DE10218913A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bewegung einer Elektronenquelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bewegung einer Elektronenquelle im Magnetfeld mit Hilfe der Lorentzkraft. Die Beweglichkeit dieser Elektronenquelle macht es möglich, sie ein- und ausfahren zu können, allein dadurch, daß man den Betriebsstrom ein- und ausschaltet. In der Massenspektrometrie bedeutet dies, daß ein Zugang zu einem massenspektrometrischen Analysator nicht permanent blockiert wird, sondern für andere Anwendungen, wie z. B. Laserstrahlen, jederzeit freigemacht werden kann.

Description

Allgemeiner Stand der Technik
• Elektronenstoßionisation ist eine lang etablierte und häufig verwendete Standardmethode zur Erzeugung von Ionen in Massenspektrometern. Die wohl am meisten verbreitete Elektronenemissionsvorrichtung besteht grundsätzlich aus einem Metallfilament. Ein elektrischer Strom, der dieses Filament durchfließt, bringt es zum Glühen. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung werden die durch den glühelektrischen Effekt austretenden Elektronen "extrahiert" und beschleunigt. Wenn ein solches Elektron mit einem neutralen Molekül kollidiert, das eine niedrigere Ionisierungsenergie besitzt als die kinetische Energie des Elektrons, so wird aus diesem Molekül ein positives Ion gebildet (Elektronenstoßionisierung). Thermische Elektronen dagegen können durch eine Elektronenanlagerung (electron attachment, electron capture) aus neutralen Molekülen negative Ionen produzieren. Bei der Bildung eines positiven Ions führen Stöße mit Elektronen, die eine deutlich höhere kinetische Energie besitzen als die Ionisierungsenergie des Moleküls, zu Erhöhung der internen Energie des Molekularions. Dieser Prozeß endet meistens mit einer Fragmentierung des Molekülions. Deshalb erhält man bei der Elektronenstoßionisierung bei in der Massenspektrometrie üblichen Energien von typisch 70 eV auch Signale von Fragment-Ionen. Das ist oft erwünscht, da Fragment-Ionen- Spektren wertvolle Informationen über den Aufbau des Moleküls liefern.
• Eine zusätzliche Fragmentierung (Dissoziation) von Ionen wird in der analytischen Massenspektrometrie allgemein zur Ionenstrukturbestimmung eingesetzt, da die Entstehung der Fragment-Ionen (Tochterionen) direkt von der Struktur und den chemischen Bindungsverhältnissen des zu fragmentierenden Ions abhängt. Das Fragmentspekrum ist somit charakteristisch für das jeweilige Mutterion (parent ion, precursor); man erhält eine Art "fingerprint". Das wohl bekannteste Standardverfahren für Ionenfragmentierung in der Massenspektrometrie beruht auf einer Beschleunigung der zu fragmentierenden Ionen und deren Kollision mit Stoßgasatomen oder -molekülen (Stoßinduzierte Dissoziation, collision- induced dissociation, collision-induced decomposition, CID). Durch Stöße erhöht sich die innere Energie der Ionen, insbesondere die Schwingungsenergie, so dass schwache chemische Bindungen gebrochen werden. Ein Übersichtsartikel über die CID findet sich unter: Jennings, K. R. "The Changing Impact of the Collision-Induced Decomposition of Ions on Mass Spectrometry" Int. J. Mass Spectrom. 2000, 200, 479-493.
• Ein weiteres Fragmentierungsverfahren, das derzeit immer häufiger angewandt wird, ist die Infrarot-Multiphoton-Dissoziation (IRMPD). Hier wird ein Ion durch mehrere, sequentiell absorbierte Photonen eines Infrarotlasers (z. B. CO₂-Laser) angeregt. Anschließend beobachtet man Dissoziationsprodukte, ähnlich denen bei CID. Für massenspektrometrische Verfahren, die einen sehr niedrigen Druck (Ultrahochvakuum) erfordern, ist die IRMPD eine beliebte Alternative, da hier zur Ionenfragmentierung kein Stoßgas in das Massenspektrometer eingelassen werden muß. Bei Anwendung von CID oder IRMPD erhält man von Peptid- oder Proteinionen die sogenannten b- und y-Fragmente, die durch eine Spaltung der Bindung zwischen dem Peptid-Stickstoff- und dem (benachbarten) Carboxylkohlenstoffatom entstehen. Zur Verwirklichung der Infrarot-Multiphotondissoziation müssen der IR-Laserstrahl und die Ionen an einem Ort zusammengeführt werden. Die Wechselwirkung von Ionen mit dem Laserstrahl kann man am besten in einer Ionenfalle erreichen. Unter Ionenfalle ist hier eine Paulfalle (RF-Ionenfalle, Quadrupolfalle), eine Penningfalle (Ionenzyklotronresonanzfalle, ICR-Falle) oder eine lineare RF-Multipol-Falle zu verstehen. Letztere besteht aus einer Multipol-Ionenleitvorrichtung (multipole ion guide) mit zwei Endelektroden (z. B. Lochblenden), die an eine relativ niedrige DC-Spannung angeschlossen worden sind. Wenn Ionen in der Falle gespeichert werden sollen, sind die Spannungen der beiden Lochblenden gleichnamig mit der Ionenladung. Durch Umpolen der Spannung einer dieser Blenden werden die gespeicherten Ionen extrahiert. Für die Infrarot-Multiphotondissoziations-Experimente von Ionen in einer dieser Fallen wird ein Infrarot-Laserstrahl meistens axial durch die Öffnung einer der Endplatten (Endblenden bei der linearen Multipol-Falle, Fallenplatten oder "trapping plates" in der FT-ICR-Falle, Endkappen in der Paul-Falle) eingeleitet. Einige Literaturstellen über IRMPD-Anwendungen sind im Folgenden angegeben: Für FT-ICR Massenspektrometrie: Shi, S. D.-H.; Hendrickson, C. L.; Marshall A. G.; Siegel, M. M.; Kong, F.; Carter, G. T. "Structural Validation of Saccharomicins by High Resolution and High Mass Accuracy Fourier Transform-Ion Cyclotron Resonance-Mass Spectrometry and Infrared Multiphoton Dissociation Tandem Mass Spectrometry" T. Am. Soc. Mass Spectrom. 1999, 10, 1285-1290; für Paul-Fallen: Colorado, A.; Shen, J. X.; Vartanian, V. H.; Brodbelt J. "Use of Infrared Multiphoton Photodissociation with SWIFT for Electrospray Ionization and Laser Desorption Applications in a Quadrupole Ion Trap Mass Spectrometer" Anal. Chem. 1996, 68, 4033-4043; und für lineare RF-Multipolfallen: Hofstadler, S. A.; Sannes-Lowery, K. A.; Griffey R. A. "Infrared Multiphoton Dissociation in an External Ion Reservoir" Anal. Chem. 2000, 71, 2067-2070.
• Für viele Anwendungen mit gespeicherten Ionen ist Fourier-Transform-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometrie (FT-ICR-MS oder kurz FTMS) beliebt wegen der sehr hohen Massengenauigkeit und Massenauflösung. Folglich werden alle möglichen Fragmentierungsverfahren in FTMS eingesetzt. Ein Übersichtsartikel über FT-ICR-Massenspektrometrie ist: Marshall, A. G.; Hendrickson, C. L.; Jackson, G. S. "Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry: A Primer" Mass Spectrom. Rev. 1998, 17, 1-35
• Bis hier wurden Fragmentierungsverfahrenen beschrieben, die entweder auf Stößen der Molekülionen mit Stoßgasteilchen beruhen oder auf der Wechselwirkung von Ionen mit Photonen. Ein neues Fragmentierungsverfahren, das vor einigen Jahren in die FT-ICR-Massenspektrometrie eingeführt wurde, beruht auf die Wechselwirkung von Elektronen mit Ionen. Während dieses Prozesses fangen mehrfach positiv geladene Ionen niederenergetische Elektronen ein und produzieren kationische Dissoziationsprodukte. Dieser Prozeß wird Elektroneneinfangdissoziation (electron capture dissociation, ECD) genannt. Mehrfach geladene Ionen können zum Beispiel durch Elektrospray-Ionisierung hergestellt werden. Durch die ECD von Peptid- oder Protein-Ionen erhält man meistens c- und z-Typ-Fragmentionen. Diese c- und z-Fragmente, die durch CID- und IRMPD-Prozesse meistens nicht entstehen, bilden sich durch die Spaltung der Bindung zwischen dem Aminostickstoffatom, das in der Peptidbindung involviert ist, und dem benachbarten Kohlenstoffatom, von dem die Aminogruppe ursprünglich stammt. Die c- und z-Fragmente aus der Elektroneneinfangdissoziation liefern komplementäre Informationen zu denen aus der IRMPD und der CID, und führen dadurch zu einer vollständigeren massenspektrometrischen Sequenzaufklärung von Polypeptiden und Proteinen. Über Grundlagen und Anwendungen des ECD-Verfahrens sind folgende Literaturstellen zu empfehlen: McLafferty, F. W.; Horn, D. M.; Breuker K.; Ge, Y.; Lewis, M. A.; Cerda, B. Zubarev, R. A.; Carpenter, B. K. "Electron Capture Dissociation of Gaseous Multiply Charged Ions by Fourier Transfor Ion Cyclotron Resonance" J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2001, 12, 245-249; und Zubarev, R. A.; Horn, D. M.; Fridriksson, E. K.; Kelleher N. L.; Kruger N. A.; Lewis, M. A.; Carpenter, B. K.; McLafferty, F. W. "Electron Capture Dissociation for Structural Characterization of Multiply Charged Protein Cations" Anal. Chem. 2000, 72, 563-573.
• Die Effizienz der ECD hängt unter anderem entscheidend von der Anzahl der Elektronen und ihrer Bahn in der Falle ab. In der FT-ICR-Massenspektrometrie erzeugt ein Filament außerhalb der ICR-Falle (und axial dazu) Elektronen. Diese werden parallel zum magnetischen Feld in die Falle geleitet. Da aus Wärmeleitungsgründen nur der mittlere Teil eines Filaments so heiß wird, daß Elektronen erzeugt werden, besteht der Elektronenstrahl aus einem dünnen Faden im Magnetfeld. Jeder Versuch, diesen dünnen Elektronenstrahl unter den gegebenen energetischen Bedingungen nachträglich aufzuweiten scheitert, da jede Bewegung senkrecht zum typischerweise mehrere Tesla starken Magnetfeld eine dazu senkrechte Lorenzkraft erzeugt, die die Elektronen auf winzige Zyklotronbahnen erzwingt. Der Elektronenstrahl muß also von Anfang an mit größerem Durchmesser hergestellt werden. Neuerdings sind breitflächige Elektronenemitter zur Herstellung von Elektronen für die ECD-Versuche eingesetzt worden. Auf diese Weise wird die Überlappungwahrscheinlichkeit der Ionenbahnen mit den niederenergetischen Elektronen dramatisch erhöht und die Wahrscheinlichkeit der Ion-Elektron-Stöße in der ICR-Falle vergrößert. Man hat dadurch tatsächlich bessere ECD-Resultate erhalten: Tsybin, Y. O.; Håkansson, P.; B. A. Budnik, B. A.; Haselmann, K. F.; Kjeldsen, F.; Gorshkov, M.; Zubarev, R. A.; "Improved Low Energy Electron Injection Systems for High Rate Electron Capture Dissociation in Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry" Rapid Commun. Mass Spectrom. 2001, 15, 1840-1854.
• Nachteile des Stands der Technik
• Besonders bei Ionenfallen-Massenspektrometern, FT-ICR MS und RF-Ionenfallen MS, hat man im Prinzip die Möglichkeit, die Wechselwirkung der gespeicherten Ionen mit verschiedenen Partnern zu studieren, nicht nur mit Elektronen, sondern z. B. auch mit Photonen. Die oben beschriebene Infrarot-Multiphoton-Dissoziation ist nur ein Beispiel davon. Ebenso wird die Dissoziation von gespeicherten Ionen unter Wechselwirkung mit UV-Photonen oder mit Photonen im sichtbaren Bereicht untersucht. Es werden auch photoinduzierte Anregungen von Ionen studiert, die noch nicht zu einer Dissoziation führen, sondern zu einer erhöhten Reaktivität mit bestimmten molekularen Reaktionspartnern.
• Die oft geschlossene Bauweise von Massenspektrometern und insbesondere Ionenfallen erlaubt es jedoch aus geometrischen Gründen meist nicht, einen Strahl von gewünschten Wechselwirkungspartnern zur Verfügung zu stellen. Zum Beispiel hat man bei RF-Fallen (Paul- Fallen) auf der Rotationsachse der Falle eine Öffnung für die Injektion von extern erzeugten Ionen und eine Öffnung für ihren Nachweis. Will man Ionen im Fallenvolumen durch Elektronenstoß erzeugen (interne Ionenerzeugung), so muß im Allgemeinen die externe Ionenquelle abgebaut und eine Elektronenquelle installiert werden.
• Durch die Einführung des neuen ECD-Fragmentierverfahrens hat die Elektronenzufuhr in die ICR-Falle eine besondere Bedeutung gewonnen. So können mit thermischen Elektronen ECD-Experimente durchgeführt werden. Einer der beiden axialen "Zugänge" in die ICR-Falle ist allerdings schon durch die "normale" Ionenzufuhr belegt. Unter normaler Ionenzufuhr ist die Einführung von Ionen zu verstehen, die in einer fallenexternen Ionenquelle hergestellt worden sind. Der andere axiale Zugang wird oft für die Infrarot-Multiphoton-Dissoziationsexperimente verwendet.
• Im Prinzip ist es möglich, eine Elektronenquelle außerhalb der Achse des supraleitenden Magneten in dessen Streufeld zu plazieren, um so einen Elektronenstrahl zu erzeugen, der entlang einer Feldlinie in der Nähe der Fallenachse geht. Ein Beispiel wird dargestellt in: Schweikhard, L.; Beiersdorfer, P.; Bell, W.; Dietrich, G.; Krückeberg, S.; Lützenkirchen, K.; Obst, B.; Ziegler, J. "Production and Investigation of Multiply Charged Metal Clusters in a Penning Trap" Hyperfine Interactions 1996, 99, 97-104. Da man aber seit Kurzem praktisch nur noch abgeschirmte ICR-Magnete verwendet, ist zum einen das magnetische Streufeld zu klein und damit nicht in der Lage, den Elektronenstrahl zu bündeln. Zusätzlich wird das "Einfädeln" der Elektronen in den Bereich des hohen Magnetfeldes durch den steilen Magnetfeldgradienten erschwert.
• Da man externe Ionenquellen in der FT-ICR Massenspektromerie ständig benutzt und auch sehr oft von IRMPD Gebrauch macht (Laserstrahl axial von der anderen Seite der ICR-Falle), sind beide Seiten der Magnetfeldachse belegt und man hat somit praktisch keine Möglichkeiten mehr, eine für die ECD-Fragmentierung benötigte Elektronenquelle axial zur Ionenfalle zu installieren.
• Da die Elektroneneinfangdissoziation wichtige komplementäre Resultate zur Infrarot-Multiphotonendissoziation und auch zu der stoßinduzierten Dissoziation liefert, wollen die meisten Anwender der FT-ICR-Massenspektrometer alle drei Verfahren auf die zu untersuchende Substanz anwenden. Deshalb ist es von großem Interesse, daß das Fragmentierungsverfahren ohne langwierige mechanische Operationen gewechselt werden kann. Zusätzlich möchte man auch ECD und IRMPD auf dieselben Ionen anwenden, eventuell in derselben Experimentsequenz. Es besteht also ein großes Interesse an einer Vorrichtung und einem Verfahren, welche ein schnelles und unkompliziertes Umschalten z. B. von IRMPD auf ECD ermöglichen. Ideal wäre ein computergesteuertes Einschieben einer Elektronenquelle in den Weg des IR-Laserstrahls in die axiale Position.
• Die Verwendung von Schiebe- oder Drehdurchführungen zum Bewegen von Ionenquellen und Elektronenquellen stellt eine sehr begrenzte Lösung dar. Hinzu kommt, daß diese Verfahren im Allgemeinen aufwendig und langsam sind. Insbesondere im Ultrahochvakuumsystem der Fourier-Transform-Massenspektrometrie (im Bereich von 10^-10 mbar) ist die Anbringung einer Schiebe- und Drehdurchführung sehr aufwendig. Deshalb eignen sich diese Vorrichtungen kaum für Untersuchungen an einem bestimmten gespeicherten Ionenensemble. Außerdem bieten diese zeitaufwendigen Wechselverfahren (insbesondere im Routinebetrieb) keine Möglichkeit, in der gleichen Experimentsequenz mit den selben gespeicherten Ionen sowohl Elektronen- als auch Photonenwechselwirkungsstudien durchzuführen.
• Erwähnenswert ist auch eine weitere, seit Kurzem angewandte Ionendissoziationsmethode zur Gewinnung von Strukturinformationen: Die oberflächeninduzierte Dissoziation (surface induced dissociation, SID). Für diese Methode wird eine preparierte Oberfläche benötigt, die nahe an die innere Oberfläche einer Ionenfalle, zum Beispiel einer ICR-Falle angebracht werden muß. Diese Fläche wird üblicherweise axial zur ICR-Falle in das Vakuumsystem eingeführt. Dazu wird oft eine Flächensonde mit Hilfe einer Schubstange durch ein Ultrahochvakuum-Schleusensystem in die Fallennähe eingeführt, oder aber direkt an die Falle montiert. Ein Artikel über die SID in der FT-ICR ist: Zhong, W.; Nikolaev, E.; Futrell, J. H.; Wysocki, V. H. "Tandem Fourier Transform Mass Spectrometry Studies of Surface-Induced Dissociation of Benzene Monomer and Dimer Ions on a Self-Assembled Fluorinated Alkanethiolate Monolayer Surface" Anal. Chem. 1997, 69, 2496-2503. Eine solche Oberflächensonde blockiert (ähnlich wie eine Elektronenquelle und unabhängig davon, ob auf einer Schubstange eingeführt oder permanent angebracht) den Weg zu der ICR-Falle und verbietet z. B. einen schnellen Wechsel, wenn die in der Falle gespeicherten Ionen einem Laserstrahl ausgesetzt werden sollen.
• Schließlich sei auch auf die Möglichkeit der Fluoreszenzspektroskopie zum Nachweise und zur Analyse der gespeicherten Ionenensembles hingewiesen. Kürzlich ist dazu folgende Arbeit erschienen: Wang, Y.; Hendrickson, C. L. and Marshall, A. G., Direct Optical Spectroscopy of Gas-Phase Molecular Ions Trapped and Mass-Selected by Ion Cyclotron Resonance: Laser-Induced Fluorescence Excitation Spectrum of Hexafluorobenzene (C6F6+), Chem. Phys. Lett., 334, 69-75 (2001). Auch für diese Methode ist ein ungehinderter optischer Zugang notwendig. Dieser Zugang ist aber auf der Achse verbaut, wenn dort eine Elektronenquelle eingebaut wurde.
Aufgabe der Erfindung
• Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Elektronenquelle in geeignete Positionen ein- und auszufahren, um bei Bedarf entweder einen Elektronenstrahl zur Verfügung zu stellen oder den Weg für andere Strahlen freizumachen.
• Erfindungsgedanke
• Es ist der Erfindungsgedanke, eine Elektronenquelle zu bauen, die in einem magnetischen Feld infolge der Lorentzkraft zwischen verschiedenen Positionen bewegt wird. Während die Elektronenquelle in einer Parkposition steht, kann ein Laserstrahl oder ein Ionenstrahl zum Beispiel ungehindert in eine Ionenfalle eingeführt werden oder es können optische Beobachtungen der gespeicherten Ionen durchgeführt werden. Die Lorentzkraft, die die Elektronenquelle in eine Betriebsposition bewegt, kann durch den Betriebsstrom, zum Beispiel einer Glühkathode, erzeugt werden. Unter Betriebsstrom ist der Heizstrom eines Filamentes oder einer indirekt geheizten Elektronenquelle zu verstehen. Das Magnetfeld kann das ohnehin existierende Feld von z. B. einem Fourier-Transform-Ionenzyklotronresonanz- Massenspektrometer sein, es kann aber in anderen Massenspektrometertypen, welche ohne Magnetfeld arbeiten, auch zusätzlich erzeugt werden, speziell um die Elektronenquelle zu bewegen.
• Im Folgenden wird zunächst die Vorrichtung und das Verfahren am Fall einer direkt geheizten Glühkathode erläutert: Der elektrischen Strom durch ein Metallfilament (z. B. Wolfram oder Rhenium), der typisch etwa ein Ampere beträgt, heizt das Filament. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung werden die durch den glühelektrischen Effekt austretenden Elektronen extrahiert. Befindet sich das Filament (Länge l) in einem Magnetfeld (Flußdichte B), so tritt bei einer Stromstärke (I) eine Lorentzkraft F_L = Il × B auf. Dabei sind F_L, l und B vektorielle Größen, d. h. der Betrag der Kraft ist F_L ist F_L = IlB sin(α), wobei α der Winkel zwischen dem stromdurchflossenen Leiter und der Richtung der magnetischen Feldlinie darstellt. Auf Leiter, die parallel zum Magnetfeld verlaufen, wird somit keine Kraft ausgeübt. Bei Leitern senkrecht zum Magnetfeld tritt eine Kraft auf, die senkrecht sowohl zum Leiter als auch zum Magnetfeld ist. Ein Beispiel ist die Elektronenquelle bei einem Fouriertransform-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer FT-ICR MS, wo über ein Filament von typisch 0,5 cm ein Strom der Stärke 2 A in einem Magnetfeld von 7 Tesla fließt. Damit ergibt sich eine Kraft von 0,07 Newton. Dies entspricht etwa dem Gewicht von einem Kubikzentimeter Eisen. Bei einer starr montierten Filamentkonstruktion wird die Lorentzkraft durch die Filamenthalterung aufgefangen und kompensiert. Wird dagegen das Filament an einer beweglichen Halterung befestigt, so kann die Halterung samt stromdurchflossenem Filament durch die Lorentzkraft bewegt werden. Damit wird es möglich, die Elektronenquelle zwischen verschiedenen räumlichen Positionen zu bewegen.
• Man kann zum Beispiel eine Parkposition und eine Betriebsposition so definieren, daß sich ein in der Parkposition befindliches Filament beim Einschalten des Filamentheizstroms automatisch in die Betriebsposition bewegt. Eine Betriebsposition kann dann auf der ICR-Fallenachse in der Nähe der Falle sein. Ist das Filament in der Parkposition, so gibt die Elektronenquelle die Geräteachse frei, z. B. für die Einkopplung eines Laserstrahls in die ICR-Falle, oder für fallenextern erzeugte Ionen, die entlang der Achse in die Falle überführt werden. Damit ist es bei Bedarf möglich, auf beiden Seiten einer ICR-Falle auf der Fallenachse bewegliche Elektronenquellen ein- und auszufahren. (Auch können auf einer Seite mehrere bewegliche Elektronenquellen angebracht werden.)
• Für die Rückstellung der Elektronenquelle von der Betriebsposition zur Parkposition gibt es verschiedene Möglichkeiten. Zum Beispiel kann der Aufbau so erfolgen, daß die Elektronenquelle nach Abschalten des Heizstroms infolge der Gravitationskraft auf ihre Parkposition zurückfällt. Man kann auch eine Feder anbringen, die die Elektronenquelle zur Parkposition zurückzieht. Weiter führt die Umkehrung der Filamentstromrichtung zu einer Umkehrung der Lorentzkraft und die Elektronenquelle kann so aus der Betriebs- in die Parkposition gebracht werden. Entsprechendes gilt für die Umkehrung der Magnetfeldrichtung bei Verwendung eines Elektromagneten (siehe unten). Zur Definition der Betriebs- und Parkpositionen werden Anschlagpunkte angebracht, gegen die die Filamenthalterung angedrückt wird.
• Im Allgemeinen können mehrere Betriebs- oder Parkpositionen Verwendung finden. So können zum Beispiel zwei Filamente als Glühkathoden an entgegengesetzten Enden einer gewinkelten Drehhalterung befestigt werden. Je nach Stromrichtung wird die eine oder andere Seite zum Anschlag einer Betriebsposition gebracht. Die Parkposition wird über die Schwerkraft definiert, indem sich der Schwerpunkt der beweglichen Halterung unterhalb der Drehachse einstellt. In der Parkposition gibt die Halterung den Weg für andere Anwendungen frei, z. B. für die Einführung von Ionen- oder Laserstrahlen in eine Ionenfalle oder für die optische Beobachtung von Ionen, z. B. von Fluoreszenzlicht. Die beiden Filamente können dabei elektrisch unabhängig voneinander oder aber auch z. B. parallel verschaltet sein. In letzterem Fall können sie von unterschiedlicher Länge, Breite oder Dicke sein, so dass das eine als Ersatz nach dem "Durchbrennen" des anderen dient.
• Neben den stromgeheizten Filamenten gibt es andere Elektronenemissionsvorrichtungen. Dazu gehören indirekt beheizter Kathoden und Entladungspitzen. Auch Microchannel-Platten können als Elektronenemitter verwendet werden. Im Patent US 6239549 wird die Verwendung einer Mikrochannelplatte als Elektronenemitter beschrieben. Diese Elektronenquellen sind nicht wie eine einfache Leiterschleife gebaut. Deshalb erweist es sich hier als sinnvoll, an der Elektronenquelle zusätzlich Leiterschleifen anzubringen, um die gewünschte Bewegung zu veranlassen. Bei Bedarf wird ein elektrischer Strom durch diese Schleifen geschickt, wie oben im Falle des Heizfilaments beschrieben.
• Ein Beispiel von indirekt beheizten großflächigen Kathoden sind die Dispenserkathoden. Auch diese können als bewegliche Elektronenquelle eingesetzt werden. Dabei sollten sie mit einer einfachen d. h. nicht-bifilaren Heizwicklung betrieben werden. (Normalerweise werden solche Kathoden mit einer bifilaren Heizwicklung ausgerüstet, die gerade verhindert, daß auf die Kathodeneinheit in Magnetfeldern Kräfte einwirken.) Andererseits kann man auch die bifiliare Heizwicklung beibehalten und eine zusätzliche, unabhängige Wicklung einfügen, die für die gewünschte Bewegung sorgt. Auch an einer Mikrochannelplatte, die z. B. im magnetischen Feld eines FT-ICR-Massenspektrometers als Elektronnenemitter eingesetzt werden soll, kann eine zusätzliche Wicklung angebracht werden, um sie mittels der Lorentzkraft im Magnetfeld zu bewegen.
• Bei der FT-ICR MS ist ein Magnetfeld automatisch vorhanden. Bewegliche Elektronenquellen können jedoch auch in andern Massenspektrometern eingesetzt werden, die kein Magnetfeld in der Nähe der Elektronenquelle zur Verfügung haben. In diesem Fall kann ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet angebracht werden, der das zur Bewegung der Elektronenquelle benötigte Magnetfeld liefert.
• Die Bewegung der Elektronenquelle kann einerseits dazu dienen, den Weg in die Ionenfalle für andere Teilchen, wie Ionen oder Photonen, freizumachen. Darüber hinaus kann die Elektronenquelle aber auch verschoben werden, um den Weg für aus der Ionenfalle austretende Elektronen, Ionen oder Photonen freizumachen, die dann mit geeigneten externen Detektoren nachgewiesen werden können. Im Allgemeinen können auch mehrere Elektronenquellen mit beweglichen Halterungen zur Anwendung kommen, sei es auf nur einer Seite der Ionenfalle oder auch auf beiden Seiten.
Beschreibung der Figuren
• Fig. 1 zeigt die Bewegung eines um eine horizontale Achse beweglich angebrachten Filaments im Magnetfeld. Das Filament wird mit Hilfe der Lorentzkraft infolge des Heizstroms von der Parkposition (Fig. 1a) in die Betriebsposition (Fig. 1b) ausgefahren und durch die Gravitation in die Parkposition zurückgestellt, wenn der Heizstrom nicht mehr fließt.
• Fig. 2 zeigt die Bewegung eines um eine vertikale Achse beweglich angebrachten Filaments im Magnetfeld. Das Filament wird mit Hilfe der Lorentzkraft infolge des Heizstroms von der Parkposition (Fig. 2a) in die Betriebsposition (Fig. 2b) ausgefahren, und durch die Spannkraft einer Feder in die Parkposition zurückgestellt, wenn der Heizstrom nicht mehr fließt. Beim Ausfahren wird hier gegen die Spannkraft der Feder eine Arbeit geleistet.
• Fig. 3 zeigt die Bewegung eines um eine vertikale Achse beweglich angebrachten Filaments im Magnetfeld. Dieses Filament wird mit Hilfe der Lorentzkraft infolge des Heizstroms von der Parkposition (Fig. 3a) in die Betriebsposition (Fig. 3b) ausgefahren. Für die Rückstellung auf die Parkposition wird hier jedoch ein Strompuls in die entgegengesetzte Richtung des ursprünglichen Heizstroms angelegt.
• Fig. 4 zeigt ein Fourier-Transform-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer als Grundlageninformation für einige der Einsatzmöglichkeiten der Erfindung.
• Fig. 5 zeigt ein durch Lorentzkraft bewegliches Filament vor einer zylindrischen Ionenzyklotronresonanz-Falle in Parkposition (Fig. 5a) und in Betriebsposition (Fig. 5b).
• Fig. 6 zeigt vor einer Ionenzyklotronresonz-Falle einen indirekt-beheizten-Elektronenemitter, der durch die Lorentzkraft infolge des Heizstroms in der spulenförmigen Heizwicklung in eine Betriebsposition (Fig. 6a) von einer Parkposition (Fig. 6b) gefahren werden kann. Die Rückstellung erfolgt hier durch die Gravitation, wenn der Heizstrom nicht mehr fließt.
• Fig. 7 zeigt eine bewegliche Elektronenquelle zwischen zwei Permanentmagneten (Ringmagnete). Das Magnetfeld sorgt dafür, daß die Elektronen zu Zyklotronbewegungen gezwungen werden und dadurch auf der vordefinierten Bahn bleiben (Fig. 7a). Das kippbare Filament erlaubt die Verwendung eines Laserstrahls in der Quelle (Fig. 7b).
• Fig. 8 zeigt eine Elektronenquelle eines Massenspektrometers, die mit einem Spulenpaar versehen ist, um das nötige Magnetfeld zu erzeugen. Die Elektronen werden von einem indirekt-heizbaren Elektronenemitter erzeugt, der durch die Lorentzkraft infolge des Heizstroms in der spulenförmigen Heizwicklung von einer Parkposition (Fig. 8a) in eine Betriebsposition (Fig. 8b) ausgefahren werden kann. Die Rückstellung erfolgt hier auch durch die Gravitation.
• Fig. 9 zeigt ein Filamentsystem im Magnetfeld, das auf Schienen gesetzt worden ist, um die Bewegung senkrecht zum Magnetfeld zu ermöglichen. Dies ist eine alternative Methode zu den bisher besprochenen, durch eine Kippbewegung ein- und ausfahrbaren Filamentsystemen.
• Fig. 10 zeigt eine ICR-Falle, die optionsweise für oberflächeninduzierte Dissoziation(Fig. 10a), für Photodissoziation (Fig. 10b) und für Ionen-Elektronen-Wechselwirkung (Fig. 10c) eingesetzt werden kann.
• Fig. 11 zeigt einen Filamentbügel und die Kräfte, die im Magnetfeld auftreten, wenn der Strom eingeschaltet wird.
• Fig. 12 zeigt eine Anordnung mit zwei beweglich ausgeführten Filamenten, die um eine gemeinsame Achse drehbar montiert sind. Aus einer Parkposition (Fig. 12b) kann entweder das eine (Fig. 12a) oder das andere Filament (Fig. 12c) in Betriebsposition gefahren werden. Die Bewegung erfolgt mit Hilfe der Lorentzkraft infolge des Betriebsstroms. Die Betriebspositionen werden durch einen Anschlagsstab definiert. Die Wahl der Drehrichtung erfolgt durch die verwendete Stromrichtung. Die Rückstellung in die Parkposition erfolgt durch die Gravitation, wenn der Heizstrom nicht mehr fließt.
Einige besonders vorteilhafte Ausführungsformen
• Fig. 1a und b zeigen zwei definierte Anschlagspositionen (Parkposition, Fig. 1a, und Betriebsposition, Fig. 1b) eines beweglichen Filamentes (1) im Magnetfeld. Die Platte (2) mit einer Öffnung (3) stellt allgemein einen Zugang in ein Meßsystem dar, der entweder für den Einlaß von Elektronen (4) benutzt werden soll, zeitweise aber auch z. B. für Laserstrahlen (5). Wenn andere als Elektronenstrahlen (4) erwünscht sind, darf die Öffnung (3) nicht mit einer Elektronenquelle blockiert werden. Die Erfindung sieht vor, daß das Filamentsystem (6) (Bügel + Filament) nur während der Zeit, die für den Betrieb vorgesehen ist, "ausgefahren" bleibt. Der Filamentstrom heizt nicht nur das Filament, sondern sorgt gleichzeitig dafür, daß das Filamentsystem (6) duch Einwirkung von Lorentzkraft ausgefahren wird und sich um die Achse (7) dreht. Die Elektronen (4) werden durch ein Potential beschleunigt, das im einfachsten Fall zwischen dem Filament und der Platte (2) mit der Öffnung (3) anliegt. Wenn das Filament nicht länger im Betrieb sein soll, wird der Strom ausgeschaltet. Somit fällt es in seine ursprüngliche, z. B. horizontale Parkposition zurück. Als rücktreibende Kraft für die Rückkehr zur Parkposition wird hier die Gravitationskraft verwendet. Folglich ist in diesem Fall die ausgefahrene Position des Filaments nicht die komplett senkrechte Position des Bügels. Sie hat einen bestimmten Winkel (8) zur vertikalen Stellung. Sonst könnte das Filamentsystem nach dem Ausschalten des Stroms von dieser indifferenten Position entweder nach vorne oder nach hinten fallen. Durch den vorgegebenen Winkel wird das Nach-vorne- Fallen im abgebildeten System verhindert. Deshalb ist am Rande der Zugangsöffnung ein Anschlagsstößel (9) angebracht, der die Endposition der Bewegung definiert. Auch die Parkposition kann durch einen Anschlagsstößel (10) definiert werden, der auf ein entsprechendes Teil des Instruments (11) (in der Figur nur schematisch angedeutet) montiert ist. Der Pfeil (12) gibt die Richtung des Magnetfeldes an, in dem sich die Anordnung befindet.
• Die Rückstellung des fahrbaren Filaments kann auch durch andere Kräfte bewerkstelligt werden. Fig. 2 stellt - wieder im Magnetfeld (12) - ein Filamentbügel (13) dar, der mittels eines vertikalen Scharniersystems (14) aufgehängt worden ist. Analog zur Fig. 1 ist die Elektronenquelle in Fig. 2 auch vor einer Öffnung (15) montiert, die den Zugang in ein Meßsystem darstellt. Die Position in Fig. 2a (Parkposition) ist dann einzunehmen wenn ein Laserstrahl (16) durch die Öffnung in das Meßsystem gelangen soll. Wenn jedoch ein Elektronenstrahl (17) gebraucht wird, wird der nötige Heizstrom durch das Filament (18) geleitet. Während sich das Filament heizt, bewegt sich das Filamentsystem mit Hilfe der Lorentzkraft um die Achse (19) der vertikalen Aufhängung (14) und somit ist die Elektronenquelle ausgefahren. Der Anschlagpunkt ist auch hier durch einen Stößel (20) definiert. Zur Rückstellung des Filaments wird hier die Spannkraft einer Feder (21) benutzt. In diesem Beispiel bewirkt die um die Rotationsachse (19) des Scharniers gewickelte Feder (21) die Rückstellung des Filamentbügels (13), wenn der Filamentstrom ausgeschaltet wird und die Lorentzkraft nicht mehr wirkt. Das Filament bleibt hier ausgefahren, solange der Filamentstrom eingeschaltet bleibt. In diesem Fall darf das Filamentsystem beim Ausfahren eine volle 90°-Auslenkung machen, da die Rückstellrichtung durch die Federspannung vorgegeben ist. Der Stößel (22) definiert die Parkposition.
• Eine weitere Möglichkeit der Rückstellung des Filaments ist die Verwendung eines Strompuls, der in entgegengesetzter Richtung durch das Filament fließt. So wirkt die Lorentzkraft auch in die entgegengesetzte Richtung und der Filamentbügel stellt sich wieder in seine vordefinierte Parkposition zurück. Fig. 3 zeigt diese Möglichkeit. Hier ist ein Filament, das in einen Bügel aufgehängt worden ist, in einer Parkposition und in der Betriebsposition dargestellt. Der Pfeil (12) gibt die Richtung des Magnetfeldes an. In (Fig. 3a) wird ein Laserstrahl (23) durch die Öffnung (25) durchgelassen, indem das Filament (24) sich zusammen mit dem vertikal um die Achse (26) aufgehängten Bügel (27) "wegdreht". Ein Stößel (28) verhindert, daß die Bügelachse (29) sich genau senkrecht zum Magnetfeld (12) stellt. Elektronen (30) vom Filament (24) werden durch das Anlegen eines Potentials zwischen dem Filament und der Platte mit der Öffnung in das Meßsystem injiziert.
• Fig. 4 zeigt schematisch ein Fourier-Transform Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer. Die Ionen (32) werden hier meistens in einer externen Ionenquelle (33) erzeugt. Durch eine Ionenleitvorrichtung ("ionenoptische Elemente", 34) werden diese von der externen Quelle in die Ionenzyklotronresonanz-Falle (35) überführt. Die Ionenleitvorrichtung kann aus einem elektrostatischen Ionenlinsensystem bestehen, oder aber aus einem System von RF Multipol-Ionenleitvorrichtungen, oder auch einem Draht, der zwischen der Ionenquelle und der Falle gespannt ist (Wire ion guide). In den meisten heutzutage benutzten FTICR- Massenspektrometern befindet sich die ICR-Falle in einem sehr homogenen Feldbereich (in der Mitte) eines starken supraleitenden Magneten (36). Ionen werden in der ICR-Falle aufgefangen, und nach einer RF-Anregung mittels Detektion der Spiegelströme (image currents), die an den Detektorplatten der ICR-Falle induziert werden, nachgewiesen. Es entsteht ein Zeitdomänensignal (Transient), das alle gemessenen Zyklotronfrequenzen enthält. Dieses Signal wird durch Fourier-Transformation in ein Frequenzdomänensignal überführt. Nach einer einfachen Frequenz-Massen-Umrechnung wird das Signal in Form eines Massenspektrums dargestellt. Das Vakuumsystem kann z. B. aus drei Vakuumstufen gebaut sein, die aus den Öffnungen (37), (38) und (39) mit Hilfe von Hochvakuumpumpen differential gepumpt werden. So erreicht man im Bereich der ICR-Falle einen Druck im 10^-10 mbar Bereich. (40) und (41) sind die Pumpstufentrennungen.
• Im Gegensatz zu Ionentransmissions-Massenspektrometer (wie Flugzeit, Quadrupol, Magnetsektor) ist das FT-ICR ein Ionenfallen-Spektrometer. Die Tatsache, daß die Ionen in dieser Falle "gefangen" gehalten werden können, bietet Möglichkeiten, mehr Information über diese Ionen zu gewinnen, als lediglich durch eine direkte Messung ihres Mass/Ladungs (m/z)- Verhältnisses. Eine Ionensorte kann selektiert werden, indem der Rest der Ionen aus der Falle entfernt wird (mittels Ejektion durch starke Ionenzyklotronresonanz-Anregung). Mit selektierten Ionen können Experimente wie stoßinduzierte Dissoziation (Ca) oder Infrarot- Multiphoton-Dissoziation (IRMPD) durchgeführt werden, um ein Fragment-Ionen-Spektrum zu bekommen. Aus diesen Fragmentierungen können bei komplizierteren Ionen wertvolle Informationen über deren Struktur extrahiert werden. Die Elektroneneinfang-Dissoziation (ECD) ist auch ein dieser Methoden, wodurch eine Fragmentierung der Ionen durchgeführt wird. Näheres über dieses Verfahren wurde bereits oben ausgeführt.
• Da die extern generierten Ionen durch die (in Fig. 4) linke Öffnung (42) in die ICR-Falle gelangen, bleibt für die Laser- oder Elektronenbestrahlung der Ionen, die sich in der Falle aufhalten werden, nur noch die rechte axiale Öffnung (43) übrig. Durch diese Öffnung will man den Laserstrahl (44) z. B. für die IRMPD oder den Elektronenstrahl einleiten. Der Laser (45) ist in vielen kommerziellen Systemen aus Platzgründen an einem Ende des Magneten senkrecht aufgestellt. Ein Spiegel (46) reflektiert den Laserstrahl (44) in Richtung der ICR- Falle. Die bisherigen Probleme, die mit dem mechanischen Auswechseln der Elektronenquelle gegen ein Laserfenster beim Umschalten von ECD-Modus zum IRMPD-Modus verbunden sind, werden nicht mehr auftreten, wenn die vorliegende Erfindung eingesetzt wird.
• Fig. 5 zeigt den Einsatz der vorliegenden Erfindung in der FT-ICR-Massenspektrometrie. Ein Filamentsystem (47), das oben im Fig. 1 eingehend beschrieben wurde, ist hier vor die ICR-Falle (48) montiert, die sich im Vakuumsystem (49) und im Feld des supraleitenden Magneten (50) befindet. Das Filament bleibt auf horizontaler Lage (Fig. 5a), wenn der Laserstrahl (51) für die Infrarot-Multiphoton-Dissoziation eingeleitet wird. Wenn Elektronenstrahlen gebraucht werden, wird der Heizstrom des Filaments eingeschaltet. Die Lorentzkraft bringt das Filament in die Betriebsposition (Fig. 5b). Die Magnetfeldrichtung ist in dieser Figur auch durch die Pfeile (12) angezeigt.
• Fig. 6 zeigt eine ICR-Falle mit einem indirekt beheizten Elektronenemitter. Solche Emitter werden mit einer internen Heizwicklung versehen. Normalerweise ist dies eine bifilare Wicklung, damit im Magnetfeld keine Kräfte wirken. Hier jedoch wird ein Emitter (52) eingesetzt, dessen interne Heizwicklung (53) nicht bifilar ist. Das Magnetfeld, das vom Heizstrom erzeugt wird, versucht den zylindrischen Emitter im Magnetfeld des FT-ICR-Spektrometers auszurichten. Dadurch wird der Emitter aus der Parkposition in die Betriebsposition ausgefahren. Fig. 6a zeigt schematisch den Elektronenemitter (52) in der Betriebsposition, wobei Elektronen (54) in die ICR-Falle (55) injiziert werden. Wenn der Betrieb des Emitters nicht mehr erwünscht ist, wird der Heizstrom ausgeschaltet. Dadurch kippt sich die Spule um das Scharnier (56) nach unten (Fig. 6b). Damit wird der Weg frei z. B. für einen Laserstrahl (57), der zwecks eines Infrarot-Multiphoton-Dissoziations-Experimentes in der Falle (55) eingesetzt wird. In Fig. 6 sichtbar sind eine Anregeplatte (58) und eine Detektionsplatte (59) der ICR-Falle, sowie die zwei Endplatten (Trappingplatten) (60) und (61).
• Fig. 7 zeigt schematisch eine Elektronenstoß-Ionenquelle. Diese Quelle setzt das Magnetfeld zweier Permanentmagnete (62) und (63) ein, um zu vermeiden, daß die Elektronenbahnen divergieren. Die Elektronen werden durch das Magnetfeld in kleine Zyklotronbahnen erzwungen und folgen die magnetischen Feldlinien. In diesem Fall sind diese Permanentmagnete (62) und (63) in Form von Ringmagneten ausgeführt, damit ein Laserstrahl durch die Öffnung durchgelassen werden kann, um Laser-Ionisierungsexperimente in der Quelle durchzuführen. Die Elektronenquelle besteht hier wieder aus einem Bügel (64), der drehbar um die Achse (65) gelagert ist. Die Elektronen werden aus dem geheizten Filament (66) emittiert, das in der Figur von der Seite aus schematisiert worden ist. Im Fig. 7a ist das Filament durch die Lorentzkraft auf die Betriebsposition erhoben und emittiert Elektronen (67), wodurch aus den Molekülen Ionen (68) gebildet werden, die anschließend aus der Quelle extrahiert werden (69). Die Extraktionslinse besteht entweder aus einer Lochblende oder, wie in der Zeichnung, aus zwei Hälften (70) und (71). In der Fig. 7a ist auch eine Pusher-Elektrode (72) abgebildet. Wenn das Filamentstrom abgeschaltet wird, bleibt der Filamentbügel nicht mehr in der aufrechten Position und senkt sich auf die Pusher-Platte, ohne sie am Ende zu berühren (Fig. 7b). Das erlaubt die Einleitung eines Laserstrahls (73) für die Produktion von Photoionen (74), die anschließend aus der Quelle extrahiert werden (75).
• Fig. 8 zeigt einen Elektronenemitter (77) mit der Heizwicklung (78), der um ein Scharnier (79) gekippt werden kann. In einem Magnetfeld (12), das von den Spulen (80) und (81) erzeugt wird, liegt der Emitter vorerst in einer gekippten Parkposition (Fig. 8a), da der Heizstrom nicht eingeschaltet ist. Ein Laserstrahl (82) wird durch die gesamte Anordnung durchgeschickt, um auf der rechten Seite ein Experiment durchzuführen. Wenn ein Elektronenstrahl für ein Experiment benötigt wird, wird der Laserstrahl (12) ausgeschaltet, der Heizstrom des Emitters (77) eingeschaltet. Durch die Lorentzkraft richtet sich der Emitter mit der Heizwicklung im äußeren Magnetfeld (12) aus und wird so automatisch in die Betriebsposition ausgefahren. Der Elektronenstrahl (83) kann dann für die Experimente eingesetzt werden.
• Fig. 9 zeigt eine alternative Bauweise, bei der eine Elektronenquelle bewegt werden kann. Anstelle einer Kippbewegung wird die Elektronenquelle mit dem Filament (84) in einem Isolatorblock (85) hier auf Schienen (86) und (87) in entsprechenden Lagern (88) und (89) verschoben. Das Filament wird für eine Elektronenbestrahlung (90) in Richtung des äußeren Magnetfeldes (12) eingesetzt. Die Bewegungsrichtung ist mit dem Doppelpfeil (91) angegeben. Wenn ein Heizstrom eingeschaltet wird, kann diese Elektronenquelle in eine Betriebsposition eingefahren werde. Der Filamentheizstrom kann durch die robuste Schienen (86) und (87) geleitet werden. Über die Lager wird der Strom zum Filament weitergeleitet.
• Fig. 10 stellt (vom Prinzip der Bewegung infolge der Lorentzkraft) die Möglichkeit dar, nicht nur ein Elektronenquelle (Filament) (92) zu bewegen, das an einer um ein Scharnier (93) drehbare Plattform (94) angebracht ist, sondern auch eine Flächensonde (95) für oberflächeninduzierte Dissoziation (5a, surface induced dissociation) ein und auszufahren. Die SID-Sonde (95) wird im Fig. 10a im Betriebszustand vor einer ICR-Falle (55) gezeigt. Die Ionen werden durch die Wechselwirkung mit dieser Sondenoberfläche dissoziiert. (60) und (61) sind die Trappingplatten der ICR-Falle, (58) und (59) sind je eine Anrege- und Detektionselektrode. Die Magnetfeldrichtung ist mit dem Pfeil (12) gegeben. Die SID-Sonde ist an eine Plattform (96) montiert, die um das Scharnier (97) drehbar gelagert ist, und worauf sich auch ein Zylinder (98) mit einer Spulenwicklung befindet. Wenn durch diese Spule Strom fließt, richtet sie sich im äußeren Magnetfeld aus und fährt durch eine Kippbewegung die Sonde (95) von der Parkposition (wie im Fig. 10b) zur Betriebsposition (Fig. 10a). Wenn die Sonde nicht mehr benötigt wird, und dafür aber in der ICR-Falle Photodissoziationsexperimente stattfinden sollen, wird der Spulenstrom ausgestellt und dadurch "fällt" die Sonde auf die Parkposition. So kann ein Laserstrahl (99) in die ICR-Falle eingeleitet werden. Wenn eine Wechselwirkung der Ionen in der ICR-Falle erwünscht wird, wird die Elektronenquelle (92) in die Betriebsposition eingefahren (Fig. 10c). Die Elektronenquelle bewegt sich auch mit Hilfe der Lorentzkraft, die auf das stromdurchflossene Filament ausgeübt wird.
• Fig. 11 zeigt eine mögliche Variante für die Anschlüsse des Filamentheizstroms. Die Richtung des magnetischen Feldes ist durch den Pfeil (12) angegeben. Der Strom mit Hilfe von Leitungen (100) und (101), die zum Magnetfeldrichtung parallel verlaufen, an die rotierbare Achse (102) des Filamentbügels an den Ringen (103) und (104) angeschlossen, die zum Magnetfeld parallel verlaufen. Die Pfeile (105), (106) und (107) zeigen die (technische) Flußrichtung des Stroms. Die Lorentzkraft (108), zieht das Filament (109) und verursacht eine Drehung des Bügels um seine Drehachse (102). Die Lorentzkräfte, die auf die elektrischen Leitungen in den beiden Schenkeln des Filamentbügels ausgeübt werden, sind in der illustrierten Parkposition des Bügels gleich null, infolge des Stroms parallel zum Magnetfeld. Wenn der Bügel ausgefahren ist, entstehen Lorentzkräfte, die sich jedoch gegenseitig aufheben. Übrig bleibt nur die Kraft, die auf das Filament selbst ausgeübt wird und die Kräfte (110) und (111) die auf die kurzen elektrischen Leitungen in der Rotationsachse des Bügels ausgeübt werden. Die letzteren werden von der Struktur des Systems absorbiert.
• Fig. 12 zeigt eine Anordnung mit zwei beweglich ausgeführten Filamenten (112) und (113), die um eine gemeinsame Achse (114) drehbar montiert sind. Die Platte (115) mit einer Öffnung (116) stellt allgemein einen Zugang in ein Meßsystem dar, der entweder für den Einlaß von Elektronen (117 oder 118) benutzt wird, zeitweise aber auch z. B. für Laserstrahlen, Ionenstrahlen oder für die optische Beobachtung (119). Wenn Elektronenstrahlen nicht erwünscht sind, darf die Öffnung (116) nicht mit einer Elektronenquelle blockiert werden. Fig. 12a und 12c zeigen den Einsatz von Elektronen aus dem ersten (112) oder dem zweiten (113) Filament. Fig. 12b zeigt die Halterung mit den beiden Filamenten in der Parkposition. Wenn weder durch das erste noch durch das zweite Filament Heizstrom (Betriebsstrom) fließt, bleibt die Halterung (120) mit den beiden Filamenten infolge der Gravitation unten in der Parkposition bzw. bewegt sich dorthin. Wenn in einem der Filamente der Betriebsstrom fließt, wirkt die Lorentzkraft und die Halterung (120) dreht sich in die entsprechende Richtung bis zum Anschlagspunkt, der von einer Stange (121) definiert wird. Die Drehrichtung ergibt sich aus der Wahl des Filaments und der Stromrichtung.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Elektronen in einem Magnetfeld, bestehend aus mindestens einer durch elektrischen Strom betriebenen Elektronenquelle, befestigt an einer Halterung, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung beweglich ist, und daß die Lorentzkraft, die durch den Betriebsstrom im Magnetfeld erzeugt wird, die Elektronenquelle zwischen mindestens zwei Positionen bewegt, darunter eine Betriebs- und eine Parkposition.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle ein stromdurchflossenes Filament oder eine indirekt geheizte Elektronenquelle ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle mit der beweglichen Halterung in das Magnetfeld eines Fourier Transform-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometers plaziert wird und für seinen Betrieb kein zusätzliches Magnetfeld benötigt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld durch mindestens einen Permanentmagneten oder durch mindestens einen normalleitenden oder supraleitenden Elektromagneten erzeugt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellung der Elektronenquelle aus einer Betriebsposition mit Hilfe der Schwerkraft oder einer Rückstellfeder oder durch einen gegensinnigen Betriebsstrom erfolgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle an einer drehbaren oder verschiebbaren Halterung befestigt ist, so daß das Verlassen der Parkposition und die Zurückstellung durch Dreh- bzw. Schiebebewegungen erfolgen.

7. Vorrichtung zur Erzeugung von Elektronen, bestehend aus mindestens einer durch elektrischen Strom betriebenen Elektronenquelle, befestigt an einer Halterung, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung beweglich ist, und daß ein Magnetfeld durch einen Elektromagneten bei Bedarf zugefügt wird in der Art, daß die Lorentzkraft, die durch den Betriebsstrom der Elektronenquelle im Magnetfeld erzeugt wird, die Elektronenquelle zwischen mindestens zwei Positionen bewegt, darunter eine Betriebs- und eine Parkposition.

8. Verfahren zur Elektronenionisierung von Substanzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronen mit Hilfe einer Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7 erzeugt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenionisierung zur Ionenerzeugung in einem Massenspektrometer oder in einer Ionendepositionsvorrichtung angewendet wird.

10. Verfahren mit Hilfe einer Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle in Parkposition den Durchtritt von Ionen und Photonen nicht behindert.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Ionen in der ICR-Falle sowohl Elektronen einfangen wie auch mit der Elektronenquelle in Parkposition mit einem Laser zwecks Infrarot-Multiphotonen-Anregung bestrahlt werden.