d. h. entlang den beiden unterschiedlichen Spiegelkonvergenzstufen), oder z. B. im Wesentlichen entlang nur des zweiten Längenabschnitts verlängert sein. Vorzugsweise sind die Kompensationselektroden im Gebrauch elektrisch vorgespannt, so dass die gesamte Flugzeit der Ionen im Wesentlichen unabhängig von dem Einfallswinkel der Ionen ist. Da die gesamte Driftstrecke, die von den Ionen zurückgelegt wird, von dem Einfallswinkel der Ionen abhängig ist, ist die gesamte Flugzeit der Ionen im Wesentlichen unabhängig von der zurückgelegten Driftstrecke.
Kompensationselektroden können mit einem elektrischen Potential vorgespannt sein. Wenn ein Paar von Kompensationselektroden verwendet wird, kann an jede Elektrode des Paars das gleiche elektrische Potential angelegt sein, oder an die zwei Elektroden können unterschiedliche Potentiale angelegt sein. Wenn zwei Elektroden vorhanden sind, sind die Elektroden vorzugsweise symmetrisch auf beiden Seiten eines Raums, der sich zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln erstreckt, angeordnet, und beide Elektroden sind mit im Wesentlichen gleichen Potentialen elektrisch vorgespannt.
In einigen Ausführungsformen können bei einem oder mehreren Paaren von Kompensationselektroden jeweils die einzelnen Elektroden in dem Paar mit dem gleichen elektrischen Potential vorgespannt sein, und dieses elektrische Potential kann null Volt in Bezug auf das Potential betragen, das hier als ein Analysator-Referenzpotential bezeichnet wird. Typischerweise wird das Analysator-Referenzpotential Erdpotential sein, es versteht sich jedoch, dass das Potential des Analysators beliebig ansteigen kann, d. h. das gesamte Potential des Analysators kann in Bezug auf die Erde nach oben oder unten verlagert werden Wie hier verwendet, wird Nullpotential oder werden null Volt dazu verwendet, eine Nullpotentialdifferenz in Bezug auf das Analysator-Referenzpotential zu bezeichnen, und der Begriff Nicht-Nullpotential wird verwendet, um eine Nicht-Nullpotentialdifferenz in Bezug auf das Analysator-Referenzpotential zu bezeichnen. Typischerweise wird das Analysator-Referenzpotential beispielsweise an eine Abschirmung wie z. B. Elektroden, die verwendet werden, um Spiegel zu begrenzen, angelegt, und wie in diesem Schriftstück definiert, handelt es sich um das Potential in dem Driftraum zwischen den gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln in Abwesenheit aller anderen Elektroden außer jenen, die die Spiegel umfassen.
In bevorzugten Ausführungsformen sind zwei oder mehrere Paare von gegenüberliegenden Kompensationselektroden vorgesehen. In derartigen Ausführungsformen werden einige Paare von Kompensationselektroden, in denen jede Elektrode mit null Volt vorgespannt ist, im Weiteren als nicht vorgespannte Kompensationselektroden bezeichnet, und andere Paare von Kompensationselektroden, an die elektrische Nicht-Nullpotentiale angelegt sind, werden im Weiteren als vorgespannte Kompensationselektroden bezeichnet. Vorzugsweise, wenn jede der vorgespannten Kompensationselektroden eine Oberfläche aufweist, die ein polynomische Profil in der X-Y-Ebene aufweist, weisen die nicht vorgespannten Kompensationselektroden Oberflächen auf, die in Bezug auf die vorgespannten Kompensationselektroden komplementär geformt sind, wobei Beispiele dafür im Weiteren beschrieben werden. Typischerweise begrenzen die nicht vorgespannten Kompensationselektroden die Felder von vorgespannten Kompensationselektroden. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen Oberflächen mindestens eines Paars von Kompensationselektroden ein parabolisches Profil in der X-Y-Ebene auf, so dass die Oberflächen zu jedem Spiegel hin in den Bereichen in der Nähe von einem oder beiden Ende(n) der Spiegels in einem größeren Abstand verlaufen als in dem mittleren Bereich zwischen den Enden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist mindestens ein Paar von Kompensationselektroden Oberflächen auf, die ein polynomisches Profil in der X-Y-Ebene, mehr bevorzugt ein parabolisches Profil in der X-Y-Ebene, aufweisen, so dass die Oberflächen zu jedem Spiegel hin in den Bereichen in der Nähe von einem oder beiden Ende(n) der Spiegel in einem kleineren Abstand verlaufen als in dem mittleren Bereich zwischen den Enden. In derartigen Ausführungsformen verlaufen vorzugsweise das Paar (die Paare) von Kompensationselektroden entlang der Driftrichtung Y von einem Bereich, der an einen Ioneninjektor angrenzt, an einem Ende der verlängerten Spiegel, und die Kompensationselektroden weisen im Wesentlichen in der Driftrichtung dieselbe Länge auf wie die verlängerten Spiegel und sind auf beiden Seiten eines Raums zwischen den Spiegeln angeordnet. In alternativen Ausführungsformen können die Kompensationselektrodenoberflächen wie eben beschrieben aus mehreren diskreten Elektroden zusammengesetzt sein.
In anderen Ausführungsformen können die Kompensationselektroden teilweise oder vollständig innerhalb des Raums angeordnet sein, der sich zwischen gegenüberliegenden Spiegeln erstreckt, wobei die Kompensationselektroden eine Gruppe von getrennten Röhren oder Kammern umfassen. Vorzugsweise sind die Röhren oder Kammern auf der X-Y-Ebene zentriert und entlang der Driftstrecke angeordnet, so dass Ionen durch die Röhren oder Kammern hindurchtreten und nicht auf sie auftreffen. Die Röhren oder Kammern weisen vorzugsweise unterschiedliche Längen an unterschiedlichen Orten entlang der Driftstrecke auf und/oder weisen unterschiedliche elektrische Potentiale auf, die als eine Funktion ihres Ortes entlang der Driftstrecke angelegt sind.
Vorzugsweise umfassen die Kompensationselektroden in allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung keine ionenoptischen Spiegel, in denen der lonenstrahl auf eine Potentialbarriere trifft, die mindestens so groß ist wie die kinetische Energie der Ionen in der Driftrichtung. Allerdings erzeugen sie, wie bereits festgestellt wurde und im Weiteren beschrieben wird, vorzugsweise Komponenten eines elektrischen Felds, die der Ionenbewegung entlang der Richtung +Y entlang mindestens eines Längenabschnitts der ionenoptischen Spiegel in der Driftrichtung entgegenwirken.
Vorzugsweise sind die eine oder die mehreren Kompensationselektroden im Gebrauch elektrisch vorgespannt, um mindestens einen Teil der Flugzeitaberrationen, die durch die gegenüberliegenden Spiegel erzeugt werden, zu kompensieren. Wenn mehr als eine Kompensationselektrode vorhanden ist, können die Kompensationselektroden mit dem gleichen elektrischen Potential vorgespannt sein, oder sie können mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen vorgespannt sein. Wenn mehr als eine Kompensationselektrode vorhanden ist, können eine oder mehrere der Kompensationselektroden mit einem elektrischen Nicht-Nullpotential vorgespannt sein, während andere Kompensationselektroden auf einem weiteren elektrischen Potential gehalten werden können, das ein Nullpotential sein kann. Im Gebrauch können einige Kompensationselektroden dem Zweck dienen, die räumliche Ausdehnung des elektrischen Felds der anderen Kompensationselektroden zu begrenzen. Vorzugsweise wenn ein erstes Paar von gegenüberliegenden Kompensationselektroden vorhanden ist, das auf beiden Seiten des Strahlflugwegs zwischen den Spiegeln des Mehrfachreflexions-Massenspektrometers beabstandet ist, wird das erste Paar von Kompensationselektroden mit dem gleichen Nicht-Nullpotential elektrisch vorgespannt, und das Mehrfachreflexions-Massenspektrometer umfasst vorzugsweise ferner zwei zusätzliche Paare von Kompensationselektroden, die auf beiden Seiten des ersten Paares von Kompensationselektroden in Richtung +/-X angeordnet sind, wobei die weiteren Paare von Kompensationselektroden auf Nullpotential gehalten werden, d. h. nicht vorgespannte Kompensationselektroden sind. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden drei Paare von Kompensationselektroden verwendet, mit einem ersten Paar von nicht vorgespannten Kompensationselektroden, das auf Nullpotential gehalten wird, und auf beiden Seiten dieser Kompensationselektroden in Richtung +/-X zwei weitere Paare von vorgespannten Kompensationselektroden, die auf einem elektrischen Nicht-Nullpotential gehalten sind. In einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere Kompensationselektroden eine Platte enthalten, die mit einem Material, das einen elektrischen Widerstand aufweist, beschichtet ist, und an die an verschiedenen Enden der Platte in der Richtung Y ein unterschiedliches elektrisches Potential angelegt ist, wodurch eine Elektrode erzeugt wird, die eine Oberfläche mit einem darüber als eine Funktion der Driftrichtung Y variierenden elektrischen Potential aufweist. Dementsprechend können elektrisch vorgespannte Kompensationselektroden nicht auf einem einzigen Potential gehalten werden. Vorzugsweise sind die eine oder die mehreren Kompensationselektroden im Gebrauch elektrisch vorgespannt, um eine Flugzeitverschiebung in der Driftrichtung, die durch die gegenüberliegenden Spiegel erzeugt wird, zu kompensieren, und um die gesamte Flugzeitverschiebung des Systems im Wesentlichen unabhängig von einem anfänglichen Ionenstrahlflugbahnneigungswinkel in der X-Y-Ebene zu machen, wie im Weiteren beschrieben wird. Die an die Kompensationselektroden angelegten elektrischen Potentiale können konstant gehalten werden oder können zeitlich variiert werden. Vorzugsweise werden die an die Kompensationselektroden angelegten Potentiale zeitlich konstant gehalten, während Ionen das Mehrfachreflexions-Massenspektrometer durchlaufen. Die an die Kompensationselektroden angelegte elektrische Vorspannung kann so sein, dass sie bewirkt, dass Ionen, die in der Nähe einer somit vorgespannten Kompensationselektrode vorbei fliegen, abbremsen oder beschleunigen, wobei sich die Formen der Kompensationselektroden entsprechend unterscheiden, und Beispiele dafür werden im Weiteren beschrieben.
Wie in diesem Schriftstück beschrieben, bezieht sich der Begriff „Breite“, wie er auf Kompensationselektroden angewendet wird, auf die physikalische Ausdehnung der vorgespannten Kompensationselektrode in der Richtung +/-X.
Vorzugsweise sind die Kompensationselektroden im Gebrauch so konfiguriert und vorgespannt, dass sie einen oder mehrere Bereiche erzeugen, in denen eine elektrische Feldkomponente in der Richtung Y erzeugt wird, die der Bewegung der Ionen entlang der Driftrichtung +Y entgegenwirkt. Die Kompensationselektroden bewirken dadurch, dass die Ionen in der Driftrichtung Geschwindigkeit verlieren, wenn sie sich entlang der Driftstrecke in der Richtung +Y bewegen, und die Konfiguration der Kompensationselektroden und das Vorspannen der Kompensationselektroden sind dazu ausgelegt, zu bewirken, dass die Ionen in der Driftrichtung umkehren, bevor sie das Ende der Spiegel erreichen, und in die Richtung zu dem Ioneninjektionsbereich hin zurückkehren. Das wird vorteilhaft ohne Unterteilen der gegenüberliegenden Spiegel und ohne Einführen eines dritten Spiegels erreicht. Vorzugsweise werden die Ionen zu einem räumlichen Brennpunkt gebracht in dem Bereich des Ioneninjektors, wo eine geeignete Detektionsfläche angeordnet ist, wie für andere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Vorzugsweise erzeugt das elektrische Feld in der Richtung Y eine Kraft, die der Bewegung von Ionen linear als eine Funktion der Entfernung in der Driftrichtung entgegenwirkt (ein quadratisches entgegengesetztes elektrisches Potential), wie weiter beschrieben wird.
Es versteht sich, dass Potentiale (d. h. elektrische Potentiale) und elektrische Felder, die von den Ionenspiegeln bereitgestellt werden, und/oder Potentiale und elektrische Felder, die von den Kompensationselektroden bereitgestellt werden, vorhanden sind, wenn die Ionenspiegel bzw. Kompensationselektroden elektrisch vorgespannt sind.
Vorzugsweise umfassen Verfahren der Massenspektrometrie, die die vorliegende Erfindung verwenden, ferner das Injizieren von Ionen in ein Mehrfachreflexions-Massenspektrometer, das Kompensationselektroden umfasst, die sich entlang mindestens eines Abschnitts der Driftrichtung in dem oder angrenzend an den Raum zwischen den Spiegeln erstrecken. Vorzugsweise werden die Ionen aus einem Ioneninjektor injiziert, der an einem Ende der gegenüberliegenden Spiegel in der Driftrichtung angeordnet ist, und in einigen Ausführungsformen werden Ionen durch Auftreffen auf einen Detektor, der in einem Bereich in der Nähe des Ioneninjektors angeordnet ist, d. h. an ihn angrenzend, detektiert. In anderen Ausführungsformen werden Ionen durch Abbildungsstromdetektionsmittel detektiert, wie vorstehend beschrieben. Das Massenspektrometer, das in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll, kann ferner Komponenten mit vorstehend beschriebenen Einzelheiten umfassen.
Im Gebrauch werden Ionen zwischen den ionenoptischen Spiegeln reflektiert, während sie sich um eine Entfernung entlang der Driftrichtung zwischen Reflexionen bewegen, wobei die Ionen mehrmals reflektiert werden und die Entfernung als eine Funktion der Ionenposition entlang mindestens eines Teils der Driftrichtung variiert. Die ionenoptische Anordnung kann ferner eine oder mehrere Kompensationselektroden umfassen, wobei jede Elektrode in dem oder angrenzend an den Raum angeordnet ist, der sich zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln erstreckt, wobei die Kompensationselektroden ausgelegt sind und im Gebrauch elektrisch vorgespannt sind, um in der X-Y-Ebene einen elektrischen Potentialversatz (wodurch vorzugsweise ein Rückführungs-Pseudopotential entsteht) zu erzeugen, der: (i) als eine Funktion der Entfernung entlang der Driftstrecke entlang mindestens eines Abschnitts der Driftstrecke variiert, und/oder (ii) eine unterschiedlich Ausdehnung in der Richtung X als eine Funktion der Entfernung entlang der Driftstrecke entlang mindestens eines Abschnitts der Driftstrecke aufweist.
In einigen bevorzugten Ausführungsform, die im Weiteren beschrieben werden, wird die Ionenstrahlgeschwindigkeit auf eine Weise geändert, dass alle Flugzeitaberrationen, die durch nicht parallele gegenüberliegende ionenoptische Spiegel verursacht werden, korrigiert werden. In derartigen Ausführungsformen wird festgestellt, dass die Änderung der Oszillationsperiode, die aus einer variierenden Entfernung zwischen den Spiegeln entlang der Driftstrecke resultiert, durch die Änderung der Oszillationsperiode, die aus den elektrisch vorgespannten Kompensationselektroden resultiert, vollständig kompensiert wird, wobei in diesem Fall die Ionen eine im Wesentlichen gleiche Oszillationszeit auf jeder Oszillation zwischen den gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln an allen Orten entlang der Driftstrecke erfahren, obwohl sich die Entfernung zwischen den Spiegeln entlang der Driftstrecke verändert. In anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung korrigieren die elektrisch vorgespannten Kompensationselektroden im Wesentlichen die Oszillationsperiode, so dass die Flugzeitaberrationen, die durch nicht parallele gegenüberliegende ionenoptische Spiegel verursacht werden, im Wesentlichen kompensiert werden, und nur nach einer bestimmten Anzahl von Oszillationen, wenn die Ionen die Detektionsebene erreichen. Es versteht sich, dass für diese Ausführungsformen in Abwesenheit von elektrisch vorgespannten Kompensationselektroden die Ionenoszillationsperiode zwischen gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln nicht im Wesentlichen konstant wäre, sondern sich verkleinern würde, wenn sich die Ionen entlang Abschnitten der Driftstrecke bewegen, in der die gegenüberliegenden Spiegel einander näher sind.
Entsprechend stellt die vorliegende Erfindung ferner ein Verfahren der Massenspektrometrie bereit, das die Schritte des Injizierens von Ionen in einen Injektionsbereich eines Mehrfachreflexions-Massenspektrometers, das zwei ionenoptische Spiegel umfasst, die einander in einer Richtung X mit einem Abstand dazwischen gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel im Allgemeinen entlang einer Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Richtung X orthogonal zu Y ist, so dass die Ionen zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln oszillieren, während sie sich entlang einer Driftstrecke in der Richtung Y bewegen; wobei die Ionenspiegel entlang eines ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y mit einem ersten Konvergenzgrad konvergieren und die lonenspiegel entlang eines zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y mit einem zweiten Konvergenzgrad konvergieren, wobei der erste Abschnitt ihrer Länge dem Injektionsbereich näher ist als der zweite Abschnitt und der erste Konvergenzgrad größer ist als der zweite Konvergenzgrad, wobei das Spektrometer ferner eine oder mehrere Kompensationselektroden umfasst, wobei jede Elektrode in dem oder angrenzend an den Raum angeordnet ist, der sich zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln erstreckt, wobei die Kompensationselektroden im Gebrauch elektrisch vorgespannt sind, so dass die Periode der Ionenoszillation zwischen den Spiegeln entlang der gesamten Driftstrecke im Wesentlichen konstant ist; und des Detektierens mindestens einiger der Ionen während oder nach ihrem Durchgang durch das Massenspektrometer umfasst. Die Ionen werden zwischen den Spiegeln wiederholt zurück und vorwärts reflektiert, d. h. in der Richtung X, während sie in der allgemeinen Richtung der Verlängerung, d. h. in der Richtung Y, hinunterdriften. Ebenfalls von der Erfindung bereitgestellt wird ein Verfahren der Massenspektrometrie, das das Injizieren von Ionen von einem Ioneninjektor in einen Raum zwischen zwei gegenüberliegenden Ionenspiegeln eines Mehrfachreflexions-Massenspektrometers umfasst, wobei die Ionen wiederholt zwischen den Spiegeln zurück und vorwärts reflektiert werden, während sie in einer allgemeinen Richtung der Verlängerung hinunterdriften, und des Detektierens mindestens einiger der Ionen während oder nach ihrem Durchgang durch das Massenspektrometer, wobei die beiden lonenspiegel einander in einer Richtung X gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel allgemein entlang einer Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Richtung X orthogonal zur Driftrichtung Y ist, wobei die Ionenspiegel entlang eines ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y mit einem ersten Konvergenzgrad konvergieren und die lonenspiegel entlang eines zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y mit einem zweiten Konvergenzgrad konvergieren oder parallel sind, wobei der erste Abschnitt ihrer Länge dem Ioneninjektor näher ist als der zweite Abschnitt und der erste Konvergenzgrad größer ist als der zweite Konvergenzgrad.
Weiter wird durch die Erfindung ein Verfahren der Massenspektrometrie bereitgestellt, das Injizieren von Ionen aus einem loneninjektor in einen Raum zwischen zwei gegenüberliegenden lonenspiegeln eines Mehrfachreflexions-Massenspektrometers umfasst, wobei die Ionen zwischen den Spiegeln wiederholt zurück und vorwärts reflektiert werden, während sie in einer allgemeinen Richtung der Verlängerung hinunterdriften, und des Detektierens mindestens einiger der Ionen während oder nach ihrem Durchgang durch das Massenspektrometer, wobei die beiden lonenspiegel einander in einer Richtung X gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel allgemein entlang einer Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Richtung X orthogonal zur Driftrichtung Y ist, wobei mindestens einer der lonenspiegel entlang eines ersten Abschnitts seiner Länge in der Driftrichtung Y einen ersten von null verschiedenen Neigungswinkel in der Driftrichtung Y aufweist und entlang eines zweiten Abschnitts seiner Länge in der Driftrichtung Y einen zweiten von null verschiedenen Neigungswinkel zur Richtung Y aufweist, der kleiner ist als der erste von null verschiedenen Neigungswinkel zur Richtung Y, oder einen Neigungswinkel von null zur Richtung Y aufweist, wobei der erste Längenabschnitt dem loneninjektor näher ist als der zweite Abschnitt.
Noch weiter wird durch die Erfindung ein Verfahren der Massenspektrometrie bereitgestellt, das Injizieren von Ionen aus einem Ioneninjektor in einen Raum zwischen zwei gegenüberliegenden Ionenspiegeln eines Mehrfachreflexions-Massenspektrometers umfasst, wobei die Ionen zwischen den Spiegeln wiederholt zurück und vorwärts reflektiert werden, während sie in einer allgemeinen Richtung der Verlängerung hinunterdriften, und des Detektierens mindestens einiger der Ionen während oder nach ihrem Durchgang durch das Massenspektrometer, wobei die beiden Ionenspiegel einander in einer Richtung X gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel allgemein entlang einer Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Richtung X orthogonal zur Driftrichtung Y ist, wobei die Ionenspiegel entlang eines ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y einen ersten Rückführungs-Pseudopotentialgradienten zum Vermindern der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y aufweisen, und die Ionenspiegel entlang eines zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y einen zweiten Rückführungs-Pseudopotentialgradienten zum Vermindern der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y aufweisen oder entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge kein Rückführungs-Pseudopotential aufweisen, wobei der erste Rückführungs-Pseudopotentialgradient größer ist als der zweite Rückführungs-Pseudopotentialgradient und der erste Längenabschnitt dem Ioneninjektor näher ist als der zweite Abschnitt.
Noch weiter wird durch die Erfindung ein Verfahren der Massenspektrometrie bereitgestellt, das Injizieren von Ionen aus einem Ioneninjektor in einen Raum zwischen zwei gegenüberliegenden Ionenspiegeln eines Mehrfachreflexions-Massenspektrometers umfasst, wobei die Ionen zwischen den Spiegeln wiederholt zurück und vorwärts reflektiert werden, während sie in einer allgemeinen Richtung der Verlängerung hinunterdriften, und des Detektierens mindestens einiger der Ionen während oder nach ihrem Durchgang durch das Massenspektrometer, wobei die beiden Ionenspiegel einander in einer Richtung X gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel allgemein entlang einer Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Richtung X orthogonal zur Driftrichtung Y ist, wobei die Ionenspiegel entlang eines ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y einen ersten Rückführungs-Pseudopotentialgradienten zum Vermindern der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y aufweisen, und die Ionenspiegel entlang eines zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y einen zweiten Rückführungs-Pseudopotentialgradienten zum Vermindern der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y aufweisen oder entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge kein Rückführungs-Pseudopotential aufweisen, wobei der erste Rückführungs-Pseudopotentialgradient größer ist als der zweite Rückführungs-Pseudopotentialgradient und der erste Längenabschnitt dem Ioneninjektor näher ist als der zweite Abschnitt. [sic!]
Die Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren der Massenspektrometrie bereit, das Injizieren von Ionen aus einem loneninjektor in einen Raum zwischen zwei gegenüberliegenden Ionenspiegeln eines Mehrfachreflexions-Massenspektrometers umfasst, wobei die Ionen zwischen den Spiegeln wiederholt zurück und vorwärts reflektiert werden, während sie in einer allgemeinen Richtung der Verlängerung hinunterdriften, und des Detektierens mindestens einiger der Ionen während oder nach ihrem Durchgang durch das Massenspektrometer, wobei die beiden lonenspiegel einander in einer Richtung X gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel allgemein entlang einer Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Richtung X orthogonal zur Driftrichtung Y ist, wobei die lonenspiegel entlang eines ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y eine erste Verzögerungsrate der Ionendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y aufweisen, und die lonenspiegel entlang eines zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y eine zweite Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y aufweisen oder entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge keine Verzögerung der Ionendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y aufweisen, wobei die erste Verzögerungsrate der Ionendriftgeschwindigkeit größer ist als die zweite Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit und der erste Längenabschnitt dem loneninjektor näher ist als der zweite Abschnitt.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Mehrfachreflexions-Massenspektrometer bereit, das zwei ionenoptische Spiegel umfasst, die einander in einer Richtung X mit einem Abstand dazwischen gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel im Allgemeinen entlang einer Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Richtung X orthogonal zu Y ist, wobei die Ionenspiegel entlang eines ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y mit einem ersten Konvergenzgrad konvergieren und die Ionenspiegel entlang eines zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y mit einem zweiten Konvergenzgrad konvergieren, wobei der erste Konvergenzgrad größer ist als der zweite Konvergenzgrad, und ferner umfassend einen Ioneninjektor, der an einem Ende der ionenoptischen Spiegel näher am ersten Abschnitt ihrer Länge positioniert und so angebracht ist, dass er im Gebrauch Ionen so injiziert, dass sie zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln oszillieren, während sie sich entlang einer Driftstrecke in der Richtung Y bewegen; wobei das Spektrometer ferner eine oder mehrere Kompensationselektroden umfasst, wobei jede Elektrode in dem oder angrenzend an den Raum angeordnet ist, der sich zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln erstreckt, wobei die Kompensationselektroden im Gebrauch elektrisch vorgespannt sind, so dass die Periode der lonenoszillation zwischen den Spiegeln entlang der gesamten Driftstrecke im Wesentlichen konstant ist.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Mehrfachreflexions-Massenspektrometer bereit, das zwei ionenoptische Spiegel umfasst, wobei jeder Spiegel im Allgemeinen entlang einer Driftrichtung (Y) verlängert ist, jeder Spiegel dem anderen in einer Richtung X mit einem Abstand dazwischen gegenüberliegt, wobei die Richtung X orthogonal zu Y ist, und einen an einem Ende der ionenoptischen Spiegel in der Driftrichtung positionierten Ioneninjektor, der so angeordnet ist, dass er im Gebrauch Ionen so injiziert, dass sie zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln oszillieren, während sie sich entlang einer Driftstrecke in Richtung Y bewegen; wobei die Ionenspiegel entlang eines ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y mit einem ersten Konvergenzgrad konvergieren und die lonenspiegel entlang eines zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y mit einem zweiten Konvergenzgrad konvergieren, wobei der erste Konvergenzgrad größer ist als der zweite Konvergenzgrad, wobei der erste Abschnitt ihrer Länge dem loneninjektor näher ist als der zweite Abschnitt und wobei die Amplitude der lonenoszillation zwischen den Spiegeln nicht entlang der gesamten Driftstrecke im Wesentlichen konstant ist. Vorzugsweise nimmt die Amplitude entlang mindestens eines Abschnitts der Driftstrecke ab, wenn sich Ionen vom loneninjektor weg bewegen. Vorzugsweise nimmt die Amplitude der lonenoszillation zwischen dem ersten Längenabschnitt und dem zweiten Längenabschnitt der lonenspiegel in der Richtung Y ab. Vorzugsweise werden die Ionen umgekehrt, nachdem sie die Driftstrecke durchlaufen haben, und bewegen sich zurück entlang der Driftstrecke hin zu dem Ioneninjektor. In bestimmten Ausführungsformen ist die Entfernung zwischen den Äquipotentialflächen, an denen die Ionen in der Richtung +/-X umkehren, nicht wesentlich konstant entlang der gesamten Driftstrecke.
In einigen Ausführungsformen wechselt die Entfernung zwischen aufeinanderfolgenden Punkten in der Richtung X, an denen die Ionen umkehren, monoton mit Y während mindestens eines Teils der Ionenbewegung entlang der Driftrichtung, und mindestens einige der Ionen werden während oder nach dem Durchlaufen des Massenspektrometers detektiert.
Wie bereits beschrieben, sind vorzugsweise eine oder mehrere Kompensationselektroden im Gebrauch so konfiguriert und vorgespannt, dass sie einen oder mehrere Bereiche erzeugen, in denen eine elektrische Feldkomponente in der Richtung Y erzeugt wird, die der Bewegung der Ionen entlang der Driftrichtung +Y entgegenwirkt. Die Kompensationselektroden erstrecken sich bevorzugt entlang mindestens eines Abschnitts der Driftrichtung, wobei jede Elektrode in dem oder angrenzend an den Raum angeordnet ist, der sich zwischen gegenüberliegenden Spiegeln erstreckt, wobei die Kompensationselektroden so geformt und im Gebrauch elektrisch vorgespannt sind, um mindestens in einem Abschnitt des Raums, der sich zwischen den Spiegeln erstreckt, einen elektrischen Potentialversatz zu produzieren, der: (i) als eine Funktion der Entfernung entlang der Driftstrecke variiert, und/oder (ii) eine unterschiedlich Ausdehnung in der Richtung X als eine Funktion der Entfernung entlang der Driftstrecke aufweist. In diesen Ausführungsformen erzeugen die somit konfigurierten (d. h. geformten und im Raum angeordneten) und vorgespannten Kompensationselektroden einen oder mehrere Bereiche, in denen eine elektrische Feldkomponente in der Richtung Y erzeugt wird, die der Bewegung der Ionen entlang der Driftrichtung +Y entgegenwirkt. Da die Ionen von einem ionenoptischen Spiegel zum anderen wiederholt reflektiert werden und sich gleichzeitig entlang der Driftstrecke bewegen, wenden die Ionen innerhalb jedes der Spiegel um. Die Entfernung zwischen aufeinanderfolgenden Punkten, an denen die Ionen in Richtung Y umkehren, verändert sich monoton mit Y während mindestens eines Teils der Ionenbewegung entlang der Driftrichtung, und die Periode der Ionenoszillation zwischen den Spiegeln ist entlang der gesamten Driftstrecke nicht im Wesentlichen konstant. Die elektrisch vorgespannten Kompensationselektroden bewirken, dass die Ionengeschwindigkeit in der Richtung X (mindestens) entlang mindestens eines Abschnitts der Driftstrecke verändert wird, und die Periode der Ionenoszillation zwischen den Spiegeln wird dadurch als eine Funktion des mindestens einen Abschnitts der Driftstrecke geändert. In derartigen Ausführungsformen sind beide Spiegel entlang der Driftrichtung verlängert und in gleichen Abständen voneinander entfernt in der Richtung X angeordnet. In einigen Ausführungsformen sind beide Spiegel nichtlinear entlang der Driftrichtung verlängert, und in anderen Ausführungsformen sind beide Spiegel linear entlang der Driftrichtung verlängert. Vorzugsweise sind zur Vereinfachung der Herstellung beide Spiegel entlang der Driftrichtung linear verlängert, d. h. beide Spiegel sind gerade. In Ausführungsformen der Erfindung nimmt die Periode der Ionenoszillation entlang mindestens eines Abschnitt der Driftstrecke ab, wenn sich die Ionen vom Ioneninjektor weg bewegen. Vorzugsweise werden die Ionen umgekehrt, nachdem sie die Driftstrecke durchlaufen haben, und sich zurück entlang der Driftstrecke zum Ioneninjektor hin bewegen. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Kompensationselektroden dazu verwendet, die Ionenstrahlgeschwindigkeit zu verändern, und damit die Ionenoszillationsperioden, wenn der lonenstrahl in der Nähe einer Kompensationselektrode vorbei läuft, oder mehr bevorzugt zwischen einem Paar von Kompensationselektroden hindurch läuft. Die Kompensationselektroden bewirken dadurch, dass die Ionen in der Driftrichtung Geschwindigkeit verlieren, und die Konfiguration der Kompensationselektroden und das Vorspannen der Kompensationselektroden sind vorzugsweise dazu ausgelegt, zu bewirken, dass die Ionen in der Driftrichtung umkehren, bevor sie das Ende der Spiegel erreichen, und in die Richtung zu dem Ioneninjektionsbereich hin zurückkehren. Das wird vorteilhaft ohne Unterteilen der gegenüberliegenden Spiegel und ohne Einführen eines dritten Spiegels erreicht. Vorzugsweise werden die Ionen zu einem räumlichen Brennpunkt gebracht in dem Bereich des Ioneninjektors, wo eine geeignete Detektionsfläche angeordnet ist, wie zuvor für andere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Vorzugsweise erzeugt das elektrische Feld in der Richtung Y eine Kraft, die der Bewegung von Ionen linear als eine Funktion der Entfernung in der Driftrichtung entgegenwirkt (ein quadratisches entgegengesetztes elektrisches Potential), wie im Weiteren beschrieben wird.
Die angrenzend an den oder im Raum zwischen den Ionenspiegeln angeordneten vorgespannten Kompensationselektroden können zwischen zwei oder mehr nicht vorgespannten (geerdeten) Elektroden in der X-Y-Ebene positioniert werden, die ebenfalls angrenzend an den oder im Raum zwischen den Ionenspiegeln angeordnet sind. Die Formen der nicht vorgespannten Elektroden können komplementär zur Form der vorgespannten Kompensationselektroden sein.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen ist der Raum zwischen den gegenüberliegenden optischen Spiegeln in der X-Z-Ebene an beiden Enden der Driftstrecke offen. „Offen“ in der X-Z-Ebene bedeutet, dass die Spiegel nicht durch Elektroden in der X-Z-Ebene begrenzt sind, die die Lücke zwischen den Spiegeln ganz oder im Wesentlichen überbrücken.
Ausführungsformen des Mehrfachreflexions-Massenspektrometers nach dieser Erfindung können das gesamte Mehrfachreflexions-Elektrostatikfallen-Massenspektrometer oder einen Teil davon bilden. Ein bevorzugtes Elektrostatikfallen-Massenspektrometer umfasst zwei Mehrfachreflexions-Massenspektrometer, die Ende an Ende symmetrisch um eine X-Achse angeordnet sind, so dass ihre jeweiligen Driftrichtungen kollinear sind, wobei die Mehrfachreflexions-Massenspektrometer ein Volumen definieren, in dem im Gebrauch Ionen einem geschlossenen Weg mit isochronen Eigenschaften sowohl in den Driftrichtungen als auch in einer Ionenflugrichtung folgen. Derartige Systeme sind beschrieben in US2015/0028197 und dargestellt in 13 dieses Dokuments, dessen Offenbarung hiermit in ihrer Gänze durch Verweis einbezogen wird (wobei jedoch bei Widersprüchen zwischen Aussagen im einbezogenen Verweis und Aussagen in der vorliegenden Anmeldung die vorliegende Anmeldung Vorrang hat). Eine Vielzahl von Paaren (z. B. vier Paare bei zwei Ende an Ende angeordneten Mehrfachreflexions-Massenspektrometern) streifenförmiger Detektionselektroden können bei jedem Durchgang der Ionen zwischen den Spiegeln zum Auslesen eines Signals des induzierten Stroms verwendet werden. Die Elektroden in jedem Paar sind in Richtung Z symmetrisch getrennt und können in den Ebenen von Kompensationselektroden oder näher am lonenstrahl angeordnet sein. Die Elektrodenpaare sind mit dem direkten Eingang eines Differentialverstärkers verbunden und die Elektrodenpaare sind mit dem inversen Eingang des Differentialverstärkers verbunden, wodurch ein Signal des induzierten Differentialstroms bereitgestellt wird, das das Rauschen vorteilhaft reduziert. Um das Massenspektrum zu erhalten, wird das Signal des induzierten Stroms auf bekannte Arten unter Verwendung der Fouriertransformationsalgorithmen oder eines spezialisierten Kammabtastungsalgorithmus verarbeitet, wie durch J.B. Greenwood at al. in Rev. Sci. Instr. 82, 043103 (2011) beschrieben.
Das Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach dieser Erfindung kann das gesamte Mehrfachreflexions-Flugzeit-Massenspektrometer oder einen Teil davon bilden.
Es kann ein zusammengesetztes Massenspektrometer gebildet werden, das zwei oder mehrere Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach der Erfindung umfasst, die so ausgerichtet sind, dass die X-Y-Ebenen jedes Massenspektrometers parallel, und optional in einer senkrechten Richtung Z gegeneinander verlagert sind, wobei das zusammengesetzte Massenspektrometer ferner ionenoptische Mittel umfasst, um Ionen aus einem Mehrfachreflexions-Massenspektrometer zu einem anderen zu lenken. In einer derartigen Ausführungsform eines zusammengesetzten Massenspektrometers ist eine Gruppe von Mehrfachreflexions-Massenspektrometern aufeinander in der Richtung Z gestapelt, und Ionen werden von einem ersten Mehrfachreflexions-Massenspektrometer in dem Stapel zu weiteren Mehrfachreflexions-Massenspektrometern mit Hilfe von Ablenkungsmitteln, wie z. B. elektrostatischen Elektrodendeflektoren, weitergeleitet, wobei ein zusammengesetztes Massenspektrometer mit erweitertem Flugweg bereitgestellt wird, in dem Ionen demselben Weg nicht mehr als einmal folgen, so dass eine TOF-Analyse über den gesamten Massenbereich ermöglicht wird, da es keine Überlappung von Ionen gibt. Derartige Systeme sind beschrieben in US2015/0028197 und in 14 dieses Dokuments abgebildet. In einer weiteren derartigen Ausführungsform eines zusammengesetzten Massenspektrometers ist eine Gruppe von Mehrfachreflexions-Massenspektrometern so angeordnet, dass sie in derselben X-Y-Ebene liegen, und Ionen werden von einem ersten Mehrfachreflexions-Massenspektrometer zu weiteren Mehrfachreflexions-Massenspektrometern mit Hilfe von Ablenkungsmitteln, wie z. B. elektrostatischen Elektrodendeflektoren, weitergeleitet, wobei ein zusammengesetztes Massenspektrometer mit erweitertem Flugweg bereitgestellt wird, in dem Ionen demselben Weg nicht mehr als einmal folgen, so dass eine TOF-Analyse über den gesamten Massenbereich ermöglicht wird, da es keine Überlappung von Ionen gibt. Andere Anordnungen von Mehrfachreflexions-Massenspektrometern sind geplant, in denen einige der Spektrometer in derselben X-Y-Ebene liegen und andere in der senkrechten Richtung Z verlagert sind, mit ionenoptischen Mitteln, die dazu ausgelegt sind, Ionen von einem Spektrometer zu einem anderen weiterzuleiten, wobei ein zusammengesetztes Massenspektrometer mit erweitertem Flugweg, in dem Ionen demselben Weg nicht mehr als einmal folgen, bereitgestellt wird. Vorzugsweise, wenn einige Spektrometer in der Richtung Z gestapelt sind, weisen die Spektrometer alternierende Orientierungen der Driftrichtungen auf, um die Notwendigkeit von Ablenkungsmitteln in der Driftrichtung zu vermeiden.
Alternativ können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit weiteren Strahlablenkungsmitteln verwendet werden, die dazu angeordnet sind, Ionen einmal oder mehrmals umzukehren und sie zurück durch das Mehrfachreflexions-Massenspektrometer oder zusammengesetzte Massenspektrometer zurückzuleiten und dadurch die Flugweglänge zu vervielfachen, allerdings auf Kosten des Massenbereichs.
Analysesysteme für MS/MS können unter Verwendung der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden, die ein Mehrfachreflexions-Massenspektrometer und einen Ioneninjektor, der eine Ionenfallenvorrichtung stromaufwärts des Massenspektrometers umfasst, und ein gepulstes Ionengatter, eine Hochenergiekollisionszelle und einen Flugzeitanalysator stromabwärts des Massenspektrometers umfassen. Darüber hinaus könnte derselbe Analysator für beide Analysestufen oder mehrere derartige Analysestufen verwendet werden und dadurch die Fähigkeit für MSⁿ durch Konfigurieren der Kollisionszelle schaffen, so dass Ionen, die aus der Kollisionszelle austreten, zurück in die Ionenfallenvorrichtung gelenkt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Mehrfachreflexions-Massenspektrometer und ein Verfahren zur Massenspektrometrie bereit, das zwei gegenüberliegende Spiegel umfasst, die entlang einer Driftrichtung verlängert sind, und Mittel, um eine Rückführungskraft bereitzustellen, die der Ionenbewegung entlang der Driftrichtung entgegenwirkt. In der vorliegenden Erfindung ist die Rückführungskraft entlang eines Abschnitts der Driftrichtung gleichmäßig verteilt, am meisten bevorzugt entlang im Wesentlichen der gesamten Driftrichtung, was unkontrollierte Ionenstreuung insbesondere in der Nähe des Umkehrpunkts in der Driftrichtung, wo die Ionenstrahlweite ihr Maximum aufweist, verringert oder eliminiert. Diese gleichmäßige Rückführungskraft wird in einigen Ausführungsformen durch das Verwenden von durchgehenden, nicht unterteilten Elektrodenstrukturen, die in den Spiegeln vorhanden sind, zur Verfügung gestellt, wobei die Spiegel entlang mindestens eines Abschnitts der Driftstrecke, vorzugsweise entlang des größten Teils der Driftstrecke, zueinander geneigt oder gekrümmt sind. In besonders bevorzugten Ausführungsformen wird die Rückführungskraft sowohl durch gegenüberliegende ionenoptische Spiegel, die an einem Ende zueinander geneigt oder gekrümmt sind, als auch durch das Verwenden von vorgespannten Kompensationselektroden bereitgestellt. Vor allem wird die Rückführungskraft nicht durch eine Potentialbarriere, die mindestens so groß ist wie die kinetische Energie des lonenstrahls in der Driftrichtung, bereitgestellt.
In Systemen aus zwei gegenüberliegenden verlängerten Spiegeln allein wird die Implementierung einer Rückführungskraft durch Neigen der Spiegel notwendigerweise Flugzeitaberrationen abhängig von dem anfänglichen lonenstrahlinjektionswinkel einführen, weil das elektrische Feld in der Nähe der Rückführungskraftmittel nicht einfach durch die Summe von zwei Termen repräsentiert werden kann, von denen einer ein Term für das Feld in der Driftrichtung (E_y) ist und einer ein Term für das Feld quer zur Driftrichtung (E_x) ist. Eine wesentliche Minimierung derartiger Aberrationen wird in der vorliegenden Erfindung durch das Verwenden von Kompensationselektroden bereitgestellt, wodurch ein weiterer Vorteil für derartige Ausführungsformen entsteht.
Die Flugzeitaberrationen einiger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in Bezug auf ein Paar aus gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln, die in ihrer Länge entlang der Driftrichtung Y verlängert sind und die in der Richtung X entlang mindestens eines Abschnitts ihrer Länge zunehmend näher zueinander geneigt sind, wie folgt betrachtet werden. Ein Anfangsimpuls von Ionen, die in das Spiegelsystem eintreten, umfasst Ionen, die einen Bereich von Injektionswinkeln in der X-Y-Ebene aufweisen. Eine Gruppe von Ionen, die eine größere Y-Geschwindigkeit aufweisen, wird sich die Driftstrecke hinunter bei jeder Oszillation ein wenig weiter zwischen den Spiegeln bewegen als eine Gruppe von Ionen mit einer niedrigeren Y-Geschwindigkeit. Die zwei Gruppen von Ionen werden eine unterschiedliche Oszillationszeit zwischen den Spiegeln aufweisen, da die Spiegel als eine Funktion der Driftstrecke um einen unterschiedlichen Betrag zueinander geneigt sind. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Spiegel an einem entfernten Ende von den loneninjektionsmitteln einander näher. Die Ionen mit höherer Y-Geschwindigkeit werden bei jeder Oszillation innerhalb des Abschnitts der Spiegel, der eine Spiegelneigung aufweist, auf ein Paar von Spiegeln mit einer geringfügig kleineren Lücke zwischen sich auftreffen, als die Ionen, die eine niedrigere Y-Geschwindigkeit aufweisen. Dies kann durch die Verwendung von einer oder mehreren Kompensationselektroden kompensiert werden. Um dies darzustellen, wird ein Paar von Kompensationselektroden betrachtet (als ein nicht einschränkendes Beispiel), das sich entlang der Driftrichtung angrenzend an den Raum zwischen den Spiegeln erstreckt und das erweiterte Oberflächen in der X-Y-Ebene umfasst, die zu dem lonenstrahl gerichtet sind, wobei jede Elektrode auf einer Seite eines Raums angeordnet ist, der sich zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln erstreckt. Geeignete elektrische Vorspannung beider Elektroden durch beispielsweise ein positives Potential stellt einen Bereich des Raums zwischen den Spiegeln bereit, in dem sich positive Ionen mit niedrigerer Geschwindigkeit bewegen. Wenn die vorgespannten Kompensationselektroden so angeordnet sind, dass die Ausdehnung des Raumbereichs zwischen ihnen in der Richtung X als eine Funktion von Y variiert, kann der Unterschied in der Oszillationszeit zwischen den Spiegeln für Ionen unterschiedlicher Y-Geschwindigkeit kompensiert werden. Es können verschiedene Mittel betrachtet werden, um vorzusehen, dass der Raumbereich in der Richtung X als eine Funktion von Y variiert; einschließlich: (a) Verwenden von vorgespannten Kompensationselektroden, die so geformt sind, dass sie sich in die Richtung +/-X um einen unterschiedlichen Betrag als eine Funktion von Y erstrecken (d. h. sie stellen eine variierende Breite in X dar, wenn sie sich in Y erstrecken), oder (b) Verwenden von Kompensationselektroden, die um einen unterschiedlichen Betrag in Z als eine Funktion von Y voneinander beabstandet sind. Alternativ kann der Betrag der Geschwindigkeitsverringerung als eine Funktion von Y beispielsweise durch Verwenden von Kompensationselektroden mit konstanter Breite variiert werden, von denen jede mit einer Spannung vorgespannt ist, die entlang ihrer Länge als eine Funktion von Y variiert, und wiederum kann der Unterschied der Oszillationszeit zwischen den Spiegeln für Ionen unterschiedlicher Y-Geschwindigkeit dadurch kompensiert werden. Selbstverständlich kann auch eine Kombination dieser Mittel verwendet werden, und andere Verfahren können ebenfalls gefunden werden, einschließlich beispielsweise der Verwendung zusätzlicher Elektroden mit unterschiedlicher elektrischer Vorspannung, die entlang der Driftstrecke beabstandet sind. Die Kompensationselektroden, für die Beispiele im Weiteren im Detail beschrieben werden, kompensieren mindestens teilweise Flugzeitaberrationen, die sich auf die Strahlinjektionswinkelverteilung in der X-Y-Ebene beziehen. Vorzugsweise kompensieren die Kompensationselektroden Flugzeitaberrationen, die sich auf die Strahlinjektionswinkelverteilung in der X-Y-Ebene beziehen, bis zur ersten Ordnung, und mehr bevorzugt bis zur zweiten oder höheren Ordnung.
Vorteilhafterweise ermöglichen Aspekte der vorliegenden Erfindung, dass die Anzahl von lonenoszillationen innerhalb der Spiegelstruktur und dadurch die gesamte Flugweglänge durch Ändern des Ioneninjektionswinkels, insbesondere durch den höheren Konvergenzgrad der Spiegel im ersten Längenabschnitt entlang Richtung Y, verändert werden kann. In einigen bevorzugten Ausführungsformen ist die Vorspannung der Kompensationselektroden veränderbar, um die Flugzeitaberrationskorrektur für eine unterschiedliche Anzahl von Oszillationen beizubehalten, wie im Weiteren beschrieben wird.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung divergiert der lonenstrahl langsam in der Driftrichtung, wenn sich der Strahl in Richtung des entfernten Endes der Spiegel von dem loneninjektor fortbewegt, wird nur mit Hilfe einer Komponente des elektrischen Felds, die in der Richtung -Y wirkt und durch die gegenüberliegenden Spiegel selbst und/oder, falls vorhanden, durch die Kompensationselektroden, produziert wird, reflektiert und der Strahl konvergiert langsam erneut, nachdem er die Nähe des Ioneninjektors erreicht, wo auch der Ionendetektor angeordnet sein kann. Der lonenstrahl wird dadurch während des größten Teils seines Flugwegs zu einem gewissen Grad im Raum verteilt, und Raumladungswechselwirkungen werden dadurch vorteilhaft reduziert.
Flugzeitfokussierung wird außerdem durch die nichtparallele Spiegelanordnung einiger Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit geeignet geformten Kompensationselektroden bereitgestellt, wie vorstehend beschrieben; Flugzeitfokussierung mit Bezug auf die Verteilung der Injektionswinkel wird durch die nichtparallele Spiegelanordnung der Erfindung und entsprechend geformte Kompensationselektroden bereitgestellt. Flugzeitfokussierung mit Bezug auf die Energieverteilung in der Richtung X wird außerdem durch die spezielle Konstruktion der Ionenspiegel, die im Allgemeinen aus dem früheren Stand der Technik bekannt ist und nachstehend vollständiger beschrieben wird, bereitgestellt. Als ein Ergebnis der Flugzeitfokussierung in sowohl der Richtung X als auch der Richtung Y kommen die Ionen an im Wesentlichen den gleichen Koordinaten in der Richtung Y in der Nähe des Ioneninjektors und/oder -Detektors nach einer vorgesehenen Anzahl von Oszillationen zwischen den Spiegeln in der Richtung X an. Räumliche Fokussierung auf dem Detektor wird dadurch ohne Verwenden zusätzlicher Fokussierungselemente erreicht, und die Konstruktion des Massenspektrometers wird außerordentlich vereinfacht. Die Spiegelstrukturen können zusammenhängend, d. h. nicht unterteilt, sein, und dies eliminiert Ionenstrahlstreuung, die mit der stufenweisen Änderung des elektrischen Felds in den Lücken zwischen derartigen Unterteilungen verbunden ist, insbesondere in der Nähe des Umkehrpunkts in der Driftrichtung, wo die Ionenstrahlweite ihr Maximum hat. Es ermöglicht außerdem eine viel einfachere mechanische und elektrische Konstruktion der Spiegel, wodurch ein weniger komplexer Analysator bereitgestellt wird. Es sind nur zwei Spiegel erforderlich. Darüber hinaus können in einigen Ausführungsformen der Erfindung die Flugzeitaberrationen, die aufgrund der nichtparallelen gegenüberliegenden Spiegelstruktur erzeugt werden, weitgehend durch Verwendung der Kompensationselektroden eliminiert werden, was es möglich macht, eine hohe Massenauflösungsleistung an einem geeignet platzierten Detektor zu erreichen. Viele Probleme, die mit Mehrfachreflexions-Massenanalysatoren aus dem Stand der Technik in Zusammenhang stehen, werden dabei durch die vorliegende Erfindung gelöst.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Injizieren von Ionen in ein Flugzeit-Spektrometer oder eine Elektrostatikfalle nach der Erfindung bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst: Ausstoßen eines im Wesentlichen parallelen lonenstrahls radial aus einer Ionenfalle wie z. B. einem Speichermultipol, in einem Injektionsneigungswinkel mit Bezug auf die X-Achse und Reflektieren des lonenstrahls in einem ersten Spiegel an einem Reflexionspunkt im ersten Längenabschnitt des Spiegels. Als Ergebnis weist der reflektierte lonenstrahl aus der Reflexion im ersten Längenabschnitt des Spiegels einen ersten reduzierten Neigungswinkel zur X-Achse im Vergleich zur Injektionsneigung auf. Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin eine loneninjektorvorrichtung zum Injizieren von Ionen in ein Flugzeitspektrometer oder eine elektrostatische Falle nach der Erfindung bereit, umfassend: eine Ionenfalle, wie z. B. einen Speichermultipol, dazu angeordnet, im Gebrauch Ionen radial in einem Neigungswinkel mit Bezug auf die X-Achse auszustoßen, so dass die Ionen in das Flugzeitspektrometer fliegen, um in einem ersten Spiegel an einem Reflexionspunkt im ersten Längenabschnitt des Spiegels reflektiert zu werden. Das Flugzeitspektrometer ist vorzugsweise ein Massenspektrometer.
Figurenliste

1A und 1B sind schematische Diagramme eines Mehrfachreflexions-Massenspektrometers, umfassend zwei parallele ionenoptische Spiegel, die linear entlang einer Driftstrecke verlängert sind und Analysatoren nach dem früheren Stand der Technik veranschaulichen, 1A in der X-Y-Ebene, 1B in der X-Z-Ebene.
2 ist eine schematische Darstellung eines Mehrfachreflexions-Massenspektrometers, das Analysatoren nach dem früheren Stand der Technik veranschaulicht, umfassend gegenüberliegende ionenoptische Spiegel, die parabolisch entlang einer Driftstrecke verlängert sind.
3 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts in der X-Z-Ebene einer Ausführungsform des Mehrfachreflexions-Massenspektrometers, umfassend zwei Ionenspiegel, zusammen mit lonenstrahlen und graphischen Darstellungen des Potentials.
4 ist ein Graph der Oszillationszeit T, aufgetragen gegen die Strahlenergie ε, berechnet für Spiegel des in 3 veranschaulichten Typs.
5A ist eine schematische Darstellung eines Mehrfachreflexions-Massenspektrometers, umfassend gegenüberliegende ionenoptische Spiegel, die parabolisch entlang einer Driftstrecke verlängert sind, und weiterhin umfassend parabolisch geformte Kompensationselektroden, von denen einige mit einer positiven Spannung vorgespannt sind. 5B ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch das Spektrometer aus 5A. 5C und 5D veranschaulichen analoge Ausführungsformen mit asymmetrischen Spiegelformen.
6A und 6B sind schematische Diagramme von Mehrfachreflexions-Massenspektrometern, umfassend gegenüberliegende ionenoptische Spiegel, die linear entlang einer Driftstrecke verlängert und in einem Neigungswinkel zueinander angeordnet sind, ferner umfassend Kompensationselektroden mit konkaver (6A) und konvexer (6B) parabolischer Form. 6C ist eine schematische Darstellung eines weiteren Mehrfachreflexions-Massenspektrometers, umfassend gegenüberliegende ionenoptische Spiegel, die linear entlang einer Driftstrecke verlängert und parallel zueinander angeordnet sind, weiterhin umfassend parabolische Kompensationselektroden.
7 ist ein Graph, der einen Vergleich eines zweistufigen Potentialgradienten einer Ausführungsform der Erfindung mit dem einer einfachen einstufigen linearen Rampe nach dem früheren Stand der Technik zeigt.
8 ist eine schematische Darstellung eines Massenspektrometers, das die vorliegende Erfindung verkörpert, und zwei gegenüberliegende Ionenspiegel aufweist, die in zwei verschiedenen linearen Stufen konvergieren.
9 ist eine schematische Darstellung, die ein Detail des Massenspektrometers aus 8 zeigt, bei dem die Ionenflugbahn Ionen zeigt, die anfänglich in die Ionenspiegel mit einem Neigungswinkel zur Richtung X eintreten.
10 ist eine schematische Darstellung, die einen zweistufigen Spiegel eines Massenspektrometers nach der vorliegenden Erfindung zeigt, in den eine Feldausgleichs-PCB an der Schnittstelle der Stufen einbezogen ist.
11 ist eine schematische Darstellung, die einen zweistufigen Spiegel eines Massenspektrometers nach der vorliegenden Erfindung zeigt, in den eine korrigierende Verzerrung an der Schnittstelle der Stufen einbezogen ist.
12 ist eine schematische Darstellung, die einen zweistufigen Spiegel eines Massenspektrometers nach der vorliegenden Erfindung zeigt, in den axiale Feldkorrekturelektroden an der Schnittstelle der Stufen einbezogen sind.
13 ist eine schematische Darstellung, die ein Massenspektrometer nach der vorliegenden Erfindung zeigt, das eine Spiegelgruppe einschließlich einer gekrümmten ersten Stufe mit einem höheren Konvergenzgrad und einer gekrümmten zweiten Stufe mit einem niedrigeren Konvergenzgrad beinhaltet.
14 ist eine schematische Darstellung, die eine Konstruktion eines lonenspiegels zeigt, der Stabelektroden mit angelegten Spannungen umfasst.
15 ist eine schematische Darstellung, die ein Massenspektrometer nach der vorliegenden Erfindung zeigt, das eine Spiegelgruppe einschließlich einer gekrümmten ersten Stufe mit einem höheren Konvergenzgrad und einer gekrümmten zweiten Stufe mit einem niedrigeren Konvergenzgrad beinhaltet und eine mittige Streifenkompensationselektrode aufweist.
16 ist ein Graph, der die dimensionslose Summe von Rückführungs-Pseudopotentialen der konvergierenden lonenspiegel und einer dazwischen angeordneten Kompensationselektrode zeigt.
17 ist eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung zur Ioneninjektion zum Gebrauch mit einer Ausführungsform der Erfindung, die mit angelegten Spannungen dargestellt ist.
18 ist eine graphische Darstellung einer simulierten Ionenflugbahn nach einer Ausführungsform der Erfindung.
19 ist ein Graph der zeitlichen Streuung von Ionen mit m/z = 195, die in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung am Detektor eintreffen.
20 ist ein Graph der räumlichen Streuung in Richtung Y von Ionen mit m/z = 195, die in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung am Detektor eintreffen.

Detailbeschreibung
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Hilfe der folgenden Beispiele und der begleitenden Zeichnungen beschrieben.
1A und 1B sind schematische Diagramme eines Mehrfachreflexions-Massenspektrometers, umfassend parallele ionenoptische Spiegel, die linear entlang einer Driftstrecke verlängert sind und Analysatoren nach dem früheren Stand der Technik veranschaulichen. 1A zeigt den Analysator in der X-Y-Ebene und 1B zeigt denselben Analysator in der X-Z-Ebene. Entgegengesetzte ionenoptische Spiegel 11, 12 sind entlang einer Driftrichtung Y verlängert und parallel zueinander angeordnet. Ionen werden aus dem Ioneninjektor 13 mit dem Winkel θ zur X-Achse und der Winkeldivergenz δθ in der X-Y-Ebene injiziert. Dementsprechend sind drei Ionenflugwege dargestellt, 16, 17, 18. Die Ionen bewegen sich in den Spiegel 11 und werden umgekehrt, um sich aus dem Spiegel 11 heraus und zum Spiegel 12 hin zu bewegen, woraufhin sie im Spiegel 12 reflektiert werden und sich einem Zickzack-Ionenflugweg folgend zurück zum Spiegel 11 bewegen und relativ langsam in die Driftrichtung Y driften. Nach mehreren Reflexionen in den Spiegeln 11, 12 erreichen die Ionen einen Detektor 14, auf den sie auftreffen, und werden detektiert. In einigen Analysatoren nach dem früheren Stand der Technik sind der Ioneninjektor und der Detektor außerhalb des durch die Spiegel begrenzten Volumens angeordnet. 1B ist eine schematische Darstellung des Mehrfachreflexions-Massenspektrometers von 1A, das im Querschnitt gezeigt ist, d. h. in der X-Z-Ebene, wobei aber die lonenflugwege 16, 17, 18, Ioneninjektor 13 und -Detektor 14 der Deutlichkeit halber weggelassen wurden. Die Ionenflugwege 16, 17, 18 stellen die Verteilung des lonenstrahls dar, wenn er sich entlang der Driftstrecke fortbewegt, in dem Fall, wenn keine Fokussierung in der Driftrichtung stattfindet. Wie vorstehend beschrieben, sind verschiedene Lösungen, einschließlich des Bereitstellens von Linsen zwischen den Spiegeln, periodischer Modulationen in den Spiegelstrukturen selbst und getrennter Spiegel vorgeschlagen worden, um die Strahldivergenz entlang der Driftstrecke zu steuern. Es ist jedoch vorteilhaft, das Verteilen der Ionen zu ermöglichen, wenn sie sich entlang der Driftstrecke bewegen, um Raumladungswechselwirkungen zu reduzieren, solange sie, wenn erforderlich, in eine gewisse Konvergenz gebracht werden können, um vollständig detektiert zu werden.
Ein bevorzugtes Merkmal dieser Erfindung besteht darin, eine verlängerte Struktur aus gegenüberliegenden lonenspiegeln bereitzustellen, in denen eine gleichmäßige Rückführungskraft hergestellt wird. 2 ist eine schematische Darstellung eines Mehrfachreflexions-Massenspektrometers, wie in US2015/0028197 beschrieben, das gegenüberliegende lonenspiegel 31, 32 umfasst, die allgemein entlang einer Driftstrecke Y verlängert sind und die Form von Parabeln aufweisen, die am entfernten Ende vom loneninjektor 33 zueinander konvergieren. Dies kann eine Anordnung für den zweiten Längenabschnitt der lonenspiegel in der vorliegenden Erfindung sein. Die Offenbarung nach US2015/0028197 wird hiermit in ihrer Gänze durch Verweis einbezogen (wobei jedoch bei Widersprüchen zwischen Aussagen im einbezogenen Verweis und Aussagen in der vorliegenden Anmeldung die vorliegende Anmeldung Vorrang hat). Der Injektor 33 kann ein herkömmlicher loneninjektor nach dem Stand der Technik, z. B. eine Ionenfalle, ein orthogonaler Beschleuniger, eine MALDI-Ionenquelle usw. sein. Ionen werden durch die Beschleunigungsspannung V beschleunigt und in das Mehrfachreflexions-Massenspektrometer aus dem loneninjektor 33 in einem Winkel θ in der X-Y-Ebene und mit einer Winkeldivergenz δθ auf die gleiche Weise injiziert, wie mit Bezug auf 1 beschrieben wurde. Entsprechend sind in 2 drei Ionenflugwege 36, 37, 38 repräsentativ dargestellt. Wie bereits beschrieben, werden Ionen mehrmals aus einem der gegenüberliegenden Spiegel 31 zum anderen 32 reflektiert, während sie entlang der Driftrichtung weg von dem loneninjektor 33 driften, um im Allgemeinen einem Zickzackweg innerhalb des Massenspektrometers zu folgen. Der Bewegung von Ionen entlang der Driftrichtung entgegen wirkt ein elektrisches Feld, das aus der nicht konstanten Entfernung der Spiegel 31, 32 voneinander entlang ihrer Länge in der Driftrichtung resultiert, und das elektrische Feld bewirkt, dass die Ionen ihre Richtung umkehren und sich zu dem Ioneninjektor 33 zurück bewegen. Der lonendetektor 34 ist in der Nähe des loneninjektors 33 angeordnet und fängt die Ionen ab. Die lonenwege 36, 37, 38 verteilen sich entlang der Driftstrecke, wenn sie sich von dem Ioneninjektor wegbewegen, aufgrund der Verteilung der Winkeldivergenz δθ, wie vorstehend mit Bezug auf 1A beschrieben, jedoch nach dem Zurückkehren in die Nähe des Ioneninjektors 33 sind die Ionenwege 36, 37, 38 vorteilhaft wieder konvergiert und können einfach durch die ionenempfindliche Oberfläche des Detektors 34, die orthogonal zu der X-Achse orientiert ist, detektiert werden.
Die Ausführungsform von 2, die gegenüberliegende ionenoptische Spiegel 31, 32 umfasst, ist ein Beispiel, in dem die parabolische Verlängerung von beiden Spiegeln verwendet wird. Wie bereits bemerkt, kann in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Verlängerung linear sein (d. h. die Spiegel sind gerade, möglicherweise in einem Winkel zueinander positioniert), oder die Verlängerung kann nichtlinear sein (d. h. sie umfasst gekrümmte Spiegel), wobei die Verlängerungsform jedes Spiegels gleich oder unterschiedlich sein kann, und jede Richtung der Verlängerungskrümmung kann gleich sein oder kann unterschiedlich sein. Die Spiegel können entlang der gesamten Driftstrecke oder entlang nur eines Abschnitts der Driftstrecke, z. B. nur an einem Injektionsende, oder nur an einem Injektionsende und einem (von dem Injektorende) entfernten Ende der Driftstrecke der Spiegel, näher zusammen kommen.
Nach einem Paar von Reflexionen in den Spiegeln 31 und 32 ändert sich der Neigungswinkel um den Wert Δθ = 2 × Ω (Y), wobei Ω = L'(Y) der Konvergenzwinkel der Spiegel mit der effektiven Entfernung L(Y) zwischen sich ist. Diese Winkeländerung ist äquivalent zu der Neigungswinkeländerung auf der 2 × L(0) Flugentfernung in dem effektiven Rückführungspotential Φ_m(Y) = 2V[L(0) - L(Y)]/L(0). Die parabolische Verlängerung L(Y) = L(0) - AY², wobei A ein positiver Koeffizient ist, erzeugt eine quadratische Verteilung des Rückführungspotentials, in dem die Ionen vorteilhafterweise dieselbe Zeit benötigen, um zu dem Punkt ihrer Injektion Y = 0 zurückzukehren, unabhängig von ihrer anfänglichen Driftgeschwindigkeit in der Richtung Y. Der Spiegelkonvergenzwinkel Ω (Y) ist vorteilhafterweise klein und beeinträchtigt die isochronen Eigenschaften der Spiegel 31, 32 in der Richtung X nicht, wie im Weiteren mit Bezug auf die 3 und 4 beschrieben wird. 2 ist ein Beispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in dem sowohl eine erweiterte Flugweglänge als auch räumliche Fokussierung von Ionen in der Driftrichtung (Y) durch Verwenden von nichtparallelen Spiegeln erreicht wird. Diese Ausführungsform benötigt vorteilhafterweise keine zusätzlichen Komponenten, um sowohl die Driftstrecke zu verdoppeln als auch die räumliche Fokussierung zu induzieren - es werden nur zwei gegenüberliegende Spiegel verwendet. Durch die Verwendung von gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegeln, die im Allgemeinen entlang der Driftrichtung Y verlängert sind, so dass sich die Spiegel entlang mindestens eines Abschnitts ihrer Längen in der Driftrichtung nicht in einer konstanten Entfernung voneinander befinden, sind diese vorteilhaften Eigenschaften entstanden, und diese Eigenschaften werden durch alternative Ausführungsformen, in denen die Spiegel beispielsweise linear verlängert sind, erreicht. In dieser besonderen Ausführungsform sind die gegenüberliegenden Spiegel mit parabolischen Profilen zueinander hin gekrümmt, wenn sie sich in der Nähe eines Ioneninjektors weg von einem Ende des Spektrometers verlängern, und diese besondere Geometrie bewirkt ferner auf vorteilhafte Weise, dass die Ionen zur Rückkehr zu ihrem Injektionspunkt unabhängig von ihrer anfänglichen Driftgeschwindigkeit die gleiche Zeit benötigen.
3 ist eine schematische Darstellung eines Mehrfachreflexions-Massenspektrometers, das zwei bevorzugte Ionenspiegel 41, 42 der vorliegenden Erfindung umfasst, zusammen mit den lonenstrahlen 43, 44, 45, 46 und den elektrischen Potentialverteilungskurven 49. Derartige Ionenspiegel können mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Die Spiegel 41, 42 sind im Querschnitt in der X-Z-Ebene gezeigt. Jeder Spiegel umfasst eine Anzahl von Elektroden, und die Elektrodenabmessungen, -Positionen und angelegten elektrischen Spannungen sind so optimiert, dass die Oszillationszeit T von Ionen zwischen den Spiegeln im Wesentlichen unabhängig ist von der Ionenenergie ε in dem Intervall ε₀ +/- (Δε/2), wobei ε₀ = qV die Referenzenergie ist, die durch die Beschleunigungsspannung V und die Ionenladung q definiert ist. Die Ionenladung wird nachstehend als positiv angenommen, ohne dass die Anwendbarkeit der Erfindung sowohl auf positive als auch auf negative Ionen ihre Allgemeingültigkeit verliert. Die elektrische Potentialverteilungskurve 49 veranschaulicht, dass jeder Spiegel einen Beschleunigungsbereich aufweist, um räumliche Fokussierung von Ionenflugbahnen in der X-Z-Ebene parallel (43, 44) zu Punkt (45, 46) nach einer ersten Reflexion, und von Punkt zu parallel nach einer zweiten Reflexion zu erreichen, wodurch Ionenbewegungsstabilität in der X-Z-Ebene bereitgestellt wird. Ionen erfahren den Bereich des Beschleunigungspotentials des Spiegels zweimal bei jeder Reflexion: einmal beim Eintreten in den und einmal beim Austreten aus dem Spiegel. Wie aus früheren dem Stand der Technik bekannt ist, trägt dieser Typ der räumlichen Fokussierung außerdem dazu bei, einige Flugzeitaberrationen in Bezug auf Positions- und Winkelverteilungen in der Richtung Z zu eliminieren.
Wie aus dem früheren Stand der Technik bekannt ist, können Spiegel dieser Konstruktion hoch isochrone Oszillationszeitperioden für Ionen mit den Energieverteilungen Δε/ ε₀> 10% herstellen. 4 ist ein Graph der Oszillationszeit T, aufgetragen gegen die Strahlenergie ε, berechnet für Spiegel des in 3 veranschaulichten Typs. Es ist ersichtlich, dass eine hoch isochrone Oszillationszeitperiode für Ionen von 2000 eV +/- 100 eV erreicht wird. Gitterlose lonenspiegel wie z. B. jene, die in 3 dargestellt sind, könnten implementiert sein, wie in US7,385,187 oder WO2009/081143 beschrieben, unter Verwendung von flachen Elektroden, die durch gut bekannte Technologien wie z. B. Draht-Erodieren, elektrochemisches Ätzen, Strahltechnik, Elektroformung, usw. hergestellt werden könnten. Sie könnten auch auf Leiterplatten implementiert sein.
5A ist eine schematische Darstellung eines Mehrfachreflexions-Massenspektrometers, das in US2015/0028197 beschrieben ist und das gegenüberliegende ionenoptische Spiegel umfasst, die parabolisch entlang einer Driftstrecke verlängert sind, und das weiterhin Kompensationselektroden umfasst. Parabolisch geformte Ionenspiegel und/oder Kompensationselektroden können mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wie in diesem Schriftstück beschrieben. Dieses Spiegelsystem kann insbesondere eine Anordnung für den zweiten Längenabschnitt der Ionenspiegel in der vorliegenden Erfindung sein. Als eine mehr technologische Implementierung könnten parabolische Formen durch Kreisbögen (die dann auf einer Drehmaschine hergestellt werden könnten) angenähert werden. Kompensationselektroden ermöglichen, dass weitere Vorteile bereitgestellt werden, insbesondere der des Reduzierens von Flugzeitaberrationen. Die Ausführungsform von 5A ist ähnlich der von 2, und ähnliche Überlegungen gelten für die allgemeine Ionenbewegung vom Injektor 63 zum Detektor 64, wobei die Ionen eine Vielzahl von Oszillationen 60 zwischen den Spiegeln 61, 62 durchlaufen. Während sich der lonenstrahl dem entfernten Ende der Spiegel 61, 62 nähert, wird der Neigungswinkel des Strahls in der X-Y-Ebene zunehmend kleiner, bis sein Vorzeichen am Umkehrpunkt wechselt und der lonenstrahl seinen Rückführungsweg zum Detektor 64 beginnt. Die lonenstrahlweite in der Richtung Y erreicht ihr Maximum in der Nähe des Umkehrpunkts, und die Flugbahnen der Ionen, die eine unterschiedliche Anzahl von Oszillationen durchlaufen haben, überlappen und tragen damit dazu dabei, Raumladungseffekte auszugleichen. Die Ionen kommen nach einer vorgesehenen ganzzahligen Anzahl von vollständigen Oszillationen zwischen den Spiegeln 61 und 62 zurück zu dem Detektor 64. Drei Paare von Kompensationselektroden 65-1, 65-2 als ein Paar, 66-1, 66-2 als ein anderes Paar und 67-1, 67-2 als ein weiteres Paar umfassen erweiterte Oberflächen in der X-Y-Ebene, die auf den Elektronenstrahl gerichtet sind, wobei die Elektroden in +/- Z aus dem Ionenstrahlflugweg verlagert sind, d. h. jede Kompensationselektrode 65-1, 66-1, 67-1, 65-2, 66-2, 67-2 weist eine Oberfläche auf, die im Wesentlichen parallel zu der X-Y-Ebene ist, die auf einer Seite eines Raums angeordnet ist, der sich zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln erstreckt, wie in 5B gezeigt. 5B ist eine schematische Darstellung, die einen Querschnitt durch das Massenspektrometer aus 5A zeigt. Im Gebrauch sind die Kompensationselektroden 65 elektrisch vorgespannt, wobei an beide Elektroden ein Spannungsversatz U(Y) > 0 im Fall von positiven Ionen angelegt ist und U(Y) < 0 im Fall von negativen Ionen angelegt ist. Nachstehend wird der Fall von positiven Ionen für diese und andere Ausführungsformen angenommen, wenn nicht anders angegeben. Der Spannungsversatz U(Y) ist in einigen Ausführungsformen eine Funktion von Y, d. h. das Potential der Kompensationsplatten variiert entlang der Driftstrecke, in dieser Ausführungsform ist der Spannungsversatz jedoch konstant. Die Elektroden 66, 67 sind nicht vorgespannt und weisen einen Spannungsversatz null auf. Die Kompensationselektroden 65, 66, 67 weisen in diesem Beispiel eine komplexe Form auf, die sich in Richtung X um einen variierenden Betrag als eine Funktion von Y erstreckt, wobei die Breite der vorgespannten Elektroden 65 in der Richtung X durch die Funktion S(Y) repräsentiert wird. Die Formen der nicht vorgespannten Elektroden 66 und 67 sind komplementär der Form der vorgespannten Elektroden 65. Die Ausdehnung der Kompensationselektroden in der Richtung X ist in einigen Ausführungsformen eine Breite, die entlang der Driftstrecke konstant ist, in dieser Ausführungsformen variiert jedoch die Breite als eine Funktion der Position entlang der Driftstrecke. Die Funktionen S(Y) und U(Y) werden gewählt, um die wichtigsten Flugzeitaberrationen zu minimieren, wie im Weiteren beschrieben wird.
Im Gebrauch erzeugen die elektrisch vorgespannten Kompensationselektroden 65 die Potentialverteilung u(X, Y) in ihrer Symmetrieebene Z=0, die mit der schematischen Potentialkurve 69 in 5B gezeigt wird. Die Potentialverteilung 69 ist durch Verwendung der nicht vorgespannten Kompensationselektroden 66 und 67 räumlich eingeschränkt. Das rückführende elektrische Feld E_y = -∂u/∂Y bewirkt dieselbe Änderung des Flugbahnneigungswinkels wie die effektive Potentialverteilung Φ_ce(Y) = L(0)^-1 ∫ u(X, Y)dX ≈ U(Y)S(Y) gemittelt über die effektive Entfernung zwischen den Spiegeln L(0). Die letzte näherungsweise Gleichheit gilt, wenn die Trennung zwischen den Kompensationselektroden in Richtung Z ausreichend klein ist. In der in den 5A und 5B dargestellten Ausführungsform sind die Kompensationselektroden parabolisch geformt, so dass S = B Y² gilt, wobei B eine positive Konstante ist, und der Spannungsversatz ist konstant U = const ~ V sin² θ « V, wobei V die Beschleunigungsspannung ist. (Die Beschleunigungsspannung ist in Bezug auf das Analysator-Referenzpotential.) Deshalb erzeugt die Gruppe von Kompensationselektroden ebenfalls einen quadratischen Beitrag zum effektiven Rückführungspotential, der, da er additiv mit dem gleichen Vorzeichen zum quadratischen Beitrag der parabolischen Spiegel ist, die isochronen Eigenschaften in der Driftrichtung aufrechterhält. In Ausführungsformen mit konstantem Spannungsversatz auf vorgespannten Kompensationselektroden ist das rückführende elektrische Feld E_y im Wesentlichen nicht null, nur in der Nähe der Ränder der Kompensationselektroden, die nicht parallel zu der Driftachse Y sind, und die Ionenflugbahnen erfahren somit jedes Mal, wenn sie die Ränder überqueren, eine Brechung.
Die Flugzeitaberration der Ausführungsform in 5A resultiert aus zwei Faktoren: die Spiegelkonvergenz und die Zeitverzögerung von Ionen, während sie sich zwischen den Kompensationselektroden bewegen. Wenn sie aufsummiert werden, ergeben diese zwei Faktoren die Oszillationszeit T(Y) = T(0)×L(Y) + S(Y)U/2V]/ L(0), die eine Funktion der Driftkoordinate ist. Ausgedrückt in Komponenten des effektiven Rückführungspotentials, T(Y) - T(0) = T(0) [Φ_ce(Y) - Φ_m(Y)] / 2V. Die Koeffizienten A und B, die die parabolische Form der Spiegel 61, 62 und dementsprechend der Kompensationselektroden 65, 66, 67 definieren, sind vorzugsweise in bestimmten Proportionen gewählt, um die Komponenten der Rückführungskraft gleich Φ_ce(Y) = Φ_m(Y), zu machen, so dass die Zeit pro Oszillation T(Y) vorteilhafterweise konstant entlang der ganzen Driftstrecke ist und somit Flugzeitaberrationen in Bezug auf die Anfangswinkelverteilung eliminiert. Somit wird die Abnahme der Oszillationszeit an der Position entfernt von dem Injektionspunkt aufgrund der Spiegelkonvergenz vollständig durch das Verzögern der Ionen, während sie sich durch den Bereich zwischen den Kompensationselektroden mit erhöhtem elektrischem Potential bewegen, kompensiert. In dieser Ausführungsform tragen beide Komponenten des effektiven Potentials in gleicher Weise zu der Rückführungskraft bei, die den lonenstrahl zurück zu dem Injektionspunkt treibt.
Die Ausführungsform in 5A und 5B kann durch Einführung einer polynomischen Repräsentation des effektivem Rückführungspotentialkomponenten Φ_m = (V sin² θ) φ_m und Φ_ce = (Vsin² θ)φ_ce verallgemeinert werden, wobei (φ_m = m₁y + m₂y² und φ_ce = c₀ + c₁y + c₂y² + c₃y³ + c₄y⁴ dimensionslose Funktionen der dimensionslosen normierten Driftkoordinate $y = Y / Y_{0}^{*}$
sind, und $Y_{0}^{*}$
die vorgesehene Drifteindringtiefe eines Ions mit der mittleren Beschleunigungsspannung V und dem mittleren Injektionswinkel θ ist. Daher ist die Summe der Koeffizienten m₁ + m₂ + c₁ + c₂ + c₃ + c₄ per definitionem gleich eins. Betrachten wir ein Ion, das seinen Umkehrpunkt in Driftrichtung Y = Y₀ erreicht, was eine Funktion des Injektionswinkels des Ions θ + Δθ ist, der durch die Bedingung φ_m(y₀) + φ_ce(y₀) - c₀ = sin²(θ + Δθ)/sin² θ definiert ist, wobei y₀ = Y₀/Y₀* die normierte Koordinate für den Umkehrpunkt darstellt. Die Rückführungszeit, die für dieses Ion benötigt wird, um zum Injektionspunkt Y = 0 zurückzukehren, ist proportional zum Integral $τ (y_{0}) = \frac{2}{π} \int_{0}^{y_{0}} \frac{d y}{\sqrt{[φ_{m} (y_{0}) + φ_{c e} (y_{0})] - [φ_{m} (y) + φ_{c e} (y)]}}$
während der Flugzeitversatz des Zeitpunkts, an dem ein Ion mit einer vorgegebenen normierten Koordinate für den Umkehrpunkt y₀ nach einer vorgesehenen Anzahl von Oszillationen zwischen den Spiegeln auf die Ebene des Detektors X=0 auftrifft, proportional ist zum Integral $σ (y_{0}) = \frac{2}{π} \int_{0}^{y_{0}} \frac{φ_{c e} (y) - φ_{m} (y)}{\sqrt{[φ_{m} (y_{0}) + φ_{c e} (y 0)] - [φ_{m} (y) + φ_{c e} (y)]}} d y .$
Die Ableitung der Funktion σ(y₀) aus σ(1) bestimmt somit die Flugzeitaberration in Bezug auf den Injektionswinkel.
Die Werte der Koeffizienten m und c können aus den folgenden Bedingungen gefunden werden: (1) das Integral σ ist im Wesentlichen konstant (nicht notwendigerweise null) in der Nähe von y₀ = 1, was einer langsamen Flugzeitabhängigkeit auf den Injektionswinkel in dem Intervall θ ± δθ/2 entspricht, und (2) das Integral τ weist eine verschwindende Ableitung τ' (1) auf, um mindestens räumliche Fokussierung erster Ordnung der Ionen auf dem Detektor sicherzustellen. Die in 5A schematisch dargestellte Ausführungsform mit parabolischen Spiegeln und parabolischen Kompensationselektroden entspricht den Werten der Koeffizienten m und c wie in der ersten Spalte in Tabelle 1. Da das effektive Rückführungspotential quadratisch ist, ist τ(y₀) ≡ 1 und der lonenstrahl ist ideal räumlich auf den Detektor fokussiert. Gleichzeitig ist σ(y₀) ≡ 0, was einer vollständigen Kompensation der Flugzeitaberration in Bezug auf den Injektionswinkel entspricht. Alternative Ausführungsformen können diese idealen Eigenschaften um der Machbarkeit der Spiegelherstellung willen umfassen. Eine bevorzugte Ausführungsform, die nur gerade Spiegel umfasst, die entlang der Driftrichtung verlängert sind und mit einem kleinen Konvergenzwinkel Ω gegeneinander geneigt sind, ist ein spezieller Fall, da gerade Spiegel einfacher hergestellt werden können als gekrümmte Spiegel (oder sogar Kreisbögen). Die Ausführungsformen mit geraden Spiegeln sind gekennzeichnet durch lineare Abhängigkeit der Φ_m - Komponente der effektiven Rückführungskraft, und deshalb sind die Koeffizienten m₁ > 0 und m₂ = 0. Gekrümmte Spiegel könnten asymmetrisch sein, wie beispielsweise in 5C und 5D, wobei ein Spiegel 62 gerade ist (5C) oder beide Spiegel in derselben Richtung gekrümmt sein können(5D). In beiden Fällen ist jedoch der Abstand zwischen den Spiegeln an dem entfernten Ende kleiner als die Trennung zwischen den Spiegeln an dem Ende neben dem Injektor 63 und Detektor 64. Diese Beispiele sind nur einige der möglichen Spiegelanordnungen, die mit der vorliegenden Erfindung für den zweiten Abschnitt der Spiegellänge verwendet werden können.
6A ist eine schematische Darstellung eines Mehrfachreflexions-Massenspektrometers, das in US2015/0028197 beschrieben ist und das gegenüberliegende gerade ionenoptische Spiegel 71, 72 umfasst, die entlang einer Driftstrecke verlängert und in einem kleinen Winkel Ω zueinander geneigt sind. Dies kann eine Anordnung für den zweiten Längenabschnitt der Ionenspiegel in der vorliegenden Erfindung sein. Der lineare Teil des gesamten effektiven Rückführungspotentials Φ = Φ_m + Φ_ce ist null, da m₁ = -c_1, und Φ ist eine quadratische Funktion der Driftkoordinate (außer der unwesentlichen Konstanten, die aus c₀ resultiert). Deshalb findet exakte räumliche Fokussierung des lonenstrahls 70, der aus dem Injektor 73 herrührt, auf dem Detektor 74 statt. Der Wert des Koeffizienten c₀ kann ein beliebiger positiver Wert größer als π²/64sein, um zu bewirken, dass die Breitenfunktion S(Y)von positiv vorgespannten (in dem Fall von positiv geladenen Ionen) Kompensationselektroden 75 streng positiv entlang der Driftstrecke ist. Der schmalste Teil der vorgespannten Kompensationselektroden 75 befindet sich in der Entfernung $(π / 8) \times Y_{0}^{*}$
von dem Punkt der Ioneninjektion. Zwei Paare von nicht vorgespannten Kompensationselektroden 76 und 77 weisen Formen auf, die komplementär zu den Formen der Elektroden 75 sind, und dienen dazu, das elektrische Feld von den vorgespannten Kompensationselektroden 75 zu begrenzen.
6B ist eine schematische Darstellung eines Mehrfachreflexions-Massenspektrometers ähnlich dem, das in 6A gezeigt ist, wobei gleiche Komponenten gleiche Kennungen aufweisen, jedoch mit negativem Versatz U < 0 auf den vorgespannten Kompensationselektroden 75 (im Fall von positiv geladenen Ionen). Dies kann eine Anordnung für den zweiten Längenabschnitt der Ionenspiegel in der vorliegenden Erfindung sein. Es versteht sich, dass bei negativen Ionen die Polaritäten der angelegten Potentiale den hier beschriebenen entgegengesetzt sind. Die Wahl des Koeffizienten c₀ < π/4 - 1 führt dazu, dass die dimensionslose Funktion φ_ce(y) < 0 entlang der gesamten Driftstrecke wird, so dass die Elektrodenbreite S(Y) streng positiv ist. In dieser Ausführungsform weisen die vorgespannten Kompensationselektroden 75 konvexe parabolische Formen auf, wobei ihre breitesten Teile in der Entfernung $(π / 8) \times Y_{0}^{*}$
von dem Punkt der Ioneninjektion angeordnet sind.
Der Wert des Spiegelkonvergenzwinkels wird durch den Koeffizienten m₁ = π/4 mit der Formel $Ω= m_{1} L (0) {sin}^{2} θ / 2 Y_{0}^{*}$
ausgedrückt. Wenn die effektive Entfernung zwischen den Spiegeln L(0) vergleichbar der Driftentfernung $Y_{0}^{*}$
und der Injektionswinkel θ = 50 mradist, kann der Spiegelkonvergenzwinkel als Ω ≈ 1 mrad « θ geschätzt werden. Daher zeigen 6A und 6B den Spiegelkonvergenzwinkel und andere Merkmale nicht maßstabsgerecht.
6C ist eine schematische Darstellung eines Mehrfachreflexions-Massenspektrometers ähnlich dem, das in 6A gezeigt ist, wobei gleiche Komponenten gleiche Kennungen aufweisen, jedoch mit Konvergenzwinkel null, d. h. Ω = 0. Dies ist ein Beispiel eines Massenspektrometers, das zwei gegenüberliegende ionenoptische Spiegel aufweist, die im Allgemeinen entlang einer Driftrichtung (Y) verlängert sind, wobei jeder Spiegel dem anderen in einer Richtung X gegenüberliegt und einen Raum dazwischen aufweist, wobei die Richtung X orthogonal zu Y ist und die Spiegel entlang ihrer gesamten Länge in der Driftrichtung in einer konstanten Entfernung voneinander in der Richtung X sind. Dies kann eine Anordnung für den zweiten Längenabschnitt der Ionenspiegel in der vorliegenden Erfindung sein. In dieser Ausführungsform sind die gegenüberliegenden Spiegel gerade und parallel zueinander angeordnet. Kompensationselektroden ähnlich jenen, die bereits mit Bezug auf 6A beschrieben sind, erstrecken sich entlang der Driftrichtung angrenzend an den Raum zwischen den Spiegeln, wobei jede Elektrode eine Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen parallel zur X-Y-Ebene ist, und sind auf beiden Seiten des Raums, der sich zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln erstreckt, angeordnet, wobei die Kompensationselektroden angeordnet und im Gebrauch vorgespannt sind, so dass sie einen elektrischen Potentialversatz erzeugen, der eine unterschiedliche Ausdehnung in der Richtung X als eine Funktion der Entfernung entlang der Driftstrecke (ein Rückführungs-Pseudopotential bereitstellend) aufweist. Der Koeffizient c₂ = 1 für diese Ausführungsform, und die anderen Koeffizienten m und c verschwinden. Die vorgespannten Kompensationselektroden produzieren eine quadratische Verteilung des gesamten effektiven Rückführungspotentials Φ(Y) = Φ_ce(Y), deshalb findet eine genaue räumliche Fokussierung des lonenstrahls 70, der von dem Injektor 73 herrührt, auf dem Detektor 74 statt. Der Wert des Koeffizienten c₀ kann ein beliebiger positiver Wert sein. Zwei zusätzliche Paare von nicht vorgespannten Kompensationselektroden ähnlich den Elektroden 76 und 77, die eine Form aufweisen, die komplementär zu der Form der vorgespannten Kompensationselektroden 75 ist, dienen dazu, das Feld von den Kompensationselektroden 75 zu begrenzen. In dieser Ausführungsform sind die Kompensationselektroden 75 elektrisch vorgespannt, um isochrone Ionenreflexion in der Driftrichtung zu implementieren; die Flugzeitaberrationen in Bezug auf den Injektionswinkel werden jedoch nicht kompensiert.
Auf ähnliche Weise kann ein Mehrfachreflexions-Massenspektrometer ähnlich dem, das in 7B gezeigt ist, gebildet werden, aber wieder mit Konvergenzwinkel null, d. h. Ω = 0. In dieser Ausführungsform weisen vorgespannte Kompensationselektroden eine konvexe parabolische Form mit angelegtem negativem Versatz U < 0 auf, um isochrone Ionenreflexion in der Driftrichtung zu implementieren.
Diese Erfindung stellt eine Verbesserung bereit, die mit den vorstehend beschriebenen Spiegelanordnungen verwendet werden kann, und bezieht sich auf hohe Auflösungsleistung, zusammen mit den damit verbundenen Vorteilen hinsichtlich Massengenauigkeit und Empfindlichkeit.
Die Auflösungsleistung der nach dem früheren Stand der Technik beschriebenen Spektrometer ist abhängig vom anfänglichen Ioneninjektionswinkel, der die Driftgeschwindigkeit und somit die Gesamtflugzeit bestimmt. Im Idealfall wäre dieser Injektionswinkel minimiert, er kann jedoch durch die mechanischen Anforderungen der Injektionsvorrichtung und des Detektors, vor allem bei kompakteren Auslegungen, eingeschränkt sein. Eine nach dem früheren Stand der Technik vorgelegte Lösung besteht darin, einen zusätzlichen Deflektor einzusetzen, der zwischen den Spiegeln positioniert ist, um die Driftgeschwindigkeit nach der Ioneninjektion zu reduzieren, aber dies bringt seinerseits einige mechanische Einschränkungen und Flugzeitaberrationen mit sich und erhöht die Komplexität und die Kosten des Instruments.
Ausführungsformen nach dieser Erfindung umfassen das Reduzieren der Driftgeschwindigkeit nach der Injektion durch Modifizieren des von zwei konvergierenden Spiegeln erzeugten Rückführungs-Pseudopotentials. Nach einer Ausführungsform ist ein erster Driftbereich mit geringer Bewegung vom Injektor in der Driftrichtung Y bereitgestellt, wobei die Spiegel relativ stärker konvergieren (relativ größerer Konvergenzwinkel der Spiegel), gefolgt von einem zweiten Driftbereich mit größerer Bewegung vom Injektor in der Driftrichtung Y, wobei die Spiegel relativ schwächer konvergieren (relativ kleinerer Konvergenzwinkel der Spiegel im Vergleich zum ersten Driftbereich), wobei vorzugsweise der Konvergenzwinkel der Spiegel im zweiten Driftbereich wesentlich kleiner ist als im ersten Driftbereich. Somit liegt der Potentialgradient in zwei Stufen vor. Ein Vergleich dieses zweistufigen Potentialgradienten mit dem einer einfachen einstufigen linearen Rampe ist in 7 abgebildet, in der die Beziehung zwischen dem Rückführungs-Pseudopotential, das den Ionen von den Spiegeln bereitgestellt wird (vertikale Achse) und der Spiegeldriftstrecke (von dem dem Ioneninjektor nächsten Ende der Spiegel) (horizontale Achse) aufgetragen ist. Linie 80 stellt das Rückführungs-Pseudopotential für die einfache einstufige lineare Rampe nach dem früheren Stand der Technik dar. Dagegen stellt Linie 82 das Rückführungs-Pseudopotential für den ersten Driftbereich oder den ersten Abschnitt der Spiegellänge dar, in dem die Spiegel stark konvergieren (was einen höheren Rückführungs-Pseudopotentialgradienten ergibt). Weiterhin stellt die Linie 82 das Rückführungs-Pseudopotential für den zweiten Driftbereich oder den zweiten Abschnitt der Spiegellänge dar, in dem die Spiegel mit einem viel kleineren Konvergenzwinkel konvergieren (was einen kleineren Rückführungs-Pseudopotentialgradienten ergibt). Folglich sinkt die lonendriftgeschwindigkeit im ersten Driftbereich schneller (d. h. in einem ersten Abschnitt der Spiegellänge entlang Y), wodurch eine längere Flugzeit durch den zweiten Driftbereich (d. h. in einem zweiten Abschnitt der Spiegellänge entlang Y) und den gesamten Flugweg ermöglicht wird.
Mit Bezug auf 8 ist eine schematische Darstellung einer einfachen Auslegung abgebildet, die die vorliegende Erfindung verkörpert und zwei gegenüberliegende Ionenspiegel 90, 92 aufweist, die in zwei verschiedenen linearen Stufen konvergieren. Das durch diese Ausführungsform bereitgestellte Rückführungs-Pseudopotential ist vom Typ mit zwei linearen Stufen, die durch die Linien 82, 84 in 7 dargestellt sind. Der erste Spiegel 90 konvergiert zum anderen Spiegel in einer ersten Stufe oder Abschnitt 90^/ mit einem höheren Konvergenzgrad und einer zweiten oder Abschnittsstufe [sic!] 90^// mit einem niedrigeren Konvergenzgrad. Auf ähnliche Weise konvergiert der zweite Spiegel 92 in einer ersten Stufe oder Abschnitt 92^/ und einer zweiten Stufe oder Abschnitt 92^//. Mit anderen Worten, die erste Stufe oder Abschnitt 90^/, 92^/ von jedem Spiegel weist einen höheren Neigungswinkel zur Richtung Y als die zweite Stufe oder Abschnitt 90^//, 92^// des Spiegels auf. Die beiden Spiegel sind aufeinander abgestimmt, d. h. symmetrisch. In anderen Ausführungsformen könnte jedoch die Auslegung so sein, dass nur ein Spiegel den größeren Neigungswinkel im ersten Abschnitt eingebaut hat, was der Spiegel wäre, den die Ionen zuerst treffen, nachdem sie den Ioneninjektor verlassen haben (in diesem Fall den ersten Spiegel 90).
In 8 wird ein lonenstrahl von einem Ioneninjektor oder einer lonenquelle 94 (wie z. B. eine Ionenfalle, Injektor mit orthogonaler Beschleunigung oder MALDI-Quelle) injiziert und folgt einer Flugbahn 98 in den Raum zwischen den beiden Gruppen geneigter Ionenspiegel 90, 92. Als lonenfalle für den Ioneninjektor nach dieser Erfindung kann ein HF-Speichermultipol verwendet werden. Ionen treten in den Speichermultipol in der X-Y-Ebene aus einer Ionenführung ein und werden in ihm gespeichert, während sie gleichzeitig bei Kollisionen mit einem im Multipol enthaltenen Trägergas (vorzugsweise Stickstoff) ihre überschüssige Energie verlieren (thermalisiert werden). Nachdem eine ausreichende Anzahl von Ionen angesammelt ist, wird die HF wie in WO2008/081334 beschrieben abgeschaltet und eine bipolare Extraktionsspannung auf alle oder einige Elektroden des Speichermultipols angelegt, um die Ionen zum ersten Spiegel auszustoßen. So können z. B. Gegentaktspannungen auf den Multipol angelegt werden. Nach dem Ausstoßen aus dem Multipol werden die Ionen durch die Beschleunigungsspannung V, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 30 kV, beschleunigt. Alternativ kann ein orthogonaler Ionenbeschleuniger dazu verwendet werden, den lonenstrahl in das Massenspektrometer zu injizieren, wie im US-Patent US5117107 (Guilhaus and Dawson, 1992) beschrieben.
Bei langsamen Driftbewegungen, d. h. im ersten Längenabschnitt, weisen die Spiegel einen höheren Grad an Spiegelkonvergenz auf, d. h. im Abschnitt 90^/ und 92^/, was zu schnellem Verlust der Ionengeschwindigkeit in der Driftrichtung Y führt. Wie im Detail von 9 dargestellt, treten die Ionen auf Flugbahn 98 anfangs mit einem Neigungswinkel θ1 zur Richtung X in die Ionenspiegel ein, aber nach Reflexion im ersten Abschnitt der Ionenspiegel reduziert der schnelle Verlust der Ionengeschwindigkeit in der Driftrichtung Y den Neigungswinkel auf θ2 (θ2< θ1). Danach treten die Ionen, wobei sie einem Zickzackweg zwischen den beiden Spiegeln folgen, in den zweiten Abschnitt der Spiegel ein, die den niedrigeren Spiegelkonvergenzgrad aufweisen, wobei weiterhin lonendriftgeschwindigkeit verloren geht, jedoch langsamer (d. h. im Durchschnitt geringerer Verlust je Reflexion), bevor die Ionen schließlich an der Driftstrecke zurückreflektiert werden, wobei sie einem Rückwärtsweg zwischen den Spiegeln folgen, der dadurch begrenzt wird, dass Ionen auf einen Detektor 96 auftreffen, der angrenzend an den Ioneninjektor (auf im Wesentlichen derselben Y-Koordinate) angeordnet ist.
In der in 8 dargestellten Ausführungsform findet nur eine Reflexion der Ionen im ersten Abschnitt der Spiegellänge mit höherer Konvergenz statt, wobei es sich um den ersten Ionenspiegel 90^/ handelt. In anderen Ausführungsformen könnten weitere schnelle Verminderungen der Ionendriftgeschwindigkeit dadurch bewirkt werden, dass Vorkehrungen für eine oder mehrere zusätzliche Reflexionen im ersten Abschnitt der Spiegellänge getroffen werden. Für die Auslegung mit zwei linearen Stufen besteht eine Hauptüberlegung darin, dass kein Abschnitt des lonenstrahls dazu angeordnet ist, sich innerhalb der Spiegelstruktur zu befinden, wenn der Strahl zwischen den beiden Spiegelstufen hindurchgeht. Wenn ein Abschnitt der Ionen den Spiegel in der Stufe mit niedriger Konvergenz (zweiten Stufe) zu demselben Zeitpunkt erreicht, zu dem die übrigen Ionen den Spiegel in der Stufe mit hoher Konvergenz (erste Stufe) erreichen, nimmt die Driftenergie des lonenstrahls zu und die Ionen streuen unkontrolliert. Dadurch wird in die zweite Stufe eine minimale Driftgeschwindigkeit eingeführt, die vom Spiegelabstand und der räumlichen Divergenz des lonenstrahls an diesem Punkt abhängig ist. Da der lonenstrahl mit zunehmendem Y divergiert, sollte bevorzugt der Ionenstrahlübergang zwischen den Stufen möglichst frühzeitig stattfinden, und insbesondere zwischen der ersten und zweiten Reflexion, wie in 8 dargestellt.
Ein damit verbundenes Problem, das in einigen Ausführungsformen auftreten kann, besteht darin, dass ein Abfallen des Felds zwischen den beiden Stufen zu einer Ausweitung eines Teils der Driftenergie führen kann, sogar in einer Entfernung zur Ecke, die die beiden Bereiche trennt. Daher ist es wünschenswert, eine Korrektur anzulegen, um diese Feldstörung zu minimieren. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht im Montieren von Leiterplatten-(PCB)-gestützten Feldkorrekturelektroden durch den Spiegel an der Ecke, an sich der die Konvergenz verändert. Eine derartige Ausführungsform eines zweistufigen Spiegels mit einer Feldausgleichs-PCB ist in 10 dargestellt. Die PCB 91 wird an ihrem oberen und unteren Rand (in Richtung Z) durch Vertiefungen 95 in den Spiegelelektroden in ihrer Position gehalten. Die beiden Seiten (93, 93') der Feldkorrektur-PCB 91 sind mit Elektrodenspuren bedruckt, die geringfügig unterschiedliche Spurenausmaße und/oder angelegte Spannungen zur Nachbildung der Weiterführung der Stufen aufweisen. Es könnten andere Ausführungsformen von auf gegenüberliegenden Seiten eines isolierenden Substrats als PCB angebauten oder aufgedruckten Elektroden verwendet werden. Ein weiteres Verfahren besteht darin, eine geringfügige Verzerrung in die Spiegeloberfläche an der Ecke einzubauen, so dass die erste Stufe mit der höheren Spiegelkonvergenz mit einer kleinen Zunahme der Konvergenz endet und die Stufe 2 mit einer kleinen Abnahme beginnt. Eine derartige Ausführungsform ist in 11 dargestellt, wobei eine korrigierende Modifizierung 97 zum Spiegel 90 dargestellt ist, die eine Verzerrung in der Spiegeloberfläche an der Ecke zwischen den beiden Spiegelstufen bereitstellt. Dieser Effekt könnte auch mit kleinen Elektrodenpaaren 99 nachgebildet werden, die von den Spiegelelektroden 90 (z. B. mit isolierenden Halterungen) am Übergangspunkt zwischen den beiden Stufen herunterhängen, wie in 12 dargestellt.
Jeder Spiegel besteht aus einer Vielzahl von verlängerten Stabelektroden, wobei die Elektroden allgemein in der Richtung Y verlängert sind (wenn auch nicht parallel zu Y), wie in US2015/0028197 beschrieben. Die verlängerten Elektroden der Ionenspiegel können z. B. als montierte Metallstäbe oder als Metallspuren auf einer Leiterplattenbasis bereitgestellt werden. Die verlängerten Elektroden können aus einem Metall hergestellt sein, das einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wie z. B. Invar, so dass die Flugzeit Temperaturänderungen im Instrument standhält. Die Elektrodenform der Ionenspiegel kann durch Herstellung mittels Drahterodieren genau bearbeitet oder erhalten werden. Die Elektrodenausdehnungen, Positionen und angelegten elektrischen Spannungen sind so optimiert, dass die Oszillationszeit T von Ionen zwischen den Spiegeln im Wesentlichen unabhängig ist von der Ionenenergie ε in dem Intervall ε₀ +/- (Δε/2), wobei ε₀ = qV die Referenzenergie ist, die durch die Beschleunigungsspannung V und die Ionenladung q definiert ist. Die Ionenladung wird in diesem Schriftstück als positiv angenommen, ohne dass die Anwendbarkeit der Erfindung sowohl auf positive als auch auf negative Ionen ihre Allgemeingültigkeit verliert.
In einigen Ausführungsformen brauchen die beiden Stufen der Spiegel nicht durch dieselbe Gruppe von Stabelektroden gebildet zu werden. Stattdessen können die verlängerten Spiegel elektrisch am Übergangspunkt zwischen den Stufen getrennt sein, oder die Spiegel können bei höheren Kosten und erhöhter Komplexität aus völlig unterschiedlichen Strukturen gebaut sein. Diese elektrische Trennung hätte jedoch einen gewissen Vorteil dadurch, dass sie eine teilweise Neuabstimmung des Instruments ermöglicht.
Für Systeme, die die Erfindung beinhalten, ist es am meisten zu bevorzugen, dass Kompensationselektroden im oder angrenzend an den Raum zwischen den Spiegeln beinhaltet sind, um den Einfluss von Flugzeitaberrationen durch die Veränderung der Entfernung zwischen den Spiegeln zu minimieren, wie vorstehend und in US2015/0028197 A1 beschrieben. Eine derartige Ausführungsform ist in 15 dargestellt, wie nachstehend beschrieben.
Weder die erste noch die zweite Stufe der Spiegelkonvergenz braucht linear zu sein. Tatsächlich ist die Ecke, die am Übergang zwischen zwei in 8 dargestellten linearen Stufen vorhanden ist, unerwünscht. Die durch die Ecke eingeführte Aberration kann durch Zusammenführen der beiden Stufen mit einer glatten Kurve beseitigt werden, so dass Aberrationen in der Streuung der Driftenergie über mehrere Reflexionen herausgemittelt werden. Daher können Ausführungsformen bereitgestellt werden, in denen zwei lineare Stufen durch eine glatte Kurve verbunden sind. In einigen Ausführungsformen, z. B. zusätzlich zu der glatten Kurve, die die Stufen verbindet, kann die zweite Stufe des niedrigeren Konvergenzgrades mit einem Abschnitt (oder seiner gesamten Länge) konstruiert sein, die einer polynomischen (vorzugsweise parabolischen) Form folgt, so dass der Spiegel eine Konvergenz in der Weise aufweist, die in US2015/0028197 A1 oder der vorstehenden 5A beschrieben ist, die den räumlichen Brennpunkt Y am Detektor für lonenstrahlen mit breiter Streuung der Driftenergie verbessert. Dies ist bei der Handhabung von verzögerten Ionen zu bevorzugen, da die Streuung der Driftenergie im Verhältnis zur Driftenergie erheblich ansteigt.
13 zeigt schematisch ein Massenspektrometer nach der vorliegenden Erfindung, das eine Spiegelgruppe enthält, einschließlich einer gekrümmten ersten Stufe 101 mit einem höheren Konvergenzgrad bei geringer Bewegung entlang Y vom Ioneninjektor 94 für sich schnell verzögernde Ionen, und mehr Reflexionen in der zweiten Stufe ermöglicht, und eine gekrümmte zweite Stufe mit einem niedrigeren Konvergenzgrad, um die Ionen mehrmals zu reflektieren, bevor die Ionen schließlich durch das Pseudopotential der gekrümmten Spiegel umgekehrt werden, um dem Rückkehrweg zum Detektor 96 zu folgen.
Ein Satz geeigneter Abmessungen und Spannungen für eine Ausführungsform wie in 13 gezeigt, ist nachfolgend aufgeführt. Die beiden Ionenspiegel haben die Innenabmessungen 175 × 450 × 48 mm (d. h. Spiegeltiefe (in X) × Spiegellänge (in Y) × Spiegelhöhe (in Z)) und sind einander gegenüber mit einer Lücke zwischen den Spiegeln von 320 mm angeordnet. Die Spiegel sind jeweils konstruiert aus fünf Stabelektroden mit auf die in 14 (für fünf Elektroden) dargestellte Weise angelegten Spannungen, die die Stabelektroden schematisch als linear zeigt, obwohl sie tatsächlich parabolisch sind. Die Konvergenz der Spiegel folgt einer durch eine mathematische Optimierung generierten Funktion von 0 mm bei Y=0 bis 0,362 mm beim erwünschten Ionenumkehrpunkt 375 mm in der Driftrichtung, d. h. die Lücke zwischen den Spiegeln beträgt 320 mm bei Y =0 und 320 bis 0,362 mm am Umkehrpunkt (Y = 375 mm). Diese Funktion (1) ist nachstehend dargestellt und erhöht die Flugzeit um >50% bezogen auf einen parabolischen konvergierenden Spiegel nach dem früheren Stand der Technik ohne eine erste Verzögerungsstufe. Dies entspricht 30 Oszillationen der Ionen zwischen den Spiegeln gegenüber 20 in einem System ohne die Verzögerungsstufe nach der Erfindung. $Konvergenz (Y) : = \frac{0.8}{π} \cdot atan (9.8175 \cdot Y) - 0.1093 \cdot Y^{2} + 0.3471 \cdot Y^{3} - 0.1119 \cdot Y^{4}$
Der Raum zwischen den Spiegeln wird von Kompensationselektroden geteilt, spezifischer zwischen einer geerdeten Elektrode und einer geformten Streifenelektrode, die über die Spiegellänge verläuft und an die ein Potential von +24,11 V angelegt ist. Die geerdeten und Streifenelektroden sind planar und weisen Oberflächen auf, die im Wesentlichen parallel zur X-Y-Ebene sind und an beiden Seiten des Raums angeordnet sind, der zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln verläuft. Diese Elektrode dient dazu, der Flugzeitstörung der Spiegelkonvergenz entgegenzuwirken. Die von der Kompensationsstreifenelektrode belegte Breite dehnt sich von fast 0 mm am Injektionspunkt auf 120 mm am Umkehrpunkt bei Y = 375 mm aus, mit einer Form, die derselben Funktion folgt wie die Spiegelkonvergenz, jedoch mit Krümmung in Gegenrichtung, wie in 15 dargestellt, wobei die streifenförmige mittige Kompensations- oder Korrekturelektrode mit 103 bezeichnet ist. Der Spiegel und die Streifenelektrode bilden jeweils ein Rückführungs-Pseudopotential, dessen dimensionslose Summe in 16 dargestellt ist.
Im Allgemeinen weisen die Kompensationselektroden eine komplexe Form auf, die sich in Richtung X um einen variierenden Betrag als eine Funktion der Richtung Y erstreckt, wobei die Breite der vorgespannten Streifen-Kompensationselektroden in der Richtung X durch eine Funktion S(Y) repräsentiert wird. Die Formen der nicht vorgespannten (geerdeten) Elektroden sind im Allgemeinen komplementär zur Form der vorgespannten Elektroden. Die angrenzend an den oder im Raum zwischen den Ionenspiegeln angeordneten vorgespannten Kompensationselektroden können zwischen zwei oder mehr nicht vorgespannten (geerdeten) Elektroden in der X-Y-Ebene positioniert werden, die ebenfalls angrenzend an den Raum zwischen den Ionenspiegeln angeordnet sind.
Das Injizieren von Ionen in den Analysator in dieser Ausführungsform wird mit einer linearen lonenfalle mit einem Innenradius von 2 mm durchgeführt, mit axialen Potential, das gut ausreicht, um die eingefangene Ionenwolke innerhalb von + 3 mm einzugrenzen. Für den Injektionsschritt wird die Falle auf +4000 V angehoben und die Ionen werden durch Anlegen eines -500 V/mm Extraktionsfelds extrahiert. Die Ionendivergenz in den ersten Spiegel wird durch eine Gruppe von drei Elektroden (Linsen) kontrolliert, und ein Deflektor ist für die Feinabstimmung vorhanden. Der Mittelpunkt der Falle ist mittig zwischen den Spiegeln in X und an der Position Y = 0 in der Driftdimension [sic] eingestellt, und die Falle ist auf eine Neigung von 2,64 Grad eingestellt, um den Ioneninjektionswinkel einzustellen. Diese ionenoptische Injektionsanordnung mit angelegten Spannungen ist in 17 abgebildet.
Die Detektorebene ist 20 mm von der Falle entfernt in der seitlichen (X) Richtung und bei Y=0 in der Richtrichtung eingestellt, mit einer Neigung von 2,6 Grad, um dem Winkel der isochronen Ebene der Ionen zu entsprechen. Die simulierte Flugbahn ist in 18 aufgezeichnet, mit 30 Umkehrungen oder Reflexionen in jedem Spiegel, bevor der Strahl den Umkehrpunkt in der Richtung Y erreicht.
Die wichtigsten Maßzahlen für die Leistung des Systems sind die Gesamtflugzeit, der Zeitfokus der Ionen und der räumliche Brennpunkt der Ionen am Detektor. Die beiden ersten definieren die Auflösung und Letzterer die Übertragung und das Vorliegen von Obertönen war [sic!] Ionen eine oder mehrere Umkehrungen zu früh auf den Detektor auftreffen. Im Vergleich zu einem System nach dem früheren Stand der Technik ohne anfängliche Verzögerungsstufe bei den vorstehend aufgeführten Systemspezifikationen wurde die Ionenflugzeit mit m/z = 195 von 408 auf 612 µs erweitert, aber der Zeitfokus (Maximum der Hälfte der vollen Breite) erweiterte sich ebenfalls leicht von 1 bis 1,2 ns, was eine Gesamtverbesserung der Massenauflösung von 200.000 auf 255.000 ergab. Die räumliche Verteilung entlang des Detektors nahm ebenfalls von einer Standardabweichung von 0,95 auf 1,16 mm zu, was zulässig ist, da fast 100% der Ionen noch innerhalb der Begrenzungen des Detektors auftreffen sollten. Graphische Darstellungen der Zeit und der räumlichen Streuung Y am Detektor sind in 19 bzw. 20 abgebildet.
Höhere Verzögerungsstufen können ebenfalls berücksichtigt werden, z. B. mit Zunahme der Flugzeit von 2 x und 2,5 x der eines Spiegels ohne Verzögerungsstufe. Allerdings können diese Spiegelanordnungen eine mangelhafte räumliche Fokussierung des lonenstrahls auf den Detektor demonstrieren, da die zunehmende proportionale Energieverteilung der Ionenwolke die der Spiegel überwiegt. Die Erhöhung der Y-Verteilung (volle Breite bei 1% relativer Stromstärke) der Ionenwolke beim Anlegen von zunehmenden Verzögerungswerten könnte durch Vermindern der Energie Y und der räumlichen Verteilung der anfänglichen Ionenwolke entweder mit einer kleineren Falle, die durch Ionenkühlung verbessert wird, oder Verwendung von Linsen mit einer Feldkomponente Y in der Injektionsoptik kompensiert werden.
Obwohl der lonenstrahl in den meisten Zeichnungen in diesem Schriftstück schematisch als eine Linie ohne signifikante Breite dargestellt ist, belegt in Wirklichkeit der lonenstrahl einen Raumbereich, der als Strahlhülle bezeichnet wird. Eine weitere bevorzugte Bedingung für den lonenstrahl in der Nähe des Übergangs zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt der Spiegellänge (Übergang im Konvergenzgrad) besteht darin, dass die Entfernung zwischen zwei aneinander angrenzenden Strahlhüllen (d. h. die Entfernung zwischen den Strahlhüllen auf jeder Seite des Übergangs) innerhalb eines Spiegels nicht kleiner sein sollte als a) 0,5*H, b) 1*H, oder c) 2*H, wobei H die lokale Höhe des Spiegels in der Richtung Z am Übergang bedeutet). Dies ist aus 21 ersichtlich, wo die Entfernung d zwischen den Strahlhüllen innerhalb eines Spiegels [sic!] beiden Seiten des Übergangs im Konvergenzgrad angegeben ist.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach der vorliegenden Erfindung sind bilderhaltend und können zum simultanen Abbilden oder zur Bildrasterung mit einer Geschwindigkeit, die von der Flugzeit der Ionen durch das Spektrometer unabhängig ist, verwendet werden.
Alle vorstehend präsentierten Ausführungsformen könnten auch nicht nur als ultrahochauflösende TOF-Instrumente implementiert sein, sondern auch als preisgünstige Analysatoren mittlerer Leistung. Wenn beispielsweise die Ionenenergie und somit die angelegten Spannungen einige Kilovolt nicht überschreiten, könnte die gesamte Anordnung von Spiegeln und/oder Kompensationselektroden als ein Paar von Leiterplatten (PCBs) implementiert sein, die mit ihren gedruckten Oberflächen parallel zueinander und einander zugewandt angeordnet sind, vorzugsweise flach und aus FR4 glasgefülltem Epoxidharz oder Keramik hergestellt, voneinander beabstandet durch Metallabstandshalter und ausgerichtet durch Dübel. PCBs können an elastischeres Material (Metall, Glas, Keramik, Polymer) geklebt oder auf andere Weise daran befestigt sein und dadurch das System versteifen. Vorzugsweise sind Elektroden auf jeder PCB durch lasergeschnittene Rillen definiert, die ausreichende Isolation gegen Durchbruch zur Verfügung stellen, während sie gleichzeitig das dielektrische Innere nicht signifikant freilegen. Elektrische Verbindungen sind über die Rückseite implementiert, die dem lonenstrahl nicht gegenüber liegen und außerdem Widerstands-Spannungsteiler oder vollständige Stromversorgungen integrieren können.
Für praktische Implementierungen sollte die Verlängerung der Spiegel in der Driftrichtung Y minimiert sein, um die Komplexität und die Kosten der Konstruktion zu reduzieren. Das könnte durch bekannte Mittel erreicht werden, z. B. durch Kompensieren der Streufelder unter Verwendung von Endelektroden (vorzugsweise in einer Entfernung von mindestens der 2-3-fachen Höhe des Spiegels in der Richtung Z von der nächstliegenden Ionenflugbahn angeordnet) oder End-PCBs, die die Potentialverteilung unendlich verlängerter Spiegel nachbilden. Im vorherigen Fall könnten Elektroden dieselben Spannungen wie die Spiegelelektroden verwenden und könnten als flache Platten von geeigneter Form implementiert und an den Spiegelelektroden befestigt sein.
Bei der vorliegenden Erfindung ermöglicht das Einbringen einer Verzögerungsstufe in die Spiegelstruktur selbst ein Erhöhen der Flugzeit und folgenden Auflösung, ohne dass ein zusätzlicher Deflektor zwischen den Spiegeln eingebracht werden muss, was die Anzahl der Teile und die Kosten reduziert. Weiterhin entfällt auch die Anforderung nach minimaler Driftenergie, um den lonenstrahl um einen Deflektor zu lenken, wie nach dem früheren Stand der Technik vorgeschlagen. Während eine gewisse Anforderung in dem Fall vorliegt, in dem eine scharfe Ecke am Ende der ersten Stufe mit schneller Verzögerung gebildet wird, wird eine Verzögerungsstufe basierend auf gekrümmten gegenüberliegenden Spiegeln vorteilhaft, da sie dieses Problem erheblich mindert, und die minimale Driftenergie ist nicht mehr eine Funktion der anfänglichen Strahlbreite; abhängig nur von der Streuung der Driftenergie gegenüber der Energieakzeptanz der reflektierenden Stufe.
Im Sinne ihrer Verwendung in diesem Dokument, einschließlich der Ansprüche, sind Singularformen von Begriffen in diesem Schriftstück so auszulegen, dass sie auch die Pluralform umfassen und umgekehrt, sofern der Kontext nicht etwas anderes nahelegt. Sofern zum Beispiel der Kontext nicht etwas anderes nahelegt, bedeutet ein Singularbezug in diesem Schriftstück, einschließlich in den Ansprüchen, wie z.B. „ein“ oder „eine“, „ein/eine/eines oder mehrere“.
In der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen dieser Spezifikation bedeuten die Worte „umfassen“, „einschließlich“, „aufweisend“ und „enthalten“ und die Varianten der Worte, zum Beispiel „umfassend“ und „umfasst“ usw., „einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein“, und sollen andere Komponenten nicht ausschließen (und schließen sie nicht aus).
Es versteht sich, dass an den vorstehenden Ausführungsformen der Erfindung Änderungen vorgenommen werden können, die jedoch immer noch in den Geltungsbereich der Erfindung fallen. Jedes in der Spezifikation offengelegte Merkmal kann, sofern nicht anders angegeben, durch alternative Merkmale ersetzt werden, die dem gleichen, gleichwertigen oder ähnlichen Zweck dienen. Somit stellt, sofern nicht anders angegeben, jedes offengelegte Merkmal ein Beispiel einer generischen Reihe von gleichwertigen oder ähnlichen Merkmalen dar.
Die Verwendung von einem und allen hier bereitgestellten Beispielen, oder von beispielhafter Sprache („beispielsweise“, „wie z. B.“, „zum Beispiel“ und dergleichen) soll lediglich der besseren Veranschaulichung der Erfindung dienen und stellt keine Einschränkung in Bezug auf den Geltungsbereich der Erfindung dar, sofern nichts anderes beansprucht wird. Keine sprachliche Formulierung in der Spezifikation soll so ausgelegt werden, dass sie irgendein nicht beanspruchtes Element als wesentlich für die Praxis der Erfindung anzeigt.
Die folgenden Punkte sind weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.

1. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer, umfassend zwei Ionenspiegel, die voneinander beabstandet sind und einander in einer Richtung X gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel im Allgemeinen entlang einer Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Richtung X orthogonal zur Driftrichtung Y ist, und einen loneninjektor zum Injizieren von Ionen als einen lonenstrahl in den Raum zwischen den lonenspiegeln in einem Neigungswinkel zur Richtung X, wobei die lonenspiegel entlang eines ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y mit einem ersten Konvergenzgrad konvergieren und die lonenspiegel entlang eines zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y mit einem zweiten Konvergenzgrad konvergieren oder parallel sind, wobei der erste Abschnitt ihrer Länge sich näher am Ioneninjektor befindet als der zweite Abschnitt und der erste Konvergenzgrad größer als der zweite Konvergenzgrad ist.
2. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach Punkt 1, wobei der erste Konvergenzgrad so beschaffen ist, dass die Driftgeschwindigkeit der Ionen in der Richtung Y über den ersten Längenabschnitt um mindestens 5 %, oder mindestens 20 %, oder einen Betrag im Bereich von 5 bis 50 %, oder einen Betrag im Bereich von 20 bis 50 % reduziert wird, nachdem die Ionen eine oder mehrere Reflexionen in den lonenspiegeln im ersten Längenabschnitt durchlaufen haben.
3. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach Punkt 1 oder 2, wobei die Ionen eine größere durchschnittliche Verminderung ihrer Driftgeschwindigkeit in der Richtung Y je Reflexion in mindestens einem der Ionenspiegel im ersten Längenabschnitt in der Richtung Y aufweisen, verglichen mit der durchschnittlichen Verminderung ihrer Driftgeschwindigkeit in Richtung Y je Reflexion in den lonenspiegeln des zweiten Längenabschnitts in der Richtung Y.
4. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Punkte, wobei ein Rückführungs-Pseudopotentialgradient durch die konvergierenden Spiegel entlang des ersten Längenabschnitts generiert wird, der höher ist als ein Rückführungs-Pseudopotentialgradient, der durch die konvergierenden Spiegel entlang des zweiten Längenabschnitts gebildet wird.
5. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Punkte, wobei im Gebrauch der Ioneninjektor Ionen von einem Ende der Spiegel in den Raum zwischen den Spiegeln injiziert, so dass die Ionen von einem gegenüberliegenden Spiegel zum anderen mehrmals reflektiert werden, während sie entlang der Driftrichtung von dem Ioneninjektor weg driften, um im Allgemeinen einem Zickzackweg innerhalb des Massenspektrometers zu folgen.
6. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Punkte, wobei der Ioneninjektor unmittelbar an einem Ende der gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegel in Driftrichtung Y angeordnet ist.
7. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Punkte, ferner umfassend einen Detektor, der in einem Bereich angrenzend an den Ioneninjektor angeordnet ist.
8. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Punkte, wobei die Verlängerung im Allgemeinen in der Driftrichtung Y von jedem Spiegel entlang des ersten und/oder zweiten Abschnitts seiner Länge linear ist.
9. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der Punkte 1 bis 7, wobei die Verlängerung im Allgemeinen in der Driftrichtung Y von jedem Spiegel entlang des ersten und zweiten Abschnitts seiner Länge nicht-linear ist.
10. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der Punkte 1 bis 7, wobei mindestens ein Ionenspiegel zum anderen Spiegel entlang von mindestens einem der ersten und zweiten Abschnitte seiner Länge in der Driftrichtung gekrümmt ist.
11. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der Punkte 1 bis 7, wobei beide Ionenspiegel so geformt sind, dass sie in einem oder beiden der ersten und zweiten Längenabschnitte eine gekrümmte Reflexionsfläche folgend einer polynomischen Form bilden.
12. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Punkte, wobei die lonenspiegel entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y im Wesentlichen nicht-parallel sind.
13. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der Punkte 1 bis 11, wobei die Ionenspiegel entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y im Wesentlichen parallel sind.
14. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der Punkte 1 bis 7, wobei beide Spiegel zueinander symmetrisch sind und beide Spiegel entlang ihrer ersten und/oder zweiten Längenabschnitte gekrümmt sind, um einer parabolischen Form zu folgen, so dass sie bei ihrem Verlauf in der Driftrichtung zueinander gekrümmt sind.
15. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Punkte, wobei kein Abschnitt des lonenstrahls sich innerhalb eines Ionenspiegels befindet, wenn der lonenstrahl zwischen dem ersten und zweiten Längenabschnitt in der Richtung Y hindurch verläuft.
16. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Punkte, wobei der Übergang zwischen dem ersten und zweiten Längenabschnitt in der Richtung Y zwischen der ersten und zweiten Reflexion in den gegenüberliegenden Ionenspiegeln nach der Injektion stattfindet.
17. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Punkte, wobei eine Entfernung zwischen zwei aneinander angrenzenden Hüllen des lonenstrahls innerhalb eines Spiegels beiden Seiten [sic!] eines Übergangs zwischen den ersten und zweiten Abschnitten ihrer Länge nicht kleiner ist als a) 0,5*H, b) 1*H, oder c) 2*H, wobei H die lokale Höhe des Spiegels am Übergang bedeutet.
18. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Punkte, wobei eine oder mehrere Korrekturelektroden durch die Ionenspiegel hindurch eingebaut sind, um ein Abfallen des elektrischen Felds am Übergang zwischen dem ersten und zweiten Längenabschnitt in der Richtung Y zu vermindern.
19. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Punkte, wobei der Übergang zwischen dem ersten und zweiten Längenabschnitt in der Richtung Y eine glatte Kurve ist.
20. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Punkte, wobei der erste und zweite Längenabschnitt in der Richtung Y durch dieselben durchgehenden Elektroden hergestellt wird.
21. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der Punkte 1 bis 19, wobei der erste und der zweite Längenabschnitt in der Richtung Y elektrisch getrennt sind.
22. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Punkte, ferner umfassend eine oder mehrere Kompensationselektroden, die sich entlang mindestens eines Abschnitts der Driftrichtung in dem oder angrenzend an den Raum zwischen den Spiegeln erstrecken.
23. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach Punkt 22, umfassend ein Paar gegenüberliegende Kompensationselektroden, wobei jede Elektrode an einer Seite eines Raums angeordnet ist, der zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln verläuft.
24. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach Punkt 22 oder 23, wobei jede der Kompensationselektroden eine Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen parallel zur X-Y-Ebene ist, und ein polynomisches Profil in der X-Y-Ebene aufweist, so dass die Oberflächen zu jedem Spiegel hin in den Bereichen in der Nähe von einem oder beiden Ende(n) der Spiegel in einem größeren Abstand verlaufen als in dem mittleren Bereich zwischen den Enden.
25. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach Punkt 23 oder 24, wobei jede der Kompensationselektroden eine Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen parallel zur X-Y-Ebene ist, und ein polynomisches Profil in der X-Y-Ebene aufweist, so dass die Oberflächen zu jedem Spiegel hin in den Bereichen in der Nähe von einem oder beiden Ende(n) der Spiegel in einem kleineren Abstand verlaufen als in dem mittleren Bereich zwischen den Enden.
26. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der Punkte 22 bis 25, wobei die eine oder die mehreren Kompensationselektroden im Gebrauch elektrisch vorgespannt sind, um in mindestens einem Abschnitt des Raums, der zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln verläuft, einen elektrischen Potentialversatz zu bilden, der abhängig von der Entfernung entlang der Driftstrecke variiert.
27. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der Punkte 22 bis 26, wobei die eine oder die mehreren Kompensationselektroden im Gebrauch elektrisch vorgespannt sind, um mindestens einen Teil der Flugzeitaberrationen, die durch die gegenüberliegenden Spiegel erzeugt werden, zu kompensieren.
28. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der Punkte 22 bis 27, wobei die eine oder die mehreren Kompensationselektroden im Gebrauch elektrisch vorgespannt sind, um eine Flugzeitverschiebung in der Driftrichtung, die durch die gegenüberliegenden Spiegel erzeugt wird, zu kompensieren, und um die gesamte Flugzeitverschiebung des Systems im Wesentlichen unabhängig von Veränderungen eines anfänglichen lonenstrahlflugbahnneigungswinkels in der X-Y-Ebene zu machen.
29. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der Punkte 22 bis 28, wobei die eine oder die mehreren Kompensationselektroden als ein Paar gedruckter Leiterplatten eingesetzt werden, die mit ihren gedruckten Oberflächen parallel und einander zugewandt angeordnet sind.
30. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach Punkt 29, wobei beide lonenspiegel als ein Paar gedruckter Leiterplatten eingesetzt werden, die mit ihren gedruckten Oberflächen parallel und einander zugewandt angeordnet sind.
31. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Punkte, weiterhin umfassend eine oder mehrere Linsen oder Diaphragmen, die im Raum zwischen den Spiegeln angeordnet sind, um das Phasenraumvolumen von Ionen innerhalb des Massenspektrometers zu beeinflussen.
32. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach Punkt 1, wobei der Bewegung der Ionen entlang der Driftrichtung ein elektrisches Feld entgegengerichtet ist, das aus der Konvergenz der Spiegel zueinander entlang der ersten und zweiten Abschnitte ihrer Längen in der Driftrichtung resultiert.
33. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Punkte, wobei das elektrische Feld die Ionen veranlasst, ihre Richtung umzukehren und sich zum loneninjektor zurückzubewegen.
34. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Punkte, wobei mindestens einige der Ionen auf einen Detektor auftreffen, der in einem Bereich angrenzend an den loneninjektor angeordnet ist.
35. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach 7, wobei der Detektor eine Detektionsfläche aufweist, die parallel zur Driftrichtung Y angeordnet oder in einem Winkel von 1 bis 4 Grad zur Driftrichtung Y geneigt ist.
36. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Punkte, wobei der Ioneninjektor eines oder mehrere von einem orthogonalen Beschleuniger, einem Speichermultipol, einer linearen Ionenfalle, einer externen Speicherfalle umfasst.
37. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Punkte, das ein Mehrfachreflexions-Flugzeit-Massenspektrometer ist.
38. Elektrostatikfallen-Massenspektrometer, das zwei oder mehr Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der Punkte 1 bis 37 umfasst.
39. Verfahren der Massenspektrometrie, umfassend das Injizieren von Ionen aus einem Ioneninjektor in einen Raum zwischen zwei einander gegenüberliegenden Ionenspiegeln eines Mehrfachreflexions-Massenspektrometers, wobei die Ionen wiederholt zwischen den Spiegeln zurück und vorwärts reflektiert werden, während sie in einer allgemeinen Richtung der Verlängerung hinunterdriften, und das Detektieren von mindestens einigen der Ionen während oder nach ihrem Durchgang durch das Massenspektrometer, wobei die beiden lonenspiegel einander in einer Richtung X gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel allgemein entlang einer Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Richtung X orthogonal zur Driftrichtung Y ist, wobei die lonenspiegel entlang eines ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y mit einem ersten Konvergenzgrad konvergieren und die Ionenspiegel entlang eines zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y mit einem zweiten Konvergenzgrad konvergieren oder parallel sind, wobei der erste Abschnitt ihrer Länge dem loneninjektor näher ist als der zweite Abschnitt und der erste Konvergenzgrad größer ist als der zweite Konvergenzgrad.
40. Verfahren der Massenspektrometrie nach Punkt 39, wobei der erste Konvergenzgrad so beschaffen ist, dass die Driftgeschwindigkeit der Ionen in der Richtung Y über den ersten Längenabschnitt um mindestens 5 %, oder mindestens 20 %, oder einen Betrag im Bereich von 5 bis 50 %, oder einen Betrag im Bereich von 20 bis 50 % reduziert wird, nachdem die Ionen eine oder mehrere Reflexionen in den lonenspiegeln im ersten Längenabschnitt durchlaufen haben.
41. Verfahren der Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach Punkt 39 oder 40, wobei die Ionen eine größere durchschnittliche Verminderung ihrer Driftgeschwindigkeit in der Richtung Y je Reflexion in mindestens einem der Ionenspiegel im ersten Längenabschnitt aufweisen, verglichen mit der durchschnittlichen Verminderung ihrer Driftgeschwindigkeit in Richtung Y je Reflexion in den lonenspiegeln im zweiten Längenabschnitt.
42. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 39 bis 41, wobei die Amplitude der Bewegung entlang der Richtung X entlang mindestens eines Teils der Driftstrecke abnimmt, wenn sich Ionen vom loneninjektor wegbewegen.
43. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 39 bis 42, wobei Ionen in das Mehrfachreflexions-Massenspektrometer von einem Ende der gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegel in der Driftrichtung injiziert werden.
44. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 39 bis 43, wobei die Ionen nach dem Zurücklegen einer Driftstrecke in Richtung Y umgekehrt werden und sich entlang der Driftstrecke zum Ioneninjektionsort zurückbewegen.
45. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 39 bis 44, wobei mehr als ein Detektor dazu verwendet wird, mindestens einige der Ionen während oder nach ihrem Durchgang durch das Massenspektrometer zu detektieren.
46. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 39 bis 45, wobei ein Detektor für die Ionen sich in einem Bereich angrenzend an den Ioneninjektor befindet.
47. Verfahren der Massenspektrometrie nach Punkt 46, wobei der Detektor eine Detektionsfläche aufweist, die parallel zur Driftrichtung Y angeordnet oder in einem Winkel von 1 bis 4 Grad zur Driftrichtung Y geneigt ist.
48. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 39 bis 47, wobei die Verlängerung von jedem Spiegel entlang des ersten und/oder zweiten Abschnitts seiner Länge im Allgemeinen in der Driftrichtung Y linear ist.
49. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 39 bis 47, wobei die Verlängerung von jedem Spiegel entlang des ersten und/ zweiten Abschnitts seiner Länge im Allgemeinen in der Driftrichtung Y nicht-linear ist.
50. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 39 bis 47, wobei mindestens ein Ionenspiegel zum anderen Spiegel entlang von mindestens einem der ersten und zweiten Abschnitte seiner Länge in der Driftrichtung gekrümmt ist.
51. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 39 bis 47, wobei beide Ionenspiegel so geformt sind, dass sie in einem oder beiden der ersten und zweiten Längenabschnitte eine gekrümmte Reflexionsfläche folgend einer polynomischen Form bilden.
52. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 39 bis 51, wobei die Ionenspiegel entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y im Wesentlichen nicht-parallel sind.
53. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 39 bis 51, wobei die Ionenspiegel entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y im Wesentlichen parallel sind.
54. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 39 bis 53, wobei beide Spiegel zueinander symmetrisch sind und beide Spiegel entlang ihrer ersten und/oder zweiten Längenabschnitte gekrümmt sind, um einer parabolischen Form zu folgen, so dass sie bei ihrem Verlauf in der Driftrichtung zueinander gekrümmt sind.
55. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 39 bis 54, wobei kein Abschnitt des lonenstrahls sich innerhalb eines Ionenspiegels befindet, wenn der lonenstrahl zwischen dem ersten und zweiten Längenabschnitt in der Richtung Y hindurch verläuft.
56. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 39 bis 55, wobei der Übergang zwischen dem ersten und zweiten Längenabschnitt in der Richtung Y zwischen der ersten und zweiten Reflexion in den gegenüberliegenden Ionenspiegeln nach der Injektion stattfindet.
57. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 39 bis 56, wobei eine oder mehrere Korrekturelektroden durch die Ionenspiegel hindurch eingebaut sind, um ein Abfallen des elektrischen Felds am Übergang zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt ihrer Länge in der Richtung Y zu vermindern.
58. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 39 bis 57, wobei der Übergang zwischen dem ersten und zweiten Längenabschnitt in der Richtung Y eine glatte Kurve ist.
59. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 39 bis 58, wobei der erste und zweite Längenabschnitt in der Richtung Y durch dieselben durchgehenden Elektroden hergestellt wird.
60. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 39 bis 58, wobei der erste und der zweite Längenabschnitt in der Richtung Y elektrisch getrennt sind.
61. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 39 bis 60, wobei das Mehrfachreflexions-Massenspektrometer weiterhin eine oder mehrere Kompensationselektroden umfasst, die entlang von mindestens einem Abschnitt der Driftstrecke verlaufen, wobei jede Elektrode in dem oder angrenzend an den Raum zwischen den Spiegeln angeordnet ist, wobei die Kompensationselektroden im Gebrauch elektrisch vorgespannt sind, so dass die Periode der Ionenoszillation zwischen den Spiegeln entlang der gesamten Driftstrecke im Wesentlichen konstant ist.
62. Verfahren der Massenspektrometrie nach Punkt 61, wobei die eine oder mehreren Kompensationselektrode(n) ein Paar Kompensationselektroden umfasst(umfassen), wobei jede Elektrode auf einer Seite des Raums zwischen den Spiegeln angeordnet ist und wobei jede der Kompensationselektroden eine Oberfläche aufweist, die ein polynomisches Profil in der X-Y-Ebene aufweist, so dass die Oberflächen zu jedem Spiegel hin in den Bereichen in der Nähe von einem oder beiden Ende(n) der Spiegel in einem größeren Abstand verlaufen als in dem mittleren Bereich zwischen den Enden.
63. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 61 oder 62, wobei die eine oder mehreren Kompensationselektrode(n) ein Paar Kompensationselektroden umfasst(umfassen), wobei jede Elektrode auf einer Seite des Raums zwischen den Spiegeln angeordnet ist und wobei jede der Kompensationselektroden eine Oberfläche aufweist, die ein polynomisches Profil in der X-Y-Ebene aufweist, so dass die Oberflächen zu jedem Spiegel hin in den Bereichen in der Nähe von einem oder beiden Ende(n) der Spiegel in einem kleineren Abstand verlaufen als in dem mittleren Bereich zwischen den Enden.
64. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 61 bis 63, wobei die eine oder mehreren Kompensationselektrode(n) elektrisch vorgespannt ist(sind), um in mindestens einem Abschnitt des Raums, der zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln verläuft, einen elektrischen Potentialversatz zu bilden, der abhängig von der Entfernung entlang der Driftstrecke variiert.
65. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 61 bis 64, wobei die eine oder mehreren Kompensationselektrode(n) elektrisch vorgespannt ist(sind), um mindestens einen Teil der Flugzeitaberrationen, die durch die gegenüberliegenden Spiegel erzeugt werden, zu kompensieren.
66. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 61 bis 65, wobei die eine oder mehreren Kompensationselektrode(n) elektrisch vorgespannt ist(sind), um eine Flugzeitverschiebung in der Driftrichtung, die durch die gegenüberliegenden Spiegel erzeugt wird, zu kompensieren, und um die gesamte Flugzeitverschiebung des Systems im Wesentlichen unabhängig von Veränderungen eines anfänglichen lonenstrahlflugbahnneigungswinkels in der X-Y-Ebene zu machen.
67. Verfahren der Massenspektrometrie nach einem der Punkte 61 bis 66, wobei die Ionen zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln oszillieren, während sie sich entlang von mindestens einem Teil eines ersten Abschnitts der Driftstrecke in Richtung Y bewegen, bevor sie umgekehrt werden und sich zum loneninjektionsort zurückbewegen.
68. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer, umfassend zwei Ionenspiegel, die voneinander beabstandet sind und einander in einer Richtung X gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel im Allgemeinen entlang einer Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Richtung X orthogonal zur Driftrichtung Y ist, und einen Ioneninjektor zum Injizieren von Ionen in den Raum zwischen den Ionenspiegeln in einem Neigungswinkel zur Richtung X, wobei mindestens einer der lonenspiegel entlang eines ersten Abschnitts seiner Länge in der Driftrichtung Y einen ersten von null verschiedenen Neigungswinkel zur Richtung Y aufweist und entlang eines zweiten Abschnitts seiner Länge in der Driftrichtung Y einen zweiten von null verschiedenen Neigungswinkel in der Richtung Y aufweist, der kleiner ist als der erste von null verschiedene Neigungswinkel zur Richtung Y, oder einen Neigungswinkel von null zur Richtung Y aufweist, wobei der erste Längenabschnitt sich näher am Ioneninjektor befindet als der zweite Abschnitt.
69. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer, umfassend zwei Ionenspiegel, die voneinander beabstandet sind und einander in einer Richtung X gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel im Allgemeinen entlang einer Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Richtung X orthogonal zur Driftrichtung Y ist, und einen loneninjektor zum Injizieren von Ionen als einen lonenstrahl in den Raum zwischen den lonenspiegeln in einem Neigungswinkel zur Richtung X, so dass die in das Spektrometer injizierten Ionen wiederholt in der Richtung X zwischen den Spiegeln zurück und vorwärts reflektiert werden, während sie die Richtung Y der Spiegelverlängerung hinunterdriften, um einem Zickzackweg zu folgen, wobei die Ionenspiegel entlang eines ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y einen ersten Rückführungs-Pseudopotentialgradienten zum Vermindern der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereitstellen, und die lonenspiegel entlang eines zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y einen zweiten Rückführungs-Pseudopotentialgradienten zum Vermindern der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereitstellen oder entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge kein Rückführungs-Pseudopotential bereitstellen, wobei der erste Rückführungs-Pseudopotentialgradient größer ist als der zweite Rückführungs-Pseudopotentialgradient und der erste Längenabschnitt sich näher am loneninjektor befindet als der zweite Abschnitt.
70. Mehrfachreflexions-Massenspektrometer, umfassend zwei Ionenspiegel, die voneinander beabstandet sind und einander in einer Richtung X gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel im Allgemeinen entlang einer Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Richtung X orthogonal zur Driftrichtung Y ist, und einen Ioneninjektor zum Injizieren von Ionen als einen lonenstrahl in den Raum zwischen den Ionenspiegeln in einem Neigungswinkel zur Richtung X, so dass die in das Spektrometer injizierten Ionen wiederholt in der Richtung X zwischen den Spiegeln zurück und vorwärts reflektiert werden, während sie die Richtung Y der Spiegelverlängerung hinunterdriften, um einem Zickzackweg zu folgen, wobei die Ionenspiegel entlang eines ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y eine erste Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereitstellen, und die Ionenspiegel entlang eines zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y eine zweite Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereitstellen oder entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge keine Verzögerung der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereitstellen, wobei die erste Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit größer ist als die zweite Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit und der erste Längenabschnitt sich näher am Ioneninjektor befindet als der zweite Abschnitt.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

SU 1725289 [0003]
GB 2080021 [0004]
WO 2005/001878 [0006, 0023]
GB 2403063 [0006, 0023]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes, 88 (1989) 21-28 [0005]
J.B. Greenwood at al. in Rev. Sci. Instr. 82, 043103 (2011) [0082]

Claims

Mehrfachreflexions-Massenspektrometer, umfassend zwei Ionenspiegel, die voneinander beabstandet sind und einander in einer Richtung X gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel im Allgemeinen entlang einer Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Richtung X orthogonal zur Driftrichtung Y ist, und einen Ioneninjektor zum Injizieren von Ionen als einen lonenstrahl in den Raum zwischen den lonenspiegeln in einem Neigungswinkel zur Richtung X, wobei die lonenspiegel entlang eines ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y mit einem ersten Konvergenzgrad konvergieren und die lonenspiegel entlang eines zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y mit einem zweiten Konvergenzgrad konvergieren oder parallel sind, wobei der erste Abschnitt ihrer Länge sich näher am Ioneninjektor befindet als der zweite Abschnitt und der erste Konvergenzgrad größer als der zweite Konvergenzgrad ist.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach Anspruch 1, wobei der erste Konvergenzgrad so beschaffen ist, dass die Driftgeschwindigkeit der Ionen in der Richtung Y über den ersten Längenabschnitt um mindestens 5 %, oder mindestens 20 %, oder einen Betrag im Bereich von 5 bis 50 %, oder einen Betrag im Bereich von 20 bis 50 % reduziert wird, nachdem die Ionen eine oder mehrere Reflexionen in den lonenspiegeln im ersten Längenabschnitt durchlaufen haben.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ionen eine größere durchschnittliche Verminderung ihrer Driftgeschwindigkeit in der Richtung Y je Reflexion in mindestens einem der Ionenspiegel im ersten Längenabschnitt in der Richtung Y aufweisen, verglichen mit der durchschnittlichen Verminderung ihrer Driftgeschwindigkeit in Richtung Y je Reflexion in den Ionenspiegeln des zweiten Längenabschnitts in der Richtung Y.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Rückführungs-Pseudopotentialgradient durch die konvergierenden Spiegel entlang des ersten Längenabschnitts generiert wird, der höher ist als ein Rückführungs-Pseudopotentialgradient, der durch die konvergierenden Spiegel entlang des zweiten Längenabschnitts gebildet wird.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei im Gebrauch der Ioneninjektor Ionen von einem Ende der Spiegel in den Raum zwischen den Spiegeln injiziert, so dass die Ionen von einem gegenüberliegenden Spiegel zum anderen mehrmals reflektiert werden, während sie entlang der Driftrichtung von dem loneninjektor weg driften, um im Allgemeinen einem Zickzackweg innerhalb des Massenspektrometers zu folgen.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der loneninjektor unmittelbar an einem Ende der gegenüberliegenden ionenoptischen Spiegel in Driftrichtung Y angeordnet ist.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Detektor, der in einem Bereich angrenzend an den loneninjektor angeordnet ist.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verlängerung im Allgemeinen in der Driftrichtung Y von jedem Spiegel entlang des ersten und/oder zweiten Abschnitts seiner Länge linear ist.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Verlängerung im Allgemeinen in der Driftrichtung Y von jedem Spiegel entlang des ersten und zweiten Abschnitts seiner Länge nicht-linear ist.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 9, wobei beide lonenspiegel so geformt sind, dass sie in einem oder beiden der ersten und zweiten Längenabschnitte eine gekrümmte Reflexionsfläche folgend einer polynomischen Form bilden.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei beide Spiegel zueinander symmetrisch sind und beide Spiegel entlang ihrer ersten und/oder zweiten Längenabschnitte gekrümmt sind, um einer parabolischen Form zu folgen, so dass sie bei ihrem Verlauf in der Driftrichtung zueinander gekrümmt sind.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei kein Abschnitt des lonenstrahls sich innerhalb eines lonenspiegels befindet, wenn der lonenstrahl zwischen dem ersten und zweiten Längenabschnitt in der Richtung Y hindurch verläuft.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Übergang zwischen dem ersten und zweiten Längenabschnitt in der Richtung Y zwischen der ersten und zweiten Reflexion in den gegenüberliegenden Ionenspiegeln nach der Injektion stattfindet.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Entfernung zwischen zwei aneinander angrenzenden Hüllen des lonenstrahls innerhalb eines Spiegels beiden Seiten [sic!] eines Übergangs zwischen den ersten und zweiten Abschnitten ihrer Länge nicht kleiner ist als a) 0,5*H, b) 1*H, oder c) 2*H, wobei H die lokale Höhe des Spiegels am Übergang bedeutet.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere Korrekturelektroden durch die Ionenspiegel hindurch eingebaut sind, um ein Abfallen des elektrischen Felds am Übergang zwischen dem ersten und zweiten Längenabschnitt in der Richtung Y zu vermindern.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Übergang zwischen dem ersten und zweiten Längenabschnitt in der Richtung Y eine glatte Kurve ist.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste und zweite Längenabschnitt in der Richtung Y durch dieselben durchgehenden Elektroden hergestellt wird.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der erste und der zweite Längenabschnitt in der Richtung Y elektrisch getrennt sind.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine oder mehrere Kompensationselektroden, die sich entlang mindestens eines Abschnitts der Driftrichtung in dem oder angrenzend an den Raum zwischen den Spiegeln erstrecken.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach Anspruch 19, umfassend ein Paar gegenüberliegende Kompensationselektroden, wobei jede Elektrode an einer Seite eines Raums angeordnet ist, der zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln verläuft.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach Anspruch 19 oder 20, wobei jede der Kompensationselektroden eine Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen parallel zur X-Y-Ebene ist, und ein polynomisches Profil in der X-Y-Ebene aufweist, so dass die Oberflächen zu jedem Spiegel hin in den Bereichen in der Nähe von einem oder beiden Ende(n) der Spiegel in einem größeren Abstand verlaufen als in dem mittleren Bereich zwischen den Enden.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach Anspruch 20 oder 21, wobei jede der Kompensationselektroden eine Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen parallel zur X-Y-Ebene ist, und ein polynomisches Profil in der X-Y-Ebene aufweist, so dass die Oberflächen zu jedem Spiegel hin in den Bereichen in der Nähe von einem oder beiden Ende(n) der Spiegel in einem kleineren Abstand verlaufen als in dem mittleren Bereich zwischen den Enden.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei die eine oder die mehreren Kompensationselektroden im Gebrauch elektrisch vorgespannt sind, um in mindestens einem Abschnitt des Raums, der zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln verläuft, einen elektrischen Potentialversatz zu bilden, der abhängig von der Entfernung entlang der Driftstrecke variiert.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei die eine oder die mehreren Kompensationselektroden im Gebrauch elektrisch vorgespannt sind, um mindestens einen Teil der Flugzeitaberrationen, die durch die gegenüberliegenden Spiegel erzeugt werden, zu kompensieren.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 19 bis 24, wobei die eine oder die mehreren Kompensationselektroden im Gebrauch elektrisch vorgespannt sind, um eine Flugzeitverschiebung in der Driftrichtung, die durch die gegenüberliegenden Spiegel erzeugt wird, zu kompensieren, und um die gesamte Flugzeitverschiebung des Systems im Wesentlichen unabhängig von Veränderungen eines anfänglichen lonenstrahlflugbahnneigungswinkels in der X-Y-Ebene zu machen.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Bewegung der Ionen entlang der Driftrichtung ein elektrisches Feld entgegengerichtet ist, das aus der Konvergenz der Spiegel zueinander entlang der ersten und zweiten Abschnitte ihrer Längen in der Driftrichtung resultiert.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das elektrische Feld die Ionen veranlasst, ihre Richtung umzukehren und sich zum Ioneninjektor zurückzubewegen.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach 7, wobei der Detektor eine Detektionsfläche aufweist, die parallel zur Driftrichtung Y angeordnet oder in einem Winkel von 1 bis 4 Grad zur Driftrichtung Y geneigt ist.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Ioneninjektor eines oder mehrere von einem orthogonalen Beschleuniger, einem Speichermultipol, einer linearen Ionenfalle, einer externen Speicherfalle umfasst.
Verfahren der Massenspektrometrie, umfassend das Injizieren von Ionen aus einem Ioneninjektor in einen Raum zwischen zwei einander gegenüberliegenden lonenspiegeln eines Mehrfachreflexions-Massenspektrometers, wobei die Ionen wiederholt zwischen den Spiegeln zurück und vorwärts reflektiert werden, während sie in einer allgemeinen Richtung der Verlängerung hinunterdriften, und das Detektieren von mindestens einigen der Ionen während oder nach ihrem Durchgang durch das Massenspektrometer, wobei die beiden Ionenspiegel einander in einer Richtung X gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel allgemein entlang einer Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Richtung X orthogonal zur Driftrichtung Y ist, wobei die Ionenspiegel entlang eines ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y mit einem ersten Konvergenzgrad konvergieren und die Ionenspiegel entlang eines zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y mit einem zweiten Konvergenzgrad konvergieren oder parallel sind, wobei der erste Abschnitt ihrer Länge dem Ioneninjektor näher ist als der zweite Abschnitt und der erste Konvergenzgrad größer ist als der zweite Konvergenzgrad.
Mehrfachreflexions-Massenspektrometer, umfassend zwei Ionenspiegel, die voneinander beabstandet sind und einander in einer Richtung X gegenüberliegen, wobei jeder Spiegel im Allgemeinen entlang einer Driftrichtung Y verlängert ist, wobei die Richtung X orthogonal zur Driftrichtung Y ist, und einen Ioneninjektor zum Injizieren von Ionen als einen lonenstrahl in den Raum zwischen den lonenspiegeln in einem Neigungswinkel zur Richtung X, so dass die in das Spektrometer injizierten Ionen wiederholt in der Richtung X zwischen den Spiegeln zurück und vorwärts reflektiert werden, während sie die Richtung Y der Spiegelverlängerung hinunterdriften, um einem Zickzackweg zu folgen, wobei die lonenspiegel entlang eines ersten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y eine erste Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereitstellen, und die lonenspiegel entlang eines zweiten Abschnitts ihrer Länge in der Driftrichtung Y eine zweite Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereitstellen oder entlang des zweiten Abschnitts ihrer Länge keine Verzögerung der lonendriftgeschwindigkeit in der Driftrichtung Y bereitstellen, wobei die erste Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit größer ist als die zweite Verzögerungsrate der lonendriftgeschwindigkeit und der erste Längenabschnitt sich näher am Ioneninjektor befindet als der zweite Abschnitt.