DE10357499A1 - Ionendetektor - Google Patents

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Abstract

Es ist ein Ionendetektor 1' für ein Massenspektrometer offenbart, der eine oder mehrere Mikrokanalplatten 3a, 3b und eine Anode 4 aufweist, die dafür eingerichtet ist, von der einen oder den mehreren Mikrokanalplatten 3a, 3b emittierte Elektronen zu empfangen. Die Anode 4 ist permanent magnetisiert, und von den Mikrokanalplatten 3a, 3b emittierte Elektronen laufen vorzugsweise spiralförmig um magnetische Feldlinien zu der Anode 4.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ionendetektor zur Verwendung in einem Massenspektrometer, ein Massenspektrometer, ein Verfahren zum Erfassen von Ionen und ein Verfahren zur Massenspektrometrie.
  • Kommerzielle Hochleistungs-Flugzeit-Massenspektrometer verwenden gewöhnlich Ionenerfassungssysteme mit Mikrokanalplatten zum Vorverstärken von Ionenimpulssignalen. Mikrokanalplatten erzeugen ansprechend bzw. in Reaktion darauf, daß ein Ion auf die Eingangsfläche der Mikrokanalplatte trifft, mehrere Elektronen. Die Elektronen, welche von der Mikrokanalplatte erzeugt werden, liefern ein verstärktes Signal, das anschließend unter Verwendung eines schnellen Analog-Digital-Wandlers ("ADC") oder eines Zeit-Digital-Wandlers ("TDC") aufgezeichnet werden kann. Ionendetektoren, die zwei Mikrokanalplatten aufweisen, werden vorteilhaft zum Verstärken von Ionenimpulssignalen in Flugzeit-Massenspektrometern verwendet.
  • Mikrokanalplatten-Ionendetektoren sind besonders vorteilhaft für die Verwendung in Flugzeit-Massenspektrometern, weil sie eine hohe Verstärkung liefern. Beispielsweise bewirkt ein einziges Ion, das auf die Eingangsfläche eines Mikrokanalplatten-Ionendetektors trifft, typischerweise, daß mehrere Millionen Elektronen von der Ausgangsfläche der Mikrokanalplatte emittiert werden, welche dann auf gezeichnet werden können. Mikrokanalplatten-Ionendetektoren haben auch eine verhältnismäßig kurze Ansprechzeit. Typischerweise erzeugt ein Ion, das auf die Eingangsfläche eines Mikrokanalplatten-Ionendetektors trifft, einen Elektronenimpuls mit einer Breite in der Größenordnung einiger Nanosekunden bei der halben Impulshöhe. Ein weiterer Vorteil der Mikrokanalplatten-Ionendetektoren besteht darin, daß die Eingangsfläche der Mikrokanalplatte verhältnismäßig flach ist und daß Ionen daher eine verhältnismäßig konstante Strecke bis zur Mikrokanalplatte laufen. Daher ist jede Verbreiterung bzw. jeder Spread der Ankunftszeiten der Ionen an der Eingangsfläche der Mikrokanalplatte(n) im wesentlichen vernachlässigbar.
  • Wenngleich herkömmliche Mikrokanalplatten-Ionendetektoren mehrere Vorteile aufweisen, haben sie auch mehrere Nachteile. Insbesondere leiden herkömmliche Mikrokanalplatten-Ionendetektoren an signalinduziertem Einschwingrauschen und/oder einer verkleinerten Bandbreite, die durch eine Impedanzfehlanpassung zwischen der Sammelanode, welche Elektronen von der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten sammelt, und dem 50-Ω-Eingangsverstärker des Analog-Digital-Wandlers oder des Zeit-Digital-Wandlers, der als Teil der Aufnahmeelektronik verwendet wird, hervorgerufen wird. Ein anderer Nachteil herkömmlicher Mikrokanalplatten-Ionendetektoren ergibt sich aus der Anforderung, daß Flugzeit-Massenspektrometer dafür ausgelegt sind, eine Massenanalyse von Ionen mit verhältnismäßig hohen kinetischen Energien von typischerweise einigen keV auszuführen. Zum Erreichen dieser verhältnismäßig hohen kinetischen Ionenenergien werden die Ionen normalerweise durch ein elektrisches Feld beschleunigt, das durch eine hohe Spannungsdifferenz zwischen der Ionenquelle und dem feldfreien Driftrohr des Flugzeit-Massenanalysators erzeugt wird. Das Massenspektrometer kann beispielsweise so konfiguriert werden, daß die Ionenquelle bei einer hohen Spannung treibt und das Flugrohr geerdet ist oder umgekehrt. Normalerweise muß der Eingangsverstärker eines Analog-Digital-Wandlers oder eines Zeit-Digital-Wandlers in dem Ionendetektor jedoch bei dem Erdungspotential betrieben werden. Um eine geeignete Vorspannung zum Beschleunigen der Elektronen von der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten an die Sammelanode des Ionendetektors anzulegen, kann es daher erforderlich sein, die Sammelanode kapazitiv von dem Eingang des Analog-Digital-Wandlers oder des Zeit-Digital-Wandlers zu entkoppeln. Herkömmliche Verfahren zum kapazitiven Entkoppeln der Sammelanode vom Analog-Digital-Wandler oder vom Zeit-Digital-Wandler bewirken jedoch eine Impedanzfehlanpassung zwischen der Sammelanode und dem Analog-Digital-Wandler und dem Zeit-Digital-Wandler. Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Mikrokanalplatten-Ionendetektoren besteht darin, daß die Sammelanode dazu neigt, kapazitiv hochfrequentes Rauschen von nahegelegenen Schaltungsanordnungen, wie Hochspannungsversorgungen, aufzunehmen, welche zum Versorgen der Mikrokanalplatte bzw. der Mikrokanalplatten oder der Sammelanode mit Energie verwendet werden.
  • Die kombinierten Effekte des signalinduzierten Einschwingrauschens, der verringerten Bandbreite und der Aufnahme hochfrequenten Rauschens bei herkömmlichen Mikrokanalplatten-Ionendetektoren sind für das Massenauflösungsvermögen und die Erfassungsgrenze des ganzen Flugzeit-Massenspektrometers schädlich. Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Mikrokanalplatten-Ionendetektoren besteht darin, daß sich eine Signalsättigung aus einer Elektronenverarmung in der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten unmittelbar nach dem Erfassen eines verhältnismäßig großen Ionenimpulses ergeben kann. Diese Signalsättigung führt zu einer Verringerung der Verstärkung des Ionendetektors unmittelbar nach der Erfassung eines relativ großen Ionenimpulses.
  • Es ist daher weiterhin erwünscht, einen verbesserten Mikrokanalplatten-Ionendetektor bereitzustellen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Ionendetektor zur Verwendung in einem Massenspektrometer vorgesehen, welcher aufweist: eine oder mehrere Mikrokanalplatten, wobei bei der Verwendung Ionen an einer Eingangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten empfangen werden und Elektronen von einer Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten abgegeben werden, und eine Anode mit einer Oberfläche, von der Elektronen bei der Verwendung empfangen werden, wobei der Ionendetektor weiter aufweist: eine oder mehrere Elektroden und/oder eine oder mehrere magnetische Linsen, welche bei der Verwendung wenigstens einige der von der Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen auf die Anode lenken, führen oder zu dieser hinziehen, und wobei die Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten eine erste Flächengröße aufweist und die Oberfläche der Anode eine zweite Flächengröße aufweist, wobei die zweite Flächengröße ≥ 5 % derjenigen der ersten Flächengröße ist.
  • Die eine oder die mehreren Elektroden und/oder die eine oder die mehreren magnetischen Linsen können zwischen der einen oder den mehreren Mikrokanalplatten und der Anode angeordnet sein. Die eine oder die mehreren Elektroden und/oder die eine oder die mehreren magnetischen Linsen können alternativ bzw. zusätzlich so angeordnet sein, daß sie wenigstens einen Abschnitt der Anode umgeben.
  • Die eine oder die mehreren magnetischen Linsen weisen vorzugsweise einen oder mehrere Elektromagnete und/oder einen oder mehrere Permanentmagnete auf.
  • Die Anode kann aus einem nichtmagnetischen Material bestehen. Bevorzugter kann die Anode jedoch aus einem weichmagnetischen Material (mit einer niedrigen Koerzitivkraft) bestehen. Es kann davon ausgegangen werden, daß ein weichmagnetisches Material eine Koerzitivkraft (Hc) von weniger als etwa 1000 A/Meter aufweist. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Anode aus einem hart- oder permanentmagnetischen Material (mit einer hohen Koerzitivkraft) bestehen. Es kann davon ausgegangen werden, daß ein hartmagnetisches Material eine Koerzitivkraft von wenigstens 3000, 3500 oder 4000 A/Meter aufweist.
  • Die zweite Flächengröße der Anode beträgt vorzugsweise 5 – 90 % der ersten Flächengröße der Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten. Die zweite Flächengröße kann beispielsweise ≤ 85 %, ≤ 80 %, ≤ 75 %, ≤ 70 %, ≤ 65 %, ≤ 60 %, ≤ 55 %, ≤ 50 %, ≤ 45 %, ≤ 40 %, ≤ 35 %, ≤ 30 %, ≤ 25 %, ≤ 20 %, ≤ 15 % oder ≤ 10 % der ersten Flächengröße betragen.
  • Die zweite Flächengröße kann ≥ 10 %, ≥ 15 %, ≥ 20 %, ≥ 25 %, ≥ 30 %, ≥ 35 %, ≥ 40 %, ≥ 45 %, ≥ 50 %, ≥ 55 %, ≥ 60 %, ≥ 65 %, ≥ 70 %, ≥ 75 %, ≥ 80 % oder ≥ 85 % der ersten Flächengröße betragen.
  • Vorzugsweise weisen die eine oder die mehreren Elektroden eine oder mehrere Ringlinsen auf. Die eine oder die mehreren Elektroden können verhältnismäßig dünn sein und beispielsweise eine Dicke von ≤ 1,5 mm, ≤ 1,0 mm oder ≤ 0,5 mm aufweisen.
  • Alternativ bzw. zusätzlich können die eine oder die mehreren Elektroden eine oder mehrere Einzellinsenanordnungen mit drei oder mehr Elektroden, einen oder mehrere segmentierte Stabsätze, eine oder mehrere rohrförmige Elektroden oder einen oder mehrere Quadrupol-Stabsätze aufweisen. Die eine oder die mehreren Elektroden können eine Anzahl von Elektroden mit Öffnungen einschließen, von denen Elektronen bei der Verwendung durchgelassen werden, wobei die Öffnungen im wesentlichen die gleiche Flächengröße aufweisen. Alternativ können die eine oder die mehreren Elektroden eine Anzahl von Elektroden mit Öffnungen einschließen, von denen Elektronen bei der Verwendung durchgelassen werden, wobei die Öffnungen zur Anode hin zunehmend kleiner oder größer werden.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Ionendetektor zur Verwendung in einem Massenspektrometer vorgesehen, welcher aufweist: eine oder mehrere Mikrokanalplatten, wobei bei der Verwendung Ionen an einer Eingangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten empfangen werden und Elektronen von einer Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten abgegeben werden, und eine Anode mit einer Oberfläche, von der Elektronen bei der Verwendung empfangen werden, wobei der Ionendetektor weiter aufweist: einen oder mehrere Elektromagnete und/oder einen oder mehrere Permanentmagnete, welche bei der Verwendung wenigstens einige der von der Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen auf die Anode lenken oder führen.
  • Gemäß einem anderen Aspekt ist ein Ionendetektor zur Verwendung in einem Massenspektrometer vorgesehen, welcher aufweist: eine oder mehrere Mikrokanalplatten, wobei bei der Verwendung Ionen an einer Eingangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten empfangen werden und Elektronen von einer Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten abgegeben werden, und eine Anode mit einer Oberfläche, von der Elektronen bei der Verwendung empfangen werden, wobei der Ionendetektor weiter aufweist mehrere Elektroden und/oder eine oder mehrere magnetische Linsen, welche bei der Verwendung wenigstens einige der von der Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen auf die Anode lenken, führen oder zu dieser hinziehen, wobei die Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten eine erste Flächengröße aufweist und die Oberfläche der Anode eine zweite Flächengröße aufweist.
  • Die Anode kann gemäß einer Ausführungsform eine Stiftanode umfassen.
  • Die Ausgangsfläche der einen oder der mehreren Mikrokanal platten wird vorzugsweise auf einem ersten Potential gehalten, die Oberfläche der Anode wird vorzugsweise auf einem zweiten Potential gehalten, und die eine oder die mehreren Elektroden und/oder die eine oder die mehreren magnetischen Linsen werden vorzugsweise auf einem dritten Potential gehalten.
  • Das zweite Potential kann positiver als das erste Potential sein. Beispielsweise kann die Potentialdifferenz zwischen der Oberfläche der Anode und der Ausgangsfläche der einen oder der mehreren Mikrokanalplatten 0 – 50 V, 50 – 100 V, 100 – 150 V, 150 – 200 V, 200 – 250 V, 250 – 300 V, 300 – 350 V, 350 – 400 V, 400 – 450 V, 450 – 500 V, 500 – 550 V, 550 – 600 V, 600 – 650 V, 650 – 700 V, 700 – 750 V, 750 – 800 V, 800 – 850 V, 850 – 900 V, 900 – 950 V, 950 – 1000 V, 1,0 – 1,5 kV, 1,5 – 2,0 kV, 2,0 – 2,5 kV, > 2,5 kV oder < 10 kV betragen.
  • Das dritte Potential kann dem ersten und/oder dem zweiten Potential im wesentlichen gleichen. Alternativ kann das dritte Potential positiver als das erste und/oder das zweite Potential sein. Beispielsweise kann die Potentialdifferenz zwischen dem dritten Potential und dem ersten und/oder dem zweiten Potential 0 – 50 V, 50 – 100 V, 100 – 150 V, 150 – 200 V, 200 – 250 V, 250 – 300 V, 300 – 350 V, 350 – 400 V, 400 – 450 V, 450 – 500 V, 500 – 550 V, 550 – 600 V, 600 – 650 V, 650 – 700 V, 700 – 750 V, 750 – 800 V, 800 – 850 V, 850 – 900 V, 900 – 950 V, 950 – 1000 V, 1,0 – 1,5 kV, 1, 5 – 2, 0 kV, 2, 0 – 2, 5 kV, > 2, 5 kV oder < 10 kV betragen. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das dritte Potential negativer als das erste und/oder das zweite Potential sein. Das dritte Potential kann gemäß einer Ausführungsform zwischen dem ersten und dem zweiten Potential liegen.
  • Die Oberfläche der Anode kann in einem Abstand < 5 mm, 5 – 10 mm, 10 – 15 mm, 15 – 20 mm, 20 – 25 mm, 25 – 30 mm, 35 – 40 mm, 40 – 45 mm, 45 – 50 mm, 50 – 55 mm, 55 – 60 mm, 60 – 65 mm, 65 – 70 mm, 70 – 75 mm oder > 75 mm von der Ausgangsfläche der einen oder der mehreren Mikrokanalplatten angeordnet sein.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Ionendetektor zur Verwendung in einem Massenspektrometer vorgesehen, welcher aufweist: eine oder mehrere Mikrokanalplatten, wobei bei der Verwendung Ionen an einer Eingangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten empfangen werden und Elektronen von einer Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten abgegeben werden, und eine Anode mit einer Oberfläche, von der Elektronen bei der Verwendung empfangen werden, wobei die Oberfläche der Anode in einem Abstand x von der Ausgangsfläche angeordnet ist und wobei x aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: (i) 35 – 40 mm, (ii) 40 – 45 mm, (iii) 45 – 50 mm, (iv) 50 – 55 mm, (v) 55 – 60 mm, (vi) 60 – 65 mm, (vii) 65 – 70 mm, (viii) 70 – 75 mm und (ix) > 75 mm, wobei die Ausgangsfläche eine erste Flächengröße aufweist und die Oberfläche der Anode eine zweite Flächengröße aufweist.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Ionendetektor zur Verwendung in einem Massenspektrometer vorgesehen, welcher aufweist: eine oder mehrere Mikrokanalplatten, wobei bei der Verwendung Ionen an einer Eingangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten empfangen werden und Elektronen von einer Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten abgegeben werden, wobei die Ausgangsfläche eine erste Flächengröße aufweist, und eine Anode mit einer Oberfläche, von der Elektronen bei der Verwendung empfangen werden, wobei die Oberfläche der Anode eine zweite Flächengröße aufweist, wobei die zweite Flächengröße 5 – 25 % der ersten Flächengröße beträgt.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Ionendetektor zur Verwendung in einem Massenspektrometer vorgesehen, welcher aufweist: eine oder mehrere Mikrokanalplatten, wobei bei der Verwendung Ionen an einer Eingangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten empfangen werden und Elektronen von einer Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten abgegeben werden, wobei die Ausgangsfläche eine erste Flächengröße aufweist, und eine Anode mit einer Oberfläche, von der Elektronen bei der Verwendung empfangen werden, wobei die Oberfläche der Anode eine zweite Flächengröße aufweist, wobei die zweite Flächengröße 30 – 90 % der ersten Flächengröße beträgt.
  • Gemäß der bevorzugten Ausführungsform können Elektronen im wesentlichen über die ganze zweite Flächengröße empfangen werden.
  • Die Anode weist vorzugsweise einen ersten Abschnitt, einen zweiten Abschnitt und eine zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt bereitgestellte elektrisch isolierende Schicht auf, wobei der erste Abschnitt eine Oberfläche aufweist, von der Elektronen bei der Verwendung empfangen werden. Der erste Abschnitt kann auf einem anderen Gleichspannungspotential als der zweite Abschnitt gehalten werden. Alternativ kann der erste Abschnitt im wesentlichen auf dem gleichen Gleichspannungspotential wie der zweite Abschnitt gehalten werden.
  • Die Anode ist vorzugsweise im wesentlichen konisch. Eine im wesentlichen konische Abschirmung kann wenigstens einen Abschnitt der Anode umgeben. Die Anode hat vorzugsweise eine Kapazität von 0,01 – 0,1 pF, 0,1 – 1 pF, 1 – 10 pF oder 10 – 100 pF. Die Oberfläche der Anode, von der Elektronen bei der Verwendung empfangen werden, ist vorzugsweise im wesentlichen flach.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Massenspektrometer mit einem vorstehend beschriebenen Ionendetektor vorgesehen.
  • Das Massenspektrometer weist vorzugsweise einen Flugzeit-Massenanalysator in der Art eines axialen oder Orthogonal- bzw. Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysators auf. Der Flugzeit-Massenanalysator kann ein Reflektron aufweisen. Das Massenspektrometer kann einen Analog-Digital-Wandler ("ADC") oder einen Zeit-Digital-Wandler ("TDC") aufweisen, der mit dem Ionendetektor verbunden ist.
  • Das Massenspektrometer kann eine Atmosphärendruck-Ionenquelle mit chemischer Ionisation ("APCI-Ionenquelle"), eine Atmosphärendruck-Photoionisations-Ionenquelle ("APPI-Ionenquelle"), eine Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle ("LDI-Ionenquelle"), eine induktiv gekoppelte Plasma- Ionenquelle ("ICP-Ionenquelle"), eine Ionenquelle mit schnellem Atombeschuß ("FAB-Ionenquelle"), eine Flüssig-Sekundärionen-Massenspektrometrie-Ionenquelle ("LSIMS-Ionenquelle"), eine Feldionisations-Ionenquelle ("FI-Ionenquelle"), eine Felddesorptions-Ionenquelle ("FD-Ionenquelle"), eine Elektronenstoß-Ionenquelle ("EI-Ionenquelle") oder eine Ionenquelle mit chemischer Ionisation ("CI-Ionenquelle") aufweisen.
  • Bevorzugter kann das Massenspektrometer eine matrixunterstützte Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle ("MALDI-Ionenquelle") oder eine Elektrospray-Ionenquelle aufweisen.
  • Die Ionenquelle kann kontinuierlich oder gepulst sein.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erfassen von Ionen vorgesehen, welches die folgenden Schritte aufweist: Empfangen von Ionen an einer Eingangsfläche von einer oder mehreren Mikrokanalplatten, Abgeben von Ionen von einer Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten und Lenken, Führen oder Anziehen wenigstens einiger der von der einen oder mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen zu einer Oberfläche einer Anode durch eine oder mehrere Elektroden und/oder eine oder mehrere magnetische Linsen, wobei die Größe der Oberfläche der Anode ≥ 5 % der Größe der Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten beträgt.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erfassen von Ionen vorgesehen, welches die folgenden Schritte aufweist: Empfangen von Ionen an einer Eingangsfläche von einer oder mehreren Mikrokanalplatten, Abgeben von Ionen von einer Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten und Lenken oder Führen wenigstens einiger der von der einen oder den mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen auf eine Oberfläche einer Anode durch einen oder mehrere Elektromagnete und/oder einen oder mehrere Permanentmagnete.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erfassen von Ionen vorgesehen, welches die folgenden Schritte aufweist: Empfangen von Ionen an einer Eingangsfläche von einer oder mehreren Mikrokanalplatten, Abgeben von Ionen von einer Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten und Lenken, Führen oder Anziehen wenigstens einiger der von der einen oder den mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen zu einer Oberfläche einer Anode durch mehrere Elektroden und/oder eine oder mehrere magnetische Linsen.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erfassen von Ionen vorgesehen, welches die folgenden Schritte aufweist: Empfangen von Ionen an einer Eingangsfläche von einer oder mehreren Mikrokanalplatten, Abgeben von Ionen von einer Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten und Lenken wenigstens einiger der von der einen oder den mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen auf eine Oberfläche einer Anode, wobei die Oberfläche der Anode in einem Abstand x von der Ausgangsfläche angeordnet ist und wobei x aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: (i) 35 – 40 mm, (ii) 40 – 45 mm, (iii) 45 – 50 mm, (iv) 50 – 55 mm, (v) 55 – 60 mm, (vi) 60 – 65 mm, (vii) 65 – 70 mm, (viii) 70 – 75 mm und (ix) > 75 mm.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erfassen von Ionen vorgesehen, welches die folgenden Schritte aufweist: Empfangen von Ionen an einer Eingangsfläche von einer oder mehreren Mikrokanalplatten, Abgeben von Ionen von einer Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten und Lenken wenigstens einiger der von der einen oder den mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen zu einer Oberfläche einer Anode, wobei die Flächengröße der Oberfläche der Anode 5 – 25 % der Flächengröße der Ausgangsfläche der einen oder der mehreren Mikrokanalplatten beträgt.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erfassen von Ionen vorgesehen, welches die folgenden Schritte aufweist: Empfangen von Ionen an einer Eingangsfläche von einer oder mehreren Mikrokanalplatten, Abgeben von Ionen von einer Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten und Lenken wenigstens einiger der von der einen oder den mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen zu einer Oberfläche einer Anode, wobei die Flächengröße der Oberfläche der Anode 30 – 90 % der Flächengröße der Ausgangsfläche der einen oder der mehreren Mikrokanalplatten beträgt.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Massenspektrometrie mit einem vorstehend beschriebenen Verfahren zum Erfassen von Ionen vorgesehen.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Ionendetektor zur Verwendung in einem Massenspektrometer vorgesehen, welcher aufweist: eine oder mehrere Mikrokanalplatten, wobei bei der Verwendung Ionen an einer Eingangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten empfangen werden und Elektronen von einer Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten abgegeben werden, wobei die Ausgangsfläche eine erste Flächengröße aufweist, und eine Anode mit einer Oberfläche, von der Elektronen bei der Verwendung empfangen werden, wobei die Oberfläche eine zweite Flächengröße aufweist, wobei die Anode ein hart- oder permanentmagnetisches Material aufweist, so daß wenigstens einige der von der Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen auf die Anode gelenkt oder geführt werden.
  • Das hart- oder permanentmagnetische Material hat vorzugsweise eine Koerzitivkraft (Hc) von wenigstens 3000, 3500 oder 4000 A/Meter.
  • Die Anode erzeugt vorzugsweise ein Magnetfeld, wobei wenigstens einige der von der Ausgangsfläche der einen oder der mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen der Lorentz-Kraft infolge des magnetischen Flusses von der Anode ausgesetzt sind und einer erheblich gekrümmten Flugbahn zu der Anode hin mit axialen und gewinkelten Komponenten in bezug auf die Richtung des magnetischen Flusses folgen. Es kann alternativ davon ausgegangen werden, daß die Anode ein Magnetfeld erzeugt, wobei wenigstens einige der von der Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen spiralförmig um magnetische Feldlinien zur Anode hin laufen.
  • Wenigstens 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % oder 95 % der von der Ausgangsfläche der einen oder der mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen haben vorzugsweise eine Energie von ≤ 500 eV, ≤ 450 eV, ≤ 400 eV, ≤ 350 eV, ≤ 300 eV, ≤ 250 eV, ≤ 200 eV, ≤ 150 eV, ≤ 100 eV oder ≤ 50 eV. Wenigstens 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % oder 95 der von der Ausgangsfläche der einen oder der mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen haben vorzugsweise eine Energie von ≥ 1 eV, ≥ 2 eV, ≥ 5 eV, ≥ 10 eV, ≥ 20 eV oder ≥ 50 eV.
  • Die Potentialdifferenz zwischen der Oberfläche der Anode und der Ausgangsfläche der einen oder der mehreren Mikrokanalplatten beträgt vorzugsweise 0 – 1 V, 1 – 5 V, 5 – 10 V, 10 – 15 V, 15 – 20 V, 20 – 25 V, 25 – 30 V, 30 – 50 V, 50 – 100 V, > 100 V oder < 100 V.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erfassen von Ionen vorgesehen, welches die folgenden Schritte aufweist: Empfangen von Ionen an einer Eingangsfläche von einer oder mehreren Mikrokanalplatten, Abgeben von Ionen von einer Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten und Lenken und Führen wenigstens einiger der von der einen oder den mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen auf eine Oberfläche einer Anode, wobei die Anode ein hart- oder permanentmagnetisches Material aufweist.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Massenspektrometrie mit einem vorstehend beschriebenen Verfahren zum Erfassen von Ionen vorgesehen.
  • Der Ionendetektor gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist in der Lage, positive oder negative Ionen zu erfassen. Der bevorzugte Ionendetektor kann in ein Flugzeit-Massenspektrometer aufgenommen sein, das eine Ionenquelle und ein feldfreies Flugrohr, die mit einer Hochspannung betrieben werden, aufweist. Der bevorzugte Ionendetektor weist eine Sammelanode auf, die eine verringerte Kapazität aufweist und die vorzugsweise von der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten kapazitiv entkoppelt ist. Der bevorzugte Ionendetektor kann auch ein Linsensystem aufweisen, das zwischen der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten und der Sammelanode angeordnet ist, um Elektronen zu fokussieren und abzuschirmen, welche die Ausgangsfläche der Mikrokanalplatte bzw. der Mikrokanalplatten verlassen.
  • Die bevorzugte Ausführungsform betrifft eine Mikrokanalplatten-Ionendetektoranordnung, welche in der Lage ist, positive oder negative Ionen zu erfassen, ohne daß den Spannungen Beschränkungen auferlegt werden, die an verschiedene Komponenten des Flugzeit-Massenspektrometers stromaufwärts des Ionendetektors angelegt sind. Der bevorzugte Ionendetektor weist vorzugsweise auch eine verhältnismäßig große Bandbreite auf, wodurch das Einschwingrauschen verringert wird, und er weist eine verringerte kapazitive Aufnahme hochfrequenten elektronischen Rauschens auf.
  • Die Frequenz des unter Verwendung eines Mikrokanalplatten-Ionendetektors beobachteten Einschwingrauschens kann durch
    Figure 00170001
    genähert werden, wobei f die Frequenz des Einschwingrauschens in Hertz ist, L die Streuinduktivität in der Sammelanoden-Schaltungsanordnung in Henry ist und C die Kapazität zwischen der Mikrokanalplatte und der Sammelanode in Farad ist.
  • Die Frequenz f des Einschwingrauschens nimmt zu, wenn die Kapazität C zwischen der Mikrokanalplatte und der Sammelanode abnimmt. Vorausgesetzt, daß die Frequenz des Einschwingrauschens hoch genug ist, schwächt die analoge Bandbreite (typischerweise 500 MHz) des Verstärkers im Zeit-Digital-Wandler oder im Analog-Digital-Wandler die Intensität des Einschwingrauschens erheblich ab. Daher kann das Einschwingrauschen im Ionendetektor durch Verringern der Kapazität zwischen der Sammelanode und der Mikrokanalplatte verringert werden.
  • Bei einem herkömmlichen Mikrokanalplatten-Ionendetektor ist die Mikrokanalplatte bzw. sind die Mikrokanalplatten kreisförmig und haben den gleichen Durchmesser wie eine kreisförmige Sammelanode, die sich hinter der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten befindet. Die Mikrokanalplatte bzw. die Mikrokanalplatten befinden sich auch verhältnismäßig nahe bei der Sammelanode, d.h. sie sind etwa 5 – 10 mm davon entfernt. Diese herkömmliche Ionendetektoreinrichtung bildet eine Anordnung mit einer verhältnismäßig hohen Kapazität zwischen der Sammelanode und der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten.
  • Es ist bekannt, die Sammelanode konisch zu formen, um zu versuchen, die 50-Ω-Impedanzanpassung zwischen der Sammelanode und dem Koaxialverstärkerkabel, das entweder zum Zeit-Digital-Wandler oder zum Analog-Digital-Wandler führt, beizubehalten. Bei einem herkömmlichen Mikrokanalplatten-Ionendetektor kann die Kapazität C1 zwischen der Sammelanode und der Mikrokanalplatte bzw, den Mikrokanalplatten in Farad folgendermaßen genähert werden:
    Figure 00190001
    wobei ε die Dielektrizitätskonstante des Vakuums (8,854 × 10-12 F/m) ist, D1 der Durchmesser der Oberfläche der kreisförmigen Sammelanode ist und G1 der Abstand zwischen der Sammelanode und der Ausgangsfläche der hintersten kreisförmigen Mikrokanalplatte bzw. der hintersten kreisförmigen Mikrokanalplatten ist.
  • Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Kapazität zwischen der Mikrokanalplatte und der Sammelanode erheblich verringert, indem der Abstand zwischen der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten und der Sammelanode erhöht wird und/oder die Größe der Oberfläche der Sammelanode verkleinert wird. Die Kapazität C2 zwischen einer kreisförmigen Sammelanode und einer kreisförmigen Mikrokanalplatte bzw. zwischen kreisförmigen Mikrokanalplatten kann folgendermaßen genähert werden:
    Figure 00190002
    wobei D2 der Durchmesser der kreisförmigen Oberfläche der Sammelanode ist und G2 der Abstand zwischen der Sammelanode und der Ausgangsfläche der Mikrokanalplatte bzw. der Mikrokanalplatten ist.
  • Das Verhältnis zwischen der Kapazität C2 zwischen der Sammelanode und der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten gemäß der bevorzugten Ausführungsform und der Kapazität C1 zwischen der Sammelanode und der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten eines herkömmlichen Ionendetektors ist gegeben durch:
    Figure 00200001
  • Falls beispielsweise ein herkömmlicher Ionendetektor einen Abstand G1 von 5 mm zwischen der Sammelanode und der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten aufweist und die Sammelanode eine kreisförmige Oberfläche mit einem Durchmesser D1 von 50 mm aufweist, beträgt die Kapazität zwischen der Sammelanode und der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten 3,5 pF. Falls der Durchmesser D2 der Oberfläche der Sammelanode jedoch auf 25 mm verringert wird und der Abstand G2 zwischen der Sammelanode und der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten auch auf 25 mm erhöht wird, wird die Kapazität C2 zwischen der Sammelanode und der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten auf 0,17 pF erheblich verringert. In diesem Beispiel besteht die Wirkung des Verringerns der Größe der Oberfläche der Sammelanode und des Erhöhens des Abstands zwischen der Sammelanode und der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten darin, die Kapazität zwischen der Sammelanode und der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten um einen Faktor 20 zu verringern. Dementsprechend nimmt die Frequenz f des Einschwingrauschens um einen Faktor von etwa 4 zu, und der Verstärker des Analog-Digital-Wandlers oder des Zeit-Digital-Wandlers schwächt das Einschwingrauschen daher erheblich ab, sofern die Frequenz des Einschwingrauschens hoch genug ist.
  • Die Verringerung der Kapazität zwischen der bevorzugten Sammelanode und der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten bietet vorteilhafterweise auch eine erhebliche Verringerung des Niveaus der elektronischen Rauschaufnahme und der Impedanzfehlanpassung zwischen der Sammelanode und dem zum Analog-Digital-Wandler oder zum Zeit-Digital-Wandler führenden Koaxialkabel.
  • Gemäß der bevorzugten Ausführungsform weist der Ionendetektor eine oder mehrere Mikrokanalplatten auf, wobei die Sammelanode stromabwärts der Mikrokanalplatte bzw. der Mikrokanalplatten angeordnet ist. Die Mikrokanalplatte bzw. die Mikrokanalplatten empfangen Ionen an einer Eingangsfläche und erzeugen Elektronen, die von einer Ausgangsfläche abgegeben werden. Die von den Mikrokanalplatten emittierten Elektronen werden von einer Sammelanode gesammelt.
  • Ein Linsensystem kann zwischen der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten und der Sammelanode angeordnet werden. Gemäß einer Ausführungsform kann das Linsensystem Elektronen von der Ausgangsfläche der Mikrokanalplatte bzw. der Mikrokanalplatten zur Eingangsfläche der Sammelanode lenken oder führen. Dies ermöglicht das Verringern der Spannungsdifferenz zwischen der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten und der Sammelanode, während die Elektronen weiter wirksam von der Mikrokanalplatte bzw, den Mikrokanalplatten zur Sammelanode überführt werden. Das Linsensystem ermöglicht auch, daß Elektronen mit einer vernachlässigbaren Verbreiterung der Elektronenflugzeiten durch die Anode zur Sammelanode gelenkt oder geführt werden. Das Linsensystem verringert vorzugsweise auch die nachteilige Wirkung der elektrischen Felder, die in den Bereich zwischen der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten und der Sammelelektrode eindringen. Dies ist ein spezielles Problem, wenn ein Mikrokanalplatten-Ionendetektor in einem Flugzeit-Massenspektrometer verwendet wird, bei dem das Flugrohr des Flugzeit-Massenspektrometers bei einer verhältnismäßig hohen Spannung treibt.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Linsensystem in einem Defokussierungsmodus betrieben werden, um die Gesamtverstärkung des Ionendetektors zu steuern oder verstärkte Signale auszublenden, welche wahrscheinlich ein Detektionssystem sättigen, das einen Zeit-Digital-Wandler aufweist. Das Linsensystem kann auch in einem Defokussierungsmodus betrieben werden, so daß Elektronen, die von bestimmten Bereichen der Mikrokanalplatte abgegeben werden, selektiv zur Sammelanode gelenkt oder geführt werden. Beispielsweise kann das Linsensystem vom Zentrum der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen zur Sammelanode führen, während es von der Peripherie der Mikrokanalplatte abgegebene Elektronen blockiert. Dies kann in der Hinsicht vorteilhaft sein, daß auf das Zentrum der Eingangsfläche der Mikrokanalplatte fallende Ionen Elektronenimpulse erzeugen können, die, verglichen mit Elektronenimpulsen, die ansprechend darauf, daß Ionen auf die Peripherie der Mikrokanalplatte treffen, erzeugt werden, zeitlich mit größerer Auflösung getrennt sind.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann das Linsensystem mehrere Ringlinsenelemente aufweisen. Die Ringlinsenelemente sind vorzugsweise leitende Metallringe und haben vorzugsweise verhältnismäßig kleine Oberflächen, so daß die kapazitive Kopplung zwischen der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten und der Sammelanode minimiert ist. Die Ringlinsenelemente sind vorzugsweise verhältnismäßig dünn (beispielsweise ≤ 0,5 mm), um dabei zu helfen, die kapazitive Kopplung hochfrequenten Rauschens in die Sammelanode zu verringern. Die Ringlinsenelemente können auch mit getrennten individuellen Spannungsversorgungen verbunden werden, um die Kopplung zwischen den individuellen Ringlinsenelementen und damit zwischen der Mikrokanalplatte bzw. den Mikrokanalplatten und der Sammelanode zu verringern. Alternativ können die Ringlinsenelemente mit einer gemeinsamen Spannungsversorgung verbunden werden, wobei jedes Ringlinsenelement von den anderen Ringlinsenelementen durch hohe Widerstände isoliert ist, so daß die Kopplung zwischen den Ringlinsenelementen verringert ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Sammelanode selbst als ein Kondensator aufgebaut, um die Sammelanode, welche auf einer verhältnismäßig hohen Spannung gehalten werden kann, vom Analog-Digital-Wandler oder vom Zeit-Digital-Wandler, der das durch eine Ionenankunft an der Eingangsfläche einer Doppel-Mikrokanalplattenanordnung erzeugte Signal aufzeichnet, zu entkoppeln.
    •
  • Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun zusammen mit anderen der Veranschaulichung dienenden Anordnungen nur als Beispiel mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben, wobei:
  • 1 einen herkömmlichen Mikrokanalplatten-Ionendetektor zeigt,
  • 2 einen Mikrokanalplatten-Ionendetektor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zeigt,
  • 3 eine Sammelanode gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zeigt, die zwei durch eine elektrisch isolierende Schicht getrennte Abschnitte aufweist,
  • 4 eine Simulation der elektrischen Potentiale und Elektronenflugbahnen für einen herkömmlichen Ionendetektor zeigt,
  • 5 eine Simulation der elektrischen Potentiale und Elektronenflugbahnen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zeigt, wobei eine Potentialdifferenz von -13 kV zwischen der hintersten Mikrokanalplatte und der Sammelanode aufrechterhalten wird,
  • 6A eine Simulation der elektrischen Potentiale und Elektronenflugbahnen gemäß einer weniger bevorzugten Ausführungsform zeigt, wobei eine Potentialdifferenz von -50 V zwischen der hintersten Mikrokanalplatte und der Sammelanode aufrechterhalten wird, und 6B eine Simulation der elektrischen Potentiale und Elektronenflugbahnen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zeigt, wobei ein zwischenstehendes fokussierendes Linsensystem bereitgestellt ist,
  • 7A eine Simulation der elektrischen Potentiale und Elektronenflugbahnen gemäß einer weniger bevorzugten Ausführungsform zeigt, wobei eine Potentialdifferenz von 58 kV zwischen der hintersten Mikrokanalplatte und dem Frontabschnitt der Sammelanode aufrechterhalten wird, und 7B eine Simulation der elektrischen Potentiale und Elektronenflugbahnen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zeigt, wobei ein zwischenstehendes Linsensystem bereitgestellt ist und eine Potentialdifferenz von 750 V zwischen der hintersten Mikrokanalplatte und dem Frontabschnitt der Sammelanode aufrechterhalten wird,
  • 8A ein Massenspektrum zeigt, das unter Verwendung eines herkömmlichen Ionendetektors erhalten wurde und nachteiliges Einschwingrauschen aufweist, und 8B ein vergleichbares Massenspektrum zeigt, das unter Verwendung eines Ionendetektors gemäß der bevorzugten Ausführungsform erhalten wurde und eine erhebliche Verringerung des Einschwingrauschens zeigt und das Vorhandensein einer weiteren Massenspitze zeigt, die nicht von dem herkömmlichen Massenspektrum unterscheidbar ist,
  • 9 ein Massenspektrum zeigt, das unter Verwendung eines bevorzugten Ionendetektors erhalten wurde,
  • 10 eine Ausführungsform eines Ionendetektors zeigt, der eine magnetische Linse mit einem Elektromagneten aufweist, und
  • 11 eine Ausführungsform eines Ionendetektors zeigt, der eine permanent magnetisierte Anode aufweist.
  • Ein herkömmlicher Mikrokanalplatten-Ionendetektor 1 ist in 1 dargestellt und weist zwei Mikrokanalplatten 3a, 3b auf, die eingerichtet sind, um Ionen 7 von einem Flugrohr 2 eines Flugzeit-Massenanalysators zu empfangen. Die zwei Mikrokanalplatten 3a, 3b sind in Kontakt miteinander und mit den Kanälen der beiden Mikrokanalplatten angeordnet, die zur Grenzfläche zwischen den Mikrokanalplatten 3a, 3b geneigt sind. Ionen 7, die an dem Ionendetektor 1 ankommen, treffen auf eine Eingangsfläche der ersten Mikrokanalplatte 3a, wodurch die Erzeugung mehrerer Elektronen durch die Mikrokanalplatte 3a hervorgerufen wird. Diese Elektronen bewirken ein weiteres Kaskadieren von Elektronen von der zweiten Mikrokanalplatte 3b. Die von den Mikrokanalplatten 3a, 3b erzeugten Elektronen treten dann aus der hintersten Mikrokanalplatte 3b aus und werden nachfolgend durch eine konische Sammelanode 4, die etwas stromabwärts der hintersten Mikrokanalplatte 3b (d.h. 5 – 10 mm davon entfernt) angeordnet ist, gesammelt. Die Ausgangsfläche der hintersten der beiden Mikrokanalplatten 3b und die Eingangsfläche der Sammelanode 4 sind kreisförmig und haben im wesentlichen den gleichen Durchmesser D1 und daher im wesentlichen die gleiche Fläche. Die Ausgangsfläche der hintersten Mikrokanalplatte 3b und die Eingangsfläche der Sammelanode 4 sind in einem Abstand G1 verhältnismäßig nahe beieinander angeordnet. Die Sammelanode 4 ist mit einem 50-Ω-Koaxialkabel 6 verbunden, das mit einem Analog-Digital-Wandler verbunden ist. Eine geerdete, konische Abschirmung 5 ist radial außerhalb der Sammelanode 4 bereitgestellt.
  • 2 zeigt einen Ionendetektor 1' gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Ionendetektor 1' weist zwei Mikrokanalplatten 3a, 3b auf, die dafür eingerichtet sind, Ionen 7, beispielsweise vom Flugrohr 2 eines Flugzeit-Massenanalysators, zu empfangen. Der Ionendetektor 1' weist eine Sammelanode 4 auf, die stromabwärts der zwei Mikrokanalplatten 3a, 3b angeordnet ist. Ein Linsensystem 8, 9 ist vorzugsweise zwischen den beiden Mikrokanalplatten 3a, 3b und der Sammelanode 4 bereitgestellt. Die Sammelanode 4 kann beispielsweise durch ein Koaxialkabel 6 mit einem Analog-Digital-Wandler oder einem Zeit-Digital-Wandler verbunden werden. Die Eingangsfläche der Sammelanode 4 ist vorzugsweise erheblich kleiner als die Ausgangsfläche der hintersten Mikrokanalplatte 3b. Die Ausgangsfläche der hintersten Mikrokanalplatte 3b und die Eingangsfläche der Sammelanode 4 sind beide vorzugsweise kreisförmig mit Durchmessern von D1 bzw. D2, wobei vorzugsweise D1 > D2 gilt.
  • Die Sammelanode 4 ist in einem Abstand G2 angeordnet, und sie ist vorzugsweise weiter entfernt von der hintersten Mikrokanalplatte 3b als die entsprechende Anode 4 bei einem herkömmlichen Ionendetektor 1, wie durch Vergleichen der 1 und 2 ersichtlich ist. Die verringerte Oberfläche der Sammelanode 4 gemäß der bevorzugten Ausführungsform und der erhöhte Abstand G2 der Sammelanode 4 gemäß der bevorzugten Ausführungsform von den beiden Mikrokanalplatten 3a, 3b verringern erheblich die Kapazität zwischen der Sammelanode 4 und den beiden Mikrokanalplatten 3a, 3b. Dies bewirkt das Erhöhen der Frequenz des Einschwingrauschens im Ionendetektor 1'. Die Größe der Sammelanode 4 und der Abstand G2 der Anode 4 von den beiden Mikrokanalplatten 3a, 3b werden vorzugsweise so ausgewählt, daß die Frequenz des Einschwingrauschens hoch genug ist, damit es durch einen Verstärker, entweder in einem Analog-Digital-Wandler oder einem Zeit-Digital-Wandler, der mit dem Ionendetektor 1' verbunden ist, erheblich gedämpft wird.
  • Wie in 2 dargestellt ist, ist gemäß der bevorzugten Ausführungsform ein Linsensystem 8, 9 vorzugsweise zwischen den beiden Mikrokanalplatten 3a, 3b und der Sammelanode 4 angeordnet. Das Linsensystem 8 kann mehrere relativ dünne leitende Ringlinsenelemente aufweisen. Die Ringlinsenelemente können aus Metall bestehen und werden vorzugsweise auf geeigneten Spannungen gehalten, so daß Elektronen elektrostatisch von der Ausgangsfläche der beiden Mikrokanalplatten 3a, 3b zur Eingangsfläche der relativ kleinen Sammelanode 4 geführt werden. Das Linsensystem 8, 9 reduziert vorzugsweise die Potentialdifferenz, die andernfalls zwischen der hintersten Mikrokanalplatte 3b und der Sammelanode 4 aufrechterhalten werden müßte, um Elektronen wirksam von den Mikrokanalplatten 3a, 3b zur Sammelanode 4 zu übertragen. Die jeweiligen Spannungen, die an die Ringlinsenelemente des Linsensystems 8, 9 angelegt werden, hängen vorzugsweise von den an andere Komponenten des Flugzeit-Massenanalysators angelegten Spannungen ab, die stromaufwärts des Ionendetektors 1' angeordnet sind, und sie hängen auch von der Polarität der Ionen 7 ab. Das Linsensystem 8, 9 hat auch vorzugsweise die Wirkung des Verringerns eines Eindringens eines elektrischen Felds in den Bereich zwischen den beiden Mikrokanalplatten 3a, 3b und der Sammelanode 4, was andernfalls schädlich für die wirksame Übertragung von Elektronen von den Mikrokanalplatten 3a, 3b zur Sammelanode 4 wäre. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Ionendetektor Teil eines Flugzeit-Massenanalysators ist und die beiden Mikrokanalplatten 3a, 3b bei verhältnismäßig hohen Spannungen treiben.
  • Das Linsensystem 8, 9 kann auch die Energie von der hintersten Mikrokanalplatte 3b abgegebener Elektronen erhöhen, so daß sich die von den Mikrokanalplatten 3a, 3b emittierten Elektronen in einer verhältnismäßig kurzen Zeit zur Sammelanode 4 bewegen. Auf diese Weise gewährleistet das Linsensystem 8, 9 vorzugsweise, daß es eine vernachlässigbare Breite der Flugzeiten der Elektronen von den Mikrokanalplatten 3a, 3b zur Sammelanode 4 gibt.
  • Jedes Ringlinsenelement des Linsensystems 8, 9 ist vorzugsweise verhältnismäßig dünn (beispielsweise etwa ≤ 0,5 mm), um die Kopplung des hochfrequenten Rauschens in die Sammelanode 4 zu verringern. Das hinterste Ringlinsenelement 9, das sich am dichtesten bei der Sammelanode 4 befindet, besteht vorzugsweise aus einem ringförmigen Blech mit einer Dicke ≤ 0,5 mm, und es besteht vorzugsweise aus einem elektrischen Leiter mit einem zentralen Loch zum ermöglichen, daß Elektronen durch die Sammelanode 4 hindurchtreten.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Sammelanode 4 als ein Kondensator aufgebaut sein, um die Sammelanode 4, die auf einer verhältnismäßig hohen Spannung gehalten werden kann, von einem Analog-Digital-Wandler oder einem Zeit-Digital-Wandler zu entkoppeln, der mit dem Ionendetektor 1' verbunden ist und der das Signal aufzeichnet, das von Ionen erzeugt wird, die an der Eingangsfläche der zwei Mikrokanalplatten 3a, 3b ankommen. 3 zeigt eine Sammelanode 4, die in einem bevorzugten Ionendetektor verwendet werden kann. Die Sammelanode 4 ist vorzugsweise als ein Kondensator mit einer Kapazität < 100 pF aufgebaut, indem die Sammelanode 4 aus zwei Abschnitten 10, 12 gebildet ist, die durch eine elektrische Isolierschicht 11 getrennt sind.
  • Der erste Abschnitt 10 der Sammelanode 4 ist vorzugsweise durch die elektrische Isolierschicht 11 kapazitiv von dem zweiten Abschnitt 12 der Sammelanode 4 entkoppelt. Der erste Abschnitt 10 und der zweite Abschnitt 12 der Sammelanode 4 können daher bei der Verwendung auf verschiedenen Potentialen gehalten werden. Beispielsweise ist der zweite Abschnitt 12 der Sammelanode 4, der durch ein Koaxialkabel 6 mit der Aufzeichnungsvorrichtung verbunden ist, vorzugsweise durch ein Koaxialkabel 6 geerdet, während der erste Abschnitt 10 der Sammelanode 4 auf einem verhältnismäßig hohen Potential gehalten werden kann. Das Halten des zweiten Abschnitts 12 der Sammelelektrode 4 auf dem Erdungspotential ermöglicht das Vereinfachen der Ausgabeelektronik und auch das Beseitigen von Rauschen, das andernfalls auftreten würde, wenn eine Spannungsquelle mit dem Ausgangsabschnitt der Sammelanode 4 verbunden wird. Der elektrische Isolator 11, der den ersten Abschnitt 10 und den zweiten Abschnitt 12 der Sammelanode 4 trennt, kann eine dünne Kunststofflage, beispielsweise aus einem Material wie Kapton (RTM), aufweisen. Die Entkopplung des ersten Abschnitts 10 der Sammelanode 4 vom zweiten Abschnitt 12 und damit der Aufzeichnungsvorrichtung ist bei Flugzeit-Massenspektrometern besonders bevorzugt, bei denen verschiedene Komponenten auf verschiedenen Spannungen gehalten werden können. Falls beispielsweise eine negative Ionen erzeugende Ionenquelle geerdet wird und ein feldfreies Flugrohr bei einer verhältnismäßig hohen positiven Spannung treibt, weist das elektrische Feld zwischen der hintersten Mikrokanalplatte 3b und der Eingangsfläche der geerdeten Sammelanode bei einem herkömmlichen Ionendetektor entweder eine inkorrekte Polarität auf, oder seine Größe wäre unzureichend, um die Elektronen wirksam von den Mikrokanalplatten 3a, 3b zur Sammelanode 4 zu übertragen. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist der erste Abschnitt 10 der Sammelanode 4 von der Aufzeichnungsvorrichtung entkoppelt, so daß der erste Abschnitt 10 der Sammelanode 4 auf einer Spannung gehalten werden kann, die derart ist, daß Elektronen wirksam von der hintersten Mikrokanalplatte 3b zum ersten Abschnitt 10 der Sammelanode 4 transportiert werden.
  • Ein Vorteil der bevorzugten Ausführungsform besteht darin, daß sowohl das Einschwingrauschen als auch die Aufnahme von elektronischem Rauschen wirksam verringert werden. Dementsprechend werden Signale von Ionen mit einer verhältnismäßig geringen Häufigkeit nicht mehr durch dieses Rauschen maskiert. Die Verstärkung der beiden Mikrokanalplatten 3a, 3b kann daher auf einen niedrigeren Wert gelegt werden als dies andernfalls bei herkömmlichen Mikrokanalplatten-Ionendetektoren der Fall wäre. Dies ist besonders vorteilhaft bei Anwendungen, bei denen der Dynamikbereich der Quantifizierung durch Mikrokanalplatten-Sättigungseffekte begrenzt ist, die beispielsweise bei Signalen von Ionen höherer Häufigkeit bei Gaschromatographie-Flugzeit-Massenspektrometern auftreten. Weil die Verstärkung der beiden Mikrokanalplatten vorzugsweise auf einen verhältnismäßig niedrigen Wert gelegt werden kann, kann die Anzahl oder die Rate, bei der Ionen am Ionendetektor ankommen, vorzugsweise verhältnismäßig hoch sein, bevor Sättigungseffekte auf zutreten beginnen.
  • Die 4 bis 7B zeigen Simulationen von Elektronenflugbahnen 13 zwischen den Mikrokanalplatten 3a, 3b und der Sammelanode 4 sowohl beim herkömmlichen Ionendetektor 1 als auch bei bevorzugteren und weniger bevorzugten Ausführungsformen 1' gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Elektronenflugbahnen 13 wurden unter Verwendung des Bahnverfolgungsprogramms SIMION für geladene Teilchen simuliert. Die Konturen des elektrischen Potentials sind in den Simulationen auch dargestellt.
  • 4 zeigt eine Simulation der elektrischen Potentiale und der Elektronenflugbahnen 13 bei einem herkömmlichen Ionendetektor 1. Es ist eine Doppel-Mikrokanalplatten-Anordnung 3a, 3b dargestellt, die eine erste Mikrokanalplatte 3a zum Empfangen von Ionen von einem feldfreien Flugrohr 2 eines Flugzeit-Massenanalysators und eine zweite Mikrokanalplatte 3b, die Elektronen zu einer Sammelanode 4 emittiert, aufweist. Es wurde angenommen, daß positive oder negative Ionen von einer auf plus oder minus 15 kV gehaltenen Ionenquelle erzeugt werden. Die Ionen wurden daher zu dem feldfreien Flugrohr 2 beschleunigt, das bei 0 V gehalten wurde. Die Mikrokanalplatten 3a, 3b weisen wie dargestellt kreisförmige Eingangs- und Ausgangsflächen mit einem Durchmesser von 50 mm auf. Die Eingangsfläche und die Ausgangsfläche der Mikrokanalplatten 3a, 3b wurden in dieser Simulation bei -2 kV bzw. -50 V gehalten. Eine Sammelanode 4 wurde als 10 mm stromabwärts der Ausgangsfläche der Mikrokanalplatten 3a, 3b angeordnet modelliert, welche auch Elektronen über eine Kreisfläche mit einem Durchmesser von 50 mm empfing. Die Sammelanode 4 wurde geerdet. Eine geerdete konische Abschirmung 5 wurde als radial außerhalb der Sammelanode 4 bereitgestellt modelliert. Die Sammelanode 4 und die konische Abschirmung 5 waren mit einem Koaxialkabel verbunden, das mit einer Aufzeichnungsvorrichtung verbunden war. Wenngleich ersichtlich ist, daß Elektronen wirksam von der hintersten Mikrokanalplatte 3b zur Sammelanode 4 übertragen werden können, weil die Sammelanode 4 verhältnismäßig groß ist und relativ dicht bei den Mikrokanalplatten 3a, 3b angeordnet ist, gibt es ein verhältnismäßig hohes Niveau einer kapazitiven Kopplung zwischen den Mikrokanalplatten 3a, 3b und der Sammelanode 4. Dies führt zu einem verhältnismäßig hohen Niveau des Einschwingrauschens im Ionendetektor 1.
  • 5 zeigt eine Simulation der elektrischen Potentiale und Elektronenflugbahnen 13 in einem weniger bevorzugten Ionendetektor 1', der kein Linsensystem aufweist. Positive Ionen wurden als von einer bei 0 V gehaltenen Ionenquelle erzeugt modelliert. Die positiven Ionen wurden dann zum feldfreien Flugrohr 2 eines Flugzeit-Massenspektrometers beschleunigt, das bei -15 kV gehalten wurde. Die Mikrokanalplatten 3a, 3b wiesen kreisförmige Eingangs- und Ausgangsflächen mit einem Durchmesser von 50 mm auf. Die Eingangsfläche und die Ausgangsfläche der Mikrokanalplatten 3a, 3b wurden bei -15 kV bzw. -13 kV gehalten. Eine Sammelanode 4 war 50 mm stromabwärts der Ausgangsfläche der hintersten Mikrokanalplatte 3b angeordnet (d.h. bei einem viel größeren Abstand als bei einem herkömmlichen System). Die Sammelanode 4 wies einen ersten Abschnitt 10 auf, der von einem zweiten Abschnitt 12 durch eine Isolierschicht 11 getrennt war. Der erste Abschnitt 10 der Sammelanode 4 empfing Elektronen über eine verkleinerte Kreisfläche mit einem Durchmesser von 25 mm. In diesem bestimmten Beispiel wurden der erste Abschnitt 10 und der zweite Abschnitt 12 der Sammelanode 4 beide bei 0 V gehalten. Eine geerdete konische Abschirmung 5 wurde als radial außerhalb der Sammelanode 4 bereitgestellt modelliert. Gemäß dieser Ausführungsform ermöglichte die verhältnismäßig hohe Potentialdifferenz (-13 kV), die zwischen der hintersten Mikrokanalplatte 3b und dem ersten Abschnitt 10 der Sammelanode 4 aufrechterhalten wurde, daß Elektronen wirksam von der hintersten Mikrokanalplatte 3b zum ersten Abschnitt 10 der Sammelanode 4 transportiert wurden. Infolge der verhältnismäßig kleinen und fernen Sammelanode 4 ist die Kapazität zwischen der Sammelanode 4 und den Mikrokanalplatten 3a, 3b erheblich verkleinert. Dies führt zu einer entsprechenden Verringerung des vom Ionendetektor 1' erfaßten Einschwingrauschens und verringert auch die Impedanzfehlanpassung zwischen der Sammelanode 4 und der Aufzeichnungsvorrichtung.
  • 6A zeigt eine Simulation der elektrischen Potentiale und Elektronenflugbahnen 13 gemäß einer weniger bevorzugten Ausführungsform. Positive oder negative Ionen werden als von einer Ionenquelle erzeugt modelliert, die bei plus oder minus 15 kV gehalten wird. Die Ionen werden zum feldfreien Flugrohr 2 eines bei 0 V gehaltenen Flugzeit-Massenspektrometers beschleunigt. Die Eingangsfläche und die Ausgangsfläche der Mikrokanalplatten 3a, 3b sind vorzugsweise kreisförmig und haben einen Durchmesser von 50 mm. Die Eingangsfläche und die Ausgangsfläche der Mikrokanalplatten 3a, 3b werden als bei -2 kV bzw. -50 V gehalten modelliert. Die Sammelanode 4 wurde als 50 mm stromabwärts der Ausgangsfläche der hintersten Mikrokanalplatte 3b angeordnet modelliert. Die Sammelanode 4 weist einen ersten Abschnitt 10 auf, der von einem zweiten Abschnitt 12 durch eine Isolierschicht 11 getrennt ist. Der erste Abschnitt 10 der Sammelanode 4 empfängt Elektronen über eine verkleinerte Kreisfläche mit einem Durchmesser von 25 mm. Der erste Abschnitt 10 und der zweite Abschnitt 12 der Sammelanode 4 wurden geerdet. Die geerdete konische Abschirmung 5 wurde als radial außerhalb der Sammelanode 4 bereitgestellt modelliert. Gemäß dieser weniger bevorzugten Ausführungsform ist die Sammelanode 4 verhältnismäßig klein und befindet sich verhältnismäßig fern von den Mikrokanalplatten 3a, 3b, es wird jedoch nur eine verhältnismäßig kleine Potentialdifferenz (-50 V) zwischen der hintersten Mikrokanalplatte 3b und dem ersten Abschnitt 10 der Sammelanode 4 aufrechterhalten. Demgemäß wird ein verhältnismäßig großer Bruchteil der von den Mikrokanalplatten 3a, 3b emittierten Elektronen nicht zum ersten Abschnitt 10 der Sammelanode 4 beschleunigt, und Elektronen werden daher nicht wirksam von den Mikrokanalplatten 3a, 3b zur Sammelanode 4 übertragen.
  • 6B zeigt eine Simulation der elektrischen Potentiale und der Elektronenflugbahnen 13 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Der Ionendetektor 1' gleicht abgesehen davon, daß ein zusätzliches Linsensystem 8, 9 zwischen den Mikrokanalplatten 3a, 3b und der Sammelanode 4 bereitgestellt ist, im wesentlichen dem in 6A dargestellten Ionendetektor 1'. Das Linsensystem 8, 9 weist vorzugsweise drei oder mehr verhältnismäßig dünne Ringlinsenelemente auf, die gemäß einer Ausführungsform bei -50 V gehalten werden können (d.h. dem gleichen Potential wie die hinterste Mikrokanalplatte 3b), wobei das letzte Ringlinsen element 9 bei 0 V gehalten wird. Gemäß dieser Ausführungsform fokussiert das Linsensystem 8, 9 die von der hintersten Mikrokanalplatte 3b emittierten Elektronen auf den ersten Abschnitt 10 der Sammelanode 4. Das Linsensystem 8, 9 ermöglicht das Verkleinern der Kapazität und der Potentialdifferenz zwischen den Mikrokanalplatten 3a, 3b und der Sammelanode 4, während ein wirksamer Transport von Elektronen von den Mikrokanalplatten 3a, 3b zu der Sammelanode 4 aufrechterhalten wird.
  • 7A zeigt eine Simulation der elektrischen Potentiale und Elektronenflugbahnen 13 gemäß einer weniger bevorzugten Ausführungsform. Negative Ionen wurden als von einer bei 0 V gehaltenen Ionenquelle erzeugt modelliert. Die Ionen wurden zum feldfreien Flugrohr 2 eines Flugzeit-Massenanalysators beschleunigt, das bei 15 kV gehalten wurde. Die Eingangs- und Ausgangsflächen der Mikrokanalplatten 3a, 3b waren kreisförmig und hatten einen Durchmesser von 50 mm. Die Eingangsfläche und die Ausgangsfläche der Mikrokanalplatten 3a, 3b wurden bei 15 kV bzw. 17 kV gehalten. Die Sammelanode 4 war 50 mm stromabwärts der Ausgangsfläche der Mikrokanalplatten 3a, 3b angeordnet. Die Sammelanode 4 weist vorzugsweise einen ersten Abschnitt 10 auf, der von einem zweiten Abschnitt 12 durch eine Isolierschicht 11 getrennt ist. Der erste Abschnitt 10 der Sammelanode 4 wurde bei 75 kV gehalten und hatte eine kreisförmige Oberfläche mit einem Durchmesser von 25 mm. Der zweite Abschnitt 12 der Sammelanode 4 war geerdet. Eine geerdete konische Abschirmung 5 wurde als radial außerhalb der Sammelanode 4 bereitgestellt modelliert. Gemäß dieser weniger bevorzugten Ausführungsform bewirken das elektrische Feld zwischen der hintersten Mikrokanalplatte 3b (bei 17 kV gehalten) und dem ersten Abschnitt 10 der Sammelanode 4 (bei einem höheren positiven Potential von 75 kV gehalten) das Beschleunigen von Elektronen zur Sammelanode 4. Das elektrische Feld zwischen der hintersten Mikrokanalplatte 3b und dem zweiten Abschnitt 12 der Sammelanode 4, die auf dem Massepotential gehalten wird, bewirkt auch das Beschleunigen von Elektronen zurück zur hintersten Mikrokanalplatte 3b. Es ist anhand dieser Simulation ersichtlich, daß das elektrische Feld zwischen der hintersten Mikrokanalplatte 3b und dem zweiten Abschnitt 12 der Sammelanode 4 in den Bereich zwischen der hintersten Mikrokanalplatte 3b und dem ersten Abschnitt 10 der Sammelanode 4 eindringt. Dementsprechend werden von der Umgebung der hintersten Mikrokanalplatte 3b abgegebene Elektronen zu ihr zurückbeschleunigt und erreichen die Sammelanode 4 nicht. Wie anhand der Simulation ersichtlich ist, tritt dies auf, wenngleich der erste Abschnitt 10 der Sammelanode 4 auf einem Potential gehalten wird, das 58 kV höher ist als dasjenige der hintersten Mikrokanalplatte 3b. Weiterhin bewirkt das Eindringen des elektrischen Felds in den Bereich zwischen der hintersten Mikrokanalplatte 3b und dem ersten Abschnitt 10 der Sammelanode 4, daß jene Elektronen, die dennoch zur Sammelanode 4 durchgelassen werden, auf eine verhältnismäßig kleine Fläche des ersten Abschnitts 10 der Sammelanode 4 fokussiert werden. Dies kann zu einer Sättigung des Erfassungssystems führen.
  • 7B zeigt eine Simulation der elektrischen Potentiale und Elektronenflugbahnen 13 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Der erste Abschnitt 10 der Sammelanode 4 wird bei 17,75 kV gehalten, und es ist vorteilhafterweise ein zusätzliches Linsensystem 8, 9 zwischen den Mikrokanal platten 3a, 3b und der Sammelanode 4 angeordnet. Das Linsensystem 8, 9 weist vorzugsweise drei dünne Ringlinsenelemente und ein weiteres Kreisringlinsenelement 9 auf. Die Ringlinsenelemente 8, 9 werden vorzugsweise alle bei 17,75 kV gehalten. Gemäß dieser Ausführungsform verhindert das Vorhandensein des Linsensystems 8, 9 im wesentlichen, daß das elektrische Feld zwischen der hintersten Mikrokanalplatte 3b (die bei 17 kV gehalten wird) und dem zweiten Abschnitt 12 der Sammelanode 4 (die bei 0 V gehalten wird) in den Bereich zwischen der hintersten Mikrokanalplatte 3b und dem ersten Abschnitt 10 der Sammelanode 4 eindringt. Daher werden die von der Umgebung der hintersten Mikrokanalplatte 3b abgegebenen Elektronen nicht auf sie zurückbeschleunigt, so daß im wesentlichen alle von der hintersten Mikrokanalplatte 3b emittierten Elektronen auf die verhältnismäßig kleine und ferne Sammelanode 4 fokussiert werden. Daher wird die Potentialdifferenz zwischen der hintersten Mikrokanalplatte 3b und dem ersten Abschnitt 10 der Sammelanode 4 erheblich verringert, während eine wirksame Elektronenübertragung beibehalten wird. Zusätzlich verhindert das Linsensystem 8, 9, daß die Elektronen auf eine verhältnismäßig kleine Fläche des ersten Abschnitts 10 der Sammelanode 4 fokussiert werden, so daß die Elektronen vorzugsweise keine Sättigung des Erfassungssystems bewirken.
  • Der Ionendetektor 1' gemäß der bevorzugten Ausführungsform weist eine Sammelanode 4 auf, die verhältnismäßig klein ist und verhältnismäßig fern von den Mikrokanalplatten 3a, 3b angeordnet ist. Die Sammelanode 4 ist von der Aufzeichnungsvorrichtung entkoppelt, und die Verwendung eines Linsensystems 8, 9 ermöglicht, daß der bevorzugte Ionendetektor 1' mit einem geringeren elektronischen und Einschwingrauschen und mit einer höheren Bandbreite als ein herkömmlicher Ionendetektor 1 arbeitet. Der Ionendetektor 1' gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist auch in der Lage, entweder positive oder negative Ionen in Massenspektrometern zu erfassen, die Komponenten stromaufwärts des Ionendetektors 1' aufweisen, die auf verschiedenen Spannungskonfigurationen gehalten werden. Vorteilhafterweise erübrigt das Linsensystem 8, 9 das Aufrechterhalten einer übermäßig hohen Potentialdifferenz zwischen den Mikrokanalplatten 3a, 3b und der Sammelanode 4, um die Elektronen wirksam zu transportieren.
  • Die Verringerung der kapazitiven Kopplung zwischen der Sammelanode 4 und den Mikrokanalplatten 3a, 3b führt zu einer erheblichen Verringerung des Niveaus der elektronischen Rauschaufnahme und der Impedanzfehlanpassung zwischen der Sammelanode 4 und dem Koaxialkabel 6, das zum Analog-Digital-Wandler oder zum Zeit-Digital-Wandler führt.
  • Die 8A und 8B zeigen die für Isotope eines Peptids mit einem Molekulargewicht von 2564,2 erhaltenen Massenspektren, die unter Verwendung sowohl eines herkömmlichen Ionendetektors 1 als auch eines Ionendetektors 1' gemäß der bevorzugten Ausführungsform erhalten wurden. 8A zeigt die Signalintensität als Funktion des Masse-Ladungs-Verhältnisses für die Analyse positiver Ionen eines Peptids, das sich aus der tryptischen Digestion von Alpha-Casein im Molekülionenbereich ergibt. Die Daten wurden unter Verwendung eines herkömmlichen axialen Flugzeit-Massenspektrometers mit matrixunterstützter Laserdesorptionsionisation, das ein Reflektron aufweist ("MALDI- R") erfaßt. Das Spektrometer wies einen Mikrokanalplatten-Ionendetektor auf, wobei die Eingangsfläche der Sammelanode 4 14 mm hinter der Ausgangsfläche der Mikrokanalplatte angeordnet war. Wie ersichtlich ist, weist das sich ergebende Massenspektrum drei abgesetzte Massenspitzen auf, wobei auch eine verhältnismäßig große Menge von Einschwingrauschen beobachtbar ist. 8B zeigt ein entsprechendes Massenspektrum, das unter Verwendung eines Ionendetektors 1' gemäß der bevorzugten Ausführungsform erhalten wurde, wobei die Eingangsfläche der Sammelanode 4 32 mm hinter der Ausgangsfläche der hintersten Mikrokanalplatte 3b angeordnet war. Gemäß dieser Ausführungsform war die kapazitive Kopplung zwischen der Sammelanode 4 und den Mikrokanalplatten 3a, 3b erheblich verringert. Entsprechend war das Einschwingrauschen nach der Erfassung der ersten Massenspitze erheblich abgeschwächt, und es wurde daher eine vierte abgesetzte Massenspitze oberhalb des Rauschens beobachtet, das in dem in 8A dargestellten Massenspektrum in erheblichem Maße beobachtet wurde, wobei dieses unter Verwendung eines herkömmlichen Ionendetektors 1 erhalten wurde.
  • 9 zeigt die Signalintensität als Funktion des Masse-Ladungs-Verhältnisses für die Analyse negativer Ionen eines Peptids, das sich aus der tryptischen Digestion von Alpha-Casein im Masse-Ladungs-Verhältnis-Bereich von 1000 – 3500 ergibt. Die Daten wurden unter Verwendung eines Flugzeit-Massenspektrometers mit matrixunterstützter Laserdesorptionsionisation gewonnen. Das Massenspektrometer wies einen bevorzugten Ionendetektor 1' ähnlich dem in 7B dargestellten auf.
  • 10 zeigt eine Ausführungsform mit einer Doppel-Mikrokanalplattenanordnung 3a, 3b und einer Linse, die einen Elektromagneten aufweist, der einen Solenoid 14 aufweist, wobei sich ein Teil der Anode 4 innerhalb des Solenoids 14 befindet. Wenn der Solenoid 14 mit Energie versorgt wird, wird ein Magnetfeld erzeugt, wie durch die unterbrochenen Linien angegeben ist. Die unterbrochenen Linien geben die magnetischen Feldlinien an, und das Magnetfeld kann in beide Richtungen verlaufen. Es kann dafür gesorgt werden, daß von der Ausgangsfläche der hintersten Mikrokanalplatte 3b abgegebene Elektronen verhältnismäßig niedrige Energien von typischerweise bis zu etwa 100 eV aufweisen. Von der Ausgangsfläche der Mikrokanalplatte 3b abgegebene niederenergetische Elektronen laufen spiralförmig um die magnetischen Feldlinien. Es kann der Figur entnommen werden, daß die magnetischen Feldlinien im Zentrum des Solenoids 14 konzentrierter werden, so daß Elektronen von einem breiten Bereich außerhalb des Solenoids 14 in einen kleineren Bereich innerhalb des Solenoids 14 überführt werden können. Eine verhältnismäßig kleine Anode 4 kann innerhalb des Solenoids 14 angeordnet werden, um die Elektronen zu sammeln. Die Anode 4 kann aus einem nichtmagnetischen leitenden Material bestehen. Alternativ kann die Anode 4 aus einem weichmagnetischen Material, wie Eisen, weichem unlegiertem Stahl oder verschiedenen Silicium-Eisen-, Nickel-Eisen- oder Kobalt-Eisen-Legierungen bestehen, die vorzugsweise eine verhältnismäßig niedrige Koerzitivkraft von weniger als 1000 A/Meter aufweisen. Das weichmagnetische Material konzentriert das Magnetfeld im Bereich der Anode 4 weiter.
  • 11 zeigt eine andere Ausführungsform mit einer Dual- Mikrokanalplattenanordnung 3a, 3b und einer Anode 4 aus einem Permanentmagneten, der vorzugsweise eine verhältnismäßig hohe Koerzitivkraft von wenigstens 3000, 3500 oder 4000 A/Meter aufweist. Die Figur zeigt den Nordpol der magnetisierten Anode 4, die der Mikrokanalplattenanordnung 3a, 3b gegenübersteht. Alternativ kann der Detektor 1' so eingerichtet werden, daß der Südpol des Magneten der Mikrokanalplattenanordnung 3a, 3b gegenübersteht. Die unterbrochenen Linien geben die Richtung der magnetischen Feldlinien an. Es wird dafür gesorgt, daß von der Ausgangsfläche der hintersten Mikrokanalplatte 3b abgegebene Elektronen verhältnismäßig niedrige Energien, von typischerweise bis zu etwa 100 eV, aufweisen. Von der Ausgangsfläche der Mikrokanalplatte 3b abgegebene niederenergetische Elektronen laufen vorzugsweise spiralförmig um die magnetischen Feldlinien. Weil alle magnetischen Feldlinien durch die permanent magnetisierte Anode 4 laufen, werden alle niederenergetischen Elektronen zur magnetisierten Anode 4 gerichtet. Die Anode 4 besteht vorzugsweise aus einem hart- oder permanentmagnetischen Material (mit einer hohen Koerzitivkraft), wie Kohlenstoffstahl, Kobaltstahl, Chromstahl und Wolframstahl. Alternativ kann die Anode 9 aus verschiedenen Legierungen, wie Legierungen von Eisen mit Aluminium, Nickel und Kobalt oder mit Aluminium, Nickel, Kobalt und Kupfer, bestehen. Alternativ kann die Anode 4 aus verschiedenen Legierungen von Seltenerdelementen, einschließlich Legierungen von Seltenerdelementen mit Kobalt, bestehen. Beispielsweise kann die Anode 4 aus einer Legierung von Kobalt und Praseodym oder einer Legierung von Kobalt, Zer, Kupfer und Eisen bestehen.
  • Es werden weitere Ausführungsformen erwogen, bei denen die Anode 4 gemäß der in 10 dargestellten Ausführungsform auch permanent magnetisiert sein kann und eine oder mehrere Elektroden und/oder weitere magnetische Linsen bereitgestellt werden können, um Elektronen auf die Anode 4 zu lenken. In ähnlicher Weise können eine oder mehrere Elektroden und/oder magnetische Linsen bereitgestellt werden, um dabei zu helfen, Elektronen auf die permanent magnetisierte Anode 4 gemäß der in 11 dargestellten Ausführungsform zu lenken.
  • Wenngleich die verschiedenen Ausführungsformen in bezug auf die Verwendung von zwei Mikrokanalplatten 3a, 3b beschrieben wurden, ist auch vorgesehen, daß entweder eine einzige oder alternativ mehr als zwei Mikrokanalplatten bereitgestellt werden können. In ähnlicher Weise ist auch vorgesehen, daß der Ionendetektor 1' in andere Massenspektrometer als Flugzeit-Massenspektrometer aufgenommen werden kann.
  • Wenngleich die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute verstehen, daß verschiedene Änderungen an der Form und den Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne von dem in den anliegenden Ansprüchen dargelegten Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (56)

  1. Ionendetektor zur Verwendung in einem Massenspektrometer, welcher aufweist: eine oder mehrere Mikrokanalplatten, wobei bei der Verwendung Ionen an einer Eingangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten empfangen werden und Elektronen von einer Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten abgegeben werden, wobei die Ausgangsfläche eine erste Flächengröße aufweist, und eine Anode mit einer Oberfläche, von bzw. auf der Elektronen bei der Verwendung empfangen werden, wobei die Oberfläche eine zweite Flächengröße aufweist, wobei die Anode ein hart- oder permanentmagnetisches Material aufweist, so daß wenigstens einige der von der Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen auf die Anode gelenkt oder geführt werden.
  2. Ionendetektor nach Anspruch 1, wobei das hart- oder permanentmagnetische Material eine Koerzitivkraft (Hc) von wenigstens 3000, 3500 oder 4000 A/Meter aufweist.
  3. Ionendetektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anode ein Magnetfeld erzeugt, wobei wenigstens einige der von der Ausgangsfläche der einen oder der mehreren Mikrokanal platten abgegebenen Elektronen der Lorentz-Kraft infolge des magnetischen Flusses von der Anode ausgesetzt sind und einer erheblich gekrümmten Flugbahn zu der Anode hin mit axialen und gewinkelten bzw. angularen Komponenten in bezug auf die Richtung des magnetischen Flusses folgen.
  4. Ionendetektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anode ein Magnetfeld erzeugt, wobei wenigstens einige der von der Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen spiralförmig um magnetische Feldlinien zur Anode hin laufen.
  5. Ionendetektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei wenigstens 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % oder 95 % der von der Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen eine aus der folgenden Gruppe ausgewählte Energie aufweisen: (i) ≤ 500 eV, (ii) ≤ 450 eV, (iii) ≤ 400 eV, (iv) ≤ 350 eV, (v) ≤ 300 eV, (vi) ≤ 250 eV, (vii) ≤ 200 eV, (viii) ≤ 150 eV, (ix) ≤100 eV und (x) ≤ 50 eV.
  6. Ionendetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 % oder 95 % der von der Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen eine aus der folgenden Gruppe ausgewählte Energie aufweisen: (i) ≥ 1 eV, (ii) ≥ 2 eV, (iii) ≥ 5 eV, (iv) ≥ 10 eV, (v) ≥ 20 eV und (vi) 50 eV.
  7. Ionendetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Flächengröße 5 – 90 % der ersten Flächengröße beträgt bzw. ist.
  8. Ionendetektor nach Anspruch 7, wobei die zweite Flächengröße ≤ 85 %, ≤ 80 %, ≤ 75 %, ≤ 70 %, ≤ 65 %, ≤ 60 %, ≤ 55 %, ≤ 50 %, ≤ 45 %, ≤ 40 %, ≤ 35 % oder ≤ 30 % der ersten Flächengröße beträgt.
  9. Ionendetektor nach Anspruch 7, wobei die zweite Flächengröße ≤ 25 %, ≤ 20 %, ≤ 15 % oder ≤ 10 % der ersten Flächengröße beträgt.
  10. Ionendetektor nach Anspruch 7, wobei die zweite Flächengröße ≥ 10 %, ≥ 15 %, ≥ 20 % oder ≥ 25 % der ersten Flächengröße beträgt.
  11. Ionendetektor nach Anspruch 7, wobei die zweite Flächengröße ≥0 %, ≥ 35 %, ≥ 40 %, ≥ 45 %, ≥ 50 %, ≥ 55 %, ≥ 60 %, ≥ 65 %, ≥ 70 %, ≥ 75 %, ≥ 80 % oder ≥ 85 % der ersten Flächengröße beträgt.
  12. Ionendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Anode eine Stiftanode einschließt.
  13. Ionendetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei bei der Verwendung die Ausgangsfläche der einen oder der mehreren Mikrokanalplatten auf einem ersten Potential gehalten wird und die Oberfläche der Anode auf einem zweiten Potential gehalten wird.
  14. Ionendetektor nach Anspruch 13, wobei das zweite Potential positiver als das erste Potential ist.
  15. Ionendetektor nach Anspruch 14, wobei die Potential differenz zwischen der Oberfläche der Anode und der Ausgangsfläche der einen oder der mehreren Mikrokanalplatten aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: (i) 0 – 1 V, (ii) 1 – 5 V, (iii) 5 – 10 V, (iv) 10 – 15 V, (v) 15 – 20 V, (vi) 20 – 25 V, (vii) 25 – 30 V, (viii) 30 – 50 V, (ix) 50 – 100 V, (x) > 100 V und (xi) < 100 V.
  16. Ionendetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, welcher weiter aufweist: eine oder mehrere Elektroden und/oder eine oder mehrere magnetische Linsen, welche bei der Verwendung wenigstens einige der von der Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen auf die Anode lenken oder führen.
  17. Ionendetektor nach Anspruch 16, wobei die eine oder die mehreren Elektroden und/oder die eine oder die mehreren magnetischen Linsen zwischen der einen oder den mehreren Mikrokanalplatten und der Anode angeordnet sind.
  18. Ionendetektor nach Anspruch 16 oder 17, wobei die eine oder die mehreren Elektroden und/oder die eine oder die mehreren magnetischen Linsen so angeordnet sind, daß sie wenigstens einen Abschnitt der Anode umgeben.
  19. Ionendetektor nach Anspruch 16, 17 oder 18, wobei die eine oder die mehreren magnetischen Linsen einen oder mehrere Elektromagnete und/oder einen oder mehrere Permanentmagnete aufweisen.
  20. Ionendetektor nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die eine oder die mehreren Elektroden eine oder mehrere Ringlinsen aufweisen.
  21. Ionendetektor nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei die eine oder die mehreren Elektroden jeweils eine aus der folgenden Gruppe ausgewählte Dicke aufweisen: (i) ≤ 1, 5 mm, (ii) ≤ 1, 0 mm und (iii) ≤ 0, 5 mm.
  22. Ionendetektor nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei die eine oder die mehreren Elektroden eine oder mehrere Einzellinsenanordnungen mit drei oder mehr Elektroden aufweisen.
  23. Ionendetektor nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei die eine oder die mehreren Elektroden einen oder mehrere segmentierte Stabsätze aufweisen.
  24. Ionendetektor nach einem der Ansprüche 16 bis 23, wobei die eine oder die mehreren Elektroden eine oder mehrere rohrförmige Elektroden einschließen.
  25. Ionendetektor nach einem der Ansprüche 16 bis 24, wobei die eine oder die mehreren Elektroden einen oder mehrere Quadrupol-Stabsätze aufweisen.
  26. Ionendetektor nach einem der Ansprüche 16 bis 25, wobei die eine oder die mehreren Elektroden Öffnungen aufweisen, von denen Elektronen bei der Verwendung durchgelassen werden, wobei die Öffnungen im wesentlichen die gleiche Flächengröße aufweisen.
  27. Ionendetektor nach einem der Ansprüche 16 bis 26, wobei die eine oder die mehreren Elektroden Öffnungen aufweisen, von denen Elektronen bei der Verwendung durchgelassen werden, wobei die Öffnungen zur Anode hin zunehmend kleiner oder größer werden.
  28. Ionendetektor nach einem der Ansprüche 16 bis 27, wobei bei der Verwendung die Ausgangsfläche der einen oder der mehreren Mikrokanalplatten auf einem ersten Potential gehalten wird, die Oberfläche der Anode auf einem zweiten Potential gehalten wird und die eine oder die mehreren Elektroden und/oder die eine oder die mehreren magnetischen Linsen auf einem dritten Potential gehalten werden.
  29. Ionendetektor nach Anspruch 28, wobei das dritte Potential dem ersten und/oder dem zweiten Potential im wesentlichen gleicht bzw. gleich ist.
  30. Ionendetektor nach Anspruch 28, wobei das dritte Potential positiver als das erste und/oder das zweite Potential ist.
  31. Ionendetektor nach Anspruch 28, wobei das dritte Potential negativer als das erste und/oder das zweite Potential ist.
  32. Ionendetektor nach Anspruch 28, wobei das dritte Potential zwischen dem ersten und dem zweiten Potential liegt.
  33. Ionendetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche der Anode in einem Abstand x von der Ausgangsfläche der einen oder der mehreren Mikrokanal platten angeordnet ist und wobei x aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: (i) < 5 mm, (ii) 5 – 10 mm, (iii) 10 – 15 mm, (iv) 15 – 20 mm, (v) 20 – 25 mm und (vi) 25 – 30 mm.
  34. Ionendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 32, wobei die Oberfläche der Anode in einem Abstand x von der Ausgangsfläche angeordnet ist und wobei x aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: (i) 35 – 40 mm, (ii) 40 – 45 mm, (iii) 45 – 50 mm, (iv) 50 – 55 mm, (v) 55 – 60 mm, (vi) 60 – 65 mm, (vii) 65 – 70 mm, (viii) 70 – 75 mm und (ix) > 75 mm.
  35. Ionendetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Elektronen über im wesentlichen die ganze zweite Flächengröße empfangen und nachfolgend erfaßt werden können.
  36. Ionendetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anode einen ersten Abschnitt, einen zweiten Abschnitt und eine elektrisch isolierende Schicht, die zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt bereitgestellt ist, aufweist, wobei der erste Abschnitt eine Oberfläche aufweist, von der Elektronen bei der Verwendung empfangen werden.
  37. Ionendetektor nach Anspruch 36, wobei bei der Verwendung der erste Abschnitt auf einem von dem zweiten Abschnitt verschiedenen Gleichspannungspotential gehalten wird.
  38. Ionendetektor nach Anspruch 36, wobei bei der Verwendung der erste Abschnitt auf im wesentlichen dem gleichen Gleichspannungspotential wie der zweite Abschnitt gehalten wird.
  39. Ionendetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anode im wesentlichen konisch ist.
  40. Ionendetektor nach Anspruch 39, welcher weiter eine im wesentlichen konische Abschirmung aufweist, die wenigstens einen Abschnitt der Anode umgibt.
  41. Ionendetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anode eine aus der folgenden Gruppe ausgewählte Kapazität aufweist: (i) 0,01 – 0,1 pF, (ii) 0,1 – 1 pF, (iii) 1 – 10 pF und (iv) 10 – 100 pF.
  42. Ionendetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche der Anode, von bzw. auf der bei der Verwendung Elektronen empfangen werden, im wesentlichen flach bzw. eben ist.
  43. Massenspektrometer mit einem Ionendetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche.
  44. Massenspektrometer nach Anspruch 43, wobei der Ionendetektor in einem Flugzeit-Massenanalysator angeordnet ist.
  45. Massenspektrometer nach Anspruch 44, wobei der Flugzeit-Massenanalysator einen axialen Flugzeit-Massenanalysator umfasst.
  46. Massenspektrometer nach Anspruch 44, wobei der Flugzeit-Massenanalysator einen Querbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator umfasst.
  47. Massenspektrometer nach Anspruch 44, 45 oder 46, wobei der Flugzeit-Massenanalysator weiter ein Reflektron aufweist.
  48. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 43 bis 47, welches weiter einen mit dem Ionendetektor verbundenen Analog-Digital-Wandler ("ADC") aufweist.
  49. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 43 bis 48, welches weiter einen mit dem Ionendetektor verbundenen Zeit-Digital-Wandler ("TDC") aufweist.
  50. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 43 bis 49, welches weiter eine aus der folgenden Gruppe ausgewählte Ionenquelle aufweist: (i) eine Atmosphärendruck-Ionenquelle mit chemischer Ionisation ("APCI-Ionenquelle"), (ii) eine Atmosphärendruck-Photoionisations-Ionenquelle ("APPI-Ionenquelle"), (iii) eine Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle ("LDI-Ionenquelle"), (iv) eine induktiv gekoppelten Plasma-Ionenquelle ("ICP-Ionenquelle"), (v) eine Ionenquelle mit schnellem Atombeschuß ("FAB-Ionenquelle"), (vi) eine Flüssig-Sekundärionen-Massenspektrometrie-Ionenquelle ("LSIMS-Ionenquelle"), (vii) eine Feldionisations-Ionenquelle ("FI-Ionenquelle"), (viii) eine Felddesorptions-Ionenquelle ("FD-Ionenquelle"), (ix) eine Elektronenstoß-Ionenquelle ("EI-Ionenquelle") und (x) eine Ionenquelle mit chemischer Ionisation ("CI-Ionenquelle").
  51. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 43 bis 49, welches weiter eine matrixunterstützte Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle ("MALDI-Ionenquelle") aufweist.
  52. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 43 bis 49, welches weiter eine Elektrospray-Ionenquelle aufweist.
  53. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 50, 51 oder 52, wobei die Ionenquelle kontinuierlich ist.
  54. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 50, 51 oder 52, wobei die Ionenquelle gepulst ist.
  55. Verfahren zum Erfassen von Ionen mit den folgenden Schritten: Empfangen von Ionen an einer Eingangsfläche von einer oder mehreren Mikrokanalplatten, Abgeben von Ionen von einer Ausgangsfläche der einen oder mehreren Mikrokanalplatten und Lenken und Führen wenigstens einiger der von der einen oder den mehreren Mikrokanalplatten abgegebenen Elektronen auf eine Oberfläche einer Anode, wobei die Anode ein hart- oder permanentmagnetisches Material aufweist.
  56. Verfahren zur Massenspektrometrie mit einem Verfahren zum Erfassen von Ionen nach Anspruch 55.
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