DE1498971C - Massenspektrometer - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Massenspektro- schließt. Zum Beispiel würden für Präzisions-Atom-

meter, bestehend aus einer Ionenquelle, einer Be- massenbestimmungen nach dieser Methode Felder der

schleunigungselektrode, einer Eintrittsblende, einem Länge von etwa 10 m bei einer Genauigkeit des

Paulschen Massenfilter und weiteren Einzelteilen. apparativen Aufbaues von 1/1000 mm benötigt.

Es ist ein Verfahren zur Trennung von Ionen ver- 5 3. Die Verwendung langsamer Ionen bedeutet zu-

schiedener Masse und Ladung in zeitlich periodischen nächst, daß die Beschleunigungsspannung, mit der die

elektrischen Feldern bekannt, deren Potential eine Ionen aus der Ionenquelle extrahiert werden, niedrig

quadratische Funktion der Ortskoordinaten ist sein muß. Dadurch wird aber auch der extrahierte

(Deutsche Patentschrift 944 900). Dieses Verfahren Ionenstrom klein. Diese Schwierigkeit kann man

beruht auf folgendem Prinzip: Die Ionen werden in io teilweise dadurch umgehen, daß man zunächst eine

ein zeitlich periodisches elektrisches Feld gebracht, hohe Extraktionsspannung für die Ionen benutzt,

dessen Potential <p(x, y, z) eine quadratische Funktion diese aber vor ihrem Einschuß in das Trennfeld wieder

der Ortskoordinaten x, y, ζ von der allgemeinen abbremst. Der Nachteil dieser Methode ist, daß die

Form φ = f(t) (αχ² + ßy² — γζ²) ist und wobei /(/) Ionen nach dem Abbremsen unter erheblichen Winkeln

eine beliebige periodische Funktion der Zeit / ist. 15 zur vorgegebenen Einschußrichtung in das Trennfeld

In einem derartigen Feld können Ionen zwei Arten eintreten und von diesem zum größten Teil nicht von Bewegungen durchführen: Entweder führen die »eingefangen« werden, d. h., daß auch Ionen mit Ionen um das Symmetriezentrum des Feldes Schwin- theoretisch stabilen Bahnen auf den Feldelektroden gungen aus, deren Amplituden einen von Ion zu Ion ausgeschieden werden, da der Maximalwert ihrer verschiedenen Maximalwert nicht überschreiten (stabile 20 Schwingungsamplituden größer ist als der Abstand Bahnen), oder aber die Amplituden nehmen mit der der Feldelektroden von der Feldachse.
Zeit zu, so daß die Teilchen nach ausreichender Es sind bereits Massenfilter gebaut worden, bei Verweilzeit im Feld auf die felderzeugenden Elektroden denen zum Erreichen eines bestimmten Auflösungsoder sonstigen Begrenzungen der Apparatur fliegen Vermögens geeignete Kompromisse der Verfahren und dadurch ausgeschieden werden (instabile Bahnen). 25 nach 2. und 3. benutzt wurden.

Bei einem vorgegebenen Feld hängt es allein von der Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

spezifischen Ladung des Ions ab, ob es in diesem Sinne Massenspektrometer mit einem besonders hohen

eine stabile oder instabile Bahn beschreibt. Es gibt bei Auflösungsvermögen zu schaffen,

vorgegebenem Feld stabile oder instabile Bereiche Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer

für Ionen der spezifischen Ladung elm. Die Lage und 30 Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch

Breite dieser Bereiche läßt sich in sehr weiten Grenzen gelöst, daß die Analysatorstäbe des Massenfilters im

allein durch Variation von Amplitude, Frequenz bzw. Mittel auf einem im Sinne des Ladungsvorzeichens der

Schwingungsform der felderzeugenden Spannungen Ionen höheren Potential als die Eintrittsblende und

verändern. niedrigeren Potential als die Ionenquelle liegen.

Hieraus geht hervor, daß es zur Ausscheidung 35 Vorteilhafterweise kann die Eintrittsblende gleichinstabiler Ionen einer gewissen Mindestzeit bedarf, zeitig die Beschleunigungselektrode sein,
während der die Ionen im Trennfeld verbleiben Die Einschußblende, durch die die Ionen in das müssen. Bei eigenen theoretischen Untersuchungen Trennfeld gelangen, kann das Potential φευ = 0 und zeigte es sich, daß für die Trenngüte bzw. das sogenannte die Analysatorstäbe können auf einem Potential der Auflösungsvermögen solcher Felder nicht die absolute 40 Form φ = /_χ(ί) (κχ² + ßy² — γ ζ²) + ψττ liegen. Hier-Verweilzeit entscheidend ist, sondern die Anzahl η in bedeutet ψττ ein zeitlich konstantes Bremspotential von Perioden der Funktion f(t), während der die für die eingeschossenen Ionen. Die Einschußblende Ionen sich im Trennfeld befinden. Insbesondere zeigt kann auch isoliert sein und auf einem Potential die experimentelle Untersuchung an einem zylinder- <p_Eb — 0 liegen und das Potential der Analysatorstäbe symmetrischen Feld (« = 0, β = γ = 1), daß in diesem 45 die Form φ = Z₁(O (μ χ² + ßy² — γ ζ²) haben.
Falle das erreichbare Auflösungsvermögen proportional Bei Verwendung einer Elektronenstoß-Ionenquelle n² wächst. Bei praktisch allen Anwendungen dieser ist es vorteilhaft, die Umhüllung des Ionisations-Felder wird man daher bestrebt sein, η möglichst groß raumes, in dem die zu trennenden Atome ionisiert zu machen, wozu im Prinzip drei Wege möglich sind: werden, auf Erdpotential zu legen. Durch Überlagerung

. ,. , . , „ . , ... 50 weiterer Wechselspannungen kleiner Amplitude kön-

1. Verwendung einer hohen Frequenz, m.t der f{t) _{nen schmaIe instabile ßereiche in} ^_{n stabj},_en

^{OSZI ier} ' Bereich eingelagert werden. Zur Erlangung eines

2. Verwendung langer und ausgedehnter Felder; gewünschten Potentialverlaufes zwischen Ionenquelle

3. Verwendung langsamer Ionen. und Analysatorsystem kann eine Stromversorgungs-

55 schaltung vorgesehen sein, bei der ein Potentiometer

Die Nachteile dieser Wege sind untenstehend be- ohne/mit Batterien verwendet ist.

handelt: Der mit der Erfindung erzielte technische Fortschritt

1. Theoretische und experimentelle Untersuchungen besteht darin, daß die Ionen als gut fokussiertes Bündel zeigten, daß die zum Betreiben eines solchen Massen- mit geringen Radialenergien in das Trennfeld eintreten, filters notwendige Hochfrequenzleistung außerordent- 60 Im Verlauf ihrer Abbremsung wirken bereits die lieh stark mit der Frequenz ansteigt, im Falle des fokussierenden Kräfte des Massenfilters, so daß der zylindersymmetrischen Feldes mit der fünften Potenz Einfang in das Trennfeld mit wesentlich besserem der Frequenz. Daher sind einer Erhöhung der Frequenz Wirkungsgrad erfolgt. Das ergibt eine sehr starke praktisch sehr enge Grenzen gesetzt. Erhöhung des getrennten Ionenstromes, der je nach

2. Es ist evident, daß die Verwendung sehr langer 65 apparativer Anordnung um mehr als eine Größen-Felder einen erheblichen apparativen Aufwand be- Ordnung über den Wert hinausgehen kann, den man deutet und dadurch eine ganze Reihe theoretisch bisher erhält.

möglicher Anwendungen dieser Felder in praxi aus- Ist man an einer Steigerung der Ströme nicht

interessiert, dann ist es möglich, sehr viel langsamere Ionen als bisher zu analysieren. Dadurch wird das Auflösungsvermögen wesentlich gesteigert. Die erfindungsgemäßen erforderlichen konstruktiven Maßnahmen lassen sich allgemein auch noch bei vorhandenen Geräten durchführen.

Insbesondere ist es auch möglich, Kombinationen der beschriebenen Ausführungen einzustellen und dadurch das Auflösungsvermögen des Trennfeldes zu steigern bei gleichzeitig erhöhtem Strom.

Die Erfindung ist auch anwendbar bei erheblicher Energieinhomogenität der benutzten Ionen und schränkt daher die Anwendbarkeit des allgemeinen Trennverfahrens nicht ein.

Die erreichten Verbesserungen werden mit sehr geringem zusätzlichen apparativen Aufwand erzielt.

Die Erfindung ist also dazu geeignet, die Leistungsfähigkeit der Massenfilter wesentlich zu erhöhen, insbesondere in den Fällen, wo kleine Dimensionen der Apparate angestrebt werden, da dann das Erreichen der notwendigen Zahl η schwierig ist.

Zur konstruktiven Durchführung der Erfindung muß dafür Sorge getragen werden, daß das mittlere Potential des Trennfeldes ψTr nur um einen geringen Betrag unter dem liegt, bei dem die Ionen gebildet werden (fPio)·

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung sind in den F i g. 1 und 2 dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 den Einschußraum eines Massenfilters mit zugehörigen Potentialbildern,

F i g. 2 Schaltbilder zur Stromversorgung eines Massenfilters,

F i g. 3 gibt Messungen des Auffängerstromes (in willkürlichen Einheiten) und des Auflösungsvermögens (mjAm) wieder.

In den Fig. la bis Ic sind drei Möglichkeiten gemäß der Erfindung skizziert. In dem oberen Teil der Fig. la sind schematisch die Elektroden eines Massenfilters angegeben. Mit 1 ist der Ionisationsraum bezeichnet, der eine Austrittsblende 2 besitzt. In Richtung des austretenden Ionenstrahles folgen zwei Zwischenblenden 3 und die Einschußblende 4, die gleichzeitig als Extraktionsblende dient. Die Analysatorstäbe sind mit 5 gekennzeichnet. Fig. la zeigt den Fall, daß die Einschußblende geerdet ist, die Bildung der Ionen bei einem hohen positiven Potential erfolgt und das ganze Trennfeld ebenfalls zum Abbremsen der Ionen hoch liegt.

Fig. Ib zeigt den Fall, daß die Bildung der Ionen bei einem schwachen positiven Potential φΐ₀ erfolgt, und das Trennfeld wie bei den bisherigen Verfahren symmetrisch gegen Erde gefahren wird. Dann muß aber die Einschußblende auf starkem negativen Potential <pEb liegen.

Bei Fig. Ic erfolgt die Bildung der Ionen bei Potential Null, Beschleunigung gegen die stark negativ vorgespannte Einschußblende und Abbremsen auf das schwach negative Potential des Trennfeldes.

Die Potentialverteilung, wie sie von Fig. la und 1 c gefordert wird, ist leicht zu erreichen, dadurch daß der Gleichspannungsanteil U der Funktion /(/) nicht symmetrisch gegen Erde dem Massenfilter zugeführt wird, sondern unsymmetrisch. Dies kann z. B. durch eine geeignete Vorspannung (F ig. 2 a) oder durch eine unsymmetrische Erde (Fig. 2b) erfolgen. Die später angegebenen Meßergebnisse sind nach diesem letzteren Verfahren gewonnen. In den Fig. 2 a und 2 b sind die Analysatorstäbe mit 11 gekennzeichnet, sie werden durch eine Hochfrequenzspannungsquelle 12 und eine Gleichspannungsquelle 13 mit den erforderlichen Spannungen versehen. In Fig. 2a ist der in der Mitte angezapfte Spannungsteiler 14 über eine Gleichspannungsquelle 15 mit Erde verbunden. In Fig. 2b dagegen ist unter Weglassung der Gleichspannungsquelle durch Verschiebung des Abgriffs des Spannungsteilers aus der Mittellage die erfindungsgemäß erwünschte Potentialverschiebung erfolgt. Mit ίο 16 sind Sperrkreise bezeichnet.

Die experimentellen Ergebnisse an einer Anordnung gemäß Fig. la sind in F i g. 3 dargestellt. Es wurde mit einer zylindersymmetrischen Anordnung

φ = (U+ V-cos ω-t)(x²-y²)lr² ₀

gearbeitet. Die Ionen werden in einer normalen Elektronenstoßquelle bei einem Potential φΐ₀ gebildet und gegen die geerdete Einschußblende beschleunigt. Durch diese treten sie mit einer Energie von 70, 20 oder 17,5 eV in das Trennfeld ein. Dem Trennfeld selbst ist nun das Bremspotential ψττ überlagert, so daß die Ionen mit einer Energie eU_eg = e (ψΐ_ο—φττ) das Trennfeld durchlaufen (e = Elementarladung). Gemessen wurde der Ionenstrom von 132x_e+ am Auffänger und das erzielte Auflösungsvermögen in Abhängigkeit von U_eg-

Man sieht, daß zum Erreichen eines Auflösungsvermögens von etwa 4000 in diesem Fall die Energie der Ionen im Trennfeld höchstens 20 eV betragen darf.

Steigert man sie auf 70 eV, so sinkt das Auflösungsvermögen ml Δ m auf 2000. Betreibt man die Ionenquelle selbst mit 20 V, so liegt aber der erhaltene Ionenstrom um einen Faktor 8,6 unter dem, den man erhält bei Abbremsen der Ionen gemäß der Erfindung von 70 eV herunter auf 20 eV. Vergleicht man diese Werte bei 17,5 V, so beträgt der Intensitätsgewinn sogar einen Faktor 12. Wichtig ist, daß dabei experimentell innerhalb der Meßgenauigkeit daselbe Auflösungsvermögen erreicht wird, wie mit bekannten Massenspektrometern, gleiche Energie der Ionen im ' Trennfeld vorausgesetzt. (Daß die Kurven keinen völlig monotonen Verlauf haben, hängt mit der speziellen Konstruktion der verwendeten Apparatur zusammen.) — Daß darüber hinaus die Energiehomogenität der Ionen durch das Abbremsen gemäß der Erfindung nicht wesentlich geändert wird, wurde durch Messungen nachgewiesen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Massenspektrometer, bestehend aus einer Ionenquelle, einer Beschleunigungselektrode, einer Eintrittsblende, einem Paulschen Massenfilter und weiteren Einzelteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysatorstäbe (5, 11) des Massenfilters im Mittel auf einem im Sinne des Ladungsvorzeichens der Ionen höheren Potential als die Eintrittsblende (4) und niedrigeren Potential als die Ionenquelle (1) liegen.

2. Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsblende (4) gleichzeitig die Beschleunigungselektrode ist.

3. Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsblende (4) das Potential ψΕυ = 0 hat und daß die Analysatorstäbe (5,11) auf einem Potential der Form ψ = fiit) (a. ■ χ² + β ■ y² - γ · ζ²) + ψττ Hegen.

4. Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsblende (4)

isoliert ist und auf einem Potential cpEb = 0 liegt und daß das Potential der Analysatorstäbe (5, 11) die Form φ = f_x(t) (α · χ² + β ■ y² — γ ■ ζ²) hat.

5. Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere bei Verwendung von Elektronenstoß-Ionenquellen die Umhüllung des Ionisationsraumes, in dem die zu trennenden Atome ionisiert werden, auf Erdpotential liegt.

6. Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einlagerung schmaler instabiler Bereiche in einen stabilen Bereich dem Potential der Analysatorstäbe weitere Wechselspannungen kleiner Amplitude überlagert sind.

7. Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erlangung eines gewünschten Potentialverlaufs zwischen Ionenquelle (1) und Analysatorsystem (5,11) eine Stromversorgungsschaltung vorgesehen ist, bei der ein Potentiometer (14) ohne/mit Batterien (15) verwendet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen