DE102019113776A1

DE102019113776A1 - Korrektur der Neigung der Ionenfront in einem Flugzeit (TOF)-Massenspektrometer

Info

Publication number: DE102019113776A1
Application number: DE102019113776.4A
Authority: DE
Inventors: Dmitry GRINFELD; Christian Hock; Hamish Stewart
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2019-11-28
Also published as: CN110534394B; GB2575169A; GB2575169B; GB201808459D0; US11158494B2; GB201906954D0; CN110534394A; US20190362955A1

Abstract

Eine Einrichtung zur Korrektur der Neigung der Flugzeit (TOF)-Ionenstrahlfront 40 für ein TOF-Massenspektrometer 1 korrigiert die Ebene der Strahlfront, so dass sie senkrecht zu einem lonenstoßdetektor 35 des TOF-Massenspektrometers 1 bleibt. Die Einrichtung zur Korrektur der Neigung 40 umfasst eine oder mehrere Elektroden 100, 110, 120, 130, die einen Kanal mit im Wesentlichen gleichem Potential definieren, welcher sich entlang einer Längsrichtung Z erstreckt. Der Kanal erstreckt sich auch quer zu der Z-Achse und weist eine erste relativ längere X-Querachse und eine zweite relativ kürzere Y-Querachse auf. Das Verhältnis der Länge der längeren zu der kürzeren Querachse ist mindestens 2. Die Länge des Kanals in der Z-Richtung variiert entsprechend der Querposition in der X-Richtung.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft die Korrektur des Neigungswinkels der lonenfront in einem Flugzeit (engl. time of flight, TOF)-Massenspektrometer.
Hintergrund der Erfindung
Flugzeit (TOF)-Massenspektrometer mit lonenstoßdetektoren verwenden die Eigenschaft, dass die Laufzeit eines Ions in einem elektrostatischen Feld proportional zu der Quadratwurzel der Masse des Ions ist. Die Ionen werden gleichzeitig aus einer lonenquelle (z. B. einem Orthogonalbeschleuniger oder einer Hochfrequenz-Ionenfalle) ausgestoßen, auf eine gewünschte Energie beschleunigt, und treffen nach Bewegung über eine festgelegte Strecke auf einen Ionendetektor (z. B. eine Mikrokanalplatte) auf. Während die Bewegungsstrecke für alle Ionen im Wesentlichen gleich ist, wird die Ankunftszeit der Ionen dazu verwendet, das Masse-zu-Ladung-Verhältnis m/q zu bestimmen, welches später für die Identifizierung der Ionen verwendet wird.
Die Genauigkeit der Masse/Ladung-Messung und die Qualität der Massentrennung hängen von der Spreizung der Laufzeiten für Ionen mit dem gleichen Masse-zu-Ladung-Verhältnis m/q ab. Diese Spreizung hat ihre Ursache in verschiedenen Anfangsbedingungen, Koordinaten und Geschwindigkeiten und einer begrenzten Fähigkeit eines Massenspektrometers, lonenbündel in der Zeit zu fokussieren, das heißt, Ionen mit dem gleichen m/q gleichzeitig zu einem Detektor zu bringen, unabhängig von ihren Anfangsbedingungen.
Die Zeitfokussierung mit Bezug auf die Ionenenergie wird normalerweise mit einem oder mehreren elektrostatischen Spiegeln wie bei den Massenanalysatoren vom Reflektron-Typ (Mamyrin B. A. et al., Sov. Phys.-JETP, 37, pp. 45-48, 1973) erreicht. Die Zeitfokussierung mit Bezug auf die Anfangskoordinaten und -geschwindigkeiten kann durch verschiedene Mittel erreicht werden. Bei den frühesten Reflektrons mit Gittern wurde ein gleichförmiges elektrostatisches Feld für die lonenreflexion verwendet, welches die Flugzeitunabhängigkeit von den seitlichen Anfangskoordinaten und -geschwindigkeiten garantierte. Bei ausgefeilteren Massenanalysatoren mit gitterlosen lonenspiegeln ist die Feldkonfiguration speziell gestaltet, um die hauptsächlichsten Raum-Zeit-Aberrationen zu eliminieren. Derartige Konfigurationen wurden für axialsymmetrische Spiegel (H. Wollnik und A. Casares, Int. J. of Mass Spectrom. 227 (2), 217-222, 2003) und planare Spiegel (Yavor M., et al., Physics Procedia 1, pp. 391-400, 2008) gefunden. Elektrostatische Sektoren - um Ionen sowohl räumlich als auch zeitlich zu fokussieren - wurden ebenfalls verwendet (Satoh T., J. Mass Spectrom. Soc. Jpn., 57 (5), pp. 363-369, 2009).
Bei all diesen Anordnungen divergieren die lonenbündel räumlich, wenn sie sich von einer lonenquelle weg bewegen, und ihre Querabmessung kann einige Millimeter erreichen, wenn sie auf einen Detektor auftreffen. Ein sich räumlich gespreiztes lonenbündel ist auch zum Reduzieren von Raum-Ladungs-Effekten und Verhindern einer Sättigung des Detektors vorteilhaft. Letzteres ist besonders wichtig für Mikrokanalplatten (MCP)-Detektoren und Dynodendetektoren. Ein negativer Effekt eines breiten lonenauftreffbereichs ist, dass dies besonders strenge Anforderungen für die Detektorausrichtung mit Bezug auf den einfallenden lonenstrahl bedeutet. Tatsächlich führt für ein lonenbündel mit einer Breite von 10 mm selbst eine kleine Fehlausrichtung eines Detektors (zum Beispiel um einen Winkelgrad) zu einer Differenz von -0,17 mm für die lonenauftreffzeiten. Wenn die gesamte Bewegungsstrecke der Ionen 1 Meter ist, begrenzt diese Diskrepanz das Massenauflösungsvermögen des Massenanalysators durch den Wert R = 1 Meter / 0,170 mm / 2 ≈ 3000, was normalerweise unakzeptabel ist.
Das Problem der Detektorausrichtung wird durch die Tatsache verschärft, dass eine aktuelle TOF-Front (ein Ort, üblicherweise eine Ebene, aber manchmal eine gekrümmte Oberfläche, wo Ionen mit verschiedenen seitlichen Anfangsbedingungen gleichzeitig ankommen) durch Fehlausrichtungen von anderen ionenoptischen Elementen beeinträchtigt wird, z. B. der lonenquelle und/oder der Spiegel, ebenso wie durch Faktoren wie elektrischen Randfeldern und magnetischen Streufeldern in der Umgebung des Instruments, die alle schwierig vorherzusagen sind. Als Ergebnis ist eine genaue Ausrichtung eines lonendetektors und der TOF-Front eine schwierige technische Herausforderung.
Eine Anzahl von Lösungen ist vorgeschlagen worden, um die oben aufgeführten Probleme zu beseitigen. Die US-A-5,654,544 (Dresch) offenbart die genaue mechanische Steuerung eines lonendetektors, damit er in seiner ionensensitiven Ebene an eine aktuelle TOF-Front eines einfallenden lonenbündels angepasst wird. Ein derartiges Verfahren ist jedoch schwierig zu realisieren, da die beweglichen Teile für ihre genaue Einstellung einen Aktivator erfordern.
Elektrisch gesteuerte Verfahren werden bevorzugt, da sie eine genaue Anpassung während des Betriebs des Massenspektrometers erlauben. In der US-A-2017/0098533 (Stewart et al.) wurde vorgeschlagen, ein dipolares elektrisches Feld zum Drehen der TOF-Front zu verwenden und sie mit einem lonenstoßdetektor auszurichten. Die Position und die Orientierung des Detektors sind fest. Dieses Verfahren verwendet eine Eigenschaft des dipolaren transversalelektrischen Felds zum Kippen der TOF-Front in einer Richtung entgegengesetzt zu der der Ablenkung. Der Effekt beruht auf der Geschwindigkeitsdifferenz für Ionen, die in der Nachbarschaft eines positiven Pols vorbeilaufen, und für Ionen, die nahe zu einem negativen Pol eines dipolaren elektrostatischen Elements vorbeilaufen. Diese Differenz erzeugt eine Korrelation zwischen der Position des Ions und der Ankunftszeit an einem Detektor, welcher sich unmittelbar hinter dem dipolaren Element befindet.
Die US-B-7,772,547 (Verentchikov, siehe 3 und 4) und die US-B-9,136,102 (Grinfeld et al., siehe 11A und 11B) offenbaren ebenfalls eine Drehung der TOF-Front unter Verwendung eines dipolaren elektrischen Felds für die Vorbereitung des lonenstrahls, bevor er in einen TOF-Massenanalysator eintritt.
Eine Einschränkung für eine Korrektureinrichtung der TOF-Front mit einem dipolaren Feld ist, dass dieses Feld niemals perfekt gleichförmig ist, was zu signifikanten und unvermeidbaren Verzerrungen am Eingang und Ausgang des elektrostatischen dipolaren Elements führt. Die Anwesenheit der Oberfläche eines Äquipotentialdetektors in der unmittelbaren Nachbarschaft eines dipolaren Elements trägt auch zu derartigen Feldstörungen bei. Wegen der Unvollkommenheiten des Felds ist die Netto-Flugzeitkorrektur nicht genau linear mit Bezug auf die Eingangskoordinate des Ions, was zu einer Verzerrung der TOF-Front führt.
In der US-A-2014/0054454 (Hoyes et al.) wird vorgeschlagen, die Fehlausrichtung der TOF-Front unter Verwendung eines Systems von ebenen Maschen zu korrigieren, die zueinander im Winkel stehen und mit verschiedenen Beschleunigungs- oder Verzögerungspotentialen vorgespannt sind. Ionenbündel kreuzen nacheinander alle Maschen. Wenn der Abstand zwischen zwei benachbarten Maschen und ihre Neigung zueinander klein genug sind, ist das elektrische Feld zwischen den Maschen quasigleichförmig und ändert sich linear in der Richtung der Neigung. Die Zeit, die ein bestimmtes Ion benötigt, um den Stapel der Maschen zu kreuzen, ist unterschiedlich, je nachdem, wo das Ion in den Stapel eintritt. Die TOF-Front wird daher zur Anpassung an den Detektor gedreht. Das Durchlaufen mehrerer Maschen führt jedoch zu signifikanten lonenverlusten und zu Streueffekten. Weiterhin führen lonenkollisionen mit den Maschendrähten zu lonenfragmentierung und möglichem Zerstäuben des Maschenmaterials; die geladenen und die neutralen Fragmente können auf den Detektor auftreffen und falsche Peaks erzeugen.
Gegenüber diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung Lösungen für die mit der Neigung der Flugzeitfront zusammenhängenden Probleme vor.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung zur Korrektur der Neigung der Flugzeit (TOF)-Ionenstrahlfront entsprechend Anspruch 1 vorgesehen.
Die Korrektureinrichtung enthält eine oder mehrere Elektroden, bevorzugt einen Stapel von mehreren Elektroden, mit Kanälen. Eine Elektrode wie beschrieben realisiert einen Bereich eines im Wesentlichen gleichen elektrischen Potentials innerhalb ihres Kanals. Falls die gesamte Ionenenergie pro Einheitsladung U₀ ist, und das Potential der k-ten Elektrode U_k ist, ist die kinetische Energie des Ions U₀ - U_k pro Einheitsladung, wenn das Ion innerhalb des Kanals fliegt.
Die Zeitdauer für das Durchlaufen des Ions durch einen Kanal mit einer Länge L_k in der Bewegungsrichtung Z des Ions ist $T_{k} = {L_{k} {(m / 2 q)}^{1 / 2} / (U_{0} - U_{k})}^{1 / 2} .$
Mindestens eine Elektrode der Korrektureinrichtung weist eine Kanallänge auf, die in einer Richtung quer zu der Z-Achse variiert, das heißt, die Kanallänge ΔZ = L_k (X,Y) ist unterschiedlich je nach der Position X, Y des Ions, wenn es in den Kanal eintritt. Als Ergebnis hängt die Zeit T des Kreuzens eines bestimmten Ions durch den Stapel von Elektroden von der Querposition des Ions (X_TC,Y_TC) ab, womit eine Differenz der Flugzeit bewirkt wird, welche den Flugzeitfehler kompensiert.
In vielen praktischen Ausgestaltungen ist die Neigung der TOF-Front in einer ersten Richtung signifikanter als ihre Neigung in einer zweiten, orthogonalen Richtung, zum Beispiel wenn die zweite Richtung senkrecht zu einer Symmetrie-Ebene des Massenanalysators steht. In diesem Fall muss nur die Neigung in der ersten Richtung berücksichtigt werden und kann in der orthogonalen Richtung ignoriert werden. Dies ist auch der Fall, wenn das lonenbündel in einer Richtung ausgedehnter als in der anderen Richtung ist, und die zweite Richtung ist daher bezüglich der Neigung toleranter. Beide Situationen sind zum Beispiel typisch für TOF-Massenanalysatoren mit planaren lonenspiegeln, wie in dem sowjetischen Patent SU 1725289 (Nazarenko L.M., et al.), dem US-Patent 7,385,187 B2 (Verentchikov et al.) oder dem US-Patent 9,136,102 B2 (Grinfeld D., Makarov A.) beschrieben. Wenn das lonenbündel an einem Detektor ankommt, ist seine Breite in der Richtung senkrecht zu der Symmetrie-Ebene der lonenspiegel relativ klein, während die Spreizung entlang der Spiegel hoch ist. Die Korrektur der TOF-Front ist am wichtigsten in der Richtung, in der der lonenstrahl breiter ist.
Im Gegensatz zu der in der oben erwähnten US-A-2014/0054454 gezeigten Anordnung erfordert die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront der vorliegenden Erfindung keine Masche zum Einstellen der Neigung der lonenstrahlfront.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der lonenstrahl in der X_I-Richtung der Ebene senkrecht zu der Achse der Bewegung des Ions Z_I gespreizt, im Vergleich mit der Strahlabmessung in der Y_I-Richtung dieser orthogonalen Ebene. Gemäß der vorstehenden Diskussion ist die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der lonenstrahlfront dann bevorzugt konfiguriert, nur die Neigung in dieser X_I-Richtung zu berücksichtigen, wobei jegliche Neigung in der Y_I-Richtung ignoriert wird, da sie weniger zu dem TOF-Fehler beiträgt.
In diesem Fall kann der Winkel y der Drehung der TOF-Front, die durch die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der lonenstrahlfront vorgenommen wird, mathematisch allein in Bezug auf die X_TC-Achse ausgedrückt werden als: $tan γ (X_{T C}) = T' v_{z} = \sum_{k = 1}^{K} \sqrt{\frac{U_{0}}{U_{0} - U_{k}}} L_{k}^{'} (X_{T C})$
wobei ‘ (Hochstrich) eine Ableitung mit Bezug auf die Koordinate X_TC ist, und v_z= (2qU₀/m)^1/2 die Geschwindigkeit ist, mit welcher ein Ion in den Stapel von K-Elektroden mit den Spannungen U₁ ... U_K eintritt.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront einen Stapel von K-Elektroden umfassen, die entlang der Z_TC-Längsachse beabstandet sind, wobei jede Elektrode einen Kanal definiert, wobei der durch jede Elektrode definierte Kanal mindestens teilweise mit den anderen ausgerichtet ist, so dass die Ionen in dem Ionenstrahl, die in eine erste, stromaufwärtige Elektrode eintreten, in der Lage sind, die Mehrzahl von beabstandeten Elektroden über ihre mindestens teilweise ausgerichteten Kanäle zu durchlaufen und die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront zu verlassen, wobei der Strahlfrontwinkel relativ zu der Z_TC-Achse verschoben worden ist. In diesem Fall kann der oben vorgestellte Ausdruck (1) für T_k verallgemeinert werden; die Gesamtzeit zum Kreuzen des Stapels von K-Elektroden ist dann $T = \sqrt{\frac{m}{2 q}} \sum_{k = 1}^{K} \frac{L_{k}}{\sqrt{U_{0} - U_{k}}}$
wobei L_k die Länge des Kanals in der k-ten Elektrode ist.
Der oder jeder Kanal weist bevorzugt einen allgemein rechtwinkligen Abschnitt in den Ebenen senkrecht zu der Z_TC-Richtung auf. Die kürzere Abmessung (in dem Beispiel oben die Y_TC-Richtung) des oder jedes Kanals ist ausreichend groß, um die Querbreite der lonenbündel in dem lonenstrahl aufzunehmen.
Alternativ umfasst die Elektrode (oder einige/alle der Elektroden, wenn eine Mehrzahl vorhanden ist) zwei Teile mit gleichem Potential, die sich in einem Abstand voneinander befinden, und welche im Wesentlichen parallel zueinander sind. Die Lücke zwischen den Teilen mit gleichem Potential bildet den Kanal, welchen der lonenstrahl durchläuft.
In bevorzugten Ausführungsformen, bei denen die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront eine Mehrzahl von in einem Stapel angeordneten Elektroden umfasst, befinden sich enge Lücken zwischen den benachbarten Elektroden.
Ein lonenstoßdetektor kann sich bevorzugt stromabwärts von der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront befinden.
In einigen Ausführungsformen ist die Elektrode keilförmig, wobei die Elektrode eine erste Öffnung in einer Ebene senkrecht zu der Z_TC-Achse in einer X_TC-Y_TC-Ebene und eine zweite Öffnung definiert, die von der ersten Öffnung beabstandet und in einer zweiten Ebene gebildet ist, die relativ zu der Ebene der ersten Öffnung geneigt ist. In anderen Ausführungsformen sind die Ebenen sowohl der ersten als auch die der zweiten Öffnung relativ zu der X_TC-Y_TC-Ebene geneigt. Im obigen Beispiel, bei dem der lonenstrahl in der X_I-Richtung relativ zu der Y_I-Richtung gespreizt ist, kann die durch die Elektrode definierte Ebene der zweiten Öffnung des Kanals die Y_TC-Achse enthalten, aber in einem Winkel α zur X_TC-Achse angeordnet sein. Die Kanallänge in der Z_TC-Richtung ist daher eine im Wesentlichen lineare Funktion der transversalen Koordinate X_TC , und dL_k/dX_TC ist eine Konstante. In derartigen Ausführungsformen wird die Korrektur der TOF-Front durch eine gleichförmige Drehung um den Winkel γ beschrieben.
In anderen Ausführungsformen kann jedoch entweder die erste Öffnung, die zweite Öffnung oder beide der mindestens einen Elektrode gekrümmt sein. Zum Beispiel kann die erste Öffnung planar sein (z. B. in der X_TC-Y_TC-Ebene senkrecht zu der Z_TC-Achse), während die zweite Öffnung wiederum die Y_TC-Achse enthalten kann, aber einer gekrümmten Linie in den X_TC-Z_TC-Ebenen folgt. Dann ist die Funktion dL_k(X_TC)/dX_Tc nichtlinear. Eine derartige Ausführungsform ist zum Beispiel in der Lage, eine gekrümmte Verzerrung der TOF-Strahlfront zu korrigieren.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront eine erste und eine zweite Elektrode, die benachbart zueinander in der Z_TC-Richtung positioniert sind. Jede Elektrode kann eine erste Öffnung in einer Ebene senkrecht zu der Z_TC-Achse in einer X_TC-Y_TC-Ebene und eine zweite Öffnung aufweisen, die von der ersten Öffnung beabstandet und entweder in einer relativ zu der Ebene der ersten Öffnung geneigten zweiten Ebene gebildet ist oder die eine die Y_TC-Achse umfassende Öffnung mit einer gekrümmten Linie in den X_TC-Z_TC-Ebenen definiert. In beiden Fällen sind die zweiten Öffnungen zueinander entgegengesetzt angeordnet. Im Fall, dass die zweiten Öffnungen jeweils eine geneigte Ebene definieren, kann der Neigungswinkel der Ebene der zweiten Öffnung in einer ersten der Elektroden in einem Winkel +α gebildet sein, während der Neigungswinkel der Ebene der entgegengesetzten zweiten Öffnung in der zweiten der Elektroden in einem Winkel -α gebildet sein kann. Im Fall, dass die zweiten Öffnungen jeweils gekrümmt sind, kann die zweite Öffnung in der ersten der Elektroden allgemein konvex sein, während die zweite, entgegengesetzte Öffnung in der zweiten der Elektroden allgemein konkav sein kann.
Die oder jede Elektrode kann mit Beschleunigungs- oder Verzögerungs-Spannungen U_k elektrisch vorgespannt sein, die während des Betriebs oder der Wartung eingestellt werden können, um die TOF-Fronten von auftreffenden lonenbündeln gleichzurichten und sie mit einer Detektionsoberfläche eines lonendetektors, z. B. einer Mikrokanalplatte, auszurichten.
Weitere Aspekte der Erfindung sehen ein lonendetektionssystem, wie in Anspruch 16 aufgeführt, und ein TOF-Massenspektrometer vor, das ein derartiges lonendetektionssystem umfasst, wie in Anspruch 18 definiert.
In noch einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Korrigieren der Neigung der lonenstrahlfront in einem Flugzeit (TOF)-Massenspektrometer entsprechend Anspruch 19 vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Einrichtung zur Korrektur der Neigung der Flugzeit (TOF)-Ionenstrahlfront vorgesehen, umfassend mindestens eine Elektrode, welche bei Versorgung mit einer Spannung einen Kanal mit im Wesentlichen gleichem Potential definiert, wobei der Kanal sich in einer Längsrichtung Z, welche allgemein parallel zu der Bewegungsrichtung der Ionen in dem lonenstrahl ist, und in einer Richtung X senkrecht zu dieser Längsrichtung Z erstreckt; wobei die Länge des Kanals in der Längsrichtung Z entsprechend der Querposition in der Richtung X senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Ionen in dem Kanal variiert, so dass die Ionen an einer ersten Querposition X in dem lonenstrahl eine andere Zeit zum Durchlaufen des Kanals der mindestens einen Elektrode als die Ionen in einer zweiten, verschiedenen Querposition X des lonenstrahls benötigen.
In noch einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Korrigieren der Neigung der lonenstrahlfront in einem Flugzeit (TOF)-Massenspektrometer vorgesehen, umfassend (a) das Erzeugen, in einer lonenquelle, eines lonenstrahls mit einer Strahlachse Z entlang einer Bewegungsrichtung in dem TOF-Massenspektrometer, wobei der lonenstrahl eine Breite und eine Höhe in einer X-Y-Ebene senkrecht zu der Z-Achse aufweist; (b) das Richten des lonenstrahls auf einen Ionendetektor an einem Ort in dem TOF-Massenspektrometer stromabwärts von der lonenquelle; und (c) das Richten des lonenstrahls durch eine Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront, die sich zwischen der lonenquelle und dem Ionendetektor befindet, wobei die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront mindestens eine Elektrode umfasst, die einen Kanal definiert, der sich in der Z-Achse und auch in der X-Y-Ebene erstreckt, wobei die Länge des Kanals in der Z-Achsenrichtung entsprechend der Position in dem Kanal in der orthogonalen X-Y-Ebene variiert; wobei das Verfahren weiterhin das Anlegen einer Spannung an die mindestens eine Elektrode der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront umfasst, um so einen Kanal mit im Wesentlichen gleichem, durch die Elektrode definiertem Potential zu erzeugen, wodurch die Ionen in dem lonenstrahl an verschiedenen Orten in der X-Y-Ebene über verschiedene Zeitdauern dem im Wesentlichen gleichen Potential in dem Elektrodenkanal ausgesetzt sind, wenn sie den Kanal durchlaufen, um so den Ort der Ebene der lonenstrahlfront relativ zu der Z_TC-Achse zu verschieben, wenn die Ionen die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront durchlaufen.
Weitere bevorzugte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
Figurenliste
Die Erfindung kann in einer Anzahl von Weisen ausgeführt werden, und einige spezifische Ausführungsformen werden nun lediglich beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Flugzeit (TOF)-Massenspektrometers, bei dem ein Aspekt der Erfindung ausgeführt ist und das eine Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront umfasst;
2 eine perspektivische Ansicht eines lonendetektionssystems mit einem Ionendetektor und einer Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine geschnittene Draufsicht des lonendetektionssystems von 2;
4 eine geschnittene Draufsicht eines lonendetektionssystems mit einem Ionendetektor und einer Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
5 eine geschnittene Draufsicht eines lonendetektionssystems mit einem Ionendetektor und einer Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront entsprechend einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
6a die Linien gleichen Potentials des elektrischen Felds einer Einrichtung zur Korrektur der Neigung mit einem ersten rechtwinkligen Querschnitt der Elektroden;
6b die Linien gleichen Potentials des elektrischen Felds einer Einrichtung zur Korrektur der Neigung mit einem zweiten rechtwinkligen Querschnitt der Elektroden; und
6c die Linien gleichen Potentials des elektrischen Felds einer Einrichtung zur Korrektur der Neigung mit einem kreisförmigen Querschnitt der Elektroden.

Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
Unter Bezug zunächst auf 1 ist eine schematische Darstellung eines TOF-Massenspektrometers 1 gezeigt, das gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist. Das in 1 dargestellte Spektrometer 1 ist vom „Reflektron“-Typ.
Das TOF-Massenspektrometer 1 besteht aus einer gepulsten lonenquelle 10, einem lonenspiegel 20, einem zeitauflösenden lonenstoßdetektor 35 und einer Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40, die sich zwischen dem lonenspiegel 30 und dem lonenstoßdetektor 35 befindet. Die lonenquelle 10 und der lonenstoßdetektor 35 sind in einer X-Y-Ebene gebildet (die Y-Richtung weist in die Ebene der Seite in 1 hinein und aus dieser heraus). Die Ionen kommen von der lonenquelle 10 als eine Folge von Pulsen mit einer Strahlachse Z_I , welche ein relativ breites Querschnittsprofil in einer X_I-Richtung senkrecht zu der Strahlachse Z_I, welche fast parallel zu der X-Achse der X-Y-Ebene ist, relativ zu der Y_I-Richtung senkrecht zu X_I und der Richtung der Strahlachse Z_I aufweisen. In anderen Worten, in dem dargestellten Beispiel kann der Querschnitt jedes lonenpulses zum Beispiel elliptisch sein, mit einer Hauptachse in der X_I-Richtung und einer Nebenachse der Ellipse in der Y_I-Richtung.
Das Spektrometer 1 definiert eine Z-Längsrichtung, welche senkrecht zu der X- und der Y-Achse angeordnet ist. Die Ionen in jedem Puls können die lonenquelle 10 als aus einer Folge von Pulsen gebildeter lonenstrahl 30 verlassen. Typischerweise weicht die Strahlachse Z_I nur um einen kleinen Winkel von der Z-Richtung ab. Der lonenstrahl 30 bewegt sich in der Richtung der Strahlachse Z_I , welche in einem spitzen Winkel zu der Längsachse (+Z-Richtung) angeordnet ist, zu dem stromabwärtigen lonenspiegel 20, wobei die lonenpulse von dem lonenspiegel 20 reflektiert werden und sich zurück in einer Richtung in einem spitzen Winkel zu der Längsachse (-Z-Richtung) bewegen. Die Ionen durchlaufen die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 (wird im Folgenden näher beschrieben) und treffen dann auf den lonenstoßdetektor als lonenbündel auf, die in der Flugzeit entsprechend ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis m/z getrennt sind.
Die Ionen verlassen die lonenquelle 10 gleichzeitig (wenn auch entlang der X_I-Richtung und zu einem geringeren Grad in der Y_I-Richtung gespreizt). Die Ebene der Strahlfront ist in 1 als eine Folge von mit 50a bezeichneten Strichen dargestellt. Die Ebene der Strahlfront, wenn sie die lonenquelle 10 verlässt, befindet sich somit in der X-Y-Ebene, orthogonal zu der in 1 gezeigten Z-Richtung. Wie in dem Abschnitt Hintergrund weiter oben beschrieben, ist es wünschenswert, dass die Ebene der Strahlfront senkrecht zu der Achse Z bleibt, bis die Ionen auf den lonenstoßdetektor 35 auftreffen. Fehlausrichtungen der ionenoptischen Komponenten (z. B. in dem lonenspiegel 20 und in anderen optischen Komponenten wie Linsen, in 1 nicht gezeigt) ebenso wie Feldstörungen, z. B. Randfelder, können jedoch eine ungleichmäßige Wirkung auf die lonengeschwindigkeiten in dem lonenstrahl 30 ausüben. Dies führt dazu, dass die Strahlfront an dem lonenstoßdetektor 35 in einem Winkel ungleich Null in der X-Z-Ebene relativ zu der Ebene des Detektors geneigt ankommen, derart, dass die Ionen des gleichen Pulses und mit dem gleichen m/z auf den lonenstoßdetektor zu verschiedenen Zeiten ankommen, je nach ihrer seitlichen Position über der Strahlbreite. Da das Masse-zu-Ladung-Verhältnis mit der erfassten Flugzeit zusammenhängt, ist das Ergebnis, dass die Masseauflösung und die Genauigkeit verringert werden, da die Zeit des Auftreffens eines bestimmten Pulses auf den lonenstoßdetektor gespreizt ist.
Die Vorwärtsbewegung der Strahlfront als Folge von Fehlausrichtungen, Störungen und anderen elektromechanischen Faktoren ist in 1 gezeigt, wobei die Ionen sich durch den lonenspiegel 20 bis zu der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 bewegen. Die Ebene der Strahlfront 50b des lonenstrahls 30 ist ursprünglich beim Verlassen der lonenquelle 10 senkrecht zu der Z-Achse. Wenn die Ionen in den lonenspiegel 20 eintreten, beginnt sich jedoch die Strahlfront in der X-Z-Ebene zu neigen (dargestellt durch die gestrichelte Linie 50c), und wenn die Ionen sich durch den lonenspiegel 20 und aus der anderen Seite zu der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 bewegen, wird die Neigung in dieser X-Z-Ebene noch signifikanter (siehe die gepunkteten Linien 50d, 50e, 50f, welche jeweils die Neigung der lonenstrahlfront darstellen).
Der Zweck der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 ist es, die Neigung in der eingebrachten lonenstrahlfront zu korrigieren, wenn die Ionen das TOF-Massenspektrometer 1 durchlaufen. Wie man in 1 sehen kann, wird der Winkel der Strahlfront an einem Ort unmittelbar stromaufwärts von der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 (angezeigt durch die gepunktete Linie 50f) durch den Durchgang der Ionen in dem lonenstrahl 30 durch die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 eingestellt, so dass die Strahlfront an einem Punkt unmittelbar stromabwärts von der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 wieder in einer X-Y-Ebene senkrecht zu der (-)Z-Richtung in dem TOF-Massenspektrometer 1 liegt. Dies ist durch die gepunktete Linie 60 in 1 dargestellt. Die Ionen treffen dann über die Ausdehnung des lonenstrahls 30 in der X-Richtung gleichzeitig auf den lonenstoßdetektor 35 auf, so dass die Gesamt-Auftreffzeit der Ionen in einem gegebenen Puls minimiert ist.
Nach der Beschreibung der allgemeinen Anordnung eines TOF-Massenspektrometers 1, das eine Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 zum Korrigieren des Winkels der lonenstrahlfront 30 umfasst, werden nun einige Beispiele von spezifischen Einrichtungen zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront mit Bezug auf die 2 bis 5 beschrieben.
Die häufigste Verzerrung der TOF-Front ist eine Neigung, wobei die Auftreffzeit der Ionen linear von der Querkoordinate X abhängt. Eine Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40, die zum Korrigieren einer derartigen während des Durchgangs der Ionen durch das TOF-Massenspektrometer 1 entstandenen linearen Neigung geeignet ist, ist in 2 gezeigt. Die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 umfasst vier Elektroden 100, 110, 120 und 130, die sich entlang der Längsrichtung Z_TC erstrecken und die eine Außenfläche aufweisen. Bevorzugt ist die Längsrichtung fast parallel zu der Z-Achse. Bevorzugt ist der Winkel zwischen der Längsrichtung Z_TC und der (-Z)-Achse kleiner als 5°, insbesondere kleiner als 2°. Optimalerweise liegt der Winkel unter 0,1°. Jede Elektrode weist einen Kanal auf, der sich in den X_TC und Y_TC-Richtungen erstreckt und der durch die Innenfläche der Elektrode definiert ist. Die X_TC- und Y_TC-Richtungen stehen senkrecht aufeinander und liegen in der X_TC-Y_TC-Ebene, welche senkrecht zu der Längsrichtung Z_TC der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront angeordnet ist. Die Länge des Kanals in der X_TC-Richtung (der ersten Achse X_TC ) relativ zu der Länge des Kanals in der Y_TC-Richtung (der zweiten Achse Y_TC ) ist verlängert, um die Ausdehnung des lonenstrahls 30 in jeder Richtung wegen seines Querschnittsprofils aufzunehmen. Das Verhältnis der ersten, längeren Länge entlang einer ersten Achse X_TC zu der zweiten, kürzeren Länge entlang einer zweiten Achse Y_TC ist mindestens 2. Bevorzugt ist das Verhältnis zwischen 2 und 10, mehr bevorzugt zwischen 2,4 und 7 und am meisten bevorzugt zwischen 2,7 und 5. Wie man in 2 sehen kann, sind die erste und die vierte Elektrode 100, 130 allgemein rechtwinklig und definieren einen Kanal mit Eintritts- und Austrittsöffnungen, die in der Z_TC-Richtung voneinander getrennt sind, aber allgemein in parallelen Ebenen liegen (wobei jede Ebene senkrecht zu der Z_TC-Richtung angeordnet ist). Die erste und die vierte Elektrode 100, 130 bilden die Außenelektroden der Gruppe. Zwischen den Außenelektroden befinden sich eine zweite und eine dritte Elektrode 110, 120. Diese Elektroden sind allgemein keilförmig, in der X_TC-Z_TC-Ebene gesehen. Insbesondere liegt die zweite Elektrode 110 stromabwärts von der ersten Elektrode 100 und weist eine Eintrittsöffnung auf, die in einer Ebene senkrecht zu der Z-Richtung liegt. Die zweite Elektrode weist auch eine von der Eintrittsöffnung in der Z_TC-Richtung beabstandete Austrittsöffnung auf, welche aber in einer relativ zu der Z_TC-Achse geneigten Ebene liegt.
Die dritte Elektrode 120 weist auch eine Eintritts- und eine Austrittsöffnung auf. Jedoch ist die Eintrittsöffnung der dritten Elektrode 120 in einem Winkel zu der Z_TC-Richtung geneigt. Der Neigungswinkel ist bevorzugt gleich dem Neigungswinkel der Austrittsöffnung der zweiten Elektrode 110, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen: das heißt, falls der Winkel der Austrittsöffnung der zweiten Elektrode 110 als +α relativ zu der Z_TC-Richtung definiert ist, dann ist der Winkel der Eintrittsöffnung der dritten Elektrode 120 als -α definiert.
Somit bilden die zweite und die dritte Elektrode ein Paar von Innenelektroden, und es besteht eine Spiegelsymmetrie zwischen dem Paar von Innenelektroden in einer Ebene parallel zu der Austrittsöffnung der zweiten Elektrode 110 und der Eintrittsöffnung der dritten Elektrode 120.
Die Kanäle von jeder der vier Elektroden 100, 110, 120 und 130 der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 sind jeweils relativ zueinander in sowohl der X_TC- als auch der Y_TC-Richtung ausgerichtet, so dass die Ionen in der Lage sind, die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 von vorne nach hinten zu durchlaufen, ohne durch die Elektroden selbst behindert zu werden. Obwohl in 2 die Öffnungen und die Kanäle der Elektroden jeweils vollständig ausgerichtet sind, ist es natürlich nicht notwendig, dass die Öffnungen alle genau entlang einer einzelnen Achse, der Längsrichtung Z_TC , liegen, nur dass sie im Wesentlichen ausgerichtet sind, um eine direkte Sichtlinie durch die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 zu erlauben.
Bevorzugt - wie weiter oben erwähnt - weisen die Elektroden einen Kanal auf, welcher in der X_TC-Richtung länger als in der Y_TC-Richtung ist, wobei der breitere Querschnitt des lonenstrahls in der X_I-Richtung berücksichtigt wird. Es kommen insbesondere Ausführungsformen der Erfindung in Frage, bei denen der Querschnitt des lonenstrahls in der X_I-Richtung 2-mal, bevorzugt 4-mal und am meisten bevorzugt 7-mal größer als der Querschnitt in der Y_I-Richtung des lonenstrahls ist. Bevorzugt umfasst die Innenfläche und/oder die Außenfläche mindestens einer der Elektroden der Einrichtung zur Korrektur der Neigung des lonenstrahls parallele Ebenen in der X_TC-Z_TC-Ebene. Es ist wünschenswert, dass für mindestens eine der Elektroden der Einrichtung zur Korrektur der Neigung des lonenstrahls die Innenfläche und/oder die Außenfläche zusätzlich parallele Ebenen in der Y_TC-Z_TC-Ebene umfassen, so dass insbesondere die Elektrode - oder mindestens der Kanal der Elektrode - einen rechtwinkligen Querschnitt in der X_TC-Y_TC-Ebene aufweist. Dann kann eine Eintritts- oder eine Austrittsöffnung einer derartigen Elektrode rechtwinklig sein, ob um einen konstanten Winkel geneigt oder nicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Einrichtung zur Korrektur der Neigung des lonenstrahls umfassen die Innenfläche und/oder die Außenfläche von jeder der Elektroden der Einrichtung zur Korrektur der Neigung des lonenstrahls parallele Ebenen in der X_TC-Z_TC-Ebene. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Einrichtung zur Korrektur der Neigung des lonenstrahls umfassen die Innenfläche und/oder die Außenfläche von jeder der Elektroden der Einrichtung zur Korrektur der Neigung des lonenstrahls zusätzlich parallele Ebenen in der Y_TC-Z_TC-Ebene, so dass insbesondere jede Elektrode - oder mindestens der Kanal von jeder Elektrode - einen rechtwinkligen Querschnitt in der X_TC-Y_TC-Ebene aufweist. Dann kann eine Eintritts- oder eine Austrittsöffnung einer derartigen Elektrode rechtwinklig sein, ob um einen konstanten Winkel geneigt oder nicht.
Eine Leistungsversorgung (in 2 nicht gezeigt) liefert ein Potential für die Elektroden 100, 110, 120 und 130 der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40. Die an jede Elektrode angelegte Spannung ist in Benutzung unterschiedlich. Dies führt zu Ionen, die verschiedene Laufzeiten aufweisen, wenn sie die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 durchlaufen, je nach der X_TC-Koordinate der Ionen, wenn sie in die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 eintreten.
3 zeigt eine Draufsicht in der X_TC-Z_TC-Ebene der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 von 2. Die Ionen mit im Wesentlichen den gleichen kinetischen Energien pro Einheitsladung Uo treten in die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 an verschiedenen X_TC-Koordinaten in dem einfallenden lonenstrahl 30 ein, wie durch die Bahnen 31, 32 und 33 gezeigt. Die lonenstrahlfront 50f ist die Ebene, die von allen der Ionen in dem Strahl 30 gleichzeitig zu einer Zeit t = t1 gekreuzt wird. Die Strahlfront 50f ist mit Bezug auf den lonenstrahldetektor 35 in einem Winkel θ geneigt. Ohne Korrektur würden die Ionen den Detektor mit der folgenden Zeitdifferenz erreichen: $Δ T = {(m / 2 q U_{0})}^{1 / 2} Δ X_{T C} tan θ,$
wobei ΔX_TC die Differenz der Eintrittskoordinaten ist, m die Masse der Ionen ist, und q ihre Ladung ist.
Die an die Elektroden 100, 110, 120 und 130 der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 angelegten Potentiale sind jeweils U₁ bis U₄ . Beim Durchlaufen eines Kanals einer der Elektroden wird ein Ion beschleunigt oder verzögert, je nach dem Vorzeichen des Potentials der Elektrode. Entsprechend ist die Zeit, die ein einzelnes Ion zum Durchlaufen des Stapels benötigt, durch die Gleichung (3) weiter oben gegeben, wobei die Längen der keilförmigen Elektroden linear von X_TC als L₂ = L₂₀ - X_TC tanα und L₃ = L₃₀ + X_TC tanα abhängen; α ist der Keilwinkel und L₂₀ und L₃₀ sind Konstanten.
Die Flugzeitdifferenz zwischen zwei lonenbahnen 31 und 33, welche um ΔX_TC in der Querrichtung getrennt sind, ist dann $Δ T = \sqrt{\frac{m}{2 q}} (\frac{1}{\sqrt{U_{0} - U_{2}}} - \frac{1}{\sqrt{U_{0} - U_{3}}}) Δ X_{T C} tan α$
was bewirkt, dass die TOF-Front um einen Winkel γ dreht, der ausgedrückt wird als: $tan γ = (\sqrt{\frac{U_{0}}{U_{0} - U_{2}}} - \sqrt{\frac{U_{0}}{U_{0} - U_{3}}}) tan α$
Die Wahl der Elektrodenspannungen U₂ und U₃ zum Erfüllen der Gleichung γ = - θ kompensiert die anfängliche Fehlausrichtung der TOF-Strahlfront und bewirkt, dass die Ionen in der Strahlfront gleichzeitig auf den Detektor auftreffen.
Eine Nebenwirkung der Korrektur der TOF-Front ist eine Ablenkung eines Bündels von Ionen in dem Strahl in einer Richtung entgegengesetzt zu der Drehung der Front. Falls jedoch die benötigte Korrektur klein ist, d. h. tan γ « 1, kann die zusätzliche Wirkung auf die Laufzeit ignoriert werden, da die Zunahme eine Konstante multipliziert mit (tan γ)² ist.
4 zeigt eine Draufsicht in der X_TC-Z_TC-Ebene einer zweiten, alternativen Ausführungsform einer Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 entsprechend der vorliegenden Erfindung. Die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 verallgemeinert das Konzept, das weiter oben erläutert wurde, für den Fall, dass die Geometrie und die Elektrostatik des TOF-Massenspektrometers eine nichtlineare Verschiebung für die Richtung der Strahlfront einbringen, so dass sie gekrümmt ist, wie durch die gepunktete Linie 50f' gezeigt, die den Bahnen 31', 32' und 33' folgt.
Wie bei der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 der 2 und 3 bilden eine erste und eine vierte Elektrode 100, 130 ein Paar von Außenelektroden, welche rechtwinklige Quader mit Eintritts- und Austrittsöffnungen in parallelen Ebenen sind und die einen Kanal zwischen sich definieren. Die beiden mittleren Elektroden 110', 120' sind wiederum ähnlich zu den mittleren Elektroden 110, 120 in den 2 und 3, aber die entgegengesetzten Flächen bilden keine ebenen Oberflächen in einer Ebene, die mit Bezug auf die Z_TC-Richtung geneigt sind, sondern bilden stattdessen gekrümmte Oberflächen. Die Austrittsöffnung der zweiten Elektrode 110' ist in dem Beispiel von 4 allgemein von konkaver Form, während die Eintrittsöffnung der dritten Elektrode 120' allgemein konvex ist. Eine gekrümmte Symmetrielinie erstreckt sich in gleichem Abstand zwischen der Austrittsöffnung der zweiten Elektrode 110' und der Eintrittsöffnung der dritten Elektrode 120'.
Wieder werden verschiedene Spannungen U₀ bis U₄ an die aufeinander folgenden Elektroden angelegt, deren Öffnungen ausgerichtet sind, wie weiter oben in Verbindung mit den 2 und 3 beschrieben.
Die Anordnung von 4 korrigiert die gekrümmte Strahlfront 50f' in eine gerade Strahlfront 60.
5 zeigt eine schematische Draufsicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40, welche mit einem Nachbeschleuniger kombiniert ist. Der Nachbeschleuniger erhöht die kinetische Energie der Ionen, wenn sie auf den lonenstoßdetektor 35 auftreffen.
In der Ausführungsform von 5 ist der Nachbeschleuniger als eine Mehrzahl von Elektroden ausgeführt, die jeweils ausgerichtete Kanäle aufweisen und mit zunehmend negativeren Spannungen versorgt werden. In der beispielhaften Anordnung von 5 bildet die vierte Elektrode 130 (2, 3 und 4), die eine der Außenelektroden der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 darstellt, eine erste der Nachbeschleuniger-Elektroden und wird mit einer relativ niedrigeren Spannung wie z. B. -6 kV versorgt. Eine zweite der Nachbeschleuniger-Elektroden ist stromabwärts von der ersten Nachbeschleuniger-Elektrode positioniert und wird mit einem stärker negativen Potential wie z. B. -8 kV versorgt. Die dritte und letzte Nachbeschleuniger-Elektrode (in dem spezifischen Beispiel von 5) befindet sich stromabwärts von der zweiten Nachbeschleuniger-Elektrode und wird mit einem Potential von -10 kV versorgt.
Positive Ionen, die in die Eintrittsöffnung der ersten Elektrode 100 der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 mit einer Beschleunigungsspannung U₀ = 4 kV eintreten, werden dann weiter mit 10 kV beschleunigt, wenn sie die Kanäle in den folgenden mittleren Elektroden 110, 120, die vierte Elektrode 130 der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 (die in der Ausführungsform von 5 auch die erste der Nachbeschleuniger-Elektroden des lonenstrahls bildet) und die zweite und dritte Nachbeschleuniger-Elektrode 140, 150 durchlaufen. Das an den lonenstoßdetektor 35 angelegte Potential ist gleich dem an die dritte Nachbeschleuniger-Elektrode 150 angelegten Potential, d. h. in dem vorliegenden Beispiel -10 kV. Dies bedeutet, dass kein elektrisches Beschleunigungs- oder Verzögerungsfeld zwischen dem Ausgang der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 und dem lonenstoßdetektor 35 vorliegt.
In dem Beispiel von 5 sind die Austrittsöffnungen der mittleren Elektroden 110 und 120 in einem Winkel α = 10° zur Z-Richtung geneigt.
Die an die dritte Elektrode 120 (die zweite der mittleren Elektroden in der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40) angelegte Spannung U₃ kann so gewählt werden, dass die anfängliche Fehlausrichtung θ der TOF-Front kompensiert wird. Tabelle 1 zeigt den optimalen Wert für U₃ zum Kompensieren einer gegebenen Fehlausrichtung θ. Tabelle 1

Spannung der keilförmigen Elektrode U₃, kV Kompensiertes θ, Grad

-1 1,07

-2 1,85

-3 2,46

-4 2,96

-5 3,37

-6 3,71
Obwohl einige spezifische Ausführungsformen beschrieben worden sind, versteht es sich, dass diese lediglich zum Zweck der anschaulichen Darstellung vorgesehen sind, und dass diverse Modifikationen oder Alternativen für die Fachperson in Frage kommen. Zum Beispiel ist das in 1 dargestellte TOF-Massenspektrometer vom „Reflektron“-Typ, aber es versteht sich, dass dies lediglich beispielhaft ist, und dass die Erfindung gleichermaßen auf andere Formen von TOF-Massenspektrometern anwendbar ist, wie z. B. ein Mehrfach-Reflexions-TOF (mr-TOF). In diesem Fall kann die Korrektureinrichtung für eine TOFlonenstrahlfront vor dem Ionendetektor positioniert werden, um so die Neigung der Strahlfront zu korrigieren, nachdem die Ionen mehrfach zwischen den Spiegeln in dem mr-TOF reflektiert worden sind, oder alternativ kann die Korrektureinrichtung für eine TOFlonenstrahlfront in dem Flugweg zwischen den Spiegeln des mr-TOF positioniert werden. In diesem Fall kann die an die Elektroden der Korrektureinrichtung für eine TOFlonenstrahlfront angelegte Spannung durch das Systemsteuergerät gesteuert werden, um so den Winkel der lonenstrahlfront jedesmal zu korrigieren, wenn lonenbündel durch die Kanäle der Korrektureinrichtung für eine TOF-Ionenstrahlfront fliegen.
Weiterhin ist die spezifische Position der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 in dem Flugweg der Ionen von der lonenquelle 10 zu dem lonenstoßdetektor 35 nicht auf die in den Figuren besonders dargestellte Position beschränkt. Es versteht sich, dass die elektro-mechanischen Wirkungen auf die Richtung der lonenstrahlfront relativ zu der Oberfläche des lonenstoßdetektors 35 typischerweise kumulativ sind, wenn die Ionen sich durch das TOF-Massenspektrometer bewegen, das heißt, der Gesamtbetrag der Neigung (ausgedrückt als Winkel θ) nimmt von einem Minimum an der lonenquelle 10 zu einem Maximum (falls unkorrigiert belassen) am lonenstoßdetektor 35 zu. Auf dieser Basis ist es wünschenswert (wenn auch nicht wesentlich), die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 so dicht am lonenstoßdetektor 35 wie möglich zu positionieren, so dass ein minimaler Abstand für eine weitere Neigung der lonenstrahlfront nach der Korrektur der Strahlfront in der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 vorliegt, bevor der lonenstrahl auf den Ionenstoßdetektor 35 auftrifft. Es ist nicht wünschenswert, dass die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 zwischen der lonenquelle 10 und dem lonenspiegel 20 in Hinsicht auf den Grad der durch Feldstörungen und so weiter bewirkten Neigung innerhalb des lonenspiegels 20 positioniert wird.
Schließlich versteht es sich, obwohl die Ausführungsform von 5 einen Nachbeschleuniger in der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 enthält, dass der Nachbeschleuniger kein Teil der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 sein muss. Der Nachbeschleuniger kann stattdessen zwischen der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 und dem lonenstoßdetektor 35 positioniert werden, aber als eine getrennte Einheit (mit einer relativ kurzen oder einer relativ langen Flugdistanz zwischen der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 und dem Nachbeschleuniger). Alternativ kann der Nachbeschleuniger stromaufwärts von der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront 40 positioniert werden, wobei er entweder einen Teil der Korrektureinrichtung 40 bildet, oder alternativ wieder physisch um eine relativ kurze oder eine relativ lange Distanz davon getrennt sein. Zum Beispiel kann der Nachbeschleuniger zwischen dem lonenspiegel 20 und der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOFlonenstrahlfront 40 oder zwischen der lonenquelle 10 und dem lonenspiegel 20 positioniert werden.
Die hierin beschriebene Einrichtung zur Korrektur der Neigung der lonenstrahlfront ist spezifisch auf lonenstrahlen mit einem Querschnitt angepasst, der sich in einer Richtung (X_I-Richtung) erstreckt. Wegen der Ausdehnung der Elektroden in der X_TC-Richtung, welche mindestens fast parallel zu der X_I-Richtung des lonenstrahls sind, wenn die Ionen die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der lonenstrahlfront durchlaufen, kann eine Korrektur der Neigung in einer genauen Weise über den gesamten Strahl erzielt werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Elektroden der Einrichtung zur Korrektur der Neigung parallele Oberflächen in der X_TC-Z_TC-Ebene umfassen. Im besten Fall kann eine sehr genaue Korrektur der Neigung durch einen rechtwinkligen Querschnitt der Elektroden senkrecht zu der Längsrichtung Z_TC erreicht werden.
Die 6a, 6b und 6c zeigen die Linien gleichen Potentials des elektrischen Felds für eine Einrichtung zur Korrektur der Neigung mit verschiedenen Querschnitten der Elektroden. Insbesondere zeigen die 6a und 6b die Linien gleichen Potentials des elektrischen Felds für eine Einrichtung zur Korrektur der Neigung mit Elektroden, die verschiedene rechtwinklige Querschnitte aufweisen. In 6a ist das Verhältnis des ersten, längeren Wegs W entlang einer ersten Achse X_TC zu einem zweiten, kürzeren Weg H entlang einer zweiten Achse Y_TC 6,67. In 6b ist das Verhältnis von W:H 3,33. Das elektrische Feld weist in jedem Fall einen hohen Grad von Gleichförmigkeit auf, was den Betrag von Verzerrungen während der Korrektur der Neigung verhindert oder signifikant verringert.
6c zeigt als Vergleich eine Einrichtung zur Korrektur der Neigung mit Elektroden, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. In diesem Fall umfasst das elektrische Feld viele Störungen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Claims

Einrichtung zur Korrektur der Neigung der Flugzeit (TOF)-lonenstrahlfront, Folgendes umfassend: mindestens eine Elektrode, welche bei Versorgung mit einer Spannung einen Kanal mit im Wesentlichen gleichem Potential definiert, wobei sich der Kanal in einer Längsrichtung Z_TC erstreckt, wobei sich der Kanal weiterhin in einem ersten, längeren Weg entlang einer ersten Querachse X_TC, die senkrecht zu der Längsrichtung Z_TC definiert ist, und in einem zweiten, kürzeren Weg entlang einer zweiten Querachse Y_TC erstreckt, die senkrecht zu sowohl der ersten Achse X_TC als auch der Längsachse Z_TC steht, wobei das Verhältnis des ersten, längeren Wegs entlang der ersten Achse X_TC zu dem zweiten, kürzeren Weg entlang einer zweiten Achse Y_TC mindestens 2 ist; wobei die Länge des Kanals in der Längsrichtung Z_TC entsprechend der Querposition in der Richtung X_TC senkrecht zu der Längsrichtung Z_TC des Kanals variiert, so dass die Ionen an einer ersten Querposition X_TC in dem lonenstrahl eine andere Zeit zum Durchlaufen des Kanals der mindestens einen Elektrode als die Ionen an einer zweiten, verschiedenen Querposition X_TC des lonenstrahls benötigen.
Korrektureinrichtung für eine TOF-Ionenstrahlfront nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis des ersten, längeren Wegs entlang der ersten Querachse X_TC zu dem zweiten, kürzeren Weg entlang der zweiten Querachse Y_TC zwischen 2 und 10 ist.
Korrektureinrichtung für eine TOF-Ionenstrahlfront nach Anspruch 2, wobei das Verhältnis des ersten, längeren Wegs entlang der ersten Querachse X_TC zu dem zweiten, kürzeren Weg entlang der zweiten Querachse Y_TC zwischen 2,4 und 7 ist.
Korrektureinrichtung für eine TOF-Ionenstrahlfront nach Anspruch 3, wobei das Verhältnis des ersten, längeren Wegs entlang der ersten Querachse X_TC zu dem zweiten, kürzeren Weg entlang der zweiten Querachse Y_TC zwischen 2,7 und 5 ist.
Korrektureinrichtung für eine TOF-Ionenstrahlfront nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Innenfläche und/oder die Außenfläche der mindestens einen Elektrode parallele Ebenen in der X_TC-Z_TC-Ebene definiert.
Korrektureinrichtung für eine TOF-Ionenstrahlfront nach Anspruch 5, wobei die mindestens eine Elektrode oder der Kanal der mindestens einen Elektrode einen rechtwinkligen Querschnitt in der X_TC-Y_TC-Ebene aufweist.
Korrektureinrichtung für eine TOF-Ionenstrahlfront nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der durch die mindestens eine Elektrode definierte Kanal in der X_TC-Z_TC-Ebene keilförmig ist.
Korrektureinrichtung für eine TOF-Ionenstrahlfront nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Kanal eine loneneintrittsöffnung und eine lonenaustrittsöffnung aufweist, die in der Längsrichtung Z_TC voneinander beabstandet sind, wobei beide Öffnungen in Ebenen parallel zu der Achse Y_TC liegen und zueinander in einem Winkel α (≠ 0) geneigt sind.
Korrektureinrichtung für eine TOF-Ionenstrahlfront nach Anspruch 8, wobei α zwischen 10° und 50° und bevorzugt zwischen 20° und 40° liegt.
Korrektureinrichtung für eine TOF-Ionenstrahlfront nach einem der Ansprüche 7 bis 9, umfassend eine erste und eine zweite keilförmige Elektrode, die derart benachbart zueinander positioniert sind, dass die durch die erste und die zweite keilförmige Elektrode definierten Kanäle in den X_TC- und Y_TC-Richtungen ausgerichtet sind.
Korrektureinrichtung für eine TOF-Ionenstrahlfront nach Anspruch 10, wobei die lonenaustrittsöffnung der ersten keilförmigen Elektrode und die loneneintrittsöffnung der zweiten keilförmigen Elektrode jeweils in zueinander parallelen Ebenen liegen.
Korrektureinrichtung für eine TOF-Ionenstrahlfront nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Kanal eine loneneintrittsöffnung und eine lonenaustrittsöffnung aufweist, die von der loneneintrittsöffnung in der Längsrichtung Z_TC beabstandet ist, wobei die Oberfläche von mindestens einer dieser Öffnungen sich in der Y_TC-Richtung erstreckt und durch eine gekrümmte Linie in der X_TC-Z_TC-Ebene definiert ist, um so eine gekrümmte Elektrodenfläche zu bilden.
Korrektureinrichtung für eine TOF-Ionenstrahlfront nach Anspruch 12, umfassend eine erste und eine zweite benachbarte entgegengesetzt gekrümmte Elektrode, deren Kanäle in den X_TC- und Y_TC-Richtungen ausgerichtet sind.
Korrektureinrichtung für eine TOF-Ionenstrahlfront nach Anspruch 13, wobei die lonenaustrittsöffnung der ersten gekrümmten Elektrode und die loneneintrittsöffnung der zweiten gekrümmten Elektrode jeweils eine gekrümmte Oberfläche definieren, wobei der Abstand zwischen den gekrümmten Oberflächen der loneneintrittsöffnung und der lonenaustrittsöffnung in der Längsrichtung Z im Wesentlichen konstant bleibt, und wobei die lonenaustrittsöffnung der ersten gekrümmten Elektrode der loneneintrittsöffnung der zweiten gekrümmten Elektrode gegenüber steht.
Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront nach einem vorangehenden Anspruch, ferner umfassend eine oder mehrere Elektroden, die einen Kanal definieren, der eine in der X_TC-Y_TC-Ebene senkrecht zu der Längsrichtung Z_TC liegende erste Öffnung und eine von der ersten Öffnung in der Richtung beabstandete, aber ebenso in der X_TC-Y_TC-Ebene senkrecht zu der Längsrichtung Z_TC liegende zweite Öffnung derart aufweist, dass die Ebenen der ersten und der zweiten Öffnung zueinander parallel sind.
Ionendetektionssystem, umfassend die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront nach einem der Ansprüche 1 bis 15 und einen lonenstoßdetektor, der von der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront entlang der Z-Achse beabstandet ist.
lonendetektionssystem nach Anspruch 16, wobei die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront benachbart zu dem lonenstoßdetektor positioniert ist.
TOF-Massenspektrometer umfassend eine lonenquelle und das lonendetektionssystem nach Anspruch 16 oder 17.
Verfahren zum Korrigieren der Neigung der lonenstrahlfront in einem Flugzeit (TOF)-Massenspektrometer, Folgendes umfassend: (a)Erzeugen, in einer lonenquelle, eines lonenstrahls mit einer Strahlachse Z_I entlang einer Bewegungsrichtung in dem TOF-Massenspektrometer, wobei der lonenstrahl eine Breite in einer Richtung entlang einer ersten Querachse X_I in einer X_I-Y_I-Ebene senkrecht zu der Z_I-Achse und eine Höhe in einer Richtung entlang einer zweiten Querachse Y_I senkrecht zu der ersten Querachse X_I in der X_I-Y_I-Ebene aufweist, wobei die Breite des lonenstrahls größer als die Höhe des lonenstrahls ist; (b)Richten des lonenstrahls auf einen Ionendetektor an einem Ort in dem TOF-Massenspektrometer stromabwärts von der lonenquelle; und (c) Richten des lonenstrahls durch eine Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront, die sich zwischen der lonenquelle und dem Ionendetektor befindet, wobei die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront mindestens eine Elektrode umfasst, die einen Kanal definiert, der sich längs zu einer Z_TC-Achse und auch in der X_TC-Y_TC-Ebene senkrecht zu der Z_TC-Achse erstreckt, wobei die Länge des Kanals in der Z_TC-Achsenrichtung entsprechend der Position in dem Kanal in der senkrechten X_TC-Y_TC-Ebene variiert und der Kanal sich einen ersten, längeren Weg entlang einer ersten Querachse X_TC in der X_TC-Y_TC-Ebene und einen zweiten, kürzeren Weg entlang einer zweiten Querachse Y_TC senkrecht zu der ersten Querachse X_TC in der X_TC-Y_TC-Ebene erstreckt, wobei das Verhältnis des ersten, längeren Wegs entlang der ersten Querachse X_TC zu dem zweiten, kürzeren Weg entlang einer zweiten Querachse Y_TC mindestens 2 ist; wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: (d)Anlegen einer Spannung an die mindestens eine Elektrode der Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront, um so einen durch die Elektrode definierten Kanal mit im Wesentlichen gleichem Potential zu erzeugen, wodurch die Ionen in dem lonenstrahl an verschiedenen Orten in der X_TC-Y_TC-Ebene über verschiedene Zeitdauern dem im Wesentlichen gleichen Potential in dem Elektrodenkanal ausgesetzt sind, wenn sie den Kanal durchlaufen, um so den Ort der Ebene der lonenstrahlfront relativ zu der Z_TC-Achse zu verschieben, wenn die Ionen die Einrichtung zur Korrektur der Neigung der TOF-Ionenstrahlfront durchlaufen.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Verhältnis des ersten, längeren Wegs entlang der ersten Querachse X_TC zu dem zweiten, kürzeren Weg entlang der zweiten Querachse Y_TC zwischen 2 und 10 ist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Verhältnis des ersten, längeren Wegs entlang der ersten Querachse X_TC zu dem zweiten, kürzeren Weg entlang der zweiten Querachse Y_TC zwischen 2,4 und 7 ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Verhältnis des ersten, längeren Wegs entlang der ersten Querachse X_TC zu dem zweiten, kürzeren Weg entlang der zweiten Querachse Y_TC zwischen 2,7 und 5 ist.