DE1573993A1 - Massenspektrometer - Google Patents

Description

fc-hg. Wilhelm Reichel

Frankfurt/Main-1
Parksiraße 13

4755 BovS/Zg Associated Electrical Industries Limited, London SW I/England

Massenspektrometer

Die Erfindung betrifft Massenspektrometer mit einer Ionenquelle, einem Kollektor und Ablenkvorrichtungen für den Ionenstrahl.

Massenspektrometer werden zur Analyse von Substanzen verwendet, indem Ionenstrahlen gebildet werden, die mit Hilfe elektrostatischer oder magnetischer Ablenkvorrichtungen seitwärts abgelenkt werden. Der Ionenstrahl wird an seinem Ausgangspunkt durch eine Öffnung (Blende) , die seine Breite begrenzt, und in ähnlicher Weise am Kollektor durch eine enge Blende. geschickt, damit jeweils nur ein Teil seines Querschnitts auf den Kollektor auftrifft. Durch Abänderung der seitlichen Ablenkung wird der Strahl schrittweise abgetastet und daher werden nacheinander Elemente verschiedener Masse nachgewiesen, d.h. die Substanz, wird analysiert.

die Blenden klein sind, dann ist die Querschnittnflache des auf den Kollektor auftreffenden Strahls ebenfalls klein, so daß beim Variieren der Ablenkung sur Abtastung des Strahls eine Anzahl Maxima erhalten wird, die beim Auftragen gegen die Zeit sehr eng sind. Wenn dagegen die Blendenöffnungen groß sind, dann ist das Auflösungsvermögen gering und anstelle enger Maxima erhält man breite Maxima mit größerer Amplitude*

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Geringes Auflösungsvermögen gibt daher beim Nachweis von Elementen , die bei einem hohen Auflösungsvermögen nicht nachweisbar wären, eine erhöhte Empfindlichkeit,wobei es jedoch schwierig ist, .die relativen Zeitabstände zu messen, mit denen die Maxima erscheinen, und die Elemente zu identifizieren. Sie Identifizierung geschieht im allgemeinen durch einen Vergleich mit den Maxima einer Bezugssubstanz.

In einem Spektrum mit geringem Auflösungsvermögen werden metastabile Ionen als breite Maxima aufgezeichnet, die zwar u.U. mehrere Masseneinheiten breit sind, die aber dazu beitragen, die Struktur der Elemente festzustellen. Sie sind die Folge von Ionen, die nach der Beschleunigung in der Ionenquelle und im allgemeinen vor dem magnetischen Analysator zerfallen, vfäh rend es schwierig ist, die Lage der einzelnen Maxima in einem Spektrum mit geringem Auflösungsvermögen genügend genau festzulegen, liegen die Maxima in einem Spektrum mit hohem Auflösungsvermögen sehr genau fest. Ausserdem können einige Elemente mehrere Msjcima ergeben, die die gleiche nominelle Masse darstellen, und es ist ein hohes Auflösungsvermögen notwendig, um zwischen diesen Maxima zu unterscheiden.

H weh der Erfindung ist daher ein Massenspektrometer vorgesehen, welches eine Torrichtung zum Einstellen der effektiven Größe der Blenden zwischen zwei Grenzstellungen oder Zuständen enthält und bei dem zwischen diesen beiden Grenzstellungen sehr schnell umgeschaltet werden kann, damit schnell vom hohen Auflösungsvermögen auf das geringe Auflösungsvermögen bezw. umgekehrt übergegangen werden kann.

17 ich einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Auflösungsvermögen bei aufeinanderfolgenden Abtastungen verändert, so daß auf einanderfolgende Messungen abwechselnd mit hohem und geringem Auflösungsvermögen vorgenommen werden* Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Massenspektrometer normalerweise entweder mit hohem oder mit geringem Auflösungsvermögen betrieben werden,

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wobei jedoch wahlweise auf das andere Auflösungsvermögen umgeschaltet werden kann. Das Auflösungsvermögen kann durch Schlitzblenden gesteuert werden, deren Breite veränderlich ist, doch können auch elektrostatische Blenden verwendet werden,wobei die effektive Öffnung in bekannter Weise elektrisch gesteuert wird.

Die Erfindung wird nun auch anhand von Abbildungen ausführlich beschrieben,wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden Einzelheiten oder Merkmale zur Lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen können und mit dem Willen zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden. *

Sie Fig. 1 zeigt ein mit hohem Auflösungsvermögen und ein mit niedrigem Auflösungsvermögen aufgenommenes Massenspektrunr

Me I¹Ig. 2 zeigt ein bekanntes Massenspektrometer *

Die Flg. 3 zeigt eine Torrichtung zur mechanischen Veränderung der Blendenbreite·

Die Fig. 4 zeigt einen an die Vorrichtung der Fig. 3 ange schloasenen Teil.

Die Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch die Fig. 3 längs der Linie IV-IV,

Die Fig. 6 zeigt eine elektrische Steuerungsschaltung zur Änderung der Blendenbreiten·

Die Fig. 7 zeigt eine variable Blende in der Nähe der Ionenquelle des lonenstrahla.

Die Flg. 8 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Synchronisation der Blendensteuerung mit der Ablenkvorrichtung.

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Die Flg. 9 zeigt die Beziehung zwischen der Blendensteuerung und der Ablenkung und

die Pig. 10 zeigt eine elektrostatisch variable Blende.

In der Figur 1 seigt A eine Kurve, die mit hohem Auflösungsvermögen erhalten wird und B eine Kurve, die mit niedrigem Auflösungsvermögen erhalten wird. In der Kurve A sind die Maxima sehr schmal und daher sind sie auf der Zeitachse sehr genau festgelegt, was eine gute Identifizierung ermöglicht. Die Kurve B zeigt das gleiche Spektrum wie die Kurve A mit geringem Auflösungsvermögen. Die Maxima der Kurve B sind demnach höher und breite^ und es sind Maxima sichtbar, die in der Kurve A nicht auftreten» Wegen der größeren Breite dcir Maxima in der Kurve B 1st jedoch die Lage der Maxima auf der Zeltachse nicht sehr genau festlegbar. EsfLst daher wünschenswert, wenn beide Arten der Auflösung leicht einstellbar sind»

Massenspektrometer nach der FIg* 2 enthält eine Ionenquelle in die eine Sonde 3 mit einer Probe eingeführt wird, so daß aus der Probe Ionen befreit werden. Sine Elektrode 5, an der eine Beschleunigungsspannung von z.B. 8 kV liegt, dient zum Herausziehen der Ionen aus der Ionenquelle 1 in Form eines Ionenetrahla, der zuerst durch einen elektrostatischen Analysator 7, der aus zwei Ablenkplatten 8 besteht, zwischen denen eine Potentialdifferenz liegt, und dann durch den Schlitz eines Überwachungekollektors 9 in einen magnetischen Analysator geführt wird. Im magnetischen Analysator 11 1st eine Magnet spule 12 angeordnet, die ein starkes magnetischeβ Feld her stellt, dessen Richtung quer zur Richtung des Ionenstrahle verläuft. Da die Ionen geladene Teilchen sind, wird der Ionenstrahl im Feld gekrümmt. Die abgelenkten Ionen oder ein Teil der abgelenkten Ionen, wenn verschieden schwere Ionen vorhanden sind, die um verschiedene Winkel abgelenkt werden, treten dann durch eine einstellbare Schlitzblende 13 in einen Bau teil 14 und werden von einem Kollektor 15 aufgenommen, der an einen Multiplier 17 angeschlossen ist, dessen Ausgang mit einer Wiedergabevorrichtung 45 in Verbindung steht.

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Massenspektrometer der beschriebenen Art sind bekannt, Ausgangesignal des Multipliers 17 wird nach der Verstärkung dazu verwendet» die durch die einstellbare Schlitzblende 13 tretenden Ionen z.B. auf einer Bildröhre oder einem i.egistrierpapier aufzuzeichnen« Die seitliche Ablenkung eines Ions beim Durchgang durch den magnetischen Analysator 11 hängt von der Beschleunigungsspannung« die die Geschwindigkeit der Ionen festlegt, von der magnetischen Feldstärke im Analysator 11 und von der Masse der Ionen ab.

Eine Möglichkeit zum Abtasten eines breiten M xssenspektrums besteht darin, die am elektrostatischen Analysator 7 und an der Beschleuhigungeelektrode 5 anliegenden Spannungen kon stant zu halten und den durch die Spule 12 fliessenden Strom langsam ahnefasn zu lassen· Dadurch wird die Ablenkung aller Ionen« die durch den magnetischen Analysator treten, fort schreitend verändert, so daß das Auegangesignal vom Kolletor 15, der z.B. ein Elektronenmultiplikator sein kann?: die Zahl der Ionen angibt, die durch die Schlitzblende 13 hinduroh treten. Wenn das Ausgangssignal vom Kollektor 15 als Vertikalablenkung auf die Bildröhre einer Wiedergabevorrichtung 45 gegeben wird, während die Horizontalablenkungsgesohwindigkeit der Abnahme des magnetischen Feldes im magnetischen Analysator 11 entspricht, dann zeigt das Bild Maxima, wenn Ionen mit einer derartigen Massenzahl vorhanden sind« daß sie durch die Schlitzblende 13 hindurchtreten.

Die beschriebene magnetische Abtastung wird dann angewendet« wenn hohe Empfindlichkelten und quantitative uenauigkciit erforderlich sind und wenn die Abtastgeschwindigkeit gering. sein kann. Bei größeren Abtastgesohwlndigkelten kann man eine elektrische Abtastung durchführen,indem «an das magnetische Feld la magnetischen Analysator konstant hält und die Span* nung an der Beeohleunlfungselektrod.e 5 variiert« um dadurch

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die erwünschte Änderung der Ablenkung des Ionenstrahls im magnetischen Analysator herbeizuführen. Dadurch wird ;|adoch das Auflösungsvermögen zwischen benachbarten Maxima eraiedrigt und die Empfindlichkeit ändert sich vom einen bis zum anderen Ende des abgetasteten' Massenspektrums.

Beim Massenspektrometer nach der Fig. 2 befindet sich sine einstellbare Schlitzblende 13 am Kollektor, währsnd ei'ie zweite einstellbare Schlitzblende 19 , die in der Fig. 7 vergrößert dargestellt ist, an der Ionenquelle vorgesehen ist. Di3 Längsachsen der Schlitzblenden stehen senkrecht zur P .pierebene. Die Schlitzblenden selbst werden wie folgt eingestellt.

In der Fig. 4 wird die Schlitzblende durch den Spalt., zwischen zwei Blöcken20 dargestellt. Es wird angenommen, daß dir Ionenstrahl in einer Richtung senkrecht zur Papierebene senkrecht durch den Spalt 21 zwischen den beiden Blöcken 20 hindirohtritt, wobei die Blendenbreite durch die beiden Pfeile gegebe ι ist* Die beiden Blöcke 20 weisen abgeschrägte Flächen auf, die auf Edelateinstütcen 22 gleiten. Ein Stab 23 drückt gegen die oberen Flächen der Blöcke 20, so daß er, wenn er nach unten gidrüokt wird» die beiden Blöcke gegen zwei Federn 24 nach unte ι drückt, wobei sich die Breite des Spaltes 21 vergrößert, wohingegen beim Anheben des Stabs 23 die Blöcke 20 durch dl» bei dm Federn nach oben gedrückt werden,sich dadurch gegeneinander towegen und die Breite des Spaltes 21 verkleinern. Die Steuerung der vertikalen Lage des Stabes 25 geschieht alt Hilf» einei Elektromotors 25 (Fig.3), der über eine Rutschkupplung 26 Z.tiräder und 28 antreibt. Das Zahnrad 28 ist auf einer Welle 29 befestigt und trägt eine Hülse 30, während die Welle 29 über ein Gewinde alt ein·« ortsfesten Stütsglied 32 verbunden ist. Wenn dl· Welle

und die Hülse 50 gedreht werden» dann bewege eich da· lind· der Well· 29 üb ein kleines Stück nach oben oder aaoh unten,wobei Sas untere Sad· der Well· 29 über eine Kugel 33 gegen das ober« lade der WsIU 29 über ein· Kugel 33 g*g*a das ober· finde de* Stab·· 23 ( In TIg. 3) gedrückt wird» so daß

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durch dia Drehung der Welle 29 mit Hilfe des Motors 25 dia Breite der Schlitzblende 21 gesteuert wird, um die Verstellung dtr Vorrichtung in beide Richtungen zu begrenzen, ist die Hülse 30 mit einem Stift 54 (Mg. 5) versehen. Ein zylindrischer Bauteil 35 umgibt die Hülse 30 und seine¹' zylindrische Seite ist weggi schnitten« damit Anschläge 36 entstehen» gegen die der Stift anstößt* so daß die Bewegung des Stiftes 34 und damit die Drehung der Welle 29 begrenzt ist. Der B .uteil 35 kann gedreht und in verschiedenen Stellungen eingespannt werden, damit die Winkelstellung der Anschläge 36 verändert wird, während eine Fein einstellung; alt eines Knopf 37 vorgenommen werden kann. Durch Drehung des Knopfes 37 wird die Stellung eines Ansatzes 33 regu- έ liert,gegen den der Stift 34 anliegt.

Die fig· 6 zeigt «ine Steuerschaltung für den Elektromotor 25· Die Steuervorrichtung nach der Fig. 4 für die Schlitzblenden wird sowohl auf der Seite der Ionenquelle,als auch am Kollektorande des Ionenstrahls vorgesehen, und beide Steuervorrichtungen können mit Hilfe der in der Flg. 6 gezeigten Steuecchaltung synchron geeteur n't werden. K<*eh der Fig. 6 fird die Steuerung mit den Kontakten C4 erreicht» die synchron mit der Abtastung betätigt werden. Ss wird angenommen, daß die Motor·», SM an der Ionenquelle und CM am «Ivli^ktor je zwei Wüclungen besitzen, die die Motoren beim Erregen in entgegengesetzte Richtungen antreiben. In der in der Flg. 6 gezeigtem Stellung, in der sich ein Wählschalter in einer Stellung zir" abwechselndem Umschalten von hohem auf geringes Aäf-"lösungsveraögen während aufeinanderfolgender Abtastungen befindet, wird durch ein Sahließen der Kontakte C4 bei der Abtastung RL erregt. Dadurch werden die Kontakte RL 1 und RL 2 umgeschaltet, so daß die Wicklung 1 des Motors an der Ionenquelle und die Wicklung 1 des Motors an Kollektor erregt werden. Durch eine Drehung der Motoren ändert sich die Blendenbreite solange, bis der Stift 34 (Fig.5) gegen einen der Anschläge stößt. Anschließend drehen eich di· Motoren Koch etwas weiter, da eine Drehung wegen

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der Rutschkupplung 26 (Pig.3) möglich ist, bis sie eine festgelegte Anzahl vcn Umdrehungen vollendet haben, worauf die Be- £.?€iu7.iiug?8ohalter IM 1 und LM 3 sich öffnen und die Stromzufuhr abstellen. Gleichzeitig werden die Bremswlcklungeti antrtgt, so daß die Bremsen angreifen, Wenn sich mn^zu Beginn der nächsten Abtastung die Kontakte C4 öffnen« dann wird BL erregt, so daß sich die Kontakte RL 1 und RL 2 in die in der Fig. 6 gezeigte Stellung zurückstellen. Wenn dies erreicht ist, werden tie Wicklungen 2 der Motoren erregt, so daß beide Motoren sich nun in entgegengesetzter Richtung drehen und sich die WiHe 29 (Pig.3) in umgekehrter Richtung dreht, bis der Stift 34 gegen den entgegengesetzten Anschlag 36 des Bauteile 35 (Fig. 4) anschlägt. Dieser Vorgang wird stets wiederholt, d.h. die Blenden werden abwechselnd geöffnet und geschlossen. Der in der Fig. 6 gezeigte Schalter besitzt drei Stellungen. I_n der Alternativste llung erscheint die oben beschriebene Folge, während in der oberen Stellung fi$s Schalters die Schlitzblende dauernd auf hohes Auflösungsvermögen umgeschaltet ist. Entsprechend kann die Schlitzblende dauernd auf geringes Auflösungsvermögen umgeschaltet werden, indem der Wählschalter in die dritte Stellung gebracht wird. Bei der oben beschriebenen Anordnung kann zwischen zwei Stellungen der Schlitzblende gewählt werden. Die Erfindung ist je doch nicht darauf beschränkt,.d.h. es können auch noch dazwischenliegende Blendenbreiten erhalten und wahlweise automatisch nacheinander .eingestellt werden. Anstelle des Umschalteus zwischen einer außereift Stellung mit hohem Auflösungsvermögen und einer weiteren äußerttngStellung mit geringem Auflösungsvermögen kann die Änderung stufenweise erfolgen. Andererseits kann die Stellung mit hohem Auflösungsvermögen auf einen vorgewählten Wert und die Stellug mit geringem Auflösungsvermögen auf einen andern vorgewählten Wert eingestellt werden, so daß der Schalter in der Alternativstellung zwischen diesen beiden vorgewühlten Stellungen umschultet.

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BAD ORDINAL

Bei Verwendung einer magnetischen Abtastung kann das Spektrum entweder während der Abklingzeit oder während der Anstiegszeit der magnetischen Flußdiöhte beobachtet warden. Daraus folgt, daß während der Abklingzeit mit hohem Auflöaungs vermögen und während der Anstiegszeit mit geringem Auflösungsvermögen gemessen werden kamij wie ee in der Fig. 9 geauigt ist. Bie beiden Eusttod® können aueh umgekehrt werden.

Bei einer anderen Ausfülmangsform können je nach Baclarf die aufeinanderfolgenden Abklingzeiten oder di'y aufeinanderfolgenden Anstiegezeiten aueh abweohselnd mit hohem oder mit geringem Auflösungsvermögen durchgemessen werden.

Torzugsweise werden die Abtastungen während der Abkling!; si ten betrachtet.

Bie Fig. 10 zeigt eine elektrostatisch verändeS&oha Schlitz blende, die anstelle der in d$r Fig. 4 gea«4g%*n maohanisoh verändes&khen Schlitzblende verwendet werden kann. Die Sehlitzblende nach de r Flg. 10 enthält eine mit einem Schlitz versehene Platte 40 und einen Begrenzungaschirm 44« zwischen denen eine elektrostatische Linse angeordnet ist.

Die elektrostatische Linse besteht aus geerdeten Sohlitzblenden 41 und 43 und einer das Feld aufbauenden, mit einem Schlitz versehenen Blasenplatte 42.

Der Schlitz in der. Platte 40 begrenzt die maximale öffnung, während die Brennebene der elektrostatischen Linse vor dam Begrenzungsschirm 44 liegt, so daß die Ionenbahn«n verteilt sind und nicht alle Ionen durch die öffnung im Schirm 44 .traten können. Durch Veränderung des Potentials an dar Blendenplatte kann der Teil dar Ionen, die durch den Begrenzungsschirm 44 traten, variiert werden,womit sich eine Veränderung dar äffaktiven Schlitzbreite ergibt.

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-Io -

Weitere Einzelheiten über elektrostatische Schlitzblenden können aus der Fig. 2 der britischen Patentschrift 759 917 entnommen werden, '

Das Auegangssignal vom Massenspektrometer kann auf ein Wiedergabegerät 45 (Fig.2) oder auf eine Aufzeichnung Vorrichtung» z.B. ein Magnetband, gegeben und auf diesem in analoger oder digitaler Form aufgezeichnet werden«

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Claims (6)

4* paten ta nsprttehe 4755

1. Massenspektrometer mit einer Ionenquelle, einem Kollektor und Alllenkvorrichtungen für den Ionenstrahl, dadurch gekennse lehne t, daß eine oder mehrere variable Blenden (21) im Strahlengang der Ionen vorgesehen oinl, deren Breite zur Änderung des Auflösungsvermögens des Massenspektrometer verändert wird·

2. Massenspektrometer nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenbreite abwechselnd zwischen zwei Grenzetellungen verändert wlri» bei denen ein hohes unlein niedriges Auflösungsvermögen vorliegt.

3. Massenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß Torrichtungen vorgesehen sind, durch die die Steuerung der Blendenbreite mit der Abtastung des Massenspektrometer derart gekoppelt ΙθΊ, daßbei aufelnande x£olgenden Abtastungen abwechselnd mit hohem undmit niedrigem Auflösungsvermögen gemessen wird (Fig.8)..

4· Massenspektrometer nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet » daß die Vorrichtung zu:? Steuerung der Blendenbreite einen Wählschalter mit droi Stellungen enthält» in dessen einer Stellung dauernd ein hohes Auflösungsvermögen herrscht» in dessen zweiter Stellung dauernd ein nlederiges Auflösungsvermögen vorliegt und in dessen dritter Stoljung abwechselnd zwischen hohem und niedrigem Auflösungsvermögen umgeschaltet wird (Fig.6).

BAD ORIGINAL

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5· Massenspektrometer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzblende (n) zwei mit die Schlitz blende begrenzenden Seitenkanten versehene Blöcke (20) , einen Elektromotor (25), der den Abstand der Seitenkanten und damit die Blendenbreite steuert, einen Schalter (RI. 1, RL 2) zur Steuerung des Elektromotors und Begrenzungsschalter (LMl, LM2) zur Unterbrechung der Bewegung des Elektromotors enthält ,nachdem die erforderliche Bewegung stattgefunden hat·

6. Massenspektrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzblende eine elektrostatische Linie (41,42,43) und eine ortsfeste,mit einem Schlitz versehene Platte (44) aufweist, wobei die elektrostatische Linse den Abstand eines Brenn punktee des Ionenstrahls von der Platte und damit den Anteil der durch die Platte tretenden Zonen steuert (Fig.10).

7· Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei ohne t, daß die Blendenbreite zwischen zwei Grenzstellungen schrittweise verändert wird*

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