DE112013006811B4

DE112013006811B4 - Mehrfach reflektierendes Flugzeitmassenspektrometer

Info

Publication number: DE112013006811B4
Application number: DE112013006811.7T
Authority: DE
Inventors: Anatoly N. Verenchikov; Mikhail Yavor
Original assignee: Leco Corp
Current assignee: Leco Corp
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2033-03-15
Also published as: US20160035558A1; GB2526450A; DE112013006811T5; GB201512893D0; US9865445B2; GB2526450B; JP2016510937A; CN105009251B; JP6321132B2; WO2014142897A1; CN105009251A

Abstract

Mehrfach reflektierender Analysator mit elektrostatischer Falle, umfassend:
zwei parallele und aufeinander ausgerichtete gitterfreie Ionenspiegel, getrennt durch eine feldfreie Region, wobei die Ionenspiegel zum Reflektieren von Ionen in einer ersten Richtung (X) angeordnet sind, wobei sich die Ionenspiegel entlang der transversalen Drift-Richtung (Z) erstrecken, um ein zweidimensionales elektrostatisches Feld E(X, Y) mit planarer Symmetrie oder mit einer hohlzylindrischen Symmetrie zu bilden, wobei die Ionenspiegel wenigstens eine Elektrode mit einem beschleunigenden Potential im Vergleich zu dem feldfreien Raumpotential aufweisen, und
mindestens eine elektrostatische Immersionslinse, die angeordnet ist, um Ionen geometrisch in der Y-Richtung zu fokussieren, und so betreibbar ist, dass sie Ionen in der ersten Richtung (X) beschleunigt und Ionen in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung verzögert, , wobei sich die mindestens eine Immersionslinse entlang der Drift-Richtung (Z) erstreckt und
von den Ionenspiegeln durch die feldfreie Region getrennt ist, und wobei die Y-Richtung orthogonal zu der ersten Richtung (X) und zu der Drift-Richtung (Z) ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft das Gebiet der massenspektroskopischen Analyse, mehrfach reflektierender Flugzeitmassenspektrometer und elektrostatischer Fallen sowie zugehörige Vorrichtungen, umfassend Ionenspiegel.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Mehrfach reflektierende Massenspektrometer, entweder Flugzeitmassenspektrometer (MR-TOF MS), offene Fallen oder elektrostatische Fallen (E-Trap), weisen gitterlose Ionenspiegel zum Bereitstellen einer isochronen Bewegung von Ionenpaketen im Wesentlichen unabhängig von Ionenenergie- und räumlicher Streuung auf.
Spiegel, die in einer Querrichtung Z beträchtlich verlängert sind, um ein zweidimensionales elektrostatisches Feld zu bilden, stellen eine wichtige Klasse von Ionenspiegeln für mehrfach reflektierende Massenspektrometer dar. Dieses Feld kann entweder eine planare oder eine hohlzylindrische Symmetrie haben. SU1725289 A1 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist, stellt ein MR-TOF MS mit Ionenspiegeln mit planarer Symmetrie vor. Ausgenommen von Z-Rändern (z-edges) ist das elektrostatische Feld zweidimensional E(X,Y), d. h. von der kartesischen Koordinate Z im Wesentlichen unabhängig. Ionen, mit einem kleinen Winkel zur X-Achse injiziert, periodisch von den Spiegeln in der X-Richtung reflektiert, in der Y-Richtung räumlich fokussiert und langsam in der Z-Richtung driftend, bewegen sich entlang Zickzackflugbahnen. US7196324 B2 , GB2476964 A , GB2477007 A , WO2011086430 A1 , und mitanhängige Patentanmeldung US20150279650 A1 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen werden, offenbaren mehrfach reflektierende Analysatoren mit hohlzylindrischen Spiegeln, die von zwei Sätzen koaxialer Ringelektroden gebildet werden. Im Gegensatz zu planaren Spiegeln eliminieren zylindrische Spiegel Z-Ränder und bilden so ein elektrostatisches Feld, das von der azimutalen Z-Richtung vollständig unabhängig ist. Der Analysator sieht ein kompaktes Falten (folding) des Ionenwegs für die Instrumentengröße vor. Bei der Anordnung von Zickzack-Ionenflugbahnen weicht der Ionenweg aber von einer zylindrischen Oberfläche ab, was Ionenspiegel verlangt, die relativ zu radialen Y-Verschiebungen hoch isochron sind.
Elektrostatische mehrfach reflektierende Analysatoren mit zweidimensionalen Spiegel von beidem - planarer und hohlzylindrischer Geometrie - sind zur Verwendung als Flugzeitanalysatoren ( SU1725289 A1 , US7385187 B2 ), offene Fallen ( GB2478300 A , WO2011107836 A1 ) und elektrostatische Fallen ( GB2476964 A , GB2477007 A , WO2011086430 A1 ) offenbart. Während Ionenpakete sich in Flugzeit- (TOF) -analysatoren entlang einem festen Weg zu einem schnell ansprechenden Detektor bewegen, werden die Ionenpakete in elektrostatischen Fallen zeitlich ungenau eingefangen. Sie werden weiter reflektiert, während sie vom Bildstromdetektor detektiert werden. Offene elektrostatische Fallen könnten als eine Hybride zwischen TOF und Fallen betrachtet werden. Ionen erreichen einen Detektor nach einer lose definierten Anzahl von Reflexionen innerhalb einer gewissen Spanne bei der Anzahl von Reflexionen.
Mehrfach reflektierende Flugzeitmassenspektrometer können mit einem Satz periodischer Linsen kombiniert werden, um Ionen in der Z-Richtung einzugrenzen, wie in GB2403063 A und US7385187 B2 offenbart wird, die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen werden. US2011186729 A1 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, beschreibt quasi-planare Ionenspiegel, bei denen dem elektrostatischen Feld planarer Symmetrie ein schwaches Feld überlagert ist, das in der Z-Richtung räumlich periodisch ist, um die Ioneneingrenzung in dieser Richtung zu ergeben. Ein derartiges periodisches Feld, allein oder mit periodischen Linsen kombiniert, ermöglicht eine beträchtliche Verringerung der Flugzeitverzerrungen aufgrund der räumlichen Z-Streuung in Ionenbündeln. GB2476964 A , GB2477007 A , WO2011086430 A1 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen werden, beschreiben periodische Linsen in der Tangentialrichtung innerhalb zylindrisch hohler Analysatoren.
Der allgemeine Trend bei der Konstruktion von mehrfach reflektierenden Massenspektrometern ist es, die Wirkung der Ionenpaketverbreiterung während periodischer Ionenbewegung zwischen den Spiegeln zu minimieren, um die Massenauflösungsleistung des Spektrometers bei vorgegebener Energietoleranz und Phasenraumakzeptanz, d. h. Akzeptanz anfänglicher Raum-, Winkel- und Energiestreuung von Ionenpaketen, zu erhöhen. Zur Verbesserung der Energietoleranz des Massenanalysators beschreibt die US4731532 A , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, einen gitterlosen Ionenspiegel mit einem reinen Bremsfeld, der eine Fokussierung zweiter Ordnung der Flugzeit T mit Bezug auf die kinetische Energie K bereitstellt, d. h. dT/dK = d²T/dK² = 0. Da sich die vorliegende Erfindung hauptsächlich mit Analysatorisochronität befasst, werden wir Zeit-pro-Energie-Fokussierung als „Energiefokussierung“ bezeichnen. In dem Paper von A. Verenchikov et al., Technical Physics, v. 50, Nl, 2005, p.73-81, die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, werden planare Ionenspiegel mit einem Beschleunigungspotential an einer der Spiegelelektroden beschrieben, die Energiefokussierung der dritten Ordnung, d. h. dT/dK = d²T/dK² = d³T/dK³ = 0, bereitstellen. Die mitanhängige Patentanmeldung US20140312221 A1 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, offenbart gitterlose Ionenspiegel mit planarer oder hohlzylindrischer Geometrie, die eine Energiefokussierung der vierten (d⁴T/dK⁴ = 0) und fünften (d⁵T/dK⁵ = 0) Ordnung besitzen. Das Erzielen einer Energiefokussierung höherer Ordnung ermöglicht die Steigerung der Energietoleranz des Massenanalysators auf > 10 % bei einer Massenauflösungsleistung über 100.000.
Da die Ionenflugzeit in gitterlosen Ionenspiegeln aufgrund einer inhomogenen Feldstruktur allgemein nicht nur von der Ionenenergie abhängt, sondern auch von der Ionenausgangskoordinate und -bewegungsrichtung, ist es wichtig, dass Ionenspiegel so ausgelegt werden, dass sie periodisches Fokussieren der Flugzeit in Bezug auf die räumliche Streuung von Ionenpaketen bereitstellen. Für zweidimensionale und Z-unabhängige Felder mit X-Richtung für Ionenreflexionen hängt die Flugzeit T durch den Analysator allgemein von der kinetischen Ionenenergie K, der räumlichen Ausgangskoordinate Y0 und der Winkelkoordinate bo ab (b = dY/dX). Bei kleinen Abweichungen von anfänglichen Ionenparametern können die Flugzeitabweichungen mit der Taylor'schen Entwicklung dargestellt werden: $\begin{array}{l} t = (T | δ) δ + (T | δ δ) δ^{2} + (T | δ δ δ) δ^{3} + (T | δ δ δ δ) δ^{4} + (T | δ δ δ δ δ) δ^{5} + \dots \\ + (T | y y) y_{0}^{2} + (T | y b) y_{0} b_{0} + (T | b b) b_{0}^{2} \\ + (T | y y δ) y_{0}^{2} δ + (T | y b δ) y_{0} b_{0} δ + (T | b b δ) b_{0}^{2} δ + \dots \end{array}$
wobei t=(T-T₀)/T₀ die relative Flugzeitabweichung ist, T₀ die Flugzeit ist, die zu einem Ion mit Null-Initialkoordinaten Y₀ = B₀ = 0 und zu dem mittleren kinetischen Energiewert K₀ korrespondiert, δ = (K - K₀)/K₀ die relative Energieabweichung ist und y = Y/H die auf die Fensterhöhe H des Ionenspiegels normalisierte Koordinate ist. Die Entwicklungs- (Aberrations-) -koeffizienten (...|...) sind normalisierte Ableitungen: (t|δ) = dt/dδ, (t|δδ) = (1/2)d²t/dδ² usw. Energiefokussierung n-ter Ordnung bedeutet, dass alle Koeffizienten bei der reinen (pure) Leistung (power) von δ bis einschließlich zur n-ten Potenz Nullen sind. Die räumliche Fokussierung der zweiten Ordnung (d. h. Flugzeitfokussierung in Bezug auf Raum- und Energiestreuung) bedeutet, dass (t|yy) = (t|yb) = (t|bb) = 0 ist, weil die gemischten Terme der zweiten Ordnung (t|yδ) und (t|bδ) aufgrund der Systemsymmetrie in Bezug auf die Ebene Y = 0 verschwinden.
Das Paper von M. Yavor et al., Physics Procedia, V. l Nl, 2008, S. 391-400, das hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, stellt Details der Geometrie und Potentiale für planare Ionenspiegel zur Verfügung, die gleichzeitig die Energiefokussierung dritter Ordnung, die räumliche Fokussierung zweiter Ordnung und die geometrische Fokussierung in der Y-Richtung bereitstellen. In derartigen Analysatoren wird die Verbreiterung von Ionenpaketen in den Spiegelfeldern von so genannten „gemischten“ Aberrationen dritter Ordnung aufgrund von Raum- und von Energiestreuung dominiert, d. h. Terme $(t | y y δ) y_{0}^{2} δ, (t | y b δ) y_{0} b_{0} δ und (t | b b δ) b_{0}^{2} δ,$
weil der Rest der Aberrationen dritter Ordnung aufgrund der Systemsymmetrie in Bezug auf die Ebene Y = 0 verschwindet. Diese Terme sind für die Verschlechterung der Auflösungsleistung von mehrfach reflektierenden Massenspektrometern auf FWHM-Niveau und noch stärker auf dem Niveau der 10-%-Peakhöhe verantwortlich. Diese Verschlechterung ist in hohlzylindrischen Analysatoren besonders bemerkbar, in denen Ionen periodisch in der radialen Y-Richtung von der „idealen“ zylindrischen Oberfläche der Ionenbewegung verschoben werden, sowie in planaren Massenanalysatoren mit periodischen Linsen, bei denen Ionen mit einer ausreichend großen Y-Streuung durch einen „doppelten orthogonalen“ Beschleuniger, der in der US2007176090 A1 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, beschrieben wird, injiziert werden.
Wie in der mitanhängigen Patentanmeldung US20140312221 A1 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, beschrieben, kann die Ordnung der Energiefokussierung durch Optimieren der Verteilung des elektrostatischen Potentials in der Ionenreflexionsregion erhöht werden. Die Verbesserung wird durch Erhöhen der Anzahl von Spiegelelektroden mit verschiedenen Elektrodenpotentialen und durch Auswählen ausreichend dünner Elektroden in der Ionenreflexionsregion erreicht. Diese Konstruktionsstrategie versagt aber in dem Fall, wenn eine Energiefokussierung hoher Ordnung gleichzeitig mit einer räumlichen Fokussierung hoher Ordnung erzielt werden soll. Energiefokussierung bis zur fünften Ordnung lässt sich in Kombination mit der räumlichen Fokussierung der zweiten Ordnung erzielen. Zum Erhalten einer Energiefokussierung der dritten Ordnung in Kombination mit der räumlichen Fokussierung der dritten Ordnung muss die Breite der Spiegelelektrode mit Beschleunigungspotential vergrößert werden, obwohl eine derartige geometrische Modifizierung die negative Folge hat, dass sie die Raumakzeptanz des Ionenspiegels reduziert. Unter Verwendung der oben erwähnten Optimierungsvorgänge lässt sich eine Energieisochronität hoher Ordnung erreichen, auf Kosten von vermehrten gemischten Aberrationen dritter Ordnung. Mit anderen Worten führt die Erhöhung der Energieakzeptanz zur Verringerung der Raumakzeptanz. Ferner ist aus der US 2007/0029473 A1 ein herkömmliches mehrfach reflektierendes Zeit-Flug-Massenspektrometer (MR-TOF MS) und ein Verfahren zur Analyse bekannt, bei dem der Flugweg der Ionen durch elektrostatische Spiegel entlang einer Trajektorie gefaltet wird und der längere Flugweg eine höhere Auflösung bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer moderaten Instrumentengröße bietet.
Ionenspiegel vom Stand der Technik besitzen daher entweder eine hohe Energieakzeptanz oder eine hohe Raumakzeptanz, aber nicht beides zur gleichen Zeit. Daher besteht ein Bedarf für die Verbesserung der räumlichen Phasenraumakzeptanz (phase space acceptance) von Ionenspiegeln, die eine hohe Energietoleranz besitzen, d. h. Flugzeitfokussierung mit Bezug auf Energie der vierten und höherer Ordnungen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Gegenstand der Erfindung ist ein mehrfach reflektierender Analysator mit elektrostatischer Falle nach Anspruch 1, wobei der Analysator umfasst: zwei parallele und aufeinander ausgerichtete gitterfreie Ionenspiegel, getrennt durch eine feldfreie Region, wobei die Ionenspiegel zum Reflektieren von Ionen in einer ersten Richtung (X) angeordnet sind, wobei sich die Ionenspiegel entlang der transversalen Drift-Richtung (Z) erstrecken, um ein zweidimensionales elektrostatisches Feld E(X, Y) mit planarer Symmetrie oder mit einer hohlzylindrischen Symmetrie zu bilden, wobei die Ionenspiegel wenigstens eine Elektrode mit einem beschleunigenden Potential im Vergleich zu dem feldfreien Raumpotential aufweisen, und mindestens eine elektrostatische Immersionslinse, die angeordnet ist, um Ionen geometrisch in der Y-Richtung zu fokussieren, und so betreibbar ist, dass sie Ionen in der ersten Richtung (X) beschleunigt und Ionen in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung verzögert, , wobei sich die mindestens eine Immersionslinse entlang der Drift-Richtung (Z) erstreckt und von den Ionenspiegeln durch die feldfreie Region getrennt ist, und wobei die Y-Richtung orhtogonal zu der ersten Richtung (X) und zu der Drift-Richtung (Z) ist. Die Erfinder haben erkannt, dass die Raumakzeptanz von planaren Flugzeitmassenanalysatoren unter Beibehaltung einer Zeit-pro-Energie-Fokussierung hoher Ordnung erhöht werden kann, indem zwischen Ionenspiegeln vom Stand der Technik eine planare Linse hinzugefügt wird, was Folgendes umfassen kann:

(a) die Spiegel haben beschleunigende und reflektierende elektrostatische Feldregionen,
(b) die planare Linse fokussiert Ionen in derselben Y-Richtung, wie die Spiegel dies tun,
(c) die Linse fokussiert die Ionen auf die Region des Bremsspiegelfelds vor,
(d) das Spiegel- und das Linsenfeld sind durch einen feldfreien Raum voneinander getrennt und
(e) die Linse ist eine Immersion (immersion), d. h. Ionen werden von der Linse in der Richtung zum Spiegel hin beschleunigt und auf dem Rückweg verlangsamt. Das bedeutet auch, dass Ionen den feldfreien Raum zwischen der Linse und dem Spiegel mit einer im Vergleich mit der Ionenenergie außerhalb des „Spiegel-plus-Linse“-Paares höheren Energie durchlaufen.

Daher sind in der erfundenen Konfiguration in jeder Spiegel-Linsen-Kombination allgemein zwei Linsenregionen gebildet: die Vorfokussierungslinse und die „interne“ Linse, die von der Beschleunigungselektrode des Ionenspiegels gebildet wird. Auf dem Weg zum Ionenspiegel werden Ionen also zweimal beschleunigt: zuerst durch die Vorfokussierungslinse und dann durch das Feld der Beschleunigungselektrode des Spiegels. Nach Durchlaufen des letzteren Felds werden die Ionen vom Bremsfeld des Spiegels reflektiert.
Fachleute könnten die Verringerung der Flugzeitaberrationen aufgrund räumlicher Ionenstreuungen in der Y-Richtung durch Bereitstellen von Mitteln zum Schrumpfen der Y-Breite von Ionenbündeln im Inneren des reflektierenden Spiegelfelds erwarten. Es ist aber wichtig, dass betont wird, dass die Vorfokussierungslinse selbst zusätzliche Aberrationen einführt, und zahlreiche Berechnungen zeigen, dass die positive Fokussierungswirkung bescheiden ist und Erwartungen nicht erfüllt werden, wenn nur irgendeine beliebige Vorfokussierungslinse verwendet wird. Die wesentliche und nicht offensichtliche Hauptsache der Erfindung ist, dass eine effiziente Verringerung gemischter Aberrationen dritter Ordnung in der Spiegel-Linsen-Kombination nur in dem Fall stattfindet, wenn die Vorfokussierungslinse eine Immersion ist (Ionen auf dem Weg zum Spiegel beschleunigt). Die Erfinder kennen zwar keinen strengen mathematischen Beweis, gründliche numerische Simulation der verschiedenen Spiegel-Linsen-Kombinationen bestätigt diese Schlussfolgerung aber.
In einer Ausgestaltung ist ein isochroner Flugzeitanalysator oder Analysator mit elektrostatischer Falle vorgesehen, umfassend:

(a) zwei parallele und aufeinander ausgerichtete gitterfreie Ionenspiegel, getrennt durch eine feldfreie Region, wobei die Spiegel zum Reflektieren von Ionen in einer ersten X-Richtung angeordnet sind, wobei die Spiegel in der transversalen Drift-Richtung Z beträchtlich verlängert sind, um ein zweidimensionales elektrostatisches Feld mit planarer Symmetrie oder mit einer hohlzylindrischen Symmetrie zu bilden,
(b) wobei die Spiegel wenigstens eine Elektrode mit einem beschleunigenden Potential im Vergleich zu dem feldfreien Raumpotential haben, die angeordnet sind, um Ionen geometrisch in der Y-Richtung zu fokussieren, und
(c) wenigstens eine planare elektrostatische Linse, die angeordnet ist, um Ionen geometrisch in der Y-Richtung zu fokussieren, wobei die genannte Linse in der transversalen Richtung Z verlängert ist und zwischen die Ionenspiegel positioniert ist.

Vorzugsweise sind die Linsen eine Immersion. In einer Ausführung sind die Spiegel vorzugsweise mit Bezug auf die Mittelebene X = 0 des Analysators symmetrisch. In einer Ausführung gibt es vorzugsweise zwei der planaren Linsen, die identisch sind und mit Bezug auf die Mittelebene des Analysators symmetrisch, eine auf jeder Seite der genannten Mittelebene, positioniert sind. In diesem Fall werden drei feldfreie Regionen gebildet: eine zwischen den Vorfokussierungslinsen und zwei zwischen der Linse und dem Spiegel. In einer Ausführung haben die zwei feldfreien Regionen zwischen Linse und Ionenspiegel verglichen mit der feldfreien Region zwischen den genannten Linsen ein höheres Beschleunigungspotential.
In einer Ausführung können einem einzelnen Vorfokussierungslinsenfeld die Felder periodischer Linsen, die zwischen Ionenspiegel positioniert und zur Eingrenzung von Ionen in der Driftrichtung Z angeordnet sind, überlagert werden. In diesem Fall ist das Array der periodischen Linsen aus Linsen mit 3-D-Feld anstelle planarer Linsen zusammengesetzt, die Ionen in beiden transversalen Richtungen Y und Z fokussieren.
In einer Ausführung kann das elektrostatische Feld von einem oder beiden Spiegeln von planarer oder hohlzylindrischer Symmetrie mit einem schwachen Feld überlagert sein, das in der Richtung Z der Verlängerung der Spiegel periodisch ist, um eine Eingrenzung der Ionen in der Z-Richtung bereitzustellen. Vorzugsweise ist das genannte räumlich modulierte elektrostatische Feld allein oder in Kombination mit einer periodischen Linse dergestalt, dass es Zeit-pro-Raum-Aberrationen in der Z-Richtung eliminiert.
Figurenliste
Im Folgenden werden nun verschiedene Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung zusammen mit der Anordnung nur zu Veranschaulichungszwecken und in Bezug auf die Begleitzeichnungen nur beispielhaft beschrieben, in denen:

1 einen planaren Vier-Elektroden-Ionenspiegel vom Stand der Technik (MPA-1) mit Energiefokussierung dritter Ordnung, räumlicher Fokussierung zweiter Ordnung und kompensierten gemischten Aberrationen zweiter Ordnung abbildet. Probenionenflugbahnen und die Verteilung des elektrostatischen Potentials U(X) in der Mittelebene (Y = 0) sind für das Verhältnis der mittleren kinetischen Ionenenergie zur Ladung K₀/Q = 4500 V gezeichnet.
2 eine typische Flugzeitverbreiterung in Ionenspiegeln MPA-1 vom Stand der Technik von 1 als eine Funktion der Ionenenergie im Fall von finiter Energie- K- und räumlicher Y-Streuungen von Ionenbündeln zeigt.
3 einen Ionenspiegel vom Stand der Technik (MPA-2) abbildet, der die Energiefokussierung der fünften Ordnung erreichen kann. Die Verteilungen des elektrostatischen Potentials U(X, Y = 0) für K₀/Q = 4500 V sind für drei Abstimmungsmodi MPA-2-3, MPA-2-4 und MPA-2-5, die zu der Energiefokussierung der dritten, vierten und fünften Ordnung korrespondieren, dargestellt. Zwischen Einstellmodi erlaubt eine Energiefokussierung niedrigerer Ordnung eine bessere Kompensation räumlicher und Gemischtterm-Aberrationen.
4 die Ionenflugzeit gegenüber der Ionenenergie bei Y = 0 für Ionenspiegel MPA-2 vom Stand der Technik von 3 bei den drei oben erwähnten Abstimmungsmodi grafisch darstellt.
5 die typische Flugzeitverbreiterung als eine Funktion der Ionenenergie bei finiter ionischer Y-Raum-Streuung im MPA-2-Spiegel beim Abstimmungsmodus MPA-2-3, der Energiefokussierung der 3. Ordnung bereitstellt, zeigt.
6 die typische Flugzeitverbreiterung als eine Funktion der Ionenenergie bei finiter ionischer Y-Raum-Streuung im MPA-2-Spiegel beim Abstimmungsmodus MPA-2-4, der Energiefokussierung der 4. Ordnung bereitstellt, zeigt.
7 die typische Flugzeitverbreiterung als eine Funktion der Ionenenergie bei finiter ionischer Y-Raum-Streuung im MPA-2-Spiegel beim Abstimmungsmodus MPA-2-5, der Energiefokussierung der 5. Ordnung bereitstellt, zeigt.
8 eine Ionenspiegel-Linsen-Kombination (ML-1) der vorliegenden Erfindung abbildet. Die Energiefokussierung der vierten Ordnung wird gleichzeitig mit viel kleineren (verglichen mit MPA-1 und MPA-2) gemischten Aberrationen dritter Ordnung erreicht. Probenionenflugbahnen und die Verteilung des elektrostatischen Potentials U(X, Y = 0) korrespondieren zu K₀/Q = 4500 V.
9 die typische Flugzeitverbreiterung als eine Funktion der Ionenenergie bei finiter ionischer Y-Raum-Streuung in der Spiegel-Linsen-Kombination ML-1 von 8 zeigt, abgestimmt zum Kompensieren der ersten bis vierten Energieableitungen (dT/dK = d²T/dK² = d³T/dK³ = d⁴T/dK⁴ = 0).
10 die typische Flugzeitverbreiterung als eine Funktion der Ionenenergie bei finiter ionischer Y-Raum-Streuung in der Spiegel-Linsen-Kombination ML-1 bei einer alternativen Analysatorabstimmung zeigt, die nicht null (non-zero) entspricht, aber die erste und dritte Energieableitung (d²T/dK² = d⁴T/dK⁴ = 0, dT/dK ≠ 0, d³T/dK³ ≠ 0) teilweise gegenseitig kompensiert, um die Zeitverbreiterung insgesamt zu minimieren.
11 eine Ionenspiegel-Linsen-Kombination (ML-2) der vorliegenden Erfindung abbildet, die die Energiefokussierung der fünften Ordnung bereitstellt und gleichzeitig gemischte Aberrationen der dritten Ordnung eliminiert. Die Verteilung des elektrostatischen Potentials U(X, Y = 0) ist für K₀/Q = 4500 V gezeichnet.
12 die typische Flugzeitverbreiterung als eine Funktion der Ionenenergie bei finiter ionischer Y-Raum-Streuung in der Spiegel-Linsen-Kombination ML-2 von 11 zeigt.
13 einen Vergleich der Peakformen für Massenanalysatoren mit verschiedenen Ionenspiegeln darstellt:
1. A - „idealer“ Analysator, der keine Flugzeitaberrationen besitzt,
2. B - Massenanalysator mit MPA-1-Spiegeln,
3. C - Massenanalysator mit MPA-2-Spiegeln im Modus MPA-2-3 zur Fokussierung 3. Ordnung,
4. D - Massenanalysator mit MPA-2-Spiegeln im Modus MPA-2-3 zur Fokussierung 5. Ordnung,
5. E - Massenanalysator mit den Spiegel-Linsen-Kombinationen ML-2.
Peakformen werden an Zeit-Fokus-Positionen berechnet. Analysatoren sind so dimensioniert, dass sie die gleiche Flugzeit T₀ aufrecht erhalten. In allen Fällen haben Ionenpakete die gleiche relative Anfangsstreuung: Gauß'sche Energieverteilung bei σ_K = 0,01 IK", gleichförmige Y-Verteilung bei voller Höhe (full height) von 2Y₀ = 0,133H und Gauß'sche Verteilung von Ionenstartzeiten, die zu der Massenauflösungsleistung von R_m = T₀/(2ΔT₁) = 300.000 bei FWHM korrespondieren.
14 eine schematische Blockdarstellung von Spiegel-Linsen-Kombinationen der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie in GB2403063 A und US7385187 B2 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen werden, offenbart, weist ein mehrfach reflektierender Flugzeitanalysator vom Stand der Technik zwei Ionenspiegel auf, die in einer Driftrichtung Z verlängert, einander zugekehrt und durch einen Driftraum voneinander getrennt sind. Die Ionenpakete bewegen sich entlang Zickzack-Flugbahnen, wobei sie periodisch in der X-Richtung zwischen den Spiegeln reflektiert werden. Zickzack-Flugbahnen werden durch Injektion von Ionen in einem kleinen Winkel zur X-Achse und durch räumliche Ioneneingrenzung in einer periodischen Linse angeordnet.
In 1, auf die Bezug genommen wird, wird ein planarer Spiegel der US7385187 B2 (MPA-1) an der XY-Ebene gezeigt, die zur Z-Richtung der Spiegelverlängerung orthogonal ist. Das elektrostatische Feld wird durch Anlegen von Spannungen an vier Elektroden (#1 - #4) gebildet. Der Abstand zwischen den äußeren Kappenelektroden (Elektroden #1) beträgt 2X₀. Die Tabelle 1 stellt Y-Breiten L der Elektroden, die auf die Y-Höhe H des Spiegelfensters normalisiert sind, so wie Elektrodenpotentiale, die auf K₀/Q normalisiert sind, dar, wobei Q die Ionenladung und K₀ die mittlere kinetische Ionenenergie im feldfreien Raum ist. Die elektrostatischen Potentiale bremsen an den Elektroden #1 und #2, sind an der Elektrode #3 fast auf Drift-Potential und beschleunigen an der Elektrode #4 (siehe Tabelle 1). Analysatoren vom Stand der Technik sind zwar bei gefloatem (potentialfreien) Drift-Raum in Betrieb, für Simulationszwecke ist das Drift-Potential aber auf null gesetzt (U = 0 in 1) und Spiegelpotentiale werden mit K₀/Q verschoben, d. h. experimentell verwendete normalisierte Potentiale sind verglichen mit simulierten um 1 kleiner.
Tabelle 1: Geometrie und Elektrodenpotentiale für den Spiegel MPA-1 vom Stand der Technik

Elektrode #1 #2 #3 #4

Normalisierte Breite, L/H 0,917 0,917 0,917 0,917

Normalisiertes Potential, UQ/K₀ 1,361 0,969 -0,139 -1,898
Die axiale Verteilung des elektrostatischen Potentials U(X, Y = 0) für MPA-1, wieder mit Bezug auf 1, zeigt, dass das Spiegelfeld bei einem bestimmten Ionenspiegel mitXo = 308 mm und H = 30 mm aus zwei Regionen besteht - der Region des Beschleunigungsfelds (U < 0 für positive Ionen) und der Region des Reflexionsfelds (U > 0 für positive Ionen). Die Region des Beschleunigungsfelds führt eine geometrische Ionenfokussierung in der Y-Richtung durch, wie aus Probenionenflugbahnen ersichtlich ist. Die Fokussierungsstärke wird abgestimmt, indem Potential #4 so eingestellt wird, dass ein auf den Spiegel auftreffender paralleler Ionenstrahl so fokussiert wird, dass er in einen Punkt (bei paraxialer Näherung) an der Mittelebene des Analysators zurückkehrt. Derartige geometrische Fokussierung ergibt nach vier Spiegelreflexionen die Transformation einer Ionenflugbahn in sich selbst. Die ionenoptischen und isochronen Eigenschaften der Flugzeitanalysatoren mit MPA-1-Spiegeln wurden z. B. in dem Paper von M. Yavor et al., Physics Procedia, V. l Nl, 2008, S.391-400, das hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, ausführlich beschrieben. Die richtige Abstimmung der Spiegel ergibt gleichzeitig an der Mittelebene des Analysators die folgenden Eigenschaften: die oben erwähnte geometrische Fokussierung in der Y-Richtung, die Energiefokussierung der dritten Ordnung (t|δ) = (t|δδ) =(t|δδδ) = 0 nach jeder Ionenreflexion und die räumliche Fokussierung zweiter Ordnung (t|y) = (t|b) =(t|yδ) = (t|bδ) = (t|yy) = (t|yb) = (t|bb) = 0 nach zwei Spiegelreflexionen.
In 2, auf die nun Bezug genommen wird, wird ein simuliertes Diagramm der Ionenverteilung in der normalisierten Zeit-Energie-Ebene an einer Zeit-Fokus-Ebene (an der Mittelebene des Analysators befindlich) nach einer geraden Anzahl von Spiegelreflexionen im MPA-1-Analysator von 1 gezeigt. Das anfängliche Ionenbündel hat eine Gauß'sche Energieverteilung bei σ_K = 0,011 K₀ und eine gleichförmige Y-Verteilung bei voller Höhe von 2Y₀ = 0,133H. Das Diagramm kennzeichnet eine maximale Ionenbündelverbreiterung von ΔT/T₀ ~ 2,5 × 10^-5 aufgrund von Analysatoraberrationen. Die zu einzelnen „Proben“-Ionen korrespondierenden Punkte sind weitgehend zwischen zwei Kurven eingeschlossen: (T-T₀)/T₀ = (t|δδδδ)δ⁴ und $(T - T_{0} / T_{0}) = (t | δ δ δ δ) δ^{4} + (t | y y δ) y_{0}^{2} δ,$
zusammengesetzt aus Energie und gemischten Aberrationen dritter Ordnung. Bei guter Genauigkeit dominieren die Aberrationen (t|δδδδ)δ⁴ und $(t | y y δ) y_{0}^{2} δ$
bei der Verbreiterung von Flugzeitpeaks. Die Werte der entsprechenden Energieaberrationskoeffizienten und einiger höherer (5. und 6.) Ordnung sind in Tabelle 2 dargelegt.
Tabelle 2: Aberrationskoeffizienten des Massenanlysators mit MPA-1-Spiegeln

Aberrationskoeffizient Wert

(t|δδδδ) 11,5

(t|δδδδδ) 8,50

(t|δδδδδδ) -115,3

(t|yyδ) 0,0272
Auf der Basis der Aberrationskoeffizientenwerte können die Größen (magnitudes) der durch Aberrationen verursachten Zeitstreuung für bestimmte Energie- und Koordinatenstreuungswerte berechnet werden. Nehmen wir zum Beispiel die Gesamtflugzeit T₀ = 1 ms an und betrachten ein Ionenbündel von 2 mit Gauß'scher Energieverteilung bei σ_K=0,011 und mit der gleichförmigen Koordinatenverteilung von Y₀/H = ±0,067. Dann weichen etwa 95 % der Ionen um weniger als δ = 2σ_K = ±0,022 von der mittleren Energie ab, d. h. sie bleiben innerhalb der gesamten Energiestreuung von 4,4 %. Aufgrund der Aberration vierter Ordnung (t|δδδδ)δ⁴ ist die maximale Abweichung der normalisierten Flugzeit gleich 11,5 · 0,022⁴ ≈ 2,6E-6 und die absolute Zeitstreuung ist 2,6 ns. In ähnlicher Weise trägt die Aberration 5. Ordnung (t|δδδδδ)δ⁵ 8,5 · 0,022⁵ ≈ 9E-8 bei, was 0,09 ns entspricht Ein zusätzlicher Faktor 2 erscheint, da Abweichungen mit entgegengesetztem Vorzeichen für Aberrationen ungerader Ordnung addiert werden. Die Koordinatenstreuung trägt hauptsächlich aufgrund der gemischten Aberration $(t | y y δ) y_{0}^{2} δ$
als 0,0727 · 0,067² · 2 · 0,022 ≈ 1,4E-5 und absoluter Wert von 14 ns zur Flugzeitstreuung bei.
In 3, auf die nun Bezug genommen wird, wird ein weiterer Ionenspiegel vom Stand der Technik (MPA-2) gezeigt, wobei der entsprechende Flugzeitmassenanalysator aus zwei derartigen Spiegeln zusammengesetzt ist, die einander zugekehrt positioniert und durch einen Drift-Raum voneinander getrennt sind. Der Spiegel wird in einer mitanhängigen Anmeldung US20140312221 A1 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, beschrieben. Der Spiegel stellt für die Energiefokussierung der fünften Ordnung (t|δ) = (t|δδ) = (t|δδδ) = (t|δδδδ) = (t|δδδδδ) = 0 bereit Zu diesem Zweck ist die Spiegelkappe von der Elektrode #1 getrennt und bildet eine separate Elektrode #0, Bremsspannungen werden an die Elektroden #1, #2# und #3 angelegt, das feldfreie Potential (U = 0 in 3) wird an die Elektrode #4 angelegt und an die Elektrode #5 wird ein Beschleunigungspotential angelegt. Die Spiegelgrößen und die elektrische Abstimmung der Spiegelelektroden im Energiefokussiermodus der fünften Ordnung (MPA-2-5) sind in der Tabelle 3 dargelegt, wobei die Trennung/Abstand zwischen den Kappen 2X₀ = 908 mm ist und die Höhe des Spiegelfensters H = 30 mm ist.

Tabelle 3. Geometrie und Elektrodenpotentiale für den Spiegel MPA-2 vom Stand der Technik

Elektrode		#0	#1	#2	#3	#4	#5
Normalisierte Breite, L/H		-	0,433	0,484	0,933	0,883	3,342
Normalisiertes Potential, UQ/K₀	Energiefokussierung 5. Ordnung (MPA-2-5)	1,222	1,387	1,059	0,919	0	-0,977
	Energiefokussierung 4. Ordnung (MPA-2-4)	1,539	1,116		0,934	0	-1,009
	Energiefokussierung 3. Ordnung (MPA-2-3)	1,267			0,981	0	-1,046

Durch elektrisches Verbinden benachbarter Elektroden kann die Zahl unabhängig einstellbarer Spannungen reduziert werden, und der Spiegel MPA-2 kann abgestimmt werden, so dass die Ordnung der Energiefokussierung auf die vierte (t|δ) = (t|δδ) = (t|δδδ) = (t|δδδδ) = 0 (MPA-2-4-Modus) oder auf die dritte (t|δ) = (t|δδ) = (t|δδδ) = 0 (MPA-2-3) verringert werden kann. Die entsprechenden elektrischen Abstimmungsmodi sind in Tabelle 3 gezeigt und die Potentialverteilungen U(X, Y = 0) sind in 3 gezeigt.
In unseren eigenen Simulationen, mit Bezug auf Tabelle 4, stellten wir fest, dass durch Opfern der Energiefokussierung eine gleichzeitige Verringerung der gemischten Aberrationen dritter Ordnung möglich ist. Beispielsweise sind die Geometrie und Potentiale des Spiegels MPA-2 so optimiert, dass im Modus MPA-2-3 der Energiefokussierung der dritten Ordnung Folgendes erreicht wird: räumliche Fokussierung zweiter Ordnung (t|y) = (t|b) =(t|yy) = (t|yb) = (t|bb) = 0; und gemischte Aberrationen dritter Ordnung eliminiert werden: (t|yyδ)= (t|ybδ) = (t|bbδ) = 0. Das bedeutet die volle Flugzeitfokussierung dritter Ordnung, weil alle übrigen Aberrationskoeffizienten dritter Ordnung im Analysator aufgrund der Systemsymmetrie mit Bezug auf die Y = 0-Ebene automatisch verschwinden. Die dominierende nicht verschwindende Aberration bleibt in diesem Fall die Aberration vierter Ordnung (t|δδδδ)δ⁴.

Tabelle 4. Aberrationskoeffizienten des Massenanalysators mit MPA-2-Spiegeln

Aberrationskoeffizient	Wert
Aberrationskoeffizient	Energiefokussierung 5. Ordnung (MPA-2-5)	Energiefokussierung 4. Ordnung (MPA-2-4)	Energiefokussierung 3. Ordnung (MPA-2-3)
(t\|δδδδ)	0	0	26,0
(t\|δδδδδ)	0	-118,0	42,7
(t\|δδδδδδ)	646,2	-186,8	-437,6
(t\|yyδ)	0,0270	0,0165	0

In 4, auf die nun Bezug genommen wird, werden die Abhängigkeiten der Flugzeit von der Ionenenergie in den drei oben besprochenen Modi dargestellt. Diese Abhängigkeiten zeigen, dass, wenn die gemischten Aberrationen dritter Ordnung vernachlässigt werden könnten, die Erhöhung der Energiefokussierungsordnung zu einer beträchtlichen Verringerung der Zeit-Peak-Verbreiterung führen würde. Für eine beispielhafte Energiestreuung von 7 % geht die Zeitstreuung beim Vorrücken von der Energiefokussierung der dritten zur vierten und dann zur fünften Ordnung entsprechend um das 3- und das 30-fache zurück. Wie in der Tabelle 4 gezeigt, verursacht das Erhöhen der Energiefokussierungsordnung aber eine Zunahme der gemischten Aberration dritter Ordnung (t|yyδ) was die Verbesserung der Zeit-Peak-Verbreiterung insgesamt reduziert und somit die Energietoleranz des Analysators begrenzt.
In 5, auf die nun Bezug genommen wird, wird ein Diagramm der Flugzeitverteilung in der Zeit-Energie-Ebene an einer Zeit-Fokus-Ebene nach einer geraden Anzahl von Ionenreflexionen durch MPA-2-Spiegel von 3, auf den Modus MPA-2-2 zur Energiefokussierung dritter Ordnung abgestimmt, was auch eine vollständige Fokussierung dritter Ordnung ergibt, gezeigt. Das anfängliche Ionenbündel hat eine Gauß'sche Energieverteilung bei σ_K = 0,011 K₀ und eine gleichförmige Y-Verteilung bei voller Höhe von 2Yo = 0,133H, die gleiche wie die für das Diagramm von 2 verwendete. Aufgrund der Eliminierung der gemischten Aberrationen dritter Ordnung folgen die Punkte des Diagramms ungefähr der Kurve (T-T₀)/T₀ = (t|δδδδ)δ⁴, was bedeutet, dass die Aberration vierter Ordnung (t|δδδδ)δ⁴ bei der Flugzeitverbreiterung dominiert. Beim Vergleich der Tabellen 2 und 4 hat der Spiegel MPA-2 im MPA-2-3-Abstimmungsmodus verglichen mit dem Spiegel MPA-1 einen mehr als zweimal so großen Aberrationskoeffizienten (t|δδδδ), was wieder den allgemeinen Trend reflektiert: Energieaberrationen nehmen beim Abstimmen auf gemischte Aberrationen der niedrigeren dritten Ordnung zu. Beim Vergleich von 2 und 5 ist die Zeitverbreiterung trotz einer gesamten Fokussierung einer formell höheren Ordnung etwas höher als in 5.
6, auf die nun Bezug genommen wird, zeigt ein Diagramm der Flugzeitverteilung in der Zeit-Energie-Ebene an einer Zeit-Fokus-Ebene nach einer geraden Anzahl von Ionenreflexionen durch die MPA-2-Spiegel von 3, abgestimmt auf den Energiefokussierungsmodus der vierten Ordnung MPA-2-4. Das anfängliche Ionenbündel hat eine Gauß'sche Energieverteilung bei σ_K = 0,011 K₀ und eine gleichförmige Y-Verteilung bei voller Höhe von 2Yo = 0,133H, wie zur Erstellung des Diagramms von 2 und 5 verwendet. Das Diagramm zeigt offensichtlich einen gewissen Beitrag der nicht verschwindenden Aberration $(t | y y δ) y_{0}^{2} δ .$
Ähnlich wie in 2 sind die den einzelnen Ionen entsprechenden Punkte weitgehend zwischen zwei Kurven eingeschlossen: symmetrische und geneigte Kurven entsprechend $(T - T_{0}) / T_{0} = (t | δ δ δ δ δ) δ^{5} und (T - T_{0}) / T_{0} = (t | δ δ δ δ δ) δ^{5} + (t | y y δ) y_{0}^{2} δ .$
Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, ist die Aberration (t|δδδδδ)δ⁵ gegenüber der Aberration $(t | y y δ) y_{0}^{2} δ$
dominierend (vorbehaltlich anfänglicher δ- und y-Streuungen). Verglichen mit der Energiefokussierung der dritten Ordnung ermöglicht die Energiefokussierung der vierten Ordnung daher eine um das Dreifache kleinere Zeitstreuung, was mit dem Diagramm von 4 übereinstimmt.
7, auf die nun Bezug genommen wird, zeigt ein Diagramm der Flugzeitverteilung in der Zeit-Energie-Ebene an einer Zeit-Fokus-Ebene nach einer geraden Anzahl von Ionenreflexionen durch die MPA-2-Spiegel von 3, abgestimmt auf den Energiefokussierungsmodus der fünften Ordnung MPA-2-5. Das anfängliche Ionenbündel hat eine Gauß'sche Energieverteilung bei σ_K = 0,011 K₀ und eine gleichförmige Y-Verteilung bei voller Höhe von 2Yo = 0,133H, wie zur Erstellung des Diagramms von 2, 5 und 6 verwendet. Ähnlich wie in 6 sind in 7 die den einzelnen Ionen entsprechenden Punkte zwischen zwei Kurven eingeschlossen: symmetrische und geneigte Kurven entsprechend (T-T₀)/T₀ = (t|δδδδδδ)δ⁶ und $(T - T_{0}) / T_{0} = (t | δ δ δ δ δ δ) δ^{6} + (t | y y δ) y_{0}^{2} δ .$
Der Beitrag der nicht verschwindenden Aberration $(t | y y δ) y_{0}^{2} δ$
wird aber (anders als in 6) absolut dominierend. Umschalten zwischen den Modi MPA-2-4 und MPA-2-5 verbessert die Zeitstreuung nur um das 1,5-fache anstatt das von 4 vorhergesagte Zehnfache.
Daher hat bei „typischen“ Ionenspiegeln vom Stand der Technik, die aus zwei Regionen mit Reflexions- und Beschleunigungsfeld bestehen, die Verbesserung der Zeit-pro-Energie-Fokussierung wegen der unvermeidlichen und dominierenden gemischten Aberrationen dritter Ordnung eine begrenzte Wirkung auf die Auflösungsleistung und auf die Energietoleranz.
Spiegel-Linsen-Kombinationen der vorliegenden Erfindung
In 8, auf die nun Bezug genommen wird, wird eine Kombination aus einem planaren Spiegel und einer planaren Linse in der XY-Ebene gezeigt und als ML-1 bezeichnet. Sowohl der Ionenspiegel als auch die planare Linse sind in der Z-Richtung beträchtlich verlängert, so dass sie im Wesentlichen zweidimensionale elektrostatische Felder in der XY-Ebene, orthogonal zur Z-Richtung, bilden. Ein mehrfach reflektierender Flugzeitanalysator umfasst zwei derartige Spiegel-Linsen-Kombinationen, die einander zugekehrt positioniert und durch einen feldfreien Drift-Raum voneinander getrennt sind. Zu Simulierungszwecken ist das Driftpotential auf null gesetzt U_D = 0. Das elektrostatische Feld des Spiegels wird von Elektroden #1 bis #5 gebildet. An die Elektroden #1, #2# und #3 werden Bremsspannungen angelegt, wodurch das Reflexionsfeld des Spiegels gebildet wird. Die Elektrode #4 ist auf Drift-Potential (U₄ = U_D = 0). Zur geometrischen Ionenfokussierung (U₅ < U₆ für positive Ionen) wird die höchste Beschleunigungsspannung an die Elektrode #5 angelegt. Die Elektrode #6 spielt für den feldfreien Schirm für den Spiegel eine Rolle. Diese Elektrode ist lang genug, so dass eine feldfreie Region der Elektrode #6 den Spiegel von der Vorfokussierungslinse trennt, die durch Anlegen von U₆ < U_D (für positive Ionen) gebildet wird. Das Potential der Elektrode #6 ist niedriger vorgespannt als das Drift-Potential U_D = 0, um zwischen der Schirmelektrode #6 und dem Drift bei dem Potential U = 0 eine Immersionslinse zu bilden. Eine derartige Immersionslinse beschleunigt sich zum Spiegel hin bewegende Ionen. Die in 8 gezeigten Probenionenflugbahnen demonstrieren, dass die Ionen auf dem Weg zum Spiegel zuerst von der Immersionslinse und dann außerdem noch von der in der Beschleunigungsfeldregion des Ionenspiegels gebildeten Linse geometrisch fokussiert werden. Die Elektrodenbreiten und Optionen für die elektrische Abstimmung sind in Tabelle 5 dargelegt. Für die besondere Spiegel-Linsen-Kombination ML-1 beträgt der Abstand zwischen den Kappen 2X₀ = 836 mm und die Höhe des Spiegelfensters beträgt H = 24 mm.

Tabelle 5. Geometrie und Elektrodenpotentiale für die Spiegel-Linsen-Kombination ML-1

Elektrode		#1	#2	#3	#4	#5	#6
Normalisierte Breite, L/H		0,375	0,350	0,750	0,750	2,333	4,958
Normalisierte s Potential, UQ/K₀	(t\|δ) = (t\|δδ) = (t\|δδδ) = (t\|δδδδ) = 0	1,296	1,077	0,924	0	-1,155	-0,639
Normalisierte s Potential, UQ/K₀	(t\|δ) ≠ 0, (t\|δδδ) ≠ 0	1,293	1,076	0,924	0	-1,152	-0,638

Die Spiegel-Linsen-Kombination ML-1 ist dafür ausgelegt, dass die Energiefokussierung der vierten Ordnung
(t|δ) = (t|δδ) = (t|δδδ) = (t|δδδδ) = 0 zusammen mit unerheblich kleinen gemischten Aberrationen dritter Ordnung erzielt wird, wodurch die Aufgabe der Erfindung gelöst wird.
In 9, auf die jetzt Bezug genommen wird, wird ein Diagramm der Flugzeitverteilung in der Zeit-Energie-Ebene an einer Zeit-Fokus-Ebene (in der Mittelebene des Analysators befindlich) nach einer geraden Anzahl von Ionenreflexionen vom Spiegel ML-1 von 8 für ein Ionenbündel mit derselben relativen anfänglichen Energie- und Y-Koordinaten-Streuung, die sie zur grafischen Darstellung der 2, 5 bis 7 verwendet wird (Gauß'sche Energieverteilung bei σ_K = 0,011 K₀ und gleichförmige Y-Verteilung bei voller Höhe von 2Yo = 0,133H), gezeigt Die gemischte Aberration dritter Ordnung wird fast aufgehoben und die Aberration fünfter Ordnung (t|δδδδδ)δ⁵ wird dominierend. Infolgedessen wird die Amplitude der Flugzeitverbreiterung verglichen mit dem Analysator vom Stand der Technik mit einer Energiefokussierung der vierten Ordnung MPA-2-4 von 6 um das Dreifache kleiner.
In 10, auf die jetzt Bezug genommen wird, wird ein Diagramm der Flugzeitverteilung in der Zeit-Energie-Ebene an einer Zeit-Fokus-Ebene nach einer geraden Anzahl von Ionenreflexionen durch den Spiegel ML-1 für ein Ionenbündel mit derselben anfänglichen Energie- und Y-Koordinaten-Streuung, wie sie zur grafischen Darstellung von 9 verwendet wird, aber im Fall einer leicht verschiedenen elektrischen Abstimmung gezeigt. Bei dieser „verschobenen“ Abstimmung werden die Aberrationskoeffizienten erster und dritter Ordnung (t|δ) und (t|δδδ) nicht vollständig eliminiert, sondern auf einige kleine Werte abgestimmt, so dass die Amplitude der Flugzeitverbreiterung für eine vorgegebene Energiestreuung minimiert wird. Eine mögliche Option für eine derartige Abstimmung ist es, die Abhängigkeit t(δ) durch ein Tschebyschow (Chebychev)-Polynom fünfter Ordnung darzustellen. Für die Diagramme der 9 und 10 werden die entsprechenden elektrischen Abstimmungen in Tabelle 5 dargestellt und die Werte relevanter Aberrationskoeffizienten werden in Tabelle 6 gezeigt. Beim Vergleich von 9 und 10 ist die Amplitude der Flugzeitverbreiterung in der „verschobenen“ Abstimmung um das Zweifache kleiner.

Tabelle 6. Relevante Aberrationskoeffizienten für zwei Abstimmungen der Spiegel-Linsen-Kombination ML-1

Aberrationskoeffizient	Wert
Aberrationskoeffizient	(f\|δ) = (t\|δδ) = (t\|δδδ) = (t\|δδδδ) = 0	(t\|δ) ≠ 0, (t\|δδδ) ≠ 0
(t\|δ)	0	-1,3 × 10^-5
(t\|δδ)	0	0
(t\|δδδ)	0	0,051
(t\|δδδδ)	0	0
(t\|δδδδδ)	-37,1	-37,1
(t\|δδδδδδ)	251,1	259,1
(t\|yyδ)	0,00297	0,00270

In 11, auf die nun Bezug genommen wird, wird noch eine weitere Geometrie (ML-2) eines mit einer planaren Linse kombinierten planaren Spiegels gezeigt. In dieser Kombination ist der Trennungsabstand von dem Spiegel und der Linse verglichen mit der ML-1-Geometrie (durch die Fensterhöhe H normalisierte Breite der Elektrode #6 beträgt in ML-2 8,10, verglichen mit 4,96 in ML-1) beträchtlich größer, was das Eliminieren von gemischten Aberrationen dritter Ordnung gleichzeitig mit der Energiefokussierung der fünften Ordnung erlaubt. Die Breiten aller Elektroden und der Modus der elektrischen Abstimmung sind in Tabelle 7 angegeben. Die Absolutwerte des Abstands zwischen den Kappen und der Spiegelfensterhöhe sind 2X₀ = 1080 mm und H = 30 mm.
Tabelle 7: Geometrie und Elektrodenpotentiale für die Spiegel-Linsen-Kombination ML-2

Elektrode #1 #2 #3 #4 #5 #6

Normalisierte Breite, L/H 0,458 0,423 0,82 0,917 0,917 8,100

Normalisiertes Potential, UQ/K₀ 1,265 1,054 0,918 0 -1,313 -0,581
In 12, auf die nun Bezug genommen wird, wird ein Diagramm der Flugzeitverteilung in der Zeit-Energie-Ebene (time energy plane) an einer Zeit-Fokus-Ebene (time focal plane) nach einer geraden Anzahl von Ionenreflexionen durch den Spiegel ML-2 von 11 für ein Ionenbündel mit derselben anfänglichen Energie- und Y-Koordinaten-Streuung, wie sie zur grafischen Darstellung der 2, 5 bis 7, 9 und 10 verwendet wird (Gauß'sche Energieverteilung bei σ_K =0,011 K₀ und gleichförmige Y-Verteilung bei voller Höhe von 2Y₀ = 0,133H), gezeigt Wie deutlich zu sehen ist, wird die Aufgabe der Erfindung gelöst, d. h. die Amplitude der normalisierten Zeitstreuung wird bis auf ΔT/T₀ < 10^-6 reduziert. Mit Spiegel zur Energiefokussierung der fünften Ordnung beim Abstimmungsmodus MPA-2-5 von 7 wurde die Amplitude der Flugzeitverbreiterung fast um das Zehnfache kleiner als beim Analysator vom Stand der Technik. Wie in Tabelle 8 gezeigt, wird die Zeitstreuung nach dem Eliminieren der räumlichen Aberration dritter Ordnung, der gemischten Aberrationen dritter Ordnung zusammen mit den Energieaberrationen fünfter Ordnung von Aberrationen höherer Ordnung dominiert - der Aberration sechster Ordnung (t|δδδδδδ)δ⁶ und räumlicher Aberrationen vierter Ordnung. Tabelle 8. Relevante Aberrationen des Analysators mit der Spiegel-Linsen-Kombination ML-2

Aberrationskoeffizient Wert

(t|δδδδ) 0

(t|δδδδδ) 0

(t|δδδδδδ) 466,0

(t|yyδ) 0

(t|yyyy) 0,00408

(t|yyδδ) 0,13
In 13, auf die nun Bezug genommen wird, wird der Einfluss von Flugzeitaberrationen auf die Form von Flugzeitpeaks bei verschiedenen Ionenspiegelentwürfen verglichen. Die Peaks werden ausgehend von der Annahme einer anfänglichen Zeitstreuung ΔT_i (gewöhnlich durch die Zeit für die Richtungsumkehrung in der Ionenquelle definiert) mit Gauß'scher Verteilung entsprechend der Massenauflösungsleistung von R_m = T₀/(2ΔT_i) = 300.000 bei FWHM bei Abwesenheit von Flugzeitaberrationen im Analysator simuliert. Die anfängliche Energie- und räumliche Streuung in Ionenbündeln ist dieselbe, wie sie zur grafischen Darstellung der 2, 5 bis 7, 9, 10 und 12 verwendet wird (Gauß'sche Energieverteilung bei σ_K = 0,011 K₀ und gleichförmige Y-Verteilung bei voller Höhe von 2Y₀ = 0,133H). Der horizontale Maßstab ist in allen Diagrammen gleich. 13-A zeigt die Peakform für einen „idealen“ Analysator, der keine Flugzeitaberrationen besitzt (d.h. die Massenpeakform ist dieselbe wie am Analysatoreingang). 13-B zeigt die Peakform für den Massenanalysator MPA-1 vom Stand der Technik, der eine Energiefokussierung der dritten Ordnung und räumliche Fokussierung der zweiten Ordnung besitzt. In diesem Fall tragen Ionenspiegelaberrationen zur FWHM-Peakbreite und zu den langen Peakflanken (peak tails) bei. 13-C zeigt die Peakform für den Massenanalysator MPA-2 vom Stand der Technik im Vollfokussiermodus dritter Ordnung MPA-2-3. Das Eliminieren der gemischten Aberrationen dritter Ordnung reduziert in diesem Fall die FWHM-Peakbreite praktisch auf die Breite des „idealen“ Peaks, die Energieaberration vierter Ordnung trägt aber zu einer sehr langen Flanke (tail) auf der rechten Peakseite bei. 13-D zeigt die Peakform für den Massenanalysator MPA-2 vom Stand der Technik im Energiefokussiermodus fünfter Ordnung MPA-2-5. Verglichen mit 13-C verschwindet die auf der Energiestreuung beruhende lange Flanke, aber die nicht verschwindende gemischte Aberration dritter Ordnung beeinträchtigt die Massenauflösungsleistung noch auf kleiner Peakhöhe. 13-E zeigt schließlich die Peakform im Massenanalysator mit den Spiegel-Linsen-Kombinationen ML-2 der vorliegenden Erfindung. In diesem Analysator ist der Beitrag von Flugzeitaberrationen bei vorgegebenen Energie- und räumlichen Ionenstreuungen unerheblich und die Peakform ist praktisch die „Ideale“.
Die neue Spiegel-Immersionslinsen-Kombination ermöglicht das Erreichen eines superhohen Massenauflösungsleistungspegels in einem mehrfach reflektierenden Flugzeitanalysator, sowohl auf FWHM-Niveau als auch auf niedrigem Peakhöhenniveau, was mithilfe von gitterlosen Ionenspiegeln vom Stand der Technik noch nicht möglich war, was demonstriert, dass die Aufgabe der Erfüllung gelöst wird.
Alternative und zusätzliche Entwürfe
In 14, auf die nun Bezug genommen wird, werden mehrere geometrische Konfigurationen 1 bis 3 des TOF-Analysators der vorliegenden Erfindung auf Blockdarstellungsniveau gezeigt. Die grundlegende symmetrische Konfiguration 1 setzt Spiegel-Linsen-Kombinationen von 8 und 11 ein. Die Konfiguration 1 umfasst zwei Ionenspiegel, die jeweils einen reflektierenden Teil 11 und den Beschleunigungslinsenteil 12 umfassen, und zwei Immersionslinsen 13. Jede Linse 13 ist von dem entsprechenden Beschleunigungsspiegelteil 12 durch einen Schirm (shield) 14 getrennt, der einen feldfreien Raum mit dem Potential U_s generiert, das von dem Drift-Potential U_D in dem Raum 15 zwischen den Immersionslinsen 13 verschieden ist. Eine weitere Analysatorkonfiguration 2 setzt nur eine Immersionslinse 13 ein, so dass der Analysator einen Ionenspiegel und eine Spiegel-Linsen-Kombination umfasst. Noch eine weitere Analysatorkonfiguration 3 setzt eine Linse 16 ein, so dass die Potentiale U_D auf beiden Seiten dieser Linse gleich sind. In gewisser Hinsicht kann die Konfiguration 3 als eine Konfiguration 1 mit einer Driftraumlänge von null betrachtet werden.
Spiegel-Linsen-Kombinationen, wieder mit Bezug auf 14, können des Weiteren mit einem Array planarer Linsen kombiniert werden, wie in GB2403063 A und US5017780 A , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, von den Autoren für ein planares MR-TOF MS offenbart wird. In Konfiguration 4 fokussiert eine periodische Linse 17 Ionen in der Z-Richtung. Die Linse 17 befindet sich in dem Raum 15 mit dem Drift-Potential U_D. Es ist zu beachten, dass die periodische Linse Ionen in der Richtung fokussiert, die zur Y-Richtung der Fokussierung durch Immersionslinsen und durch Ionenspiegel senkrecht ist. In einer weiteren Konfiguration 5 werden elektrostatische Felder für die planare Linse 16 (die Ionen in Y-Richtung fokussiert) und für die periodische Linse 17 (die Ionen in Z-Richtung fokussiert) überlagert. Eine derartige Überlagerung kann periodische Linsen mit 3-D-Feld bilden, die Ionen in beiden Querrichtungen Y und Z fokussieren.
In noch einer weiteren Ausgestaltung (nicht gezeigt) kann das elektrostatische Feld eines oder beider Spiegel mit einem schwachen Feld, das in der Z-Richtung (Richtung der Spiegelverlängerung) periodisch ist, überlagert werden. Eine derartige räumliche (nicht zeitliche) Modulation des Ionenspiegelfelds in der Z-Richtung stellt für die Ioneneingrenzung in der Z-Richtung bereit, wie von den Autoren in der US2011186729 Aloffenbart wird, die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird. In einer weiteren Ausgestaltung wird eine derartige räumliche periodische Modulation des Ionenspiegelfelds mit der oben beschriebenen Fokussierung durch eine periodische Linse oder durch eine räumlich Z-modulierte Immersionslinse kombiniert, so dass eine kombinierte Z-Fokussierung die gegenseitige Aufhebung von größeren Flugzeitaberrationen zulässt, die mit der Ionenpaketbreite in der Z-Richtung in Beziehung stehen. Die verbesserte Isochronität räumlicher Fokussierung in der Z-Richtung wird auf der Basis der Analogie mit der im Vorliegenden beschriebenen räumlichen und Flugzeitfokussierung in der Y-Richtung erwartet.
Die neue Spiegel-Immersionslinsen-Kombination reduziert die Analysatoraberrationen beträchtlich. Es wird erwartet, dass die oben beschriebene isochrone geometrische Fokussierung in der Z-Richtung die Analysatoraberrationen weiter verringert. Dann wird erwartet, dass die anfängliche Zeit für die Richtungsumkehrung die Peakbreite definieren wird. Dies macht die weitere Verlängerung der Flugstrecke durchführbar. In einer weiteren Ausgestaltung kann eine Spiegel-Linsen-Kombination in einem hohlzylindrischen Massenanalysator implementiert sein, der ein effizientes Falten der Flugbahn relativ zur Analysatorgröße bereitstellt, wie in den mitanhängigen Patentanmeldungen US7196324 B2 , GB2476964 A , GB2477007 A , WO2011086430 A1 und der mitanhängigen Patentanmeldung US2015279650 A1 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen werden, von den Autoren offenbart wird. In diesem Fall haben Elektroden der Spiegel-Linsen-Kombination eine (verglichen mit der Spiegelfensterhöhe) kleine Krümmung in der Driftrichtung Z. Das Kombinieren der hohlzylindrischen Symmetrie mit der neuen Spiegel-Immersionslinsen-Kombination führt zu einer zusätzlichen Wirkung, da der neue Ionenspiegel eine viel höhere Toleranz gegenüber radialer Ionenverlagerung aufweist, so dass der Weg für eine hohe Auflösungsleistung (im Bereich von einer halben Million bis zu einer Million) in zylindrischen Flugzeitanalysatoren und Analysatoren mit elektrostatischer Falle freigemacht wird.
In noch einer weiteren Ausgestaltung kann das elektrostatische Feld von einem oder beiden Spiegeln mit hohlzylindrischer Symmetrie in der tangentialen Z-Richtung in Kombination mit einer tangential periodischen Linse im feldfreien Raum oder mit der tangential periodisch modulierten Immersionslinse periodisch (räumlich und nicht zeitlich) moduliert werden.
Um die Auflösungsleistung R mit einem Ziel von R ~ 1.000.000 weiter zu verbessern, kann die Zeit für die Richtungsumkehrung durch eine verbesserte Ioneneingrenzung innerhalb gasförmiger Ionenführungen mit kleinem (d = 2 - 3 mm) Innendurchmesser und durch Verwendung einer höheren Beschleunigungsenergie im Analysator, begleitet von dem proportionalen Anstieg der Beschleunigungsfeldstärke, reduziert werden.
Führen wir einmal numerische Schätzungen für einen bestimmten hohlzylindrischen MR-TOF-Analysator mit Ionenspiegeln von 11 mit 2Xo = 1080 mm, Fensterhöhe H = 30 mm, 2R = 320 mm Durchmesser der mittleren Oberfläche und mit einer periodischen Linse mit einer Beabstandung (pitch) von p = 10 mm durch. Ein derartiger Analysator hat eine Flugstrecke von 100 m. Die gewählten Parameter minimieren die Wirkungen einer radialen Ionenwegabweichung und erfüllen die Kriterien R > 2X₀/3 und R > 50·2X₀·α², wobei α ~ p/2X₀ der Neigungswinkel der Ionenflugbahn im Analysator ist, wie in WO2011086430 A1 und der mitanhängigen Patentanmeldung US2015027965 Aloffenbart wird, die durch Bezugnahme eingeschlossen werden. Vorzugsweise hat der hohlzylindrische Analysator wenigstens eine radiale Lenkelektrode zum Lenken der Ionen zur mittleren zylindrischen Oberfläche am Ionenreflexionspunkt, wie in denselben Anmeldungen offenbart wird. Diese Vorkehrungen in Kombination mit räumlicher Fokussierung der dritten Ordnung der vorliegenden Erfindung würden minimale räumliche Aberrationen des in unseren Simulationen bewerteten zylindrischen MR-TOF-Analysators gewährleisten, die für die früher angenommenen Ionenpaketstreuungen unter 2ΔT/T₀ < 1E - 6 sind (Gauß'sche Energieverteilung bei σ_K =0,011 K₀ und eine gleichförmige Y-Verteilung auf voller Höhe von 2Y₀ = 0,133H).
Schätzen wir einmal die Auflösungsgrenze, die von der Zeit für die Richtungsumkehr im vorgeschlagenen zylindrischen Analysator festgelegt wird. Bei einer bevorzugten Beschleunigungsenergie von 8 kV ist die maximale Spannung (an der fünften Elektrode) etwa 18,5 kV, d. h. sie ist klein genug (< 20 kV), um einen elektrischen Durchbruch zu vermeiden. Dann wird die typische Flugzeit von m/z = 10000 amu Ionen als T₀ = 2,5 ms berechnet. Unter Berücksichtigung von beschränkt auf ΔK/K₀ ~ 7% relativer Energiestreuung, die von den Analysatoraberrationen auf R ~ 1.000.000 festgelegt wird, kann die Feldstärke im orthonalen Beschleuniger auf E = 400 V/mm bei kontinuierlicher Ionenstrahlgröße ΔX = 1,5 mm gebracht werden. Bei Verwendung von Quadrupol-Ionenführungen mit kleinem Innendurchmesser kann der Ausgangsstrahldurchmesser auf etwa 0,3 mm für 1000 amu Ionen gebracht werden. Der Strahldurchmesser nach der Ionenführung kann als $d \sqrt{4 k T / q V_{r e f}}$
für die Wärmeenergie kT= 0,026 eV, VRF = 1000 V und Parameter q = 0,01 bei 1000 amu geschätzt werden, was eine Ausschaltung niedriger Masse im Quadrupol bei 50 amu zulässt. Bei richtiger teleskopischer Refokussierung eines kontinuierlichen Ionenstrahls vor dem Beschleuniger und unter Berücksichtigung der Erhaltung des Phasenraums ΔX · ΔV_x in der elektrostatischen Linse (zwischen Quadrupol und Beschleuniger) kann die transversale Geschwindigkeitsstreuung ΔV_x von 1000 amu Ionen im orthogonalen Beschleuniger um etwa das 5-fache (1,5 mm/0,3 mm) relativ zur thermischen Geschwindigkeit verringert werden und kann (unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit in der entgegengesetzten Richtung) auf 24 m/s reduziert werden. Dann würde die Zeit für die Richtungsumkehrung im mit 400 V/mm gepulsten Feld entsprechend einer Beschleunigung von A = 4E+10 m²/s eine Zeit für die Richtungsumkehrung ΔTi = ΔV_x/A = 0,6 ns induzieren. Unter Berücksichtigung einer Flugzeit von 2,5 ms für 1000 amu Ionen im MR-TOF mit L = 100 m wird erwartet, dass eine derartige Zeit für die Richtungsumkehrung die Auflösungsleistung auf ein Niveau von etwa 2E+6 begrenzt. Mit anderen Worten, die Flugstreckenverlängerung und die zunehmende Beschleunigungsspannung im zylindrischen hohlen Analysator dämpft die Zeit für die Richtungsumkehrung und eröffnet die Möglichkeit von R > 1E+6 in MR-TOF-Analysatoren.
Aufgrund längerer Flugzeiten in zylindrischen MR-TOF wird der erwartete Duty Cycle des orthogonalen Beschleunigers aber sehr klein - zwischen 0,1 und 0,2 %, selbst bei dem Verfahren der doppelten orthogonalen Extraktion, das in der US2007176090 Aloffenbart wird, die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird. Um das begrenzende Verbindungsglied zwischen der Auflösungsleistung und der Empfindlichkeit von MR-TOF-Analysatoren zu entfernen, sollte der orthogonale Beschleuniger vorzugsweise ein Verfahren in kurzen Abständen (frequent) codierten Impulsen einsetzen, das in WO2011135477 A1 offenbart wird, die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird. Alternativ kann der orthonale Beschleuniger im Fall, dass der MR-TOF-Analysator als die zweite Stufe eines MS-MS-Tandems verwendet wird, vorzugsweise durch eine lineare Ionenfalle mit einem gepulsten radialen Ausstoß ersetzt werden. Der Austausch wird aufgrund einer kleinen Intensität des Mutterionenstrahls möglich, die eine Raumladungssättigung in der gepulsten Falle und im MR-TOF-Analysator vermeidet. Eine derartige Falle sollte an der Z-Achse entlang ausgerichtet sein, um einen Winkel α/2 geneigt sein und von einem Deflektor für die Ionenlenkung im Winkel von α/2 gefolgt werden, wobei der lonenflugbahn-Neigungswinkel im Analysator α ~ p/2X₀ ist, das gleich 1/100 im numerischen Beispiel ist. Um Störungen mit Ionenflugbahnen zu vermeiden und die Gasbelastung des MR-TOF zu reduzieren, folgt der Falle vorzugsweise ein isochron gekrümmter Einlass, der von elektrostratischen Sektoren gebildet wird, wie von den Autoren in der US7326925 B2 , die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird, beschrieben wird.
Koaxiale Ionenspiegel
Das verbesserte Ionenspiegelsystem ist auf koaxiale mehrfach reflektierende Analysatoren mit Flugzeit- oder Bildstromdetektoren anwendbar, die in GB2080021 A , US5017780 A , US6013913A , US5880466 A und US6744042 B2 offenbart werden, die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen werden. Es ist bekannt, dass das zylindrische zweidimensionale elektrostatische Feld Eigenschaften bereitstellt, die einem planaren zweidimensionalen Feld sehr ähnlich sind. Auf Basis der oben beschriebenen ionenoptischen Studien wird es offensichtlich, dass erwartet wird, dass wenigstens eine einzelne Fokussierlinse und vorzugsweise eine Immersionslinse die Raum- und Energieakzeptanz koaxialer mehrfach reflektierender Analysatoren verbessert. Ein derartiger Flugzeit-Analysator oder Analysator mit elektrostatischer Falle sollte umfassen: (a) zwei parallele und aufeinander ausgerichtete gitterfreie koaxiale Ionenspiegel, getrennt durch eine feldfreie Region, wobei die Spiegel zum Reflektieren von Ionen in der koaxialen Richtung angeordnet sind, (b) wobei die Spiegel wenigstens eine Elektrode mit einem beschleunigenden Potential im Vergleich zu dem feldfreien Raumpotential haben, und (c) wenigstens eine elektrostatische Linse, die angeordnet ist, um Ionen in der radialen Richtung zu fokussieren, und die zwischen die Ionenspiegel positioniert ist. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Linse eine Immersion. Vorzugsweise ist die Spiegel-Immersionslinsen-Anordnung symmetrisch.

Claims

Mehrfach reflektierender Analysator mit elektrostatischer Falle, umfassend: zwei parallele und aufeinander ausgerichtete gitterfreie Ionenspiegel, getrennt durch eine feldfreie Region, wobei die Ionenspiegel zum Reflektieren von Ionen in einer ersten Richtung (X) angeordnet sind, wobei sich die Ionenspiegel entlang der transversalen Drift-Richtung (Z) erstrecken, um ein zweidimensionales elektrostatisches Feld E(X, Y) mit planarer Symmetrie oder mit einer hohlzylindrischen Symmetrie zu bilden, wobei die Ionenspiegel wenigstens eine Elektrode mit einem beschleunigenden Potential im Vergleich zu dem feldfreien Raumpotential aufweisen, und mindestens eine elektrostatische Immersionslinse, die angeordnet ist, um Ionen geometrisch in der Y-Richtung zu fokussieren, und so betreibbar ist, dass sie Ionen in der ersten Richtung (X) beschleunigt und Ionen in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung verzögert, , wobei sich die mindestens eine Immersionslinse entlang der Drift-Richtung (Z) erstreckt und von den Ionenspiegeln durch die feldfreie Region getrennt ist, und wobei die Y-Richtung orthogonal zu der ersten Richtung (X) und zu der Drift-Richtung (Z) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Immersionslinse (i) eine planare Geometrie, (ii) eine hohlzylindrische Symmetrie aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine Immersionslinse gebildet wird von einem (i) Satz von Paaren flacher Elektroden mit parallelen Oberflächen, (ii) Satz von planaren Aperturschlitzelektroden, (iii) Satz von Paaren koaxialer Ringelektroden, (iv) Satz von koaxialen ringförmigen Aperturblenden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anzahl der mindestens einen Immersionslinse zwei ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Ionen den feldfreien Raum, der die Immersionslinsen und die Ionenspiegel trennt, mit höheren kinetischen Energien durchlaufen als den feldfreien Raum zwischen den Immersionslinsen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Satz periodischer Linsen zwischen die Ionenspiegel positioniert ist, um Ionen in der Drift-Richtung (Z) einzugrenzen, in der sich die Ionenspiegel entlang erstrecken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens eine Immersionslinse von den periodischen Linsen überlagert ist, so dass ein Linsensatz gebildet wird, der Ionen in zwei transversale Richtungen fokussiert, wobei die zwei transverale Richtungen die Y-Richtung und die Drift-Richtung (Z) sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei mindestens ein Ionenspiegel ein Merkmal aufweist, das ein Feld bereitstellt, das in der Drift-Richtung (Z) periodisch ist, in der sich die Ionenspiegel entlang erstrecken.