DE19752209A1 - Ionendetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ionendetektor, der in einem Analysegerät, wie beispielsweise einem Massenspektrometer, ver­ wandt wird, und insbesondere einen Ionendetektor, der Ionen mit hoher Genauigkeit und wahlweise positive und negative Ionen erfassen kann.

In herkömmlichen Massenspektrometern werden Moleküle einer vergasten Probe in einer Ionisationskammer ionisiert und werden die dort erzeugten Ionen durch ein Massenfilter nach Maßgabe ihrer Massenzahlen, d. h. ihres Verhältnisses der Masse m zur Ladung z, d. h. nach Maßgabe des Verhältnisses m/z getrennt. Einige der Ionen gehen dann durch das Massenfilter und treten in einen Ionendetektor ein, der ein elektrisches Signal mit einer Stärke erzeugt, die der Anzahl der eingetretenen Ionen ent­ spricht. In dieser Weise wird die Verteilung der Stärke der Erfassungssignale bezüglich der Massenzahlen erhalten.

Fig. 6 der zugehörigen Zeichnung zeigt den Aufbau eines herkömmlichen Ionendetektors mit hoher Genauigkeit, der mit einem Quadrupolmassenfilter zum Trennen von Ionen gekoppelt ist.

Im Ionendetektor ist eine Blendenelektrode 31 mit einer Öffnung zum Durchlaß der Ionen am Ausgang der Quadrupoleinheit 30 ange­ ordnet, die vier Stabelektroden umfaßt. Eine plattenförmige Umsetzungselektrode 32 und ein Elektronenvervielfacher 33 sind über und unter einer Eintrittsachse C des Ionenstrahls und zwar jeweils über die Achse C einander gegenüber angeordnet. Die Blendenelektrode 31 liegt an Masse oder wird mit einer passenden Spannung Va beaufschlagt. An der Umsetzungselektrode 32 liegt eine hohe negative Spannung, wenn positive Ionen zu erfassen sind, oder eine hohe positive Spannung, wenn negative Ionen zu erfassen sind.

Wenn beispielsweise mit dem oben beschriebenen Ionendetek­ tor positive Ionen erfaßt werden sollen, dann ergibt sich der folgende Arbeitsablauf. Ionen, die entlang der Längsachse C durch den Raum hindurchgegangen sind, der von den vier Stabelek­ troden der Quadrupoleinheit 30 begrenzt wird, von denen in Fig. 6 nur zwei dargestellt sind, werden konvergiert und gehen durch die Öffnung der Blendenelektrode 31. Dadurch, daß sie danach von der Umsetzungselektrode 32 angezogen werden, an der eine hohe negative Spannung liegt, wandern die Ionen auf aufwärts gehenden Bahnen weiter und treffen die Ionen auf die Umsetzungselektrode 32. Beim Auftreffen der Ionen werden Sekundärelektronen von der Umsetzungselektrode 32 emittiert. Die Sekundärelektronen gehen nach unten und werden vom Elektronenvervielfacher 33 eingefan­ gen. Im Elektronenvervielfacher 33 wird die Anzahl der Elektro­ nen durch wiederholte Sekundäremissionen erhöht, so daß eine größere Anzahl von Elektronen einen Anodenanschluß 33a erreicht, an dem ein elektrisches Signal abgenommen wird.

Wenn Ionen mit verschiedenen Massenzahlen entlang der Längsachse in den Raum in der Quadrupoleinheit 30 eintreten, während eine Spannung aus einer Gleichspannung und einer über­ lagerten Wechselspannung an den Stabelektroden der Quadrupolein­ heit 30 liegt, werden nur diejenigen Ionen mit einer bestimmten Massenzahl, die dieser Spannung entspricht, wahlweise durch den Raum hindurch gelassen und werden die anderen Ionen abgelenkt. Neben diesen gewählten Ionen gehen auch einige neutrale Teilchen mit hohen Energien und andere Teilchen durch den Raum in der Quadrupoleinheit 30. Diese unerwünschten Teilchen können zu einem Störanteil im Erfassungssignal führen, wenn sie durch den Elektronenvervielfacher 33 eingefangen werden. Bei dem oben be­ schriebenen Ionendetektor laufen die neutralen Teilchen jedoch entlang eines geraden Weges im elektrischen Feld, das zwischen der Umsetzungselektrode 32 und dem Elektronenvervielfacher 33 erzeugt wird. Störsignale aufgrund von unerwünschten Teilchen werden daher ausgeschlossen und die gewünschten Ionen können mit hoher Genauigkeit erfaßt werden.

In einem derartigen Ionendetektor wird jedoch das elektri­ sche Feld, das zwischen der Umsetzungselektrode 32 und dem Elek­ tronenvervielfacher 33 erzeugt wird, durch andere geladene Kör­ per einschließlich der Blendenelektrode 31 beeinflußt, so daß die Verteilung der Stärke des elektrischen Feldes um die mitt­ lere Achse ausgehend von der Umsetzungselektrode 32 zum Elek­ tronenvervielfacher 33 unsymmetrisch wird. Ein Teil der Sekun­ därelektronen, die von der Umsetzungselektrode 32 emittiert wer­ den, geht daher nicht zum Elektronenvervielfacher 33, was dazu führt, daß von Elektronenvervielfacher 33 eine kleinere Anzahl von Elektronen erfaßt wird und dadurch der Wirkungsgrad der Ionenerfassung beeinträchtigt ist.

Aufgrund der oben beschriebenen Asymmetrie im elektrischen Feld hängt darüber hinaus die Wahrscheinlichkeit, daß ein Sekun­ därelektron den Elektronenvervielfacher 33 erreicht, von der Stelle ab, an der das Elektron an der Umsetzungselektrode 32 emittiert wird. Das bedeutet, daß die Wahrscheinlichkeit der Erfassung eines Ions von der Position abhängt, an der das Ion durch die Öffnung in der Blendenelektrode 31 geht. Selbst wenn somit die gleiche Menge an Ionen der gleichen Massenzahl durch die Blendenelektrode 31 geht, kann das Ergebnis der Erfassung in Abhängigkeit von der Position verschieden sein, an der die Ionen durch die Öffnung in die Blendenelektrode 31 gehen. Aufgrund einer derartigen Unregelmäßigkeit in der Ionenerfassung ist die Zuverlässigkeit eines Massenspektrometers, das mit dem oben beschriebenen Ionendetektor arbeitet, nicht sehr hoch.

In Hinblick darauf wird durch die vorliegende Erfindung ein Ionendetektor geschaffen, mit dem Ionen so wirkungsvoll erfaßt werden können, daß die Zuverlässigkeit und Empfindlichkeit eines Massenspektrometers mit einem derartigen Ionendetektor größer sind.

Dazu umfaßt der erfindungsgemäße Ionendetektor

• a) eine Umsetzungselektrode, die auf einer zweiten Achse angeordnet ist, die im wesentlichen-senkrecht eine erste Achse, nämlich die Eintrittsachse der betreffenden Ionen schneidet und von der Eintrittsachse versetzt ist, wobei an der Umsetzungs­ elektrode eine Spannung liegt, deren Polarität zu der der be­ treffenden Ionen entgegengesetzt ist, um durch Kollisionen mit den betreffenden Ionen Sekundärelektronen oder positive Ionen zu emittieren,
• b) eine Erfassungseinheit, die auf der zweiten Achse und über die Eintrittsachse der Umsetzungselektrode gegenüber an­ geordnet ist, wobei die Erfassungseinheit die Sekundärelektronen oder die positiven Ionen erfaßt, und
• c) eine Abschirmungselektrode mit einem in wesentlichen zylindrischen Körper, dessen Achse auf der zweiten Achse liegt, wobei die Abschirmungselektrode einen Raum zwischen der Umset­ zungselektrode und der Erfassungseinheit mit einem Eingang für die betreffenden Ionen in einer Seitenfläche auf der Eintritts­ achse umschließt.

Der erfindungsgemäße Ionendetektor wird dazu benutzt, Ionen zu erfassen, die beispielsweise durch ein Quadrupolmassenfilter gehen. In diesem Fall wandern die vom Massenfilter austretende Ionen längs der Eintrittsachse und treten die Ionen durch die Eingangsöffnung in die Abschirmungselektrode ein. An der Umset­ zungselektrode liegt eine hohe Spannung, deren Polarität der der betreffenden Ionen entgegengesetzt ist. Wenn beispielsweise positive Ionen zu erfassen sind, liegt eine hohe negative Span­ nung an der Umsetzungselektrode, so daß durch die Umsetzungselek­ trode positive Ionen angezogen werden und auf die Auftrefffläche der Umsetzungselektrode auftreffen, wodurch Sekundärelektronen durch Stoß austreten. Da die Abschirmungselektrode den Innenraum gegenüber dem äußeren elektrischen Feld abschirmt, ist die Ver­ teilung der Stärke des inneren elektrischen Feldes um die zweite Achse nahezu symmetrisch. Während die Sekundärelektronen daher von der Umsetzungselektrode zur Erfassungseinheit wandern, sind sie einer Kraft ausgesetzt, die die Elektronen in der Nähe der zweiten Achse konvergiert. Der größte Teil der Elektronen wird daher durch die Erfassungseinheit eingefangen. Die Erfassungs­ einheit mißt die Anzahl der Elektronen, die der Menge an posi­ tiven Ionen entspricht.

Wenn negative Ionen zu erfassen sind, dann liegt eine hohe positive Spannung an der Umsetzungselektrode, so daß durch die Umsetzungselektrode negative Ionen angezogen werden und auf die Auftreffläche auftreffen, wo die negativen Ionen in positive Ionen umgesetzt werden. Während die positiven Ionen von der Umsetzungselektrode zur Erfassungseinheit wandern, sind sie einer Kraft ausgesetzt, die die positiven Ionen in der Nähe der zweiten Achse konvergiert. Der größte Teil der positiven Ionen wird daher durch die Erfassungseinheit eingefangen. Die Erfas­ sungseinheit mißt die Menge an positiven Ionen, die der Menge an negativen Ionen entspricht.

Zum Zweck der Erzeugung eines derartigen elektrischen Fel­ des, daß mehr Sekundärelektronen oder positive Ionen in der Nähe der zweiten Achse konvergieren, während sie in der Abschirmungs­ elektrode wandern, ist es empfehlenswert, der Umsetzungselektrode die Form eines Zylinders zu geben, dessen mittlere Achse auf der zweiten Achse liegt, so daß der Abstand zwischen der Innenwand der Abschirmungselektrode und der Außenwand der Umsetzungselek­ trode überall gleich ist. Es ist weiterhin bevorzugt, der Auf­ trefffläche der Umsetzungselektrode eine konkave Form zu geben.

Der Ionendetektor gemäß der Erfindung bietet somit eine höhere Leistungsfähigkeit beim Einfangen der von der Umsetzungs­ elektrode emittierten Sekundärelektronen oder positiven Ionen durch die Erfassungseinheit, d. h. eine höhere Leistungsfähigkeit der Erfassung der betreffenden Ionen, so daß die Empfindlichkeit eines Massenspektrometers mit einem derartigen Ionendetektor größer ist. Die Sekundärelektronen oder die positiven Ionen, die von der Umsetzungselektrode emittiert werden, werden weiterhin konvergiert und sicher und zwar unabhängig von der Stelle der Emission zur Erfassungseinheit geführt, so daß keine Unregelmä­ ßigkeiten in der Ionenerfassung auftreten und die Zuverlässig­ keit des Massenspektrometers dementsprechend höher ist.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung beson­ ders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher be­ schrieben. Es zeigen

Fig. 1 in einer perspektivischen teilweise geschnittenen Ansicht den Aufbau eines Ausführungsbeispiels des Ionendetek­ tors,

Fig. 2 die Beschaffenheit des elektrischen Feldes in der Abschirmungselektrode des Ionendetektors,

Fig. 3A und 3B die Arbeitsweise der Erfassung positiver Ionen durch den Ionendetektor,

Fig. 4A und 4B Abwandlungsformen des in Fig. 1 dargestell­ ten Ionendetektors,

Fig. 5 in einer perspektivischen Ansicht den Aufbau einer weiteren Abwandlungsform des in Fig. 1 dargestellten Ionendetek­ tors und

Fig. 6 den Aufbau eines herkömmlichen Ionendetektors.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels des Ionendetektors in einer perspektivischen Ansicht, wobei der Hauptteil in einer Vertikalschnittansicht dargestellt ist. Der Ionendetektor enthält eine Umsetzungselektrode 10, eine Abschir­ mungselektrode 20, die die Umsetzungselektrode 10 umgibt, und einen Elektronenvervielfacher 33, der außerhalb der Abschir­ mungselektrode 20 angeordnet ist. Die Abschirmungselektrode 20 weist einen zylindrischen Körper auf, dessen mittlere Achse auf einer Achse S liegt, die die mittlere Achse C einer Quadrupol­ einheit 30 schneidet, längs der der Ionenstrahl geht. Die Ab­ schirmungselektrode 20 weist eine Eintrittsöffnung 21 und eine Austrittsöffnung 22 auf, die jeweils in einer Seitenwand der Abschirmungselektrode 20 an einer Stelle vorgesehen sind, an der die Achse C durch die Wand geht. Die Umsetzungselektrode 10 ist zylindrisch mit ihrer mittleren Achse auf der Achse S, wobei die Auftrefffläche 11 zum Aufnehmen der Ionen in Form einer gleich­ mäßigen oder glatten konkaven Fläche ausgebildet ist. Die Umset­ zungselektrode 10 ist an einem Ende der Abschirmungselektrode 20 über einen keramischen Isolator 12 befestigt und eine Leitung 13 zum Anlegen einer Spannung an die Umsetzungselektrode 10 ist durch die Abschirmungselektrode 20 herausgeführt. Am anderen Ende der Abschirmungselektrode 20 ist eine Erfassungsöffnung 23 mit ihrem Mittelpunkt auf der Achse S vorgesehen und der Elek­ tronenvervielfacher 33 ist so angeordnet, daß sein Eingang di­ rekt unter der Erfassungsöffnung 23 liegt.

Bei dem oben beschriebenen Ionendetektor liegt eine hohe negative Spannung an der Umsetzungselektrode 10 über die Leitung 13, wenn positive Ionen zu erfassen sind, während eine hohe positive Spannung über die Leitung 13 an der Umsetzungselektrode 10 liegt, wenn negative Ionen zu erfassen sind. Die Spannung der Abschirmungselektrode 20 wird auf einem konstanten Wert gehal­ ten, indem diese an Masse gelegt wird oder indem eine konstante Spannung angelegt wird. Fig. 2 zeigt die Äquipotentialflächen in der Abschirmungselektrode 20 und den Potentialgradienten auf der Achse S, wobei die an der Umsetzungselektrode 10 liegende Span­ nung gleich Vc ist und die an der Abschirmungselektrode 20 lie­ gende Spannung gleich Vs ist. Fig. 2 zeigt, daß in dem in der Abschirmungselektrode 20 erzeugten elektrischen Feld die Poten­ tialverteilung so ist, daß jede Äquipotentialfläche die Form einer im wesentlichen kreisförmigen Ebene mit dem Mittelpunkt auf der Achse S hat, und das Potential allmählich von der Umset­ zungselektrode 10 zum Elektronenvervielfacher 33 abnimmt.

Wenn der obige Ionendetektor dazu benutzt wird, positive Ionen zu erfassen, arbeitet der Ionendetektor wie folgt. Wie es in Fig. 3A dargestellt ist, wird eine hohe Spannung Vc, die bezüglich der Spannung der Abschirmungselektrode 20 negativ ist, an die Umsetzungselektrode 10 gelegt. Ionen, die entlang der Achse C durch den Raum der Quadrupoleinheit 30 hindurch gegangen sind, werden durch die Blendenelektrode 31 konvergiert und tre­ ten durch die Eintrittsöffnung 21 in die Abschirmungselektrode 20 ein. Hochenergetische Teilchen N, die zusammen mit den Ionen gleichfalls in die Abschirmungselektrode 20 eintreten, gehen über einen geraden Weg, ohne durch das elektrische Feld in der Ab­ schirmungselektrode 20 beeinflußt zu werden, und treten von der Austrittsöffnung 22 aus. In dieser Weise werden die hochenerge­ tischen Teilchen beseitigt, die zu Störsignalen führen könnten.

Die positiven Ionen, die in die Abschirmungselektrode 20 eingetreten sind, wandern im elektrischen Feld mit einer Poten­ tialverteilung, wie sie oben beschrieben wurde. In diesem elek­ trischen Feld sind die Ionen einer Kraft nach oben ausgesetzt, so daß sie nach oben wandern und auf die Auftrefffläche 11 der Umsetzungselektrode 10 treffen, wie es in Fig. 3A dargestellt ist, wodurch Sekundärelektronen aus der Umsetzungselektrode 10 geschlagen werden. Die Sekundärelektronen wandern dann zur Er­ fassungsöffnung 23, wo das Potential am höchsten ist, wobei jedes Elektron eine Bahn zieht, die senkrecht durch die Äquipo­ tentialflächen geht, die in Fig. 2 dargestellt sind. Bei ihrer Wanderung nach unten nähern sich daher alle Sekundärelektronen, die von verschiedenen Teilen der Auftrefffläche 11 emittiert wurden, allmählich der Achse S, so daß alle Sekundärelektronen in der Nähe der Achse S zusammenlaufen. Die zusammengeführten Sekundärelektronen treten aus der Abschirmungselektrode 20 über die Erfassungsöffnung 23 aus und in den Elektronenvervielfacher 33 ein. Im Elektronenvervielfacher 33 wird die Zahl der Elek­ tronen stark durch wiederholte Sekundäremissionen erhöht. Die Anzahl der Elektronen, die bei der letzten Sekundäremission erzeugt wird, entspricht der Anzahl der Sekundärelektronen, die am Anfang in den Elektronenvervielfacher 33 eingetreten sind. Die sich dadurch ergebenden Elektronen werden von Anodenanschluß 33a in Form eines elektrischen Signals abgeführt und die Stärke dieses Signals wird durch ein nicht dargestelltes Amperemeter gemessen.

Wenn gemäß Fig. 3B der obige Ionendetektor dazu benutzt wird, negative Ionen zu erfassen, liegt eine hohe Spannung Vc, die bezüglich der Abschirmungselektrode 20 positiv ist, an der Umsetzungselektrode 10. Wenn in diesem Fall negative Ionen auf die Umsetzungselektrode 10 auftreffen, werden die negative Ionen in positive Ionen umgesetzt. Die positiven Ionen wandern nach unten und ziehen dabei Bahnen, die ähnlich den Bahnen der oben beschriebenen Sekundärelektronen sind. Sie kommen dann am Elek­ tronenvervielfacher 33 an.

Bei dem obigen Ionendetektor kann der Elektronenvervielfa­ cher 33 in der Abschirmungselektrode 20 angeordnet sein, wie es in Fig. 4A dargestellt ist. Der Elektronenvervielfacher 33 kann auch von einer weiteren Abschirmungselektrode umhüllt sein. Fig. 4B zeigt einen derartigen Ionendetektor, bei dem der Elektronen­ vervielfacher 33 von einer zweiten Abschirmungselektrode 24 umgeben ist, so daß eine noch größere Reduzierung der Störsigna­ le zu erwarten ist.

Fig. 5 zeigt einen weiteren Ionendetektor, der eine Abwand­ lungsform des in Fig. 1 dargestellten Ionendetektors ist. Der Ionendetektor von Fig. 5 enthält einen Scintillator 34, der unter der Erfassungsöffnung 23 der Abschirmungselektrode 20 angeordnet ist, und einen Photodetektor 35, der unter dem Scint­ illator 34 angeordnet ist, und zwar anstelle des Elektronenver­ vielfachers 33. Wenn bei diesem Ionendetektor Sekundärelektronen oder positive Ionen, die von der Erfassungsöffnung 23 kommen, auf den Scintillator 34 treffen, emittiert der Scintillator 34 Photonen, von denen ein Teil von einer Empfangsfläche 35b des Photodetektors 35 empfangen wird. Dort werden die Photonen in Sekundärelektronen umgewandelt, die im Photodetektor 35 durch wiederholte Sekundäremissionen verstärkt werden. Eine größere Anzahl von Elektronen wird somit am Anodenanschluß 35a in Form eines elektrischen Signals abgeführt, dessen Stärke der Anzahl der Elektronen oder der positiven Ionen entspricht, die vom Scintillator 34 empfangen wurden.

Bei einem herkömmlichen Ionendetektor, der eine Umsetzungs­ elektrode in Form einer flachen Platte verwendet, ist es notwen­ dig, den Rand abzuschrägen, um eine Entladung zu vermeiden, wenn eine hohe Spannung anliegt. Bei der Herstellung der herkömmli­ chen Umsetzungselektrode ist daher ein zusätzlicher Arbeits­ schritt zum Abschrägen der scharfen Kante durch eine maschinelle Bearbeitung oder durch Abstoßen notwendig. Bei der Umsetzungs­ elektrode, die bei dem erfindungsgemäßen Ionendetektor verwandt wird, kann andererseits die Randabschrägung dann ausgeführt werden, wenn die zylindrische Umsetzungselektrode mit der kon­ kaven Fläche als Auftrefffläche bearbeitet wird. Zeit und Arbeit für die Herstellung der Elektroden können daher durch die Ver­ wendung der oben beschriebenen Umsetzungselektrode verringert werden.

Claims (6)

1. Ionendetektor gekennzeichnet durch

• a) eine Umsetzungselektrode (10), die auf einer zweiten Achse angeordnet ist, die im wesentlichen senkrecht eine erste Achse, nämlich die Eintrittsachse der betreffenden Ionen, schneidet und von der Eintrittsachse versetzt ist, wobei an der Umsetzungselektrode (10) eine Spannung liegt, deren Polarität der Polarität der betreffenden Ionen entgegengesetzt ist, um über Zusammenstöße mit den betreffenden Ionen Sekundärelektronen oder positive Ionen zu emittieren,
• b) eine Erfassungseinheit, die auf der zweiten Achse über die Eintrittsachse, der Umsetzungselektrode (10) gegenüber an­ geordnet ist, wobei die Erfassungseinheit die Sekundärelek­ tronen oder die positiven Ionen erfaßt, und
• c) eine Abschirmungselektrode (20) mit einem im wesentli­ chen zylindrischen Körper, dessen Achse auf der zweiten Achse liegt, wobei die Abschirmungselektrode (20) einen Raum zwischen der Umsetzungselektrode (10) und der Erfassungseinheit mit einem Eintritt für die betreffenden Ionen in einer Seitenfläche auf der Eintrittsachse umschließt.

2. Ionendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzungselektrode (10) zylindrisch ist.

3. Ionendetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftrefffläche der Umsetzungselektrode (10) eine konkave Form hat.

4. Ionendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinheit in der Abschirmungs­ elektrode (20) angeordnet ist.

5. Ionendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinheit von einer weiteren Abschirmungselektrode (24) umgeben ist.

6. Ionendetektor nach einem der Ansprüche 1 bist 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinheit einen Scintillator (34) zum Empfang der Sekundärelektronen oder der positiven Ionen und einen Photodetektor (35) zum Erfassen der vom Scintillator (34) emittierten Photonen umfaßt.