DE2021730C3

DE2021730C3 - Massenspektrometer

Info

Publication number: DE2021730C3
Application number: DE2021730A
Authority: DE
Inventors: Reginald Fulshaw Graham
Original assignee: Kratos Ltd
Current assignee: Kratos Ltd
Priority date: 1969-05-16
Filing date: 1970-05-04
Publication date: 1986-10-02
Also published as: US3657531A; GB1233812A; DE2021730B2; DE2021730A1; JPS4927476B1; FR2047839A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Massenspektrometer mit einem ionenoptischen System gemäß dem Oberbegriff des vorliegenden Anspruchs 1; ein derartiges für ein Massenspektrometer verwendbares ionenoptisches System ist aus »Mass Spectrometry«, Ed. R. I. Reed (1965), Seiten 73 bis 91, insbesondere Fig. 6 auf Seite 80, bekannt.

Eine der Ursachen, die maßgebend für eine Begrenzung des maximalen Auflösungsvermögens eines Massenspektrometers sind, ist die Verzerrung des Ionenstrahls während seines Durchgangs durch die Randfelder des magnetischen Analysators, wobei der Strahlquerschnitt verbogen und damit die wirksame Breite des Strahls vergrößert wird. Die Breite ist die kleinere Kantenlänge des durch die Spaltblende rechteckförmig ausgeblendeten Querschnitts des Ionenstrahls. Die wirksame Breite läßt sich dadurch verringern, daß die Länge der Eingangsspaltblende und der Kollektorspaltblende verringert wird, so daß sichergestellt ist, daß die Ionen die störenden Randfelder des magnetischen Analysators nahe der optischen Achse durchlaufen. Damit verringert man jedoch auch die Stärke des durchgelassenen lonenstroms und mithin die Empfindlichkeit des Spektrometer.

Es ist deshalb wünschenswert, die Verbiegung des Strahls zu korrigieren, bevor dieser die Kollektorspaltblende erreicht, so daß sowohl ein hohes Auflösungsvermögen als auch eine hohe Empfindlichkeit erreicht wird.

Dazu ist in der genannten Literaturstelle aus »Mass Spectrometry« die Anordnung einer elektrostatischen Sechspollinse im Strahlengang des ionenoptischen Systems vorgesehen. Eine derartige Sechspollinse gibt jedoch zwangsläufig Anlaß zu anderen Abbildungsfehlern des ionenoptischen Systems.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Bildkorrekturvorrichtung für das eingangs beschriebene Massenspektrometer so auszubilden, daß auch die zwangsläufig bedingten anderen Abbildungsfehler gering bleiben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst

Durch Anlegen geeigneter Potentiale an die Polstäbe kann das Strahlprofil derart verbogen werden, daß die durch die Randfelder des magnetischen Analysators hervorgerufenen Verzerrungen weitgehend beseitigt werden, ohne daß gleichzeitig neue ins Gewicht fallende Verzerrungen eingeführt werden.

In Ausgestaltung der Erfindung ist jeder Polstab an seinen beiden Enden an einem Isolierkörper befestigt Dabei ist zweckmäßigerweise zwischen dem Ionenstrahl und den Isolierkörpern eine elektrostatische Abschirmung angeordnet

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 stellt eine Draufsicht auf ein Massenspektrometer mit zwei Sechspollinsen dar;

F i g. 2, 3 und 4 stellen die Querschnittsform des Ionenstrahls in dem Massenspektrometer an verschiedenen Stellen und unter verschiedenen Bedingungen dar;

Fig.5 und 6 stellen einen Querschnitt und einen Längsschnitt durch eine Sechspollinse dar;
F i g. 7 ist ein Schaltbild einer Spannungsversorgung für eine Sechspollinse und

F i g. 8 und 9 sind Schaltbilder der in F i g. 7 als Blöcke dargestellten Teile.

Nach F i g. 1 enthält ein doppelfokussierendes Massenspektrometer eine Ionenquelle 1 zur Erzeugung eines Ionenstrahls 2, der über eine Blende 3 in einem elektrostatischen Analysator 4 gelangt, der den Strahl 2 auf eine Zwischenblende 5 fokussiert Die durch die Blende 5 hindurchgehenden Ionen gelangen in einen magnetischen Analysator 6, der Ionen mit verschiedenem Masse/Ladung-Verhältnis auf verschiedene Punkte einer Bildebene fokussiert. Eine Kollektorblende 7 ist an einer Stelle in der Bildebene angeordnet und läßt Ionen passieren, deren Masse/Ladung-Verhältnis in einem so vorbestimmten Bereich liegt. Diese Ionen werden durch einen Ionenkollektor 8 nachgewiesen.

Im folgenden werden die Buchstaben X, Y und Z zur Bezeichnung von drei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen verwendet So bezeichnet X die Richtung -- parallel zur Richtung des Ionenstrahls, Z die Richtung parallel zur Längsrichtung der Spalte der Blenden 3 und 7 (d. h. senkrecht zur Zeichenebene der Fi g. 1), wobei dies der Längsrichtung des Strahlquerschnitts entspricht, und Y die Richtung senkrecht zu beiden Richtungen X und Z, also die Richtung, in der die Breite des Strahlquerschnitts gemessen wird.

Die Querschnittsform des die Blende 3 verlassenden Ionenstrahls ist rechteckförmig, wie es in F i g. 2 dargestellt ist. Wenn der Strahl die Randfelder des magnetischen Analysators 6 durchläuft, wird er in eine gekrümmte Form verzerrt, wie es in F i g. 3 dargestellt ist. Der Strahlquerschnitt kann durch eine Bildkorrigiervorrichtung, die noch beschrieben wird, in seine

ursprüngliche Rechteckform zurückgebildet werden. Wenn man die Ionen hinreichend lange mit einem verzerrten Strahlquerschnitt, wie er in F i g. 3 dargestellt ist, fliegen läßt, wird die Querschnittsform noch weiter verzerrt wie es in F i g. 4 dargestellt ist, d. ii. die Enden des Querschnitts werden breiter als der Mittelteil. Wenn dann die Krümmung des Strahlquerschnitts beseitigt wird, ist der Querschnitt immer noch so verzerrt, daß die Enden breiter als der Mittelteil sind. Es ist daher zweckmäßig, die Strecke, die der Strahl mit eicem gekrümmter Querschnitt zurückgelegt, so klein wie möglich zu halten.

Nach F i g. 1 sind daher zwei Sechspollinsen 9 und 10 jeweils an Stellen zwischen der mittleren Blende 5 und dem magnetischen Analysator 6 bzw. zwischen dem magnetischen Analysator und der Kollektorblende 7 um den Strahl herum angeordnet, und zwar an Stellen, an denen der Strahl 2 nur eine geringe Breite hat Dadurch werden unerwünschte Verzerrungen des Strahls durch die sechs Pole auf ein Minimum reduziert Die Sechspollinse 9 bewirkt eine Krümmung des Strahlquerschnitts, bevor der Strahl in den magnetischen Analysator eintritt; diese Krümmung wird durch die Wirkung des Randfeldes am Eingang des magnetischen Analysator beseitigt Der Querschnitt des Strahls ist daher beim Durchgang durch den magnetischen Analysator praktisch überhaupt nicht gekrümmt Der Strahlquerschnitt wird erneut durch das Randfeld am Ausgang des magnetischen Analysators gekrümmt, und diese Krümmung wird durch die zweite Sechspollinse 10 beseitigt. Der Querschnitt des die Kollektorblende 7 erreichenden Strahls ist daher mit besserer Annäherung rechteckförmig, als wenn die gesamte Korrektur des Strahlquerschnitts durch eine einzige Sechspollinse bewirkt würde.

Nach den Fig.5 und 6 enthält jede Sechspollinse sechs zylindrische Metallstäbe 11-16, die parallel zueinander auf einem Kreis mit einem Durchmesser von 25,4 mm angeordnet und um 60° zueinander versetzt sind. Die Stäbe haben eine Länge von 25,4 mm und einen Durchmesser von 1/8 · 25,4 mm. Sie werden durch keramische Stäbe 22 gehalten, die in Fassungen 23 am Ende der Stäbe 11-16 und in entsprechenden Fassungen 24 in zwei Flanschen 25 stecken, die von den Enden eines Metallrohrs 26, das die sechs Stäbe umgibt, nach innen ragen. An den Stäben 11 — 16 sind über Glas/Metall-Dichtungen 28 im Metalirohr 26 elektrische Anschlüsse 27 befestigt

Die Flansche 25 enthalten Bohrungen 29 mit einem Durchmesser von 12,7 mm konzentrisch zum Kreis, auf dem die Stäbe angeordnet sind, und in den Bohrungen 29 sind kurze Metallrohre 30 angeordnet die vom jeweiligen Flansch 25 so weit nach innen ragen, daß sie die Enden der Stäbe 11-16 überlappen. Die Rohre 30 dienen zur elektrostatischen Abschirmung des Ionenstrahls 2 von den keramischen Stäben 22 und zur genauen Begrenzung der sechspoligen Felder.

Das Rohr 26 hat sich nach außen erstreckende Flansche 31, die Löcher 32 enthalten, die es ermöglichen, die Sechspollinse zwischen zwei benachbarten Teilen des Massenspektrometers einzuspannen und mit diesen beiden Teilen ein vakuumdichtes Gehäuse zu bilden. Die Linse wird räumlich so angeordnet, daß der Strahl parallel zu den Stäben an der Achse der Anordnung entlang und so verläuft, daß die Z-Achse des Strahls durch 'den Raum zwischen zwei sich gegenüberliegenden Paaren 11,12 und 14,15 der Stäbe hindurch verläuft Zum Betrieb der Sechspollinse wird an die Stäbe 11, 13 und 15 ein positives Potential und an die Stäbe 12,14 und 16 ein gleiches negatives Potential, oder umgekehrt angelegt Das durch diese Potentiale erzeugte elektrostatische Feld übt keine Kraft auf die Ionen aus, die entlang der Achse der Linse fliegen. Oberhalb und unterhalb der durch die Stäbe 13 und 16 hindurch verlaufenden Ebene ergibt sich jedoch eine resultierende Kraft, die eine Komponente in y-Richtung aufweist Diese Kraft bewirkt eine Krümmung eines Ionenstrahls mit rechteckförmigem Querschnitt oder die Beseitigung der Krümmung eines Strahls mit in entsprechender Richtung gekrümmtem Querschnitt Die Größe der Kraft läßt sich durch Verändern der Potentiale der Stäbe einstellen.

Man kann die Sechspollinse auch so betreiben, daß sie den Strahl dreht, indem die Stäbe 12 und 15 auf ein positives Potential und die Stäbe 11 und 14 auf ein gleichgroßes negatives Potential (oder umgekehrt) und die Stäbe 13 und 16 auf Nullpotential gelegt werden. Ein Z-Fokussiereffekt, d. h. eine Verringerung der Abmessungen des Strahls in Z-Richtung läßt sich dadurch erreichen, daß die Stäbe 11,12, 14 und 15 auf positive (oder negative) Potentiale und die Stäbe 13 und 16 auf Potential Null gelegt werden. Die Potentiale können auch anders kombiniert werden, und zwar so, daß der Strahl beispielsweise in y-Richtung fokussiert oder in Y- oder Z-Richtung abgelenkt wird. Diese Wirkungen lassen sich jedoch auch gleichzeitig erreichen, indem jeder Stab auf die Summe der Potentiale gelegt wird, die für die einzelnen Wirkungen erforderlich sind.

Man kann daher mit der Sechspollinse den Strahl fokussieren, ausrichten und im Querschnitt weitgehend rechteckförmig ausbilden.
Die Potentiale der Stäbe können mit Hilfe getrennter Potentiometer von Hand einstellbar sein. Es ist jedoch zweckmäßiger, die in Fig.7 dargestellte Schaltung vorzusehen.

Nach Fig.7 enthält die Schaltung zur Zuführung geeigneter Potentiale an die Stäbe 11-16 eine

λο Spannungsquelle 40, die zwei Spannungen von gleichem Betrag, aber entgegengesetztem Vorzeichen, nämlich Vo und - V₀, erzeugt, die der Ionenbeschleunigungsspannung des Massenspektrometers proportional sind und an entgegengesetzte Enden eines jeden einer Gruppe von Wendelpotentiometern 41-50 angelegt werden.

Die Potentiometergruppe 41 besteht aus zwei mechanisch gekoppelten Potentiometern, deren Schleifkontakte a und a so angeordnet sind, daß sie in

so entgegengesetzten Richtungen verstellt werden und daß über diese Schleifkontakte zwei Spannungen abnehmbar sind, deren Betrag gleich ist, die jedoch entgegengesetztes Vorzeichen haben und jeweils zwischen V₀ und - V₀ veränderbar sind.

An den Kontakten b, b und c, c der Potentiometergruppen 42 und 43 können ähnliche Spannungspaare mit entgegengesetztem Vorzeichen abgenommen werden. Die Potentiometergruppen 44-50 bestehen jeweils nur aus einem Potentiometer mit jeweils einem Schleifkontakt d, e.f.g, h,j und k an denen zwischen V₀ und - V₀ veränderbare Spannungen abnehmbar sind.

Die Schaltung enthält ferner sechs gleiche Überlagerungseinheiten 51 -56, von denen jede fünf Eingänge und einen Ausgang hat, an dem ein Potential erscheint, · das der Summe der den fünf Eingängen zugeführten Spannungen proportional ist und einem der sechs Stäbe 11 — 16 der Sechspollinse zugeführt wird.
Die Schleifkontakte der Potentiometer sind jeweils

mit entsprechend bezeichneten Eingängen der Überiagerungseinheiten verbunden. Die Potentiometergruppe 41 bewirkt eine Krümmung des Ionenstrahlquerschnitts. Die Potentiometergruppen 42, 43 und 44 bewirken jeweils die Drehung, Z-Ablenkung und !^•Fokussierung des Ionenstrahls. Die F-Fokussierung kann zur Kompensation von Bildverschiebungseffekten herangezogen werden, die dann auftreten, wenn von einer schnellen Änderung der Ablenkung auf statische Verhältnisse, oder umgekehrt, übergegangen wird. Jedes Potentiometer 45-50 führt einer der Überlagerungseinheiten 51—56 eine Spannung zu und ändert dadurch das Potential eines der Stäbe 11 — 16, so daß diese Potentiometer als Trimmvorrichtungen zur Kompensation oder Beseitigung von Symmetriefehlern entweder bei den Stäben oder in den Überlagerungseinheiten verwendet werden können.

Der Betrag der Potentiale, die zur Korrektur eines bestimmten Verzerrungsgrades des Strahls erforderlich sind, ist der Ionenbeschleunigungsspannung proportional. Da jedoch die Steuerspannungen Vo und — VO und mithin die der Sechspollinse zugeführten Potentiale der Beschleunigungsspannung proportional sind, werden Änderungen der Beschleunigungsspannnung berücksichtigt, die entweder durch Schwankungen der Betriebsspannung oder dadurch hervorgerufen werden, daß die Beschleunigungsspannung abwechselnd von einem Wert auf einen anderen umgeschaltet wird.

Für beide Sechspollinsen ist jeweils eine derartige Schaltung vorgesehen; dabei können beide Schaltungen dieselbe Spannungsquelle 40 verwenden.

Nach Fig.8 enthält die Spannungsquelle 40 zwei Verstärker 51 und 52. Ein der Massenspektrometer-Ionenbeschleunigungsspannung proportionales Eingangssignal Vj wird dem Umkehreingang des Verstärkers 51 über einen Widerstand 53 zugeführt, während der nicht umkehrende Eingang dieses Verstärkers geerdet ist Das Ausgangssignal des Verstärkers 51 wird der Basis eines pnp-Transistors 54 zugeführt, dessen Kollektor über einen Widerstand 55 an einer Betriebs-Spannung von —15 V liegt und dessen Emitter über in Reihe geschaltete Widerstände 56 und 57 mit dem Umkehreingang verbunden ist Die Widerstände 56 und

57 dienen auch als Rückführschaitung für den Verstärker 51.

Das vom Kollektor des Transistors 54 abgenommene Ausgangssignal ist proportional V, und stellt die negative Bezugsspannung — Vb dar. Das Signal V/ wird auch über die Widerstände 56,57 und einen Widerstand

58 dem Umkehreingang eines Verstärkers 52 zugeführt, so dessen nicht umkehrender Eingang geerdet ist Das Ausgangssignal dieses Verstärkers wird der Basis eines npn-Transistors 59 zugeführt, dessen Kollektor über einen Widerstand 60 an einer Betriebsspannung von + 15VoIt liegt und dessen Emitter über einen Widerstand 61 mit dem Umkehreingang des Verstärkers 52 verbunden ist Das vom Emitter des Transistors

59 abgenommene Ausgangssignal ist ebenfalls dem Eingangssignal V/ proportional und iäßt sich mit Hilfe des veränderbaren Widerstands 57 so einstellen, daß es gleich Vq ist

Nach Fig.9 enthält jede Überlagerungseinheit 51—56 einen Rechenverstärker 70, dessen nicht umkehrender Eingang über jeweils einen von fünf gleichen Widerständen 71 mit einem der fünf Eingänge dieser Einheit verbunden ist Eter Umkehreingang des Verstärkers 70 ist über ein 7?C-Glied 72 geerdet Der Ausgang des Verstärkers 70 ist mit der Basis eines npn-Transistors 73 verbunden, der den von einem + 15-Volt-Anschluß über eine Lampe 24 zu einem — 15-Volt-Anschluß fließenden Strom steuert. Ein ÄC-Glied 75 bildet eine Rückführschaltung für den Verstärker 70. Das Licht der Lampe 74 ist auf einen lichtempfindlichen Widerstand 76 gerichtet, der in Reihe mit einem Widerstand 77 zwischen einem +300-Volt-Anschluß und einem -300-Volt-Anschluß liegt

• Ein Rückführwiderstand 78 liegt zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände 77 und 76 und dem nicht umkehrenden Eingang des Verstärkers 70, und auf Grund dieser Rückführung ist die Spannung am Verbindungspunkt der Widerstände 76 und 77 proportional der Summe der den Widerständen 71 zugeführten Eingangsspannungen. Das Potential des Verbindungspunktes der Widerstände 76 und 77 wird dem entsprechenden Stab der Sechspollinse zugeführt.

Die Schaltung nach F i g. 7 läßt sich so abändern, daß sie zusätzlich die Ablenkung in V-Richtung und die Fokussierung in Z-Richtung durchführt. In diesem Falle enthält sie zwei weitere Potentiometer und jede der Überlagerungsschaltungen 51-56 sieben Eingänge anstelle von fünf.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Massenspektrometer mit einem ionenoptischen System, das Ionen von einer Eingangs-Spaltblende, die den von einer Ionenquelle einfallenden Ionenstrahl begrenzt, in der Ebene einer Kollektor-Spaltblende fokussiert und außer einem magnetischen Analysator eine Bildkorrekturvorrichtung enthält, die die durch den magnetischen Analysator bewirkte Verbiegung des Spaltbildes korrigiert, und die eine elektrostatische Sechspollinse umfaßt, deren Pole in einer sechszähligen Rotationssymmetrie zur optischen Achse derart angeordnet sind, daß zwei Pole in der die optische Achse enthaltenden Ablenkebene des magnetischen Analysators liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildkorrekturvorrichtung aus zwei elektrostatischen Sechspollinsen besteht, deren Pole als zur optischen Achse parallele Polstäbe ausgebildet sind, von denen jeweils zwei in der die optische Achse enthaltenden Ablenkebene des magnetischen Analysators liegen, daß die eine Sechspollinse zwischen der Eingangs-Spaltblende und dem magnetischen Analysator und die andere Sechspollinse zwischen dem magnetischen Analysator und der Kollektor-Spaltblende angeordnet ist und daß jede der beiden Sechspollinsen innerhalb dieser Lagebereiche an Stellen geringer Strahlbreite angeordnet ist.

2. Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Polstab an seinen beiden Enden an einem Isolierkörper befestigt ist

3. Massenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ionenstrahl und den Isolierkörpern eine elektrostatische Abschirmung angeordnet ist