DE2031811A1

DE2031811A1 - Stigmatisch abbildendes Massenspektrometer mit Richtungs- und Energiefokussierung

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Publication number: DE2031811A1
Application number: DE19702031811
Authority: DE
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1970-06-26
Filing date: 1970-06-26
Publication date: 1971-12-30
Also published as: BE769073A; DE2031811B2; NL7108831A; FR2099837A5; LU63411A1; GB1345973A; US3761707A

Description

Institut für Plasmaphysik G.m.b.H. 8046 Garehing

Stigmatisch abbildendes Massenspektrometer mit Richtungsund Energiefokussierung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein stigmatisch abbildendes Massenspektrometer mit Richtungs- und Energiefokussie-, rung, bei welchem die zu analysierenden Ionen der Reihe nach eine Eintrittsblende, einen ersten Analysator, eine Blende zur Be- ■ grenzung des Energiebereiches ("Energieblende"), einen zweiten Analysator, dessen Energiedispersionsfaktor entgegengesetzt gleich dern^ersten Analysators ist, und eine Austrittsblende durchlaufen, wobei der eine Analysator ein mit einem keilförmigen Magnetfeld arbeitender Impulsanalysator und der andere Analysator ein mit einem elektrischen Feld arbeitender Energieanalysator ist.

Ein Massenspektrometer mit den oben aufgeführten Merkmalen ist aus der US-PS 3 445 650 bekannt. Bei diesem bekannten doppelfokussierenden Massenspektrometer besteht der Impulsanalysator aus einer magnetischen Linse, die die von einer Ionenquelle durch den Eintrittsspalt eintretenden Ionen um etwa 90° ablenkt. Aus der als Impulsanalysator dienenden magnetischen Linse treten die Ionen gleichen Impulses als paralleles Bündel aus und -gelangen nach Durchlaufen der Energieblende, durch die ihr Impulsbereich und damit der Energiebereich begrenzt wird, in einen 45°- Kugelkondensstor ein, der die Ionen gleichen Impulses in einen

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-2-Punkt in einer Bildebene stigmatisch abbildet.

Das oben beschriebene bekannte Massenspektrometer hat den Nachteil, daß sich der Energiebereich (das Energiefenster) der zu analysierenden Ionen schlecht einstellen läßt, da der Strahlengang im Bereich der Energieblende telezentrisch ist (d.h. daß die Energieblende von parallelen Ionenbündeln durchsetzt wird). Eine Verengerung der Energieblende ist daher mit einer unerwünschten Verringerung der Transmission und damit der Nachweisempfindlichkeit des Massenspektrometer verbunden.

In der DT-OS 1 938 770 ist zwar bereits ein Massenspektrograph mit Doppelfokussierung vorgeschlagen worden, bei dem sich zwischen dem Eintrittsspalt und der Energieblende eine elektrische AbbiIdungsanordnung befindet, durch die der Eintrittsspalt in die Ebene der Energieblende abgebildet wird. Bei einem solchen Massenspektrographen läßt sich zwar der Energiebereich durch die Energieblende ohne nennenswerte Beeinträchtigung der Transmission einstellen, der bekannte Spektrograph bildet jedoch nicht stigmatisch ab, d.h. er fokussiert nur in einer Ebene und nicht senkrecht zu dieser, so daß die Empfindlichkeit hier durch den Verlust von Ionen beeinträchtigt wird, die dadurch verloren gehen, daß senkrecht zur Ablenkebene keine Fokussierung stattfindet.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein stigmatisch abbildendes Massenspektrometer anzugeben, bei dem sich der Energiebereich ohne Beeinträchtigung der Nachweisempfindlichkeit in gewünschter Wefee begrenzen läßt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Kombination bekannter, aber speziell bemessener und in neuartiger Zwsammenstellung verwendeter dispersionsbehafteter Abbildyngs- und Linsensysteme erreicht. . . ... , . , _: . .-.-,■-

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Gemäß der Erfindung wird die oben erläuterte Aufgabe durch ein stigmatisch abbildendes Massenspektrometer der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß der Impulsanalysator einen Magneten miteinander gegenüberliegenden> ebenen Polsehuhflachen, die gegeneinander geneigt sind und gerade Ränder haben, die im Abstand A parallel zur Sehnittgeraden der die Polschuhflächen enthaltenden Ebenen verlaufen·, sowie eine Vorrichtung zum Einstellen der magnetischen Feldstärke B, im Abstand A = 2,1OA von der Sehnittgeraden auf den Wert

B_Ä = l_s35p/Ae

(e = Ladung der Ionen
ρ = Impuls der nachzuweisenden Ionen)

enthält, daß die Blenden, zwischen denen sich der Impulsanalysator befindet, mit einem gegenseitigen Abstand von etwa 1,28A auf der Schnittgeraden angeordnet sind und daß der Energieanalysator, der die eintrittsseitige der beiden Blenden, zwischen denen er angeordnet ist, auf die austrittsseitige dieser beiden Blenden stigmatiscli abbildet _s einen Kugelkondensator oder einen Zylinderkondensator, der von den Ionen in Ebenen, die durch die Zylinderachse gehen, durchlaufen wird, enthält.

Bei Verwendung eines Kuge!kondensators alsEnergieanalysator wird der KtAgelkondlrtsator vorzugsweise mit einer runden elektrischen Linse kombiniert.

Vorzugsweise ist der Energieanalysator zwischen der Eintrittsblende und der Energieblende angeordnet und der Impulsanalysator befindet sieh zwischen der Energieblende und der Austritts blende.

Das vorliegende stigmatisch abbildende Massenspektrometer eignet sich besonders für die Analyse von Ionen mit verhältnisrnäßiß stark streuenden Anfangsenergien, nie sie z.B. bei der Ma-

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-4-terialzerstäubung mittels einer Mikrostrahlsonde auftreten.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines Massenspektrometer gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht in einer Ebene 2-2 der Fig. 1; ·

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf ein Massenspektrometer gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht längs eines Schnittes 4-4 in Fig. 3;

Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf ein Massenspektrometer gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6 eine Seitenansicht in Richtung der Pfeile 6-6 in . Fig. 5j und

Fig. 7 eine Schnittansicht in einer Ebene 7.-7 der Fig.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält einen Impulsanalysator, welcher mit einem Magnetfeld arbeitet, das zwischen zwei ebenen, gegeneinander geneigten Polschuhflächen, die einen keilförmigen Magnetfeldspalt bilden, erzeugt wird. Die Feldlinien sind, wie durch Pfeile angedeutet ist, Kreisbögen, deren Mittelpunkte auf der Schnittgeraden 10 der die beiden Polschuhflächen 11 enthaltenden Ebenen liegen. Die Feldstärke zwischen den Polschuhen ist umgekehrt proportional dem Abstand von der Schnittgeraden 10. Geladene Teilchen beschreiben in einem solchen Feld Zykloidenbahnen. ·

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Es ist bekannt (H. Liebl, J.Appl.Phys.38 (1967)5277 bis 5283)s daß ein solches Feld ein von einem Punkt auf der Schnittgeraden ausgehendes und im Mittel senkrecht in das Magnetfeld eintretendes Büschel geladene Teilchen mit dem Impuls ρ nach Ablenkung um 180° wieder auf einen Punkt auf der Schnittgeraden fokussiert3 wenn die Feldstärke so eingestellt wird, daß sie im Abstand A = 2,10A₀ von der Schnittgeraden den Wert

B_A = 1,35P/Ae (1)

hat. Dabei bedeuten

e = Ladung der Teilchen^ _p - impulse der Teilchen A =■■ Abstand der Schnittgeraden ve
raden Rändern der Polschuhflächen.

A =■■ Abstand der Schnittgeraden von den zu ihr parallelen ge-

Die Fokussierung erfolgt in zweiter Näherung, der Abstand des Fokussierungspunktes vom Quellpunkt beträgt 1,28A.

Die Impulsdispersion y(Ap), also der Abstand der Fokussierungspunkte von Ionen mit dem Impulsunterschied Δρ, beträgt in diesem Falle

y(Ap) = 2,O6A · Δρ/ρ (2)

Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden also Ionen des Impulses ρ, die von dem noch zu beschreibenden Energieanalysator in einen Punkt 13 auf der Schriittgeraden 10 abgebildet werden, durch das Magnetfeld in einen Punkt 12 fokussiert, der in der ebenfalls auf der Schnittgeraden 10 angeordneten Austrittsblende 14- liegt, hinter der sich in der Praxis eine niehtdargestellte Ionennachweiseinrichtung, z.B. ein Sekundärelektronenvervielfacher, befindet.

Als Energieanalysator dient bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig* 1 ein Kugelkondensator, der im Prinzip ebenfalls be-

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-6-kannt ist (siehe z.B. DT-PS 651 008; Z. Naturf. 12a (1957) 28-33).

Die Energiedispersion y(AU) eines Kugelkondensators in der Y-Richtung, also der längs der Y-Koordinate (siehe Pig. I) gerechnete Abstand zwischen den Fokussierungspunkten von Ionen, deren Energien sich um AU unterscheiden, ist

AU ." L sin*
y(AU) = — (3)

wobei bedeuten ■

U s Voltenergie ( entsprechend der Beschleunigungsspannung) eines Teilchens, das im Feld des Kugelkondensators auf der mittleren Kugelfläche 20 läuft,

AU = Abweichung der Voltenergie eines geladenen Teilchens von U_Q, U_m = Potential der mittleren Kugelfläche 20,

L= Abstand des Fokussierungsortes von der Winkelhalbierenden 21 des Kugelkondensators in Richtung der Austrittsachse 22,

Φ = Sektorwinkel des Kugelkondensators.

U sowie AU sind auf den feldfreien Raum bezogen.

Um Doppelfokussierung, also sowohl Richtungs- als auch· Energiefokussierung zu erreichen, muß die Energiedispersion des Kugelkondensators entgegengesetzt gleich der des Magnetfeldes gemacht werden. Die Energiedispersion y (AU) des Magnetfeldes für eine bestimmte Masse is gleich der halben Impulsdispersion, also

y_m(AU) = l,03A · AU/U_O

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-7-Die Bedingung für die Doppelfokussierung lautet also

L βίηΦ/ζ 1-U_1nAJ₀) = 1,03A-. (5)

und im Fall symmetrischer Erdung des Kugelkondensators (U_m=0)

L sinf = l,0"3A (6)

Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist Φ = 90° und der Kugelkondensator ist symmetrisch geerdet. Hier gilt wegen sinf =1

L= l,03A (7)

Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Massenspektrometer treten die zu analysierenden Ionen, die z.B. durch Zerstäubung mittels einer Mikrostrahlsonde erzeugt worden sein können, durch eine Eintrittsblende 24 ein und durchlaufen dann eine den öffnungswinkel begrenzende Blende 26 und das elektrische Feld des Kugelkondensators 15, durch das Ionen gleicher Energie in dem durch die Eintrittsblende 24 eintretenden Ionenbüschel auf einen Punkt (z.B. dem Punkt 13) auf der Schnittgeraden 10 fokussiert werden. In der Fokussierungsebene,in der die Fokussierungspunkte für die verschiedenen Energien liegen, befindet sich die Energieblende 28. Die Ionen treten dann in das Magnetfeld zwischen den Polschuhflächen 11 ein und Ionen, deren Impuls der Gleichung (1) genügt, werden auf einen Punkt 12 in der Öffnung der Austrittsblende 14 fokussiert. Die nachzuweisende Ionenart kann durch Einstellen der magnetischen Feldstärke B. ausgewählt werden. Für eine bestimmte Feldstärke können durch die Austrittsblende l4 jeweils nur solche Ionen treten, die die Bedingung der Gleichung (1) erfüllen, also Ionen, die ein bestimmtes Verhältnis von Masse zu Ladung aufweisen.

In Fig. 3 und H ist ein Ausführungsbeispiel schematisch

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dargestellt, bei dem der Energieanalysator einen 45°-Kugelkondensator 15^! enthält, dem eine runde Ionenlinse 30 vorgeschaltet ist. Die Brechkraft dieser Ionenlinse wird mittels des Potentials der Mittelelektrode 32 so eingestellt, daß der Quellpunkt in der Eintrittsblende 2k in die Ebene der Energieblende 28 abgebildet wird. Im.übrigen entspricht der Aufbau dieser Ausführungsform dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 und entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Bei symmetrischer Erdung des Kugelkondensators 15 gilt, da sinf = /2/2
L' = 1,46A.

Nähere Einzelheiten über diese Kombination aus einem 45°-Kugelkondensator und einer runden Ionenlinse sind in der Zeitschrift J.Appl.Phys.38 (1967)5277-5283 beschrieben.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 5 bis 7 besteht der Energieanalysator aus einem Zylinderkondensator₉ der von den Ionen in Ebenen, die durch die Zylinderachse gehen, durchlaufen wird ("Zylinderspiegelanalysator"). Solche Analy-P satoren sind im Prinzip bekannt, siehe z.B. Z.Pbys. IkJ (1957) 228 bis 240 und Rev. Sci.Instr. 38 (I967) 1210 bis 1216.

Die Energiedispersion ΔΖ des Zylinderspiegelkondensators 15"(Fig. 5 und 6) in Richtung der Zylinderachse 34 ist

ΔΖ = a cos 0/sin³0 (2K₀COsV-I) * AU/U_Q (8)

wobei

Dabei bedeuten

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— Q —

U_Q und Δϋ wie oben

θ = Winkel zwischen der Zylinderachse 34 und der Achse 36 des eintretenden Ionenbüschels im feldfreien Raum, a = Radius des inneren Zylinders 38
b = Radius des äußeren Zylinders 40
U_b = Potential des äußeren Zylinders 40.

Die Energiedispersion in der Y-Richtung (Richtung senkrecht zur Achse des austretenden Büschels) ist

a cos0/sin²0(2K_o cos²9-l) = l,03A (H)

In Fig. 5 ist ein besonders günstiger Sonderfall dargestellt. Wird nämlich K_Q = 1,31 und Θ = 42,3° gexiählt, so tritt Ri chtungöfokussierung in zweiter Näherung ein. Der Abstand Z zwischen dem Quellpunkt 42 und der Eintrittsblende 24 und dem Bildpunkt auf der Schnittgeraden 10 ist dann 6,12a. Die Bedingung für die Doppelfokussierung lautet für diesen Fall

a = 0,274a (12)

Fig» 5 stellt also ein Massenspektrometer aus mechanisch einfachen Bauteilen dar, das in erster Näherung doppelfokussiert und in zweiter Näherung stigmatisch abbildet.

Im übrigen entspricht auch diese Ausführungsform der gemäß Pig. 1 und 2,

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Claims

Patentansprüche

/iJ Stigmatisch abbildendes Massenspektrometer mit Richtungs- und Energiefokussierung, bei welchem die zu analysierenden Ionen der Reihe nach eine Eintrittsblende, einen.ersten Analysator, eine Blende zur Begrenzung des Energiebereiches ("Ene.rgieblende"), einen zweiten: Analysator, dessen Energiedispersionsfaktor entgegengesetzt gleich dem des ersten Analysators ist,

t und eine Austrittsblende durchlaufen, wobei der eine Analysator ein mit einem keilförmigen Magnetfeld arbeitender Impulsanalysator und der andere Analysator ein mit einem elektrischen Feld arbeitender Energieanalysator ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsanalysator einen Magneten mit einander gegenüberliegenden ebenen Polschuhflächen (11), die gegeneinander geneigt sind und gerade Ränder haben, die im Abstand A parallel zur; Schnittgeraden (10) der die Polschuhflächen enthaltenden Ebenen verlaufen, sowie eine Vorrichtung zum Einstellen der magnetischen Feldstärke B. im Abstand A=2,1OA von der Schnittgeraden (10) auf den Wert B^ = l,35.P^/Ae ( e = Ladung der Ionen; ρ - Impuls der nachzuweisenden Ionen) enthält., daß die Blenden (14, 28),zwischen denen sich der Impulsanalysa-

™ tor befindet, mit einem gegenseitigen Abstand von etwa 1,28 A auf der Schnittgeraden (10) angeordnet sind und daß der Energieanalysator, der die eintrittsseitige (24) der beiden Blenden (24, 28) zwischen denen er angeordnet ist, auf die austrittsseitige dieser beiden Blenden stigmatisch abbildet, einen Kugelkondensator (15, 15') oder einen Zylinderkondensator (15")» der von den Ionen in Ebenen, die durch die Zylinderachse (34) verlaufen, durchlaufen wird, enthält.

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. ' ■- -ii-
2. Massenspektrometer nach Anspruch 1, da du r c h g e k e η η ζ e i c h η e t, daß der Kugelkondensator (15) ein symmetrisch geerdeter 90°- Kondensator (15) ist, dessen Eintrittsachse im Abstand L = 1,03 A parallel zur Schnittgeraden (10) •der durch die Polschuhflächen (11) gehenden Ebenen verläuft.
3· Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß der Energieanalysator einen 45°-Kugelkondensator (15') enthält, dem eine runde Ionenlinse (30) vorgeschaltet ist.
4. Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ze i c h η e t, daß der Energieanalysator ein Zylinderkondensator (15"), dessen Achse (34) mit der Achse (36) des eintretenden Ionenbüschels einen Winkel Θ von 42,3° bildet, daß der Radius (a) des inneren Zylinders (38) gleich O,274A ist und daß

— In — = 1,31 ist, wobei bedeuten

^Ub ^a

U =Voltenergie eines eintretenden Ions

IL = Potential des äußeren Zylinders (40) a = Radius des inneren Zylinders (38) b "Radius des äußeren Zylinders (40).

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