DE1539659C3 - Stigmatisches Abbildungssystem für ein doppelfokussierendes Massenspektrometer - Google Patents

Description

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bündel von Ionen im Punkt 24 vereinigt. grenzten Bereiches durchlaufen die Wählblende 50,

Die Polflächen 10 und 12 brauchen nicht rechteckig die sich zwischen dem Kugelkondensator 42 und dem zu sein, sondern können gebogen ausgeführt werden, Magneten 40 befindet. Der Magnet 40 zerstreut die um sich der Krümmung der Ionenbahnen anzupassen, Ionen dann gemäß ihren Momenten, und die Ionen so daß die Masse der Polschuhe und der benötigte 5 mit einer ausgewählten Masse werden beim Bildpunkt Strom zur Erzeugung des Magnetfeldes auf ein Min- 44 stigmatisch fokussiert (scharf eingestellt),
destmaß beschränkt werden. Sie verlaufen radial et- Wenn die Felder in der entgegengesetzten Richtung was über die Grenzen der Ionenbahnen hinaus, um durchlaufen werden, wird zuerst die Momentenstreudie Wirkungen von elektrischen Streufeldern zu ver- ung durchgeführt und die Wählblende 50 wirkt als meiden. Ein wichtiger Vorteil dieser Magnetfeidan- *< > Momentenwähler an Stelle eines Energiewählers.
Ordnung liegt in der im wesentlichen vollständigen Die Herstellung des Magneten und des Kugelkon-Ausnützung des Raumes zwischen den Polflächen 10 densators ist verhältnismäßig einfach. Es brauchen ^und 12. keine komplizierten Oberflächen hergestellt zu wer-

In dem zu beschreibenden Massenspektrometer den. Die Flächen zur Bildung des Magnetfeldes sind

wirkt der Magnet als ein Momentenstreuungselement »5 Ebenen und diejenigen zur Bildung des elektrischen

und ist hintereinander mit einem Kugelkondensator Feldes sind kugelförmig. Es ist außerdem leichter, EIe-

angeordnet, der als Energiestreuungselement wirkt. mente dieser einfachen Formen zusammenzubauen

Diese Wahl hat ein Massenspektrometer zum Ergeb- und ihre Positionen in bezug aufeinander einzustellen,

nis, das doppelt fokussiert (im Sinne einer gleichzeiti- als dies bei Elementen komplizierterer oder unregel-

gen radialen Winkel- und Energiescharfeinstellung), »o mäßiger Formen möglich ist.

eine stigmatische Bilderzeugung besitzt (was bedeuten Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Spektro-

soll, daß der Bildpunkt erster Ordnung in der radialen meters besteht darin, daß sowohl Quelle als auch Bild

Ebene mit dem Bildpunkt erster Ordnung in der axia- weit von den Streufeldern entfernt sind, wodurch Ab-

len Ebene zusammenfällt), einen großen Raumwinkel schirmprobleme vermieden werden, wie sie andern-

hat und auch leicht herzustellen ist. 25 falls aufteten würden, wenn beim Bild oder an der

Im allgemeinen ist es beim Entwurf eines Massen- Quelle eine feldempfindliche Vorrichtung verwendet spektrometers mit Doppel-Scharfeinstellung notwen- wird, wie dies z. B. am Büdpunkt eines Elektronendig, die Momentenstreuung des Magnetfeldes an die vervielfachers der Fall ist.

des elektrischen Feldes anzupassen. Obwohl das elek- Die Abmessungen und typischen Betriebskenngrö-

trische Feld eine Energiestreuvorrichtung ist, kann für 30 ßen einer Ausführungsform des Abbildungssystems

diese Vorrichtung ein Momentenstreuungsfaktor er- sind wie folgt; dabei sind die elektrischen Potentiale

rechnet werden, der für Ionen irgendeiner ausgewähl- in bezug auf Erdung angeführt,
ten Masse anwendbar ist.

Die Momentenstreuung des magnetischen Feldes Kugelkondensator 42

wird in Fig. 3 dargestellt. Es kann gezeigt werden, 35 mittlerer Radius ?S 40 rm

daß Ionen mit dem Moment P -P₀ (I ₊ u), wobei "££* ^SL den Platten 2 f₅40 m

α viel k einer als 1 _is durch den Winkel y = 1,39 u _Potentia, _{der inneren} ^ _ ' ^{υ cm}

Radmnt im Magnetfeld weniger abgelenkt werden als _{Potential der äußeren pj}

Ionen mit dem Moment P Die Berechnung zeigt, _{(für hive Ionen} . _{25 W)}

sfkto^Zrwin^Akⁿef ^^Zn^JTu^Zl^. *° ^fcT ™ ** ^ " ™ ******** ⁴* Aus Herstellungsgründen kann jedoch der Sektor- '

winkel des Kugelkondensators 45° betragen, und Magnetische Sektorlinse 40
durch Einstellung des mittleren Potentials des Kugelkondensatorfeldes wird eine genaue Energiescharf- 45 Magnetische Flußdichte in der Mittelebene (Zentraleinstellung erreicht. strahl 32) bis zu 0,9 Tesla

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen das Abbildungssystem Magnetische Flußdichte an der Eintrittsbegrenzung für Massenspektrometer mit einem 90"-Magnet 40 29 bis zu 1,9 Tesla und einem 45° elektrischen Kugelkondensator 42. die Entfernung A von der Eintrittsbegrenzung 29 zur Die Reihenfolge der Felder kann vom Ionenstrahl in 50 Schnittlinie 20 12,70 cm jeder Richtung durchlaufen werden. In Anbetracht Auflösungsvermögen: verstellbar von 100 bis 10000, der vorliegenden Beschreibung soll angenommen Massenbereich: bis zur Masse 1000, bei einer Ionenwerden, daß sich die Ionen in Fig. 4 und 5 von rechts beschleunigungsspannung von 1,5 kV.
nach links bewegen, und zwar von einer Quelle 41 Die Eintrittsblende 48, die Wählblende 50 und die aus, die von einer Eingangsblende 43 definiert wird. 55 Austrittsblende 46 sind alle vorzugsweise in ihrer Anschließend gehen sie zuerst durch den elektrischen Größe verstellbar, so daß eine Einstellung auf die op-Kugelkondensator 42 und dann durch den Magneten timalen Betriebsbedingungen für Ionen zahlreicher, 40 zu einem Bildpunkt 44, der von einer Austritts- verschiedener Energien und Momente und zahlreiblende 46 definiert wird. eher, verschiedener Konzentrationen an der Quelle

Ein schmales Ionenbündel der Quelle 41 wird 60 41 ermöglicht wird. Im allgemeinen werden die Blen-

zwecks Einlaß in den Kugelkondensator 42 von der den miteinander eingestellt, um das Massenauflö-

Kollimatorblende 48 ausgewählt. Der Kugelkonden- sungsvermögen auf die von der erwünschten Emp-

sator 42 zertreut die Ionen gemäß ihren Energien. Io- findlichkeit festgesetzten Grenze auf einen Maximal-

nen mit Energien innerhalb eines ausgewählten, be- wert einzustellen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 2 doch sind dort keinerlei Anregungen hinsichtlich der Patentansprüche: Verwendung solcherart ausgebildeter Polschuhe bei einem stigmatischen Abbildungssystem für ein dop-

1. Stigmatisches Abbildungssystem für ein dop- pelfokussierendes Massenspektrometer zu entnehpelfokussierendes Massenspektrometer, beste- 5 men.

hend aus einer Hintereinanderschaltung eines To- Es wird besonders bevorzugt, wenn der Ablenk-

roidkondensators und eines zwischen zwei Pol- winkel des Kugel-Kondensators 45° ist.

schuhen erzeugten inhomogenen magnetischen Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die

Sektorfeldes, dadurch gekennzeichnet, daß Zeichnungen näher beschrieben,

der Toroidkondensator ein Kugel-Kondensator ¹⁰ Es zeigt

ist, daß die Polschuhe (14,16) eben und gegenein- Fig. 1 eine Aufsicht des Magneten für ein Massenander geneigt sind, daß die Eintritts- (29) und spektrometer,

Austrittsbegrenzungen (26) der Polschuhe (14, Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 in

16) Ebenen sind und senkrecht aufeinander ste- Fig. 1,

hen, daß der Zentralstrahl (32) senkrecht zu der »5 Fig. 3 eine Aufsicht des Magneten unter Darstel-

Eintritts- (29) bzw. Austrittsbegrenzung (26) ver- lung der Wirkung der Momentenstreuung,

läuft und daß eine der Begrenzungen mit dem mi- Fig. 4 eine Querschnittsansicht des stigmatischen

nimalen und entlang dieser Begrenzung konstan- Abbildungssystems,

ten Abstand der Polschuhe (14, 16) zusammen- Fig. 5 eine Ansicht des in Fig. 4 dargestellten Abfällt, so bildungssystems in Richtung des Pfeiles 5, und

2. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch Fig. 6 eine Ansicht des Abbildungssystems in gekennzeichnet, daß der Ablenkwinkel des Ku- Richtung des Pfeiles 6 in Fig. 4 gesehen,
gelkondensators (42) 45° ist. Der in den Fig. 1-3 dargestellte Magnet erzeugt

ein Sektorfeld von keilförmiger Form. Das Feld wird *5 von den Flächen 10 bzw. 12 eines Paares von Polschu-

hen 14 und 16 definiert, die zum Beispiel von einem

Elektromagneten erregt werden, so daß die Stärke des Feldes leicht verändert werden kann. Man kann sich

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stigmatisches die Polflächen 10 und 12 so vorstellen, daß sie recht-

Abbildungssystem für ein doppelfokussierendes Mas- 30 eckig und gegeneinander geneigt sind, wobei ihre obe-

senspektrometer, bestehend aus einer Hintereinan- ren und unteren Kanten parallel zueinander verlaufen

derschaltung eines Toroidkondensators und eines und in gemeinsamen betreffenden Ebenen liegen, die

zwischen zwei Polschuhen erzeugten inhomogenen senkrecht zur Symmetrieebene des Keils stehen. Die

magnetischen Sektorfeldes. Hauptkoordinatenachse des Systems ist die Schnittli-

Ein eingangs genanntes Abbildungssystem ist bei- 35 nie 20 der Ebenen, in denen die Polflächen 10 bzw.

spielsweise mit der Veröffentlichung in »Zeitung für 12 Hegen. Der Winkel zwischen den Polflächen 10

Naturforschung«, Band 18a (1963), Seiten 389-397 und 12 beträgt ungefähr 10° bis 20° und hangt von

bekannt geworden. der Strommenge ab, die zur Erregung des Feldes zur

Der Toroid-Kondensator und das magnetische Verfügung steht. Bei Vergrößerung des Winkels wird

Sektorfeld zwischen zwei konischen Polschuhen sind 40 eine größere Strommenge benötigt, um eine gege-

so hintereinandergeschaltet, daß der in der dingseiti- bene, mittlere Feldstärke zu erreichen. Die bei 22 an-

gen radialen Brennebene des Kondensators befindli- gedeuteten Feldlinien verlaufen in einem keilförmigen

ehe Objektspalt nach Erzeugung eines axialen Zwi- Feld längs kreisförmigen Kurven, deren Mittelpunkte

schenbildes im Magnetfeld in der bildseitigen, radialen auf der Schnittlinie 20 liegen. Auf Grund dieser An-

Brennebene des Magnetfeldes mit Ionen endlicher 45 Ordnung fokussiert das Feld nicht nur Ionen in radialer

Energiebreite stigmatisch abgebildet wird (stigma- Richtung, d. h. in der Ebene der Fig. 1, sondern auch

tische Doppelfokussierung). Bei dieser Anordnung in axialer Richtung. Die Feldstärke nimmt proportio-

sind die konischen Polschuhe jedoch nur in einem auf- nal mit der Entfernung von der Koordinatenachse 20

wendigen Verfahren herstellbar. ab und kann ausgedrückt werden als:

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein stig- 50 _

matisches Abbildungssystem für ein doppelfokussie- " ⁼

rendes Massenspektrometer der eingangs genannten worin F eine Konstante und r die Entfernung von

Art so weiterzubilden, daß die das Magnetfeld erzeu- der Schnittlinie 20 ist. In einem derartigen Feld be-

genden Polschuhe leicht herstellbar sind. schreiben geladene Teilchen trochoidale und nicht

Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung da- 55 kreisförmige Bahnen. Auf der Schnittlinie 20 ist bei

durch gelöst, daß der Toroid-Kondensator ein Ku- 24 eine punktförmige Ionenquelle angeordnet. Der

gel-Kondensator ist, daß die Polschuhe eben und ge- senkrecht durch die Eintrittsbegrenzungsfläche 29

geneinander geneigt sind, daß die Eintritts- und eintretende Zentralstrahl 23 wird in dem Magnetfeld

Austrittsbegrenzungen der Polschuhe Ebenen sind (Strahl 30) um 90° abgelenkt und tritt als Zentral-

und senkrecht aufeinanderstellen, daß der Zentral- 60 strahl 32 aus der Austrittsbegrenzungsfläche 26 senk-

Strahl senkrecht zu der Eintritts- bzw. Austrittsbe- recht aus. Auch die um einen Winkel Θ, der ungefähr

grenzung verläuft und daß eine der Begrenzungen mit die gleiche Größe wie der Keilwinkel der Polflächen

dem minimalen und entlang dieser Begrenzung kon- annehmen kann, gegenüber dem Zentralstrahl 23 ge-

stanten Abstand der Polschuhe zusammenfällt. neigt in das Magnetfeld eintretenden Ionenstrahlen

Die Konfiguration von keilförmig angeordneten 65 werden sowohl in radialer als auch in axialer Richtung Polschuhen ist zwar schon als Spezial-Fall (K = 0,75) parallel zu dem Zentralstrahl 32 aus dem Feld austreaus der Veröffentlichung »Rev. of Scient. Instr.«, ten. Aus diesem Grunde wird ein von der Austritts-Band 32 (1961), Seiten 1314 bis 1316, bekannt. Je- seite in das Magnetfeld eintretendes Parallelstrahlen-