DE112014005577B4

DE112014005577B4 - Mikrowellen-Hohlraumresonator

Info

Publication number: DE112014005577B4
Application number: DE112014005577.8T
Authority: DE
Inventors: John Brian Hoyes; Keith Richardson
Original assignee: Micromass UK Ltd
Current assignee: Micromass UK Ltd
Priority date: 2013-12-05
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2023-06-29
Anticipated expiration: 2034-12-06
Also published as: US9812309B2; WO2015082939A3; US20170018414A1; DE112014005577T5; WO2015082939A2

Abstract

Ionendetektorsystem für ein Massenspektrometer, das aufweist:eine erste Vorrichtung, die angeordnet und eingerichtet ist, um Ionen zu empfangen und erste Elektronen zu emittieren; undeinen Mikrowellen-Hohlraumresonator, der angeordnet und eingerichtet ist, um die ersten Elektronen auf einen ersten Detektor abzulenken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ionendetektorsystem für einen Massenspektrometer, Massenspektrometer, ein Verfahren zum Detektieren von Ionen, ein Verfahren zur Massenspektrometrie, einen Flugzeit- Massenanalysator und ein Verfahren zum Betrieb eines Flugzeit- Massenanalysators.
HINTERGRUND DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Streak-Kameras sind bekannt und stellen vielseitig anwendbare Detektionsinstrumente zum Detektieren von Licht in einer Weise, die temporale Information bereitstellt, dar. Es ist beispielsweise bekannt, eine Streak-Kamera zum Messen von Elektronenpaketen in Synchrotronen und auch zur Messung von ultraschnellen (d.h. Femtosekunden) Laserpulsen zu verwenden. Es ist auch bekannt, Streak-Kameras in Plasmaphysik-Experimenten zu verwenden.
Herkömmliche Streak-Kameras wandeln gepulstes einfallendes Licht unter Verwendung einer Fotokathode in Elektronen um. Die Elektronen, die von der Fotokathode emittiert werden, werden dann durch eine Netzelektrode beschleunigt. Die Elektronen werden dann angeordnet, um zwischen zwei parallelen Plattenelektroden zu passieren. Eine in der Zeit variierende Zeitablenkspannung bzw. Sweep Spannung wird auf die Plattenelektroden gegeben bzw. aufgebracht, so dass die Elektronen eine Ablenkung erfahren. Die Elektronen werden dann angeordnet, um auf einem phosphoreszierenden Schirm aufzutreffen.
Das Signal von dem phosphoreszierenden Schirm wird durch einen positionssensitiven Detektor („PSD“) gelesen. Die Position des Signals auf dem Schirm steht in direkter Beziehung zu der instanten Zeitablenkungsspannung, die die Elektronen erfahren haben, als die Elektronen schnell zwischen den zwei Ablenkplatten passiert sind, während eine Zeitablenkspannung auf die Ablenkplatten aufgebracht wurde.
Es wird klar sein, dass Streak-Kameras durch Umwandlung von zeitlicher bzw. temporaler Information in räumliche Information arbeiten. Als Ergebnis, in Abhängigkeit von der Anwendung, vermindert dieser Prozess die Anforderungen an Elektronik zur Hochgeschwindigkeitsdigitalisierung, welche zum Erfassen des Signals und/oder zur Verbesserung der Gesamtzeitauflösung des Detektors verwendet wird bzw. werden.
Das Streak-Kamera-Prinzip ist auf die Detektion von schweren Ionen in der Anlage für radioaktive lonenstrahlforschung in bzw. bei RIKEN (Japan) angewendet worden. Zwei Streak-Kameras wurden zum Registrieren von Sekundärelektronen, die durch ein hochenergetisches Ion, das durch dünne metallische Filme hindurchlief bzw. passierte, erzeugt wurden. Die Vorrichtung verwendete 100 MHz Wellenformen zur Ablenkung eines lonenstrahls in x-und y-Dimensionen auf einen Phosphorschirm. Die Phosphoreszenz wurde dann verstärkt und durch eine Ladungsträger - gekoppelte Kamera bzw. CCD-Kamera („CCD“) erfasst.
WO 2012/010894 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Analyse des Spektrums von geladenen Partikeln. 1 der WO 2012/010894 A1 zeigt eine Anordnung, in der Probenionen 5 auf einen ersten Satz von Mikroplattenkanalplatten 3 auftreffen, wodurch die Ionen in einen verstärkten Elektronenstrahl 7 umgewandelt werden. Der Elektronenstrahl 7 wird durch einen Schlitz 9, der hinter den Mikrokanalplatten 3 angeordnet ist, kollimiert. Elektronen 7 werden dann durch den Schlitz 9 hindurch beschleunigt und einem rampenartigen Ablenkungspuls durch zwei parallele Ablenkungsplatten 11 ausgesetzt. Die Elektronen 7 werden auf einen positionssensitiven Detektor 15 abgelenkt. Die Rampenspannung ist mit der Bildfrequenz bzw. Bildrate eines CMOS Sensors synchronisiert, der auf 20 MHz (entsprechend einer Bin-Weite von 50 ns) eingestellt ist.
Da Digitalelektronik schneller wird, wird auch vorhergesagt, dass die Digitalisierungsfrequenz von Zeit-Digital-Wandlern und Analog-Digital-Wandlern sich ebenfalls erhöhen wird. Als Ergebnis müssten die Ablenkplatten von herkömmlichen Streak-Kameras mit zunehmend schnelleren Raten abgelenkt werden.
Es wird jedoch von Fachleuten verstanden werden, dass eine Erhöhung der Frequenz der Ablenkungsspannungswellenformen nicht trivial ist. Ferner wird anerkannt werden, dass die Herstellung eines intensiven elektrischen Feldes zur Zeitablenkung bzw. zum Sweepen von Elektronen in einer Streak-Kamera in Synchronisation mit aktuellen Digitalisierern, die in der Lage sind, mit Bin-Weiten von beispielsweise 100 ps oder schneller zu arbeiten bzw. zu laufen, eine sehr große Herausforderung darstellt, und dass die Kosten ein derartiges Detektorsystem kommerziell uninteressant machen würden.
Dementsprechend ist es in hohen Maße problematisch, Mittel zum Ablenken von Elektronen mit geringen Leistungsanforderungen, niedrigen Kosten und in stabiler Weise unter Verwendung von Elektroden in Kombination mit einem positionssensitiven Arraydetektor bereitzustellen, welche in der Lage sind bei sehr hohen Geschwindigkeiten betrieben zu werden, welche durch herkömmliche Detektorsysteme für Massenspektrometer benötigt werden. Es wird daher angestrebt, ein verbessertes Ionendetektorsystem und ein verbessertes Verfahren zum Detektieren von Ionen bereitzustellen.
US 8 138 460 B1 offenbart eine RF-Photoröhre mit einem kreisförmigen Abtast-Ablenk-System. Die Photoröhre weist eine Photokathode auf, die Elektronen in Reaktion auf optische Ereignisse emittiert. Ein Strahl von Elektronen, der von der Photokathode emittiert wird, passiert durch eine Extraktionsmasche und durch eine elektrostatische Linse und wird dann durch das kreisförmige Abtast-Elektrodensystem mit der RF-Ablenk-Elektrode und dem RF-Hohlraum abgelenkt. Das kreisförmige Abtast-Ablenk-System bewirkt, das Elektronen um einen Kreis herum abgelenkt werden.
US 2007/0272833 A1 offenbart eine streifenförmige Vorrichtung, in der ein Elektronenstrahl, der von einer Quelle abgestrahlt wird, zusammen mit Licht in einem Interaktionsbereich eingestrahlt wird, was bewirkt, dass der Elektronenstrahl versetzt wird. Ein Ablenk-Bereich führt den Elektronenstrahl dann hinaus. Entsprechend interagiert in dieser Druckschrift Licht mit einem Elektronenstrahl und dann wird der interagierte Elektronenstrahl abgelenkt.
DE 102 96 885 B4 offenbart die Verwendung von Umwandlungssynoden zur Erzeugung von Sekundärelektronen.
EP 0 905 743 A1 offenbart ein OTOF mit Elektronenquelle zur Ionisierung einer Probe.
WO 2008/092259 A1 offenbart ein OTOF mit Elektronenquelle zur Dissoziation von Ionen.
ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ionendetektorsystem für einen Massenspektrometer, Massenspektrometer, ein Verfahren zum Detektieren von Ionen, ein Verfahren zur Massenspektrometrie, einen Flugzeit- Massenanalysator und ein Verfahren zum Betrieb eines Flugzeit- Massenanalysators mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ionendetektorsystem für ein Massenspektrometer bereitgestellt, das aufweist:

eine erste Vorrichtung, die angeordnet und eingerichtet ist, um Ionen zu empfangen und
erste Elektronen zu emittieren oder auszugeben;
einen Mikrowellen-Hohlraumresonator, der angeordnet und eingerichtet ist, um die ersten Elektronen auf einen ersten Detektor abzulenken.

WO 2012/010894 A1 lehrt nicht die Verwendung eines Mikrowellen-Hohlraumresonators zum Ablenken eines Elektronenstrahls bzw. Strahls von Elektronen.
Im Gegensatz zu der in WO 2012/010894 A1 offenbarten Anordnung, die in der Lage ist, auf einer Zeitskala zu arbeiten, die einer Zeit Bin-Weite von 50 ns entspricht, kann die vorliegende Erfindung auf einer Zeitskala arbeiten, die einer Sub-Bin Zeitbreite von nur 10 ps entspricht. Es wird deutlich werden, dass die vorliegende Erfindung eine wesentliche Verbesserung über die in der WO 2012/010894 A1 offenbarte Anordnung darstellt.
Die erste Vorrichtung weist vorzugsweise eine Umwandlungsdynode auf. Dies ist im Gegensatz zu der in der WO 2012/010894 A1 offenbarten Anordnung, welche eine Mikrokanalplatte oder Fotokathode verwendet.
Die ersten Elektronen umfassen vorzugsweise Sekundärelektronen.
Das Ionendetektorsystem weist vorzugsweise eine oder mehrere Gitterelektroden auf, die stromaufwärts der ersten Vorrichtung angeordnet ist bzw. sind, wobei die eine oder die mehreren Gitterelektroden angeordnet und eingerichtet sind, um Ionen auf oder in die erste Vorrichtung zu beschleunigen.
Das Ionendetektorsystem weist vorzugsweise eine zweite Vorrichtung auf, die angeordnet und eingerichtet ist, um ein magnetisches Feld aufzubringen bzw. zu erzeugen, so dass die ersten Elektronen in Richtung des Mikrowellen- Hohlraumresonators abgelenkt werden.
Der erste Detektor weist vorzugsweise eine oder mehrere Mikrokanalplatten auf.
Der erste Detektor ist vorzugsweise stromabwärts des Mikrowellen-Hohlraumresornators angeordnet.
Der erste Detektor ist vorzugsweise angeordnet und eingerichtet, um die ersten Elektronen zu empfangen, und zweite Elektronen zu emittieren oder auszugeben.
Das Ionendetektorsystem weist vorzugsweise einen ersten positionssensitiven Detektor („PSD“) auf.
Der erste positionssensitive Detektor ist vorzugsweise stromabwärts des ersten Detektors angeordnet.
Der erste positionssensitive Detektor ist vorzugsweise angeordnet und eingerichtet, um die Position oder die Stelle zu detektieren, an der die zweiten Elektronen auf den ersten positionssensitiven Detektor auftreffen.
Der erste positionssensitive Detektor weist vorzugsweise eine oder mehrere Fotondiodenarrays auf.
Der Mikrowellen- Hohlraumresonator ist vorzugsweise angeordnet und eingerichtet, um elektromagnetische Wellen innerhalb des Mikrowellen- Hohlraumresonators zu erzeugen.
Der Mikrowellen- Hohlraumresonator ist vorzugsweise angeordnet und eingerichtet, um zu bewirken, dass die elektromagnetischen Wellen stehende Wellen innerhalb des Mikrowellen- Hohlraumresonators bilden.
In einem Betriebsmodus umfassen die stehenden Wellen vorzugsweise stehende Wellen im transversal- elektrischen Modus oder transversal- magnetischen Modus.
In einem Betriebsmodus umfassen die stehenden Wellen vorzugsweise stehende Wellen vom TE101 Modus.
In einem Betriebsmodus sind die stehenden Wellen vorzugsweise angeordnet, so dass sie die ersten Elektronen modulieren, wenn die ersten Elektronen durch den Mikrowellen-Hohlraumresonator passieren.
Das Ionendetektorsystem ist vorzugsweise angeordnet und eingerichtet, um Signale, die sich auf zweite Elektronen beziehen, die auf einen oder mehrere Abschnitte oder einen oder mehreren Endabschnitte des ersten positionssensitiven Detektors auftreffen, zurückzuweisen.
Der Mikrowellen- Hohlraumresonator ist vorzugsweise angeordnet und eingerichtet, um die ersten Elektronen zu beschleunigen, wenn die ersten Elektronen durch den Mikrowellen-Hohlraumresonator passieren.
Die elektromagnetischen Wellen haben vorzugsweise eine Frequenz in einem Bereich, der ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: (i) 0,3-10 GHz; (ii) 10-20 GHz; (iii) 20-30 GHz; (iv) 30-40 GHz; (v) 40-50 GHz; (vi) 50-60 GHz; (vii) 60-70 GHz; (viii) 70-80 GHz; (ix) 80-90 GHz; (x) 90-100 GHz; (xi) 100-110 GHz; (xii) 110-120 GHz; (xiii) 120-130 GHz; (xiv) 130-140 GHz; (xv) 140-150 GHz; (xvi) 150-160 GHz; (xvii) 160-170 GHz; (xviii) 170-180 GHz; (xix) 180-190 GHz; (xx) 90-100 GHz; (xxi) 200-210 GHz; (xxii) 210-220 GHz; (xxiii) 220-230 GHz; (xxiv) 230-240 GHz; (xxv) 240-250 GHz; (xxvi) 250-160 GHz; (xxvii) 260-270 GHz; (xxviii) 270-280 GHz; (xxix) 280-290 GHz; und (xxx) 290-300 GHz.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Massenspektrometer zur Verfügung gestellt, das ein wie oben beschriebenes Ionendetektorsystem aufweist.
Das Massenspektrometer weist vorzugsweise ferner einen Flugzeit- Masseanalysator auf.
Der Flugzeit- Massenanalysator weist vorzugsweise ferner auf:

Eine Flugzeit-Region;
Eine oder mehrere orthogonale Beschleunigungselektroden zum orthogonalen Beschleunigen von Ionen in die Flugzeit-Region.

Das Massenspektrometer weist vorzugsweise eine Vorrichtung auf, die angeordnet und eingerichtet ist, einen Spannungspuls auf die eine oder die mehreren orthogonalen Beschleunigungselektroden zu geben, um zu bewirken, dass Ionen orthogonal in die Flugzeit-Region beschleunigt werden.
Das Massenspektrometer weist vorzugsweise eine Vorrichtung auf, die angeordnet und eingerichtet ist, um einen Strahl von dritten Elektronen zu erzeugen.
Die Vorrichtung zum Erzeugen des Strahls von dritten Elektronen ist vorzugsweise angeordnet und eingerichtet, um den Strahl von dritten Elektronen im wesentlichen zur gleichen Zeit zu erzeugen, an dem der Spannungspuls auf die eine oder die mehreren orthogonalen Beschleunigungselektroden aufgebracht wird, und/oder dem Zeitpunkt bei dem Ionen orthogonal in die Flugzeit- Region beschleunigt werden.
Die dritten Elektronen werden vorzugsweise bei der Verwendung durch den Mikrowellen-Hohlraumresonator hindurchgeführt.
Die dritten Elektronen werden vorzugsweise, bei der Verwendung, durch den Mikrowellen-Hohlraumresonator in einer unterschiedlichen Richtung zu der Richtung der Transmission der ersten Elektronen durch den Mikrowellen- Hohlraumresonator hindurchgeführt.
Das Massenspektrometer weist ferner einen dritten Detektor zum Detektieren der dritten Elektronen auf.
Der dritte Detektor weist vorzugsweise eine oder mehrere Mikrokanalplatten auf.
Der dritte Detektor ist vorzugsweise stromabwärts des Mikrowellen- Hohlraumresonators angeordnet.
Der dritte Detektor ist vorzugsweise angeordnet und eingerichtet, um die dritten Elektronen zu empfangen und vierte Elektronen zu emittieren oder auszugeben.
Das Massenspektrometer weist ferner vorzugsweise einen zweiten positionssensitiven Detektor („PSD“) au.
Der zweite positionssensitive Detektor ist vorzugsweise stromabwärts des dritten Detektors angeordnet.
Der zweite positionssensitive Detektor ist vorzugsweise angeordnet und eingerichtet, um die Position oder die Stelle zu detektieren, an der die vierten Elektronen auf den zweiten positionssensitiven Detektor auftreffen.
Das Massenspektrometer weist vorzugsweise ein Steuersystem auf, wobei das Steuersystem angeordnet und eingerichtet ist, um aus der detektierten Position oder Stelle, an der die vierten Elektronen auf den zweiten positionssensitiven Detektor auftreffen, ein Maß für die Anstiegsflanke des Spannungspulses, der auf die eine oder die mehreren orthogonalen Beschleunigungselektroden gegeben wird, zu bestimmen.
Der zweite positionssensitive Detektor weist vorzugsweise eine oder mehrere Photodiodenarrays auf.
Das Massenspektrometer weist vorzugsweise eine Hauptuhr bzw. Master Clock auf, wobei Taktzyklen der Hauptuhr von einem Signal abgeleitet werden, das auf den Mikrowellen-Hohlraumresonator angewendet bzw. aufgebracht wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Detektieren von Ionen zur Verfügung gestellt, mit folgenden Schritten:

Empfangen von Ionen auf einer ersten Vorrichtung und Emittieren oder Ausgeben von ersten Elektronen; und
Ablenken der ersten Elektronen auf einen ersten Detektor unter Verwendung eines Mikrowellen-Hohlraumresonators.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Massenspektrometrie zur Verfügung gestellt, das ein Verfahren zum Detektieren von Ionen wie oben beschrieben umfasst.
In einem Streak-Kamera-Detektor kann eine Elektronenablenkung durch die Wirkung von magnetischen Feldern innerhalb eines Mikrowellen-Hohlraumresonators bewirkt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Flugzeit-Massenanalysator zur Verfügung gestellt, der eine Flugzeit-Region, eine oder mehrere orthogonale Beschleunigungselektroden zum orthogonalen Beschleunigen von Ionen in die Flugzeit-Region, eine erste Vorrichtung, die eingerichtet ist um einen Spannungspuls auf die eine oder die mehreren orthogonalen Beschleunigungselektroden zum orthogonalen Beschleunigen von Ionen in die Flugzeit-Region anzuwenden, und eine zweite Vorrichtung, die angeordnet und eingerichtet ist, um einen Strahl von ersten Elektronen basierend auf einer Zeitgebung bzw. Taktung des Spannungspulses, der auf die eine oder die mehren orthogonalen Beschleunigungselektroden angewendet wird, und/oder auf einer Zeitgebung, dass Ionen orthogonal in die Flugzeit-Region beschleunigt werden, zu erzeugen.
Der Flugzeit-Massenanalysator weist ferner einen Mikrowellen-Hohlraumresonator auf, der angeordnet und eingerichtet ist, um erste Elektronen auf einen Detektor abzulenken. Bei der Verwendung wird der Strahl von ersten Elektronen vorzugsweise durch den Mikrowellen-Hohlraumresonator hindurchgeführt.
Ein Flugzeit-Massenanalysator gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von einem herkömmlichen Flugzeit-Massenanalysator insofern als er weiter eine zweite Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahls von Elektronen aufweist, wobei die Erzeugung des Strahls von Elektronen basiert auf der Zeitgebung des Spannungspulses auf die orthogonalen Beschleunigungselektroden.
Der Flugzeit-Massenanalysator weist ferner vorzugsweise eine Vorrichtung auf, die stromabwärts der Flugzeit-Region angeordnet ist, und die angeordnet und eingerichtet ist, um Ionen zu empfangen, und zweite Elektronen zu emittieren oder auszugeben. Bei der Verwendung werden die zweiten Elektronen vorzugsweise durch den Mikrowellen-Hohlraumresonator hindurchgeführt in einer Richtung orthogonal zu der Richtung der Transmission der ersten Elektronen durch den Mikrowellen-Hohlraumresonator.
Der Flugzeit-Massenanalysator weist vorzugsweise einen Detektor auf, der stromabwärts des Mikrowellen-Hohlraumresonators angeordnet ist, wobei der Detektor angeordnet und eingerichtet ist, um den Strahl von ersten Elektronen abzulenken. Somit ist der Detektor vorzugsweise zum Detektieren des Strahls von ersten Elektronen eingerichtet, nachdem der Strahl von Elektronen durch den Mikrowellen-Hohlraumresonator hindurchgegangen bzw. passiert ist.
Der Detektor weist vorzugsweise eine oder mehrere Mikrokanalplatten auf, die eingerichtet und angeordnet sind, um den Strahl von ersten Elektronen zu empfangen und Sekundärelektronen zu emittieren.
Der Flugzeit-Massenanalysator weist ferner vorzugsweise einen positionssensitiven Detektor auf, der stromabwärts von der einen oder den mehreren Mikrokanalplatten angeordnet ist, wobei der positionssensitive Detektor angeordnet und eingerichtet ist, um die Position oder die Stelle zu detektieren, an der die Sekundärelektronen auf den Detektor auftreffen.
Durch Detektieren der Position oder der Stelle, an der die Sekundärelektronen auf den Detektor auftreffen, ist es möglich, die Zeit zu bestimmen, an der der Strahl von ersten Elektronen an dem Mikrowellen-Hohlraumresonator ankommt, was seinerseits ein Maß für die Startzeit bzw. die Start-Zeitgebung des Strahls von ersten Elektronen ist. Da der Strahl von ersten Elektronen basierend auf der Zeitgebung der Spannungspulse, die auf die eine oder die mehreren orthogonalen Beschleunigungselektroden, die die Ionen orthogonal beschleunigen, erzeugt wird, ist die Startzeit des Strahls von ersten Elektronen somit ein Maß für die Initiierung des Beschleunigungspulses.
Der Flugzeit-Massenanalysator weist ferner ein Steuerssystem auf, das angeordnet und eingerichtet ist um aus der detektierten Position oder Stelle, an der Sekundärelektronen auf dem positionssensitiven Detektor auftreffen, ein Maß für die Anstiegsflanke des Spannungspulses, der auf die eine oder die mehreren orthogonalen Beschleunigungselektroden gegeben wird, zu bestimmen.
Die zweite Vorrichtung ist vorzugsweise angeordnet und eingerichtet, um den Strahl von ersten Elektronen zu erzeugen durch Anwendung eines Pulses, der abgeleitet ist von oder abhängig ist von dem Spannungspuls, der auf die eine oder die mehreren orthogonalen Beschleunigungselektroden gegeben wird. Somit wird der Puls von ersten Elektronen im wesentlich zur gleichen Zeit erzeugt wie der Zeit, an der die Ionen orthogonal in die Flugzeit-Region beschleunigt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Massenspektrometer zur Verfügung gestellt, das einen wie oben beschriebenen Flugzeitmassenanalysator umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Flugzeit-Massenanalysators zur Verfügung gestellt, das die Anwendung eines Spannungspulses auf die eine oder die mehreren orthogonalen Beschleunigungselektroden zum orthogonalen Beschleunigen von Ionen in eine Flugzeit-Region umfasst, sowie die Erzeugung eines Strahls von ersten Elektronen basierend auf einer Zeitgebung des Spannungspulses, der auf die eine oder die mehreren orthogonalen Beschleunigungselektroden gegeben wird, und/ oder auf der Zeitgebung, dass Ionen orthogonal in die Flugzeit-Region beschleunigt werden; und das Passieren bzw. Hindurchführen von dem Strahl von ersten Elektronen durch einen Mikrowellen-Hohlraumresonator, wobei der Mikrowellen-Hohlraumresonator die ersten Elektronen auf einen Detektor ablenkt.
Gemäß einem Beispiel kann ein Photonendetektionssystem eine erste Vorrichtung aufweisen, die angeordnet und eingerichtet ist, um Photonen zu empfangen und erste Elektronen zu emittieren oder auszugeben, sowie einen Mikrowellen-Hohlraumresonator, der angeordnet und eingerichtet ist, um die ersten Elektronen auf einen ersten Detektor abzulenken.
Die Verwendung eines Mikrowellen-Hohlraumresonators zum Ablenken eines Strahls von Elektronen steht im Gegensatz zu herkömmlichen Anordnungen, wie sie beispielsweise in WO 2012/010894 A1 beschrieben sind, welche parallele Ablenkungsplatten verwenden. Verglichen mit herkömmlichen Anordnungen, welche in der Lage sind, auf einer Zeitskala zu arbeiten, die einer Zeitbinbreite von 50 ns entsprechen, ist die vorliegende Erfindung in der Lage, auf einer Zeitskala zu arbeiten, die einer Sub-Binzeitbreite von nur 10 ps entspricht. Es wird daher deutlich, dass die vorliegende Erfindung eine substanzielle Verbesserung gegenüber herkömmlichen Anordnungen darstellt.
Das Photonendetektionssystem kann beispielsweise einen ersten Detektor aufweisen. Der erste Detektor kann beispielsweise stromabwärts des Mikrowellen-Hohlraumresonators angeordnet sein, und kann beispielsweise angeordnet und eingerichtet sein, um ersten Elektronen zu empfangen und zweite Elektronen zu emittieren oder auszugeben.
Das Photonendetektionssystem kann beispielsweise einen positionssensitiven Detektor aufweisen, der stromabwärts des ersten Detektors angeordnet ist, und der angeordnet und eingerichtet ist, um die Position oder Stelle, an der die zweiten Elektronen auf den positionssensitiven Detektor auftreffen, zu detektieren.
Das Photonendetektionssystem kann beispielsweise eine zweite Vorrichtung aufweisen, die angeordnet und eingerichtet ist, um ein magnetisches Feld anzuwenden bzw. zu erzeugen, um die ersten Elektronen in Richtung des Mikrowellen-Hohlraumresonators abzulenken.
Der Mikrowellen-Hohlraumresonator kann beispielsweise angeordnet und eingerichtet, um elektromagnetische stehende Wellen innerhalb des Mikrowellen-Hohlraumresonators zu erzeugen.
In einem Betriebsmodus umfassen die stehenden Wellen beispielsweise stehende Wellen im transversal-elektrischen Modus oder im transversal-magnetischen Modus.
In einem Betriebsmodus umfassen die stehenden Wellen beispielsweise stehende Wellen von TE101 Modus.
Der Mikrowellen-Hohlraumresonator kann beispielsweise angeordnet und eingerichtet sein, so dass, in einem Betriebsmodus, die ersten Elektronen sinusförmig durch die elektromagnetischen stehenden Wellen moduliert werden, wenn bzw. während die ersten Elektronen durch den Mikrowellen-Hohlraumresonator passieren.
Der Mikrowellen-Hohlraumresonator kann beispielsweise angeordnet und eingerichtet sein, um die ersten Elektronen zu beschleunigen, wenn bzw. während die ersten Elektronen durch den Mikrowellen-Hohlraumresonator passieren.
Der Mikrowellen-Hohlraumresonator kann beispielsweise angeordnet und eingerichtet sein, um die ersten Elektronen zu beschleunigen, wenn bzw. während die ersten Elektronen durch den Mikrowellen-Hohlraumresonator passieren.
Die elektromagnetischen Wellen weisen beispielsweise eine Frequenz auf in einem Bereich, der ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus:

(i) 0,3-10 GHz; (ii) 10-20 GHz; (iii) 20-30 GHz; (iv) 30-40 GHz; (v) 40-50 GHz; (vi) 50-60 GHz; (vii) 60-70 GHz; (viii) 70-80 GHz; (ix) 80-90 GHz; (x) 90-100 GHz; (xi) 100-110 GHz; (xii) 1 10-120 GHz; (xiii) 120-130 GHz; (xiv) 130-140 GHz; (xv) 140-150 GHz; (xvi) 150-160 GHz; (xvii) 160-170 GHz; (xviii) 170-180 GHz; (xix) 180-190 GHz; (xx) 90-100 GHz; (xxi) 200-210 GHz; (xxii) 210-220 GHz; (xxiii) 220-230 GHz; (xxiv) 230-240 GHz; (xxv) 240-250 GHz; (xxvi) 250-160 GHz; (xxvii) 260-270 GHz; (xxviii) 270-280 GHz; (xxix) 280-290 GHz; und (xxx) 290-300 GHz.

Das System kann beispielsweise eine Master Clock aufweisen, die eingerichtet ist, um Zeitgebungs- bzw. Taktzyklen von einem Signal, dass auf den Mikrowellen-Hohlraumresonator gegeben wird, abzuleiten.
Die Master Clock kann beispielsweise konfiguriert werden, um phasenstarr mit dem Signal, dass auf den Mikrowellen-Hohlraumresonator gegeben wird, gekoppelt zu sein.
Gemäß einem Beispiel kann ein Streak-Kamera-Detektor ein wie oben beschriebenes Photonendetektionssystem aufweisen.
Verglichen mit einem herkömmlichen Streak-Kamera-Detektor, unterscheidet sich ein derartiger Streak-Kamera-Detektor durch die Verwendung eines Mikrowellen-Hohlraumresonators anstelle von parallelen Plattenelektroden zum Ablenken von Elektronen.
Gemäß einem Beispiel kann ein Verfahren zum Detektieren von Photonen das Empfangen von Photonen auf einer ersten Vorrichtung und das Emittieren oder die Ausgabe von ersten Elektronen umfassen, und eine Ablenkung der ersten Elektronen auf einen ersten Detektor unter Verwendung eines Mikrowellen-Hohlraumresonators.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung von existierenden Vorrichtungen, insbesondere Mehrfach-Pixel Flugzeit-Massenspektrometerdetektoren oder positionssensitiven Flugzeit-Massenspektrometerdetektoren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Ionen, die durch einen Flugzeit-Massenanalysator zeitlich getrennt worden sind, angeordnet, um auf eine Umwandlungsdynode aufzutreffen. Sekundärelektronen werden von der Umwandlungsdyode freigegeben, und die Sekundärelektronen werden vorzugsweise durch einen Mikrowellen-Hohlraumresonator („MCR“) auf einen Mikrokanalplattendetektor („MCP“) beschleunigt. Dem Mikrokanalplattendetektor folgt vorzugsweise ein positionssensitiver Detektor („PSD“), der einen kontinuierlichen Hochfrequenzbetrieb ausführen kann. Der positionssensitive Detektor umfasst vorzugsweise ein Photodiodenarray („PDA“).
Die Sekundärelektronen werden vorzugsweise durch den Mikrowellen-Hohlraumresonator derart abgelenkt, dass die Elektronen auf unterschiedlichen Positionen auf einem positionssensitiven Detektor gemäß der Phase der Felder innerhalb des Hohlraumresonators auftreffen. Die Frequenz des oszillierenden Feldes innerhalb des Mikrowellen-Hohlraumresonators ist vorzugsweise phasenstarr mit der Main Clock - Frequenz bzw. Taktung (Bin Breite) der Ausgabe bzw. des Read Outs des positionssensitiven Detektors gekoppelt. Die Periode des oszillierenden Feldes ist vorzugsweise dass vierfache der Bin Breite des hauptsächlichen positionssensitiven Detektors.
Die bevorzugte Ausführungsform erlaubt vorzugsweise eine signifikante Verbesserung in der Geschwindigkeit des Akquisitionssystems, wodurch die Flugzeit von Ionen bis zu einer Sub-Zeitbin-Breite von 10 ps bestimmt werden kann.
Die Bin Breite ist die Breite in der Zeit der Digitalisierung eines Zeit-Digital-Wandlers oder Analog-Digital-Wandlers, der in dem positionssensitiven Detektor verwendet wird. Sie ist reziprok zu der Digitalisierungsfrequenz in Zeit-Digital-Wandlern oder Analog-Digital-Wandlern oder der Bildrate einer Streak-Kamera.
Die vorliegende Erfindung adressiert das Problem von schnelleren lonendetektionsgeschwindigkeiten.
Das in der WO 2012/010894 A1 offenbarte System ist im Vergleich zu dem Detektionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung wesentlich langsamer.
In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird in einem Flugzeit-Massenanalysator ein Puls von Elektronen bzw. Elektronenpuls vorzugsweise unter Verwendung von passiven Komponenten erzeugt. Der Puls von Elektronen wird vorzugsweise zur gleichen Zeit erzeugt wie der Hauptbeschleunigungspuls, der auf die eine oder die mehreren orthogonalen Beschleunigungselektroden gegeben wird, um Ionen in die Flugzeit-Region zu beschleunigen. Die Messung der Zeitsteuerung bzw. des Timings des Pulses von Elektronen stellt ein Maß für die Startzeit oder die Anstiegsflanke des Hauptbeschleunigungsspannungspulses dar.
Da der Puls von Elektronen vorzugsweise unter Verwendung von passiven Komponenten erzeugt wird, gibt es vorteilhafter Weise kein inhärentes Zittern. Die bevorzugte Ausführungsform erlaubt daher eine genauere Bestimmung der Startzeit oder der Anstiegsflanke des Hauptbeschleunigungsspannungspulses, potenziell bis zu einer Genauigkeit von mehr als 10 ps, wodurch das Problem der Startzeitgenauigkeit adressiert wird.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Verbesserung von Streak-Kamera-Detektoren. Ein Streak-Kamera-Detektor gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von herkömmlichen Streak-Kamera-Detektoren darin, dass ein Mikrowellen-Hohlraumresonator an stelle von parallelen Ablenkplatten zum Ablenken von Elektronen verwendet wird. Der Mikrowellen-Hohlraumresonator ist vorzugsweise zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen konfiguriert, welche stehende Wellen innerhalb des Mikrowellen-Hohlraumresonators bilden, wo durch ein hochfrequentes zeitveränderliches Ablenkfeld erzeugt werden und aufgehalten werden kann, womit das Problem von höheren Frequenzen und stabileren Ablenkfeldern adressiert wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Massenspektrometer ferner aufweisen:

(a) eine Ionenquelle, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus folgenden besteht: (i) einer Elektrosprayionisations-(„ESI“)-Ionenquelle, (ii) einer Atmosphärendruckphotoionisations-(„APPI“)-Ionenquelle, (iii) einer Atmosphärendruck-Chemische-Ionisations-(„APCI“)-Ionenquelle, (iv) einer Matrixunterstützte-Laserdesorptionsionisations-(„MALDI“)-Ionenquelle, (v) einer Laserdesorptionsionisations-(„LDI“)-Ionenquelle, (vi) einer Atmosphärendruckionisations-(„API“)-Ionenquelle, (vii) einer Desorptionsionisation-auf-Silicium-(„DIOS“)-Ionenquelle, (viii) einer Elektronenstoß-(„EI“)-Ionenquelle, (ix) einer Chemische-Ionisations-(„CI“)-Ionenquelle, (x) einer Feldionisations-(„FI“)-Ionenquelle, (xi) einer Felddesorptions-(„FD“)-Ionenquelle, (xii) einer Induktiv-gekoppeltes-Plasma-(„ICP“)-Ionenquelle, (xiii) einer Schneller-Atombeschuss-(„FAB“)-Ionenquelle, (xiv) einer Flüssigkeits-Sekundärionenmassenspektrometrie-(„LSIMS“)-Ionenquelle, (xv) einer Desorptionselektrosprayionisations-(„DESI“)-Ionenquelle, (xvi) einer Radioaktives-Nickel-63-Ionenquelle, (xvii) einer Atmosphärendruck-Matrixunterstützte-Laserdesorptionsionisations-Ionenquelle, (xviii) einer Thermospray-Ionenquelle, (xix) einer Atmosphärenprobenbildungs-Glimmentladungsionisations-(„Atmospheric Sampling Glow Discharge Ionisation“ - „ASGDI“)-Ionenquelle, (xx) einer Glimmentladungs-(„GD“)-Ionenquelle, (xxi) einer Impaktorionenquelle, (xxii) einer Direkte-Analyse-in-Echtzeit-(„DART“)-Ionenquelle, (xxii) einer Lasersprayionisations-(„LSI“)-Ionenquelle, (xxiv) einer Sonicsprayionisations-(„SSI“)-Ionenquelle, (xxv) einer matrixunterstützten Einlassionisations-(„MAII“)-Ionenquelle, (xxvi) einer lösungsmittelunterstützten Einlassionisations-(„SAII“)-Ionenquelle, und/oder
(b) eine oder mehrere kontinuierliche oder gepulste Ionenquellen und/oder
(c) eine oder mehrere Ionenführungen und/oder
(d) eine oder mehrere lonenmobilitätstrennvorrichtungen und/oder eine oder mehrere Feldasymmetrische-Ionenmobilitätsspektrometervorrichtungen und/oder
(e) eine oder mehrere lonenfallen oder ein oder mehrere Ionenfallengebiete und/oder
(f) eine oder mehrere Kollisions-, Fragmentations- oder Reaktionszellen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus folgendem besteht: (i) einer Stoßinduzierte-Dissoziation-(„CID“)-Fragmentationsvorrichtung, (ii) einer Oberflächen induzierte-Dissoziation-(„SID“)-Fragmentationsvorrichtung, (iii) einer Elektronenübertragungsdissoziations-(„ETD“)-Fragmentationsvorrichtung, (iv) einer Elektroneneinfangdissoziations-(„ECD“)-Fragmentationsvorrichtung, (v) einer Elektronenstoß-oder-Aufprall-Dissoziations-Fragmentationsvorrichtung, (vi) einer Photoinduzierte-Dissoziations-(„PID“)-Fragmentationsvorrichtung, (vii) einer Laserinduzierte-Dissoziations-Fragmentationsvorrichtung, (viii) einer Infrarotstrahlungsinduzierte-Dissoziation-Vorrichtung, (ix) einer Ultraviolettstrahlungsinduzierte-Dissoziation-Vorrichtung, (x) einer Düse-Skimmer-Schnittstelle-Fragmentationsvorrichtung, (xi) einer In-der-Quelle-Fragmentationsvorrichtung, (xii) einer In-der-Quelle-stoßinduzierte-Dissoziation-Fragmentationsvorrichtung, (xiii) einer Thermische-oder-Temperaturquellen-Fragmentationsvorrichtung, (xiv) einer Elektrisches-Feld-induzierte-Fragmentation-Vorrichtung, (xv) einer Magnetfeldinduzierte-Fragmentation-Vorrichtung, (xvi) einer Enzymverdauungs-oder-Enzymabbau-Fragmentationsvorrichtung, (xvii) einer Ion-Ion-Reaktions-Fragmentationsvorrichtung, (xviii) einer Ion-Molekül-Reaktions-Fragmentationsvorrichtung, (xix) einer lon-Atom-Reaktions-Fragmentationsvorrichtung, (xx) einer lon-metastabiles-Ion-Reaktion-Fragmentations-vorrichtung, (xxi) einer Ionmetastabiles-Molekül-Reaktion-Fragmentationsvorrichtung, (xxii) einer Ion-metastabiles-Atom-Reaktion-Fragmentationsvorrichtung, (xxiii) einer Ion-Ion-Reaktionsvorrichtung zum Reagieren von Ionen zur Bildung von Addukt- oder Produktionen, (xxiv) einer Ion-Molekül-Reaktionsvorrichtung zum Reagieren von Ionen zur Bildung von Addukt- oder Produktionen, (xxv) einer Ion-Atom-Reaktionsvorrichtung zum Reagieren von Ionen zur Bildung von Addukt- oder Produktionen, (xxvi) einer Ion-metastabiles-Ion-Reaktionsvorrichtung zum Reagieren von Ionen zur Bildung von Addukt- oder Produktionen, (xxvii) einer lon-metastabiles-Molekül-Reaktionsvorrichtung zum Reagieren von Ionen zur Bildung von Addukt- oder Produktionen, (xxviii) einer Ion-metastabiles-Atom-Reaktionsvorrichtung zum Reagieren von Ionen zur Bildung von Addukt- oder Produktionen und (xxix) einer Elektronenionisationsdissoziations-(„EID“)-Fragmentationsvorrichtung und/oder
(g) einen Massenanalysator, der aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus folgendem besteht: (i) einem Quadrupol-Massenanalysator, (ii) einem Zweidimensionaler- oder-linearer-Quadrupol-Massenanalysator, (iii) einem Paul-oder-dreidimensionaler-Quadrupol-Massenanalysator, (iv) einem Penning-Fallen-Massenanalysator, (v) einem lonenfallen-Massenanalysator, (vi) einem Magnetsektor-Massenanalysator, (vii) einem Ionenzyklotronresonanz-(„ICR“)-Massenanalysator, (viii) einem Fouriertransformations-Ionenzyklotronresonanz-(„FTICR“)-Massenanalysator, (ix) einem elektrostatischen Massenanalysator, der dafür eingerichtet ist, ein elektrostatisches Feld mit einer quadrologarithmischen Potentialverteilung zu erzeugen, (x) einem elektrostatischen Fouriertransformations-Massenanalysator, (xi) einem Fouriertransformations-Massenanalysator, (xii) einem Flugzeit-Massenanalysator, (xiii) einem Orthogonalbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator und (xiv) einem Linearbeschleunigungs-Flugzeit-Massenanalysator und/oder
(h) einen oder mehrere Energieanalysatoren oder elektrostatische Energieanalysatoren und/oder
(i) einen oder mehrere Ionendetektoren und/oder
(j) ein oder mehrere Massenfilter, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus folgenden besteht: (i) einem Quadrupol-Massenfilter, (ii) einer Zweidimensionaler-oderlinearer-Quadrupol-Ionenfalle, (iii) einer Paul-oder-dreidimensionaler-Quadrupol-Ionenfalle, (iv) einer Penning-Ionenfalle, (v) einer Ionenfalle, (vi) einem Magnetsektor-Massenfilter, (vii) einem Flugzeit-Massenfilter und (viii) einem Wien-Filter und/oder (k) eine Vorrichtung oder ein lonengatter zum Pulsieren von Ionen und/oder (l) eine Vorrichtung zum Umwandeln eines im Wesentlichen kontinuierlichen lonenstrahls in einen gepulsten Ionenstrahl.

Das Massenspektrometer kann ferner eines der Folgenden aufweisen:

(i) eine C-Falle und einen Massenanalysator mit einer äußeren rohrförmigen Elektrode und einer koaxialen inneren spindelartigen Elektrode, die ein elektrostatisches Feld mit einer quadrologarithmischen Potentialverteilung bilden, wobei in einem ersten Betriebsmodus Ionen zur C-Falle überführt werden und dann in den Massenanalysator injiziert werden und wobei in einem zweiten Betriebsmodus Ionen zur C-Falle überführt werden und dann zu einer Stoßzelle oder Elektronenübertragungsdissoziationsvorrichtung überführt werden, wo zumindest einige Ionen in Fragmentionen fragmentiert werden, und wobei die Fragmentionen dann zur C-Falle überführt werden, bevor sie in den Massenanalysator injiziert werden, und/oder
(ii) eine Ringstapel-Ionenführung mit mehreren Elektroden, die jeweils eine Öffnung aufweisen, von der Ionen bei der Verwendung durchgelassen werden, und wobei der Abstand zwischen den Elektroden längs dem lonenweg zunimmt und wobei die Öffnungen in den Elektroden in einem stromaufwärts gelegenen Abschnitt der lonenführung einen ersten Durchmesser aufweisen und wobei die Öffnungen in den Elektroden in einem stromabwärts gelegenen Abschnitt der lonenführung einen zweiten Durchmesser aufweisen, der kleiner als der erste Durchmesser ist, und wobei entgegengesetzte Phasen einer Wechsel- oder HF-Spannung bei der Verwendung an aufeinanderfolgende Elektroden angelegt werden.

Gemäß einer Ausführungsform weist das Massenspektrometer ferner eine Vorrichtung auf, die dafür eingerichtet und ausgelegt ist, den Elektroden eine Wechsel- oder HF-Spannung zuzuführen. Die Wechsel- oder HF-Spannung hat vorzugsweise eine Amplitude, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus folgendem besteht: (i) < 50 V Spitze-zu-Spitze, (ii) 50 - 100 V Spitze-zu-Spitze, (iii) 100 - 150 V Spitze-zu-Spitze, (iv) 150 - 200 V Spitze-zu-Spitze, (v) 200 - 250 V Spitze-zu-Spitze, (vi) 250 - 300 V Spitze-zu-Spitze, (vii) 300 - 350 V Spitze-zu-Spitze, (viii) 350 - 400 V Spitze-zu-Spitze, (ix) 400 - 450 V Spitze-zu-Spitze, (x) 450 - 500 V Spitze-zu-Spitze und (xi) > 500 V Spitze-zu-Spitze.
Die Wechsel- oder HF-Spannung hat vorzugsweise eine Frequenz, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus folgendem besteht: (i) < 100 kHz, (ii) 100 - 200 kHz, (iii) 200 - 300 kHz, (iv) 300 - 400 kHz, (v) 400 - 500 kHz, (vi) 0,5 - 1,0 MHz, (vii) 1,0 - 1,5 MHz, (viii) 1,5 - 2,0 MHz, (ix) 2,0 - 2,5 MHz, (x) 2,5 - 3,0 MHz, (xi) 3,0 - 3,5 MHz, (xii) 3,5 - 4,0 MHz, (xiii) 4,0 - 4,5 MHz, (xiv) 4,5 - 5,0 MHz, (xv) 5,0 - 5,5 MHz, (xvi) 5,5 - 6,0 MHz, (xvii) 6,0 - 6,5 MHz, (xviii) 6,5 - 7,0 MHz, (xix) 7,0 - 7,5 MHz, (xx) 7,5 - 8,0 MHz, (xxi) 8,0 - 8,5 MHz, (xxii) 8,5 - 9,0 MHz, (xxiii) 9,0 - 9,5 MHz, (xxiv) 9,5 - 10,0 MHz und (xxv) > 10,0 MHz.
Das Massenspektrometer kann auch eine Chromatographie- oder andere Trennvorrichtung stromaufwärts einer Ionenquelle aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform weist die Chromatographietrennvorrichtung eine Flüssigchromatographie- oder Gaschromatographievorrichtung auf. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Trennvorrichtung Folgendes aufweisen: (i) eine Kapillarelektrophorese-(„CE“)-Trennvorrichtung, (ii) eine Kapillarelektrochromatographie-(„CEC“)-Trennvorrichtung, (iii) eine Trennvorrichtung mit einem im Wesentlichen starren keramikbasierten mehrschichtigen Mikrofluidsubstrat („Keramikkachel“) oder (iv) eine Überkritisches-Fluid-ChromatographieTrennvorrichtung.
Figurenliste
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit weiteren Anordnungen, die zu illustrativen Zwecken angegeben werden, werden in folgenden Reihen beispielhaft beschrieben, unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.

1 zeigt einen bekannten Streak-Kamera-Ionendetektor;
2 zeigt das grundlegende Prinzip des Betriebes eines Mikrowellen-Hohlraumresonators, wie er gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Ablenken eines Strahls von Elektronen bzw. Elektronenstrahls verwendet wird;
3 zeigt die Schwierigkeit der Interpolation der Zeit, zu bzw. während der ein Strahl von Elektronen, der durch eine Sinuswelle moduliert wird, auf einem positionssensitiven Detektor in der Umgebung des Maximums und des Minimums der Sinuskurve auftrifft;
4 zeigt eine typische Bahn eines Elektrons, das durch eine Welle von TE101 Modus abgelenkt wird, welche innerhalb eines Mikrowellen-Hohlraumresonators aufgebaut wird, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein ankommender bzw. eintreffender Strahl von Ionen auf eine Umwandlungsdynode auftrifft, woraufhin Sekundärelektronen von dieser freigesetzt werden, und durch ein magnetisches Feld durch einen Mikrowellen-Hohlraumresonator in Richtung eines Mikrokanalplattendetektors und eines zugeordneten positionssensitiven Detektors geführt werden;
6 zeigt, wie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein separater Strahl von Elektronen, der durch ein Filament erzeugt ist, verwendet werden kann zum Messen der Anstiegsflanke des Hauptbeschleunigungsspannungspulses;
7 zeigt die unterschiedlichen Bahnen, entlang denen sich Startelektronen und auch Sekundärelektronen, die von einer Umwandlungsdynode in einer einzigen Führung emittiert werden, bewegen;
8 zeigt eine bevorzugte Geometrie eines rechteckigen Hohlraumresonators bei 2,5 GHz für den TE101 Modus und eine typische Elektronenbahn;
9 zeigt, wie ein sich 1 cm in z-Richtung erstreckender Elektronenstrahl über einen pixelierten Detektor mit einem 400 µm Pitch gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgelenkt wird;
10 zeigt, wie das Signal von einem gepulsten Startelektronenstrahl eine elliptische Bahn beschreibt;
11 zeigt ein Doppelflanken - TDC-Prinzip;
12 zeigt ein beispielhaftes Potenzialdiagramm für eine gefloatete Zeit eines Flugrohres, das in einem positiven lonenmodus betrieben wird;
13 zeigt ein beispielhaftes Potenzialdiagramm für eine gefloatete Zeit eines Flugrohres, dass in einem negativen Ionenmodus betrieben wird;
14 zeigt ein Beispiel für ein Potenzialdiagramm für eine geerdete Zeit eines Flugrohres, dass in einem positiven Ionenmodus betrieben wird;
15 zeigt ein Beispiel eines Potenzialdiagramms, dass für eine geerdete Zeit eines Flugrohres, dass in einem negativen Ionenmodus betrieben wird; und
16 zeigt ein beispielhaftes Potenzialdiagramm für einen Mikrowellen-Hohlraumresonator, einen zugeordneten Mikrokanalplattendetektor und ein Photodiodenarray gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben.
Flugzeit-Massenspektrometer („TOF“) sind analytische Vorrichtungen, die in der Lage sind, komplette Massenspektren von Ionen über einen großen Massenbereich typischerweise alle 10 Mikrosekunden zu detektieren. Flugzeitmassenspektrometer benötigen schnelle Digitalisierungsraten, welche bei Instrumenten gemäß dem Stand der Technik in der Größenordnung von einigen 100 Picosekunden liegen können.
Optische Streak-Kameras müssen typischerweise schnelle Schnappschüsse in der Zeit (Frame) mit sehr höher Auflösung aufnehmen, wobei die Frames jedoch normalerweise zeitlich separiert sind. Für Flugzeit-Massenspektrometer ist es jedoch essentiell, eine kontinuierliche Framerate zu haben, so dass alle Ereignisse, die in allen Zeitfenstern auftreten, registriert werden.
Die Framerate einer Streak-Kamera ist analog zu der Bin-Rate eines herkömmlichen Flugzeit-Digitalisierers (der entweder einen Analog-Digital-Wandler oder einem Zeit-Digital-Wandler umfassen kann).
Das Prinzip des Betriebes einer Streak-Kamera ist in 1 dargestellt. Ionen werden auf einen Mikrokanalplattendetektor gegeben, der einen Strahl von Elektronen emittiert, welche derart eingerichtet bzw. angeordnet sind, dass sie zwischen zwei Ablenkungselektroden passieren. Eine Sägezahnspannung wird auf die Ablenkungselektroden aufgebracht, und die Elektronen werden auf einen CCD/CMOS - Sensor abgelenkt, der eine Framerate von 50 ns aufweist.
Das Ablenken von Elektronen mit hohen Frame-Digitalisierungsfrequenzen, welche mit aktuellen Flugzeit- Massenspektrometern gemäß dem Stand der Technik kompatibel sind, (d.h typischerweise 10 GHz), würden Komplexe, technisch sehr anspruchsvolle und kostenintensive Leistungs-bzw. Spannungsversorgungen benötigen, was sie, wirtschaftlich uninteressant machen würde.
Ferner wird das Problem durch den Wunsch nach einer linearen Rampe verschärft, welche von einer Fourier-Analyse höhere Frequenzkomponenten aufweist als die fundamentale Digitalisierungsrate bzw. Frequenz.
Im Gegensatz zu einer herkömmlichen linearen Rampe kann ein sinusförmiges Ablenkungsschema in Erwägung gezogen werden. Es ist dann möglich, Schwingkreise zu verwenden, um die Ablenkungsspannungen zu erzeugen, wodurch die Schaltkreise insgesamt stark vereinfacht sind. Schwingkreise werden oft charakterisiert durch einen „Q“-Faktor, der wie folgt definiert ist: $Q = Frequenz \times durchschnittliche gespeicherte Energie / (Energieverlust / Sekunde)$
Relativ hohe Q-Faktoren von einigen 100 sind möglich durch Verwendung von konzentrierten bzw. gelumpten Komponenten bei niedrigeren Frequenzen.
Bei höheren Mikrowellenfrequenzen sind Q-Faktoren von 10 000 durch Verwendung von zylindrischen oder rechteckigen Hohlräumen, welche als Resonatoren bekannt sind, welche stehende Wellen in ihrem Inneren unterstützen, erreichbar. Diese Technik wird üblicherweise in Linearbeschleunigern verwendet, wobei ein geladenes Teilchen auf dem Kamm einer wandernden Welle reitet bzw. surft, wobei es auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine modifizierte Streak-Kamera verwendet, um Elektronen in Synchronisation mit einem Digitalisierer, der vorzugsweise mit einer Bin Breite von beispielsweise 100 ps läuft bzw. betrieben wird, abzulenken.
2 zeigt das grundlegende Prinzip des Betriebes eines Mikrowellen-Hohlraumresonators gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine elektromagnetische stehende Welle des TE101-Modus (transversal-elektrischer Modus) vorzugsweise erzeugt oder in anderer weise innerhalb eines Mikrowellen-Hohlraumresonators bereitgestellt. Die TE101 stehende Welle wird vorzugsweise auch eingerichtet bzw. ausgelegt, um eine sinusförmige Modulation von Elektronen in der y-Richtung des in 2 dargestellten Koordinatensystems zu bewirken.
Wie unter Bezugnahme auf die 3 verstanden wird, ist eine nicht-lineare vertikale Ablenkungscharakteristik schwieriger in der Zeit zu interpolieren in Richtung des Maximums und des Minimums der Sinuswelle, wie in 3 dargestellt. Wenn jedoch das Startsignal echt asynchron mit der Detektionssystem-Uhr bzw. dem Detektionssystem-Taktgeber ist, können Ionen, die schwer zu interpolieren sind, einfach abgelehnt werden, ohne irgendeine Verzerrung in dem erzeugten bzw. akquirierten Massenspektrum einzuführen.
In einem asynchronen System führt eine Ablehnung einiger der Ionen lediglich zu einer Verminderung der Gesamttransmission des Spektrometers, da die Wahrscheinlichkeit, dass ein individuelles Ion zu irgendeiner Zeit ankommt, gleichförmig ist.
4 zeigt eine typische Bahn eines Elektrons, das durch einen TE101 Modus, der innerhalb des Mikrowellen-Hohlraumresonators aufgebaut wird, abgelenkt wird, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Elektronen kommen vorzugsweise in der Mitte der Führung oder des Mikrowellen-Hohlraumresonators bei einer Verschiebung y = b/2 an und werden vorzugsweise durch das elektromagnetische Feld beschleunigt. Mit diesem Modus und diesen Eingangsbedingungen wird die Elektronenbewegung in Wesentlichem durch die elektrische Komponente des elektromagnetischen Feldes in der y-Richtung dominiert, und die Ausgangskoordinate ist eine Funktion der Anfangsphase bzw. anfänglichen Phase der elektromagnetischen Welle, welche das Elektron beim Eintritt in die Vorrichtung sieht.
5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der eingehende Ionen angeordnet sind, um auf eine Umwandlungsdyode S aufzutreffen, woraufhin Sekundärelektronen von dieser freigegeben werden. Die in 5 dargestellte Ausführungsform steht im Gegensatz zu der bekannten Anordnung, bei der Ausgangselektronen von einer Mikrokanalplatte durch die Sweep-Spannung abgelenkt werden.
Dies ist eine wichtige Unterscheidung, da der Ausgangselektronenstrom bzw.-shower von einer Mikrokanalplatte bei einer bekannten Anordnung typischerweise von der Größenordnung von wenigen 100 ps ist, was länger ist als die Digitalisierungsperiode, welche gemäß der bevorzugten Ausführungsform nur 100 ps betragen darf. Als Ergebnis ist es offensichtlich, dass die sub-Bin-Interpolation auf dem 10 ps-Niveau oder in dieser Größenordnung unmöglich ist unter Verwendung der bekannten Anordnung.
Die durch die Umwandlungsdynode emittierten Sekundärelektronen werden gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung vorteilhafterweise fast instantan durch die Umwandlungsdynode S erzeugt. Die Erzeugung der Sekundärelektronen trägt nicht zu der zeitlichen Verbreiterung des Signals bei. Dies stellt einen signifikanten Vorteil gegenüber der bekannten Anordnung, welche einen Mikrokanalplattendetektor verwendet, dar.
Die Sekundärelektronen gemäß der bevorzugten Ausführungsform werden vorzugsweise von der Umwandlungsoberfläche S durch ein relatives Potenzial bzw. eine relative Spannung von beispielsweise 1000V, welche auf der Gitterelektrode G1 vorgehalten wird, beschleunigt, so dass die Sekundärelektronen die Gitterelektrode G1 passieren. Die Sekundärelektronen werden dann vorzugsweise um die Gitterelektrode G1 und die Umwandlungsoberfläche S durch ein magnetisches Feld B gebogen, welches vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zu der Bahn der Elektronen angewendet bzw. aufgebracht wird.
Die Sekundärelektronen werden dann vorzugsweise in einen Mikrowellen-Hohlraumresonator geführt, der vorzugsweise ein Loch, ein Gitter oder einen Eingangport hat, durch welche bzw. welchen die Elektronen vorzugsweise passieren, um in das Innere des Mikrowellen-Hohlraumresonators einzutreten. Die magnetischen und elektrischen Felder der Umwandlungs- und Beschleunigungsstufen des Detektors sind vorzugsweise so angeordnet, dass die Elektronen isochrone Bahnen annehmen, welche vorzugsweise unabhängig von der anfänglichen Auftreffposition von Ionen auf der Umwandlungsdynode S sind.
Die Ionen kommen vorzugsweise an dem Mikrowellen-Hohlraumresonator in einem schmalen Streifen in z-Richtung an, mit nur einer kleinen Ausdehnung in y-Richtung vorliegt, so dass eine anschließende y-Ablenkung innerhalb des Mikrowellen-Hohlraumresonators im Wesentlichen nur eine Funktion der anfänglichen z-Koordinate und Phase ist.
Ionen, die auf der Umwandlungsdynode S auftreffen, sind vorzugsweise durch eine Flugzeit-Region eines orthogonalen Flugzeit-Massenanalysators beschleunigt worden. Die Ionen werden vorzugsweise zunächst in die Flugzeit-Region orthogonal beschleunigt durch Aufbringen eines großen Spannungspulses (einige kV) auf eine oder mehrere der orthogonalen Beschleunigungselektroden. Der Spannungspuls weist typischerweise eine Anstiegszeit in der Größenordnung von 10 bzw. einigen 10 ns auf. Flugzeit-Linienbreiten auf dem Nanosekundenniveau sind möglich, da die lonenflugzeiten auf dem Integral des beschleunigten Feldes, und nicht von der Anstiegszeit abhängen. Trotzdem muss die Messung des Beginns des Beschleunigungspulses, der als Startsignal bekannt ist, sehr präzise durchgeführt werden, da andernfalls die Auflösung über Signale, welche die Integration von vielen diskreten Schüben sind, abnehmen wird.
Um die vollständigen Vorteile einer modifizierten Streak-Kamera Detektion von Ionen auf dem Sub-Bin-Niveau gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu realisieren, ist es vorteilhaft, den Beschleunigungspuls mit dergleichen Präzision wie wie detektierten Ionen zu messen.
Zur Verbesserung der Präzision bzw. Genauigkeit der Startzeit wird vorzugsweise ein kleiner gepulster Elektronenstrahl gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Der Startelektronenstrahl wird vorzugsweise unter Verwendung des gleichen modifizierten Streak-Kamera Prinzips gemessen, in einer Weise, die sie in 6 dargestellt ist.
Der Puls zum Ausstoßen des Startelektronenstrahls unter Verwendung eines Filaments wird vorzugsweise abgeleitet oder ist in anderer Weise abhängig von dem Hauptbeschleunigungspuls unter Verwendung von passiven Komponenten. Als Ergebnis hiervon tritt vorteilhafterweise kein inhärentes Zittern innerhalb des Hauptpulses auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt die Startelektronenvorrichtung vorzugsweise einen Puls von Elektronen unter Verwendung eines Filaments, was vorzugsweise ein Maß für die Anstiegsflanke des Hauptbeschleunigungsspannungspulses des Massenspektrometers ist. Die Startsignalelektronen werden vorzugsweise durch die Führung oder den Mikrowellen-Hohlraumresonator geführt in einer unterschiedlichen Richtung zu den Sekundärelektronen, die von der Detektionsoberfläche der Umwandlungsdynode emittiert werden. Der Schritt des Passierens der Startelektronen durch den TE101 Modus, der innerhalb des Mikrowellen-Hohlraumresonators in der y-Richtung aufgebaut ist, dies mit bestimmten Anfangsbedingungen, resultiert darin, dass die Startelektronen eine elliptische Bahn durchlaufen. Jedes Pixel des Photodiodenarrays repräsentiert dann eine unterschiedliche interpolierte Zeit, was zu einer Startzeitgenauigkeit von mehr als 10 ps führt.
7 zeigt unterschiedliche Bahnen, die sowohl Startelektronen als auch Sekundärelektronen, die von der Detektionsoberfläche der Umwandlungsdynode in einer einzigen Führung oder einem einzigen Mikrowellen-Hohlraumresonator emittiert werden, beschreiben.
8 zeigt die Geometrie für einen rechteckigen Hohlraumresonator bei 2,5 GHz für einen TE101 Modus, und auch eine typische Elektronenbahn.
9 zeigt, wie ein sich 1 cm in z-Richtung erstreckender Strahl über eine pixellierten Detektor mit einem Pitch von 400 µm abgelenkt wird.
10 zeigt, wie das Signal von dem Startelektronenstrahl eine elliptische Bahn beschreibt.
Es wird festgestellt werden, dass 9 Hinweise auf eine kleine y-Ablenkung zeigt, welche eine Abhängigkeit in der z-Richtung aufweist. Dies ist zu erwarten, da die maximale Ablenkung am Peak der stehenden Welle erzeugt wird, welcher bei d/2 (z = 41,5 mm) zentriert ist. Diese Abhängigkeit kann durch entsprechende Kalibrierung der Vorrichtung ausgeglichen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, die Oszillationsfrequenz des Mikrowellen-Hohlraumresonators zu verwenden, um als Master Clock für das Spektrometersystem zu dienen. Ein Beispiel für einen 100 ps Binweitendigitalisiererschaltkreis ist ein Wilkinson- Wandler. Das Prinzip des Betriebes ist das der sogenannten Zeitausdehnung, wobei die Uhr bei einer relativ geringen Rate von 100 MHz (Bin Weite 10 ns) läuft. Eine Spannungsrampe einer bestimmten Zeitkonstante wird am Beginn jedes Uhr- bzw. Taktzyklus erzeugt. Die Ankunft eines Ereignisses bewirkt, dass die Rampe gestoppt wird und mit einer unterschiedlichen geringeren Rate heruntergefahren bzw. heruntergeramped wird, welche typischerweise durch das Verhältnis von zwei Kondensatoren bestimmt wird. Dieses Prinzip ist in 11 dargestellt.
Ein Zeitstreckungsverhältnis von 100 erlaubt die Erzeugung von 100 ps Bin- Weiten aus einer 100 MHz Uhr. Es ist offensichtlich, dass die höchste Frequenz, die in einem Flugzeit-Massenspektrometer vor kommt, die 2,5 GHz des Mikrowellen-Hohlraumresonators ist, welche heruntergeteilt werden kann, um alle anderen Taktfrequenzen in dem Instrument zu bedienen, um so eine Phasenkopplung bzw. phasenstarre Kopplung für alle Frequenzen zu gewährleisten.
Die verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf die Analyse von positiv geladenen Ionen. Es werden jedoch auch andere Ausführungsformen in Erwägung gezogen, bei denen negativ geladene Ionen analysiert werden können.
Die 12 bis 15 zeigen, wie eine Ionendetektorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung eingerichtet bzw. angeordnet werden kann, um entweder positiv geladene Ionen oder negativ geladenen Ionen zu analysieren. Insbesondere zeigen die 12 bis 15 Potenzialdiagramme für sowohl einen Betriebsmodus für positive Ionen und einen Betriebsmodus für negative Ionen.
12 zeigt ein Potenzialdiagramm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn das Flugzeitrohr gefloated ist, und in einem Modus für positive Ionen betrieben wird. Wie dargestellt wird eine Pusher-Elektrode auf einem Potenzial von beispielsweise 1000V gehalten, und eine Gitterelektrode wird auf Masse bzw. Erde oder 0 V gehalten, d.h. die angewendete Pusher-Spannung ΔV ist 1000 V. Der Eingang und der Ausgang des Flugzeitrohres wird auf -6000 V gehalten, wie auch die Gitterelektrode G1, die benachbart zu der Umwandlungsdynode oder Auftreffoberfläche S angeordnet ist. Die Umwandlungsdynode oder Auftreffoberfläche S wird vorzugsweise auf einem Potenzial von -7000 V gehalten.
13 zeigt ein Potenzialdiagramm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Flugrohr gefloated ist und in einem Modus für negative Ionen betrieben wird. Die Pusher-Elektrode wird auf -1000 V gehalten, und eine Gitterelektrode wird auf Masse bzw. Erde oder 0 V gehalten, d.h. die angewendete bzw. aufgebrachte Pusher-Spannung ΔV beträgt -1000 V. Der Eingang und der Ausgang des Flugrohres wird auf 6000 V gehalten, wie auch die Gitterelektrode G1, welche benachbart zu der Umwandlungsdyode oder Auftreffoberfläche S angeordnet ist. Die Umwandlungsdynode oder Auftreffoberfläche S wird vorzugsweise auf einem Potenzial von 5000 V gehalten.
14 zeigt ein Potenzialdiagramm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein Flugzeitrohr geerdet ist, und in einem Modus für positive Ionen betrieben wird. Wie dargestellt wird die Pusher-Elektrode auf einem Potenzial von beispielsweise 7000 V gehalten, und eine Gitterelektrode wird auf 6000 V gehalten, d.h. die angewendete Pusher-Spannung ΔV beträgt 1000 V. Der Eingang und der Ausgang des Flugrohres wird auf Masse oder 0 V gehalten, wie auch die Gitterelektrode G1, welche benachbart zu der Umwandlungsdynode oder Auftreffoberfläche S angeordnet ist. Die Umwandlungsdynode oder Auftreffoberfläche S wird vorzugsweise auf einem Potenzial von -1000 V gehalten.
15 zeigt ein Potenzialdiagramm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Flugrohr geerdet ist und in einem Modus für negative Ionen betrieben wird. Wie dargestellt wird die Pusher-Elektrode auf einem Potenzial von beispielsweise -7000 V gehalten, und eine Gitterelektrode wird auf -6000 V gehalten, d.h. die angewendete Pusher-Spannung ΔV beträgt -1000 V. Der Eingang und der Ausgang des Flugrohres wir auf Masse bzw. Erde oder 0 V gehalten, wie auch die Gitterelektrode G1, welche benachbart zu der Umwandlungsdynode oder Auftreffoberfläche S angeordnet ist. Die Umwandlungsdynode oder Auftreffoberfläche S wird vorzugsweise auf einem Potenzial von -1000 V gehalten.
Wie aus den 12 bis 15 deutlich wird, ist das Potenzial der Gitterelektrode G1 vorzugsweise stets höher als für das Potenzial der Umwandlungsdynode oder Auftreffoberfläche S, unabhängig davon, ob oder nicht das Flugrohr gefloated oder geerdet ist, und unabhängig davon, ob oder nicht der Ionendetektor in einem Modus für positive Ionen oder einem Modus für negative Ionen betrieben wird. Entsprechend werden Elektronen, die von der Umwandlungsdynode oder der Auftreffoberfläche S emittiert werden, in Richtung der Gitterelektrode G1 beschleunigt.
16 zeigt ein beispielhaftes Potenzialdiagramm, dass die relativen Potenzialdiffernezen darstellt, welche vorzugsweise zwischen dem Mikrowellen-Hohlraumresonator, der Mikrokanalplatte (MCP), welche vorzugsweise an dem Ausgang des Mikrowellen-Hohlraumresonators angeordnet ist, und einem positionssensitiven Detektor, der vorzugsweise ein Photodiodenarray (PDA) aufweist, das vorzugsweise eingerichtet ist, um Elektronen zu empfangen, die von dem hinterem Teil der Mikrokanalplatte emittiert werden, herrschen.
Der Mikrowellen-Hohlraumresonator wird vorzugsweise auf dem gleichen Potenzial gehalten wie die Gitterelektrode G1. Die anfängliche Auftreffoberfläche der Mikrokanalplatte kann auf dem gleichen Potenzial wie die Gitterelektrode G1 gehalten werden. Eine Potenzialdifferenz von +1000 V wird vorzugsweise über der Mikrokanalplatte aufrechterhalten, so dass der hintere Teil (Ausgang) bzw. das Ausgangsende der Mikrokanalplatte vorzugsweise auf einem Potenzial von +1000 V höher als das vordere Ende (Eingang) der Mikrokanalplatte gehalten wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der positionssensitive Detektor, welcher vorzugsweise ein Photodiodenarray aufweist, auf einem Potenzial von 4000 V höher als das Potenzial an dem hinteren Ende (Ausgang) der Mikrokanalplatte gehalten. Es sollte jedoch für jeden Fachmann klar sein, dass auch andere geeignete Potenzialdifferenzen verwendet werden können.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen ist eine Beschleunigung der Elektronen, die an der Umwandlungsdyode zu 1000 V durch Passieren der Elektronen zurück durch die Gitterelektrode G1 freigegeben werden, vorzugsweise ausreichend, um der Mikrokanalplatte MCP eine ausreichende Verstärkung bzw. einen ausreichenden Gain zu geben, ohne einen wesentlichen negativen Effekt auf die Ionenumwandlungseffizienz an der Umwandlungsdynode S zu verursachen.
Alternative Ausführungsformen werden in Erwägung gezogen, bei denen alternative Modi zu dem TE101 Modus angesetzt werden können. Beispielsweise kann bzw. können gemäß anderen Ausführungsformen ein transversal-magnetischer Modus („TM“) oder transversalelektrische Modi höherer Ordnung mit dem Mikrowellen-Hohlraumresonator verwendet werden.
Die modifizierte Streak-Kamera, die einen Mikrowellen-Hohlraumresonator verwendet, kann in anderen Anwendungen als Flugzeit-Massenspektrometer angewendet werden.
Andere Ausführungsformen werden in Erwägung gezogen, bei denen ein kleines gepulstes Elektronstartsignal verwendet werden kann, um ein Zittern in einem Flugzeit-Detektorsystem zu reduzieren, welche nicht notwendigerweise ein modifiziertes Streak-Kamera Detektorsystem verwenden.

Claims

Ionendetektorsystem für ein Massenspektrometer, das aufweist: eine erste Vorrichtung, die angeordnet und eingerichtet ist, um Ionen zu empfangen und erste Elektronen zu emittieren; und einen Mikrowellen-Hohlraumresonator, der angeordnet und eingerichtet ist, um die ersten Elektronen auf einen ersten Detektor abzulenken.
Ionendetektorsystem nach Anspruch 1, bei dem die erste Vorrichtung eine Umwandlungsdynode aufweist.
Ionendetektorsystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die ersten Elektronen Sekundärelektronen umfassen.
Ionendetektorsystem nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, ferner mit einer oder mehreren Gitterelektroden, die stromaufwärts der ersten Vorrichtung angeordnet sind, wobei die eine oder mehreren Gitterelektroden angeordnet und eingerichtet sind, um die Ionen auf oder in die erste Vorrichtung zu beschleunigen.
Ionendetektorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einer zweiten Vorrichtung, die angeordnet und eingerichtet ist, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, um die ersten Elektronen in Richtung des Mikrowellen- Hohlraumresonators abzulenken.
Ionendetektorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Detektor eine oder mehrere Mikrokanalplatten aufweist.
Ionendetektorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Detektor stromabwärts des Mikrowellen- Holraumresonators angeordnet ist.
Ionendetektorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der erste Detektor angeordnet und eingerichtet ist, um die ersten Elektronen zu empfangen, und zweite Elektronen zu emittieren.
Ionendetektorsystem nach Anspruch 8, ferner mit einem ersten positionssensitiven Detektor („PSD“).
Ionendetektorsystem nach Anspruch 9, bei dem der erste positionssensitive Detektor stromabwärts des ersten Detektors angeordnet ist.
Ionendetektorsystem nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem der erste positionssensitive Detektor angeordnet und eingerichtet ist, um die Position zu detektieren, an der die zweiten Elektronen auf den ersten positionssensitiven Detektor auftreffen.
Ionendetektorsystem nach einem der Ansprüche 9, 10 oder 11, wobei der erste positionssensitive Detektor ein oder mehrere Photodiodenarrays aufweist.
Ionendetektorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Mikrowellen-Hohlraumresonator angeordnet und eingerichtet ist, um elektromagnetische Wellen innerhalb des Mikrowellen- Hohlraumresonators zu erzeugen.
Ionendetektorsystem nach Anspruch 13, bei dem der Mikrowellen- Hohlraumresonator angeordnet und eingerichtet ist, um zu bewirken, dass die elektromagnetischen Wellen stehende Wellen innerhalb des Mikrowellen- Hohlraumresonators bilden.
Ionendetektorsystem nach Anspruch 14, wobei in einem Betriebsmodus die stehenden Wellen des transversal-elektrischen Modus oder transversal-magnetischen Modus umfassen.
Ionendetektorsystem nach Anspruch 15, wobei in einem Betriebsmodus die stehenden Wellen stehende Wellen vom TE101 Modus umfassen.
Ionendetektorsystem nach einem der Ansprüche 14, 15 oder 16, wobei in einem Betriebsmodus die stehenden Wellen angeordnet bzw. eingerichtet sind, so dass sie die ersten Elektronen sinusförmig modulieren, wenn die ersten Elektronen durch den Mikrowellen- Hohlraumresonator passieren.
Ionendetektorsystem nach Anspruch 17, soweit rückbezogen auf einen der Ansprüche 9 bis 12, bei dem das Ionendetektorsystem angeordnet und eingerichtet ist, um Signale zurückzuweisen, die sich auf zweite Elektronen beziehen, die auf einen oder mehreren Abschnitten oder einen oder mehrere Endabschnitte des ersten positionssensitiven Detektors auftreffen.
Ionendetektorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Mikrowellen-Hohlraumresonator angeordnet und eingerichtet ist, um die ersten Elektronen zu beschleunigen, wenn die ersten Elektronen durch den Mikrowellen- Hohlraumresonator passieren.
Ionendetektorsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei die elektromagnetischen Wellen eine Frequenz in einem Bereich aufweisen, der ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus: (i) 0,3-10 GHz; (ii) 10-20 GHz; (iii) 20-30 GHz; (iv) 30-40 GHz; (v) 40-50 GHz; (vi) 50-60 GHz; (vii) 60-70 GHz; (viii) 70-80 GHz; (ix) 80-90 GHz; (x) 90-100 GHz; (xi) 100-1 10 GHz; (xii) 110-120 GHz; (xiii) 120-130 GHz; (xiv) 130-140 GHz; (xv) 140-150 GHz; (xvi) 150-160 GHz; (xvii) 160-170 GHz; (xviii) 170-180 GHz; (xix) 180-190 GHz; (xx) 90-100 GHz; (xxi) 200-210 GHz; (xxii) 210-220 GHz; (xxiii) 220-230 GHz; (xxiv) 230-240 GHz; (xxv) 240-250 GHz; (xxvi) 250-160 GHz; (xxvii) 260-270 GHz; (xxviii) 270-280 GHz; (xxix) 280-290 GHz; und (xxx) 290-300 GHz.
Massenspektrometer mit einem Ionendetektorsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Massenspektrometer nach Anspruch 21, ferner mit einem Flugzeit- Massenanalysator.
Massenspektrometer nach Anspruch 22, wobei der Flugzeit- Massenanalysator ferner aufweist: eine Flugzeit-Region; und eine oder mehrere orthogonale Beschleunigungselektroden zum orthogonalen Beschleunigen von Ionen in die Flugzeit- Region.
Massenspektrometer nach Anspruch 23, ferner mit einer Vorrichtung, die angeordnet und eingerichtet ist, um einen Spannungspuls auf die eine oder die mehreren orthogonalen Beschleunigungselektroden zu geben, um zu bewirken, dass Ionen orthogonal in die Flugzeit- Region beschleunigt werden.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 21 bis 24, ferner mit einer Vorrichtung, die angeordnet und eingerichtet ist, um einem Strahl von dritten Elektronen zu erzeugen.
Massenspektrometer nach Anspruch 25, bei dem die Vorrichtung zum Erzeugen des Strahls von dritten Elektronen angeordnet und eingerichtet ist, um den Strahl von dritten Elektronen zur gleichen Zeit zu erzeugen, an der der Spannungspuls auf die eine oder die mehreren orthogonalen Beschleunigungselektroden gegeben wird, und/oder an dem die Ionen orthogonal in die Flugzeit- Region beschleunigt werden.
Massenspektrometer nach Anspruch 26, bei dem die dritten Elektronen durch den Mikrowellen- Hohlraumresonator hindurchgeführt werden.
Massenspektrometer nach Anspruch 27, wobei die dritten Elektronen durch den Mikrowellen- Hohlraumresonator in einer unterschiedlichen Richtung zur der Transmissionsrichtung der ersten Elektronen durch den Mikrowellen- Hohlraumresonator hindurchgeführt werden.
Massenspektrometer nach Anspruch 28, ferner mit einem dritten Detektor zum Detektieren der dritten Elektronen.
Massenspektrometer nach Anspruch 29, wobei der dritte Detektor eine oder mehrere Mikrokanalplatten aufweist.
Massenspektrometer nach Anspruch 30, wobei der dritte Detektor stromabwärts des Mikrowellen- Hohlraumresonators angeordnet ist.
Massenspektrometer nach Anspruch 31, bei dem der dritte Detektor angeordnet und eingerichtet ist, um die dritten Elektronen zu empfangen, und vierte Elektronen zu emittieren.
Massenspektrometer nach Anspruch 32, ferner mit einem zweiten positionssensitiven Detektor („PSD“).
Massenspektrometer nach Anspruch 33, bei dem der zweite positionssensitive Detektor stromabwärts des dritten Detektors angeordnet ist.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 33 oder 34, bei dem der zweite positionssensitive Detektor angeordnet und eingerichtet ist, um die Position zu detektieren, an der die vierten Elektronen auf den zweiten positionssensitiven Detektor auftreffen.
Massenspektrometer nach Anspruch 35, ferner mit einem Steuersystem, wobei das Steuersystem angeordnet und eingerichtet ist, um aus der detektierten Position, an der die vierten Elektronen auf dem zweiten positionssensitiven Detektor auftreffen, ein Maß für die Anstiegskante des Spannungspulses zu bestimmen, der auf die eine oder die mehreren orthogonalen Beschleunigungselektroden aufgebracht wird.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 33 bis 36, bei dem der zweite positionssensitive Detektor ein oder mehrere Photodiodenarrays aufweist.
Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 21 bis 37, ferner mit einer Hauptuhr, wobei Taktzyklen der Hauptuhr von einem Signal abgeleitet werden, das auf den Mikrowellen- Hohlraumresonator aufgebracht wird.
Massenspektrometer nach Anspruch 38, bei dem die Hauptuhr eingerichtet ist, um mit dem Signal, das auf den Mikrowellen- Hohlraumresonator aufgebracht wird, phasengekoppelt zu sein.
Verfahren zum Detektieren von Ionen, mit folgenden Schritten: Empfangen von Ionen auf einer ersten Vorrichtung und Emittieren von ersten Elektronen; und Ablenken der ersten Elektronen auf einen ersten Detektor unter Verwendung eines Mikrowellen- Hohlraumresonators.
Verfahren zum Massenspektrometrie, welches ein Verfahren zum Detektieren von Ionen wie in Anspruch 40 beansprucht umfasst.
Flugzeit- Massenanalysator, der aufweist: eine Flugzeit- Region; eine oder mehrere orthogonale Beschleunigungselektroden zum orthogonalen Beschleunigen von Ionen in die Flugzeit- Region; eine erste Vorrichtung, die eingerichtet ist, um einen Spannungspuls auf die eine oder die mehreren orthogonalen Beschleunigungselektroden zu geben, um Ionen orthogonal in die Flugzeit- Region zu beschleunigen; und eine zweite Vorrichtung, die angeordnet und eingerichtet ist, um einen Strahl von ersten Elektronen basierend auf einer Taktung des Spannungspulses, der auf die eine oder die mehreren orthogonalen Beschleunigungselektroden gegeben wird, um Ionen orthogonal in die Flugzeit- Region zu beschleunigen, zu generieren, und ein Mikrowellen-Hohlraumresonator, der angeordnet und eingerichtet ist, um die ersten Elektronen auf einen Detektor abzulenken, wobei der Strahl von ersten Elektronen durch den Mikrowellen- Hohlraumresonator hindurchgeführt wird.
Flugzeit- Massenanalysator nach Anspruch 42, ferner mit einer Vorrichtung, die stromabwärts der Flugzeit- Region angeordnet ist, und die angeordnet und eingerichtet ist, um Ionen zu empfangen, und zweite Elektronen zu emittieren, wobei die zweiten Elektronen durch den Mikrowellen- Hohlraumresonator geführt werden in einer Richtung orthogonal zu der Transmissionsrichtung der ersten Elektronen durch den Mikrowellen-Hohlraumresonator.
Flugzeit- Massenanalysator nach Anspruch 42 oder 43, ferner mit einem Detektor, der stromabwärts des Mikrowellen- Hohlraumresonators angeordnet ist, wobei der Detektor angeordnet und eingerichtet ist, um den Strahl von ersten Elektronen zu detektieren.
Flugzeit- Massenanalysator nach Anspruch 44, wobei der Detektor eine oder mehrere Mikrokanalplatten aufweist, die angeordnet und eingerichtet sind, um den Strahl von ersten Elektronen zu empfangen und Sekundärelektronen zu emittieren.
Flugzeit- Massenanalysator nach Anspruch 45, ferner mit einem positionssensitiven Detektor, der stromabwärts der einen oder der mehreren Mikrokanalplatten angeordnet ist, wobei der positionssensitive Detektor angeordnet und eingerichtet ist, um die Position zu detektieren, an der Sekundärelektronen auf den positionssensitiven Detektor auftreffen.
Flugzeit- Massenanalysator nach Anspruch 46, ferner mit einem Steuersystem, das angeordnet und eingerichtet ist, um aus der detektierten Position, an der die Sekundärelektronen auf den positionssensitiven Detektor auftreffen, ein Maß der Anstiegskante des Spannungspulses, der auf den einen oder die mehreren orthogonalen Beschleunigungselektroden gegeben wird, zu bestimmen.
Flugzeit- Massenanalysator nach einem der Ansprüche 42 bis 47, bei dem die zweite Vorrichtung angeordnet und eingerichtet ist, um den Strahl von ersten Elektronen durch Anwenden eines Pulses zu erzeugen, der abgeleitet ist von dem Spannungspuls, der auf die eine oder die mehreren orthogonalen Beschleunigungselektroden gegeben wird.
Massenspektrometer mit einem Flugzeit- Massenanalysator nach einem der Ansprüche 42 bis 48.
Verfahren zum Betreiben eines Flugzeit- Massenanalysators mit den folgenden Schritten: Aufbringen eines Spannungspulses auf eine oder mehrere orthogonale Beschleunigungselektroden zum orthogonalen Beschleunigen von Ionen in eine Flugzeit-Region; und Erzeugen eines Strahls von ersten Elektronen basierend auf einer Taktung des Spannungspulses, der auf die eine oder die mehreren orthogonalen Beschleunigungselektroden gegeben wird zum orthogonalen Beschleunigen von Ionen in die Flugzeit- Region; und Hindurchführen von dem Strahl von ersten Elektronen durch einen Mikrowellen-Hohlraumresonator, wobei der Mikrowellen-Hohlraumresonator die ersten Elektronen auf einen Detektor ablenkt.