DE1598069B1 - Flugzeit-Massenspektrometer - Google Patents

Description

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

009 539/328

Claims (5)

Elektrode 54, ζ. B, aus Edelstahl, welche die Eingangsöffnung 22 der Ionen begrenzt, und ein Gitter 24 aus metallischen Drähten, welches sich am entgegengesetzten Ende der Linse in der Ebene des Ionenausgangs befindet, wobei die Elektrode 54 und das Gitter 24 elektrisch über den Widerstandsbelag 52 verbunden sind. Im Ausführungsbeispiel ist der Widerstandsbelag 52 außen auf dem Isoliergehäuse 50 aufgebracht. Dieser Belag könnte ebenso auf die innere Oberfläche des Isoliergehäuses 50 aufgebracht werden. Experimente haben gezeigt, daß die Schirmwirkung des Belages im ersteren Fall völlig vernachlässigbar ist. Das im Inneren der elektrostatischen Linse 20 erzeugte Sammelfeld ist rotationssymmetrisch zur Achse 40 und besitzt eine Potentialverteilung entlang der Achse, die einer Parabel (der F i g. 3) entspricht. Man erhält diese parabolische Potentialverteilung, indem man kontinuierlich entlang der Länge L der Linse den Widerstand pro Längeneinheit des Widerstands- eo belags 52 vergrößert und indem vom Eingang 22 in Richtung auf das Ausgangsgitter 24 der absolute Betrag des Potentialgradienten dV/dz, linear anwächst. Eine Möglichkeit, um einen gleichmäßig anwachsenden Widerstand zu erhalten, ist in F i g. 2 dargestellt: Hier nimmt die Dicke des Widerstandsbelags 52 vom Eingang 22 zum Ausgangsgitter 24 gleichmäßig ab. Sein Widerstand pro Längeneinheit ist somit gleich R=* Kz, wobei K eine Konstante darstellt. Bei Anlegen der vorstehend angegebenen Spannungen an die Leiter 26 und 28 fließt parallel zur Achse 40 in dem Widerstandsbelag 52 ein Strom, der eine kontinuierliche Potentialänderung entlang der zylindrischen Oberfläche hervorruft. Dadurch wird im Inneren der Linse 20 ein elektrisches Feld erzeugt, welches eine Potentialverteilung entlang der Achse besitzt, wie sie in F i g. 3 dargestellt ist. Das sich im Inneren der Linse 20 ausbildende elektrische Feld ist außerdem in F i g. 2 durch Äquipotentiallinien 56 wiedergegeben, welche aus Hyperbeln bestehen, die durch Rotation um die Achse 40 rotationssymmetrische Hyperboloide erzeugen, deren Krümmungsradius vom Eingang 22 zum Ausgangsgitter 24 wächst. Die innere konische Oberfläche 58 der leitenden Elektrode 54 bildet einen Winkel von 54°, 44' mit der Achse 40, was der asymptotischen Grenzfläche der hyperbolischen Äquipotentialflächen 56 entspricht. Das Gitter 24, welches am entgegengesetzten Ende der Linse 20 angeordnet ist, erzeugt eine Diskontinuität im Feldverlauf, Durch den Verlauf der Kraftlinien des Feldes im Inneren der Linse 20, die senkrecht auf der Endfläche 58 und auf den Äquipotentialflächen 56 stehen und sich der Achse 40 in der Nähe des Gitters 24 asymptotisch nähern, werden die positiven Ionen, die in die Linse 20 durch die Öffnung 22 eindringen, daran gehindert, auf die Innenflächen 50 der Linse auftreffen. Die Radialkomponente der auf die Ionen wirkenden So Kraft ist unabhängig von ihrer Lage in Längsrichtung und ist proportional der radialen Entfernung von der Linsenachse. Je weiter die Ionen von der Achse 40 entfernt sind, um so größer ist die Kraft in Richtung auf diese Achse. Aus dem vorstehenden wird die Bedeutung des radialen Feldes deutlich, welches im Inneren der Linse erzeugt wird. Denn dieses Feld hindert die Ionen daran, auf die Wand zu treffen. Da andererseits der Wert des Radialfeldes unabhängig von der betrachteten axialen Lage ist und immer proportional der radialen Entfernung, erreichen alle Ionen, die dasselbe Verhältnis von Ladung zu Masse und dieselbe axiale Geschwindigkeit besitzen, gleichzeitig den Kollektor. Der Grund dafür, daß alle diese Ionen den Kollektor in demselben Augenblick berührens ist der, daß alle jene Feldvektoren in Längsrichtung, die in einer Querebene liegen, gleich sind. Folglich unterliegen alle Teilchen, die sich in der Nähe des Schirmes befinden, derselben Längsbeschleunigung wie diejenigen, die sich in der Nähe des Zentrums der Linse befinden. Hieraus wird deutlich, daß die Flugzeit eines Ions durch die Linse unabhängig von seiner Flugbahn in der Linse ist, Konkreter ausgedrückt: Alle Ionen mit demselben Verhältnis pfm, welche in die Linse mit gleichen Axialgeschwindigkeiten eintreten, jedoch unterschiedliche Radialgeschwindigkeiten aufweisen können, erreichen den Kollektor im gleichen Augenblick, obwohl ihre Flugbahnen in der Linse unterschiedlich sind. Bei der Einrichtung nach der Erfindung gelangen praktisch alle von der Quelle ausgestoßenen Ionen ohne Verluste auf den Kollektor. Daraus ergibt sich, daß die Empfindlichkeit des Spektrometers nennenswert verbessert ist. Das Auflösungsvermögen ist gleichfalls verbessert, denn man kann ohne Nachteil die Länge des Driftraums vergrößern. Patentansprüche:

1. Flugzeit-Massenspektrometer, bestehend aus einer Ionenquelle, in Flugrichtung der Ionen anschließend einem Beschleunigungssystem, einer elektrostatischen Sammellinse, einem Driftraum und einem Ionenkollektor, gekennzeichnet durch eine elektrostatische Sammellinse mit folgenden Merkmalen:

a) ihr in Flugrichtung der Ionen vorderer Teil ist ein an sich bekannter sich erweiternder Konus (54) aus leitendem Material mit einer Öffnung (22) für den Durchtritt der Ionen;

b) der anschließende Teil ist ein an sich bekannter rohrförmiger Hohlleiter (52) aus Widerstandsmaterial mit veränderlicher Wandstärke;

c) der Konus und das Rohr sind mechanisch und elektrisch verbunden;

d) der Öffnungswinkel des Konus (54) gegenüber der Linsenachse (40) entspricht der asymptotischen Grenzfläche der hyperbolischen Äquipotentialflächen des elektrischen Feldes in der Linse.

2, Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des rohrförmigen Hohlleiters (52) allmählich in Richtung des lonenstromes abnimmt und daß an den Enden des Hohlleiters negative Spannungen angelegt sind, wobei der absolute Betrag der am Ausgang liegenden Spannung (V£) ein Vielfaches der am Eingang liegenden Spannung (Vo) beträgt.

3, Massenspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmaterial des Hohlleiters (52) von einem rohrförmigen Isoliergehäuse (50) getragen ist.

4. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Driftraum (34) von einer rohrförmigen Umhüllung aus Widerstandsmaterial umgeben ist, die an beiden Enden auf gleichem Potential liegt.

5. Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gitter (24) zwischen der elektrostatischen Linse (52, 54) und dem Driftraum (34) vorgesehen ist.