DE2031811B2

DE2031811B2 - Doppelfokussierendes stigmatisch abbildendes Massenspektrometer

Info

Publication number: DE2031811B2
Application number: DE2031811A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr. 8051 Eching Liebl
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: 1980-09-25
Also published as: DE2031811A1; GB1345973A; NL7108831A; LU63411A1; FR2099837A5; US3761707A; BE769073A

Description

^ In ^h = 1.31

ist, mit U₀ = Beschleunigungsspannung für die eintretenden Ionen,

Ub = Spannung zwischen dem äußeren und dem inneren Zylinder (40 und 38) und

b = Radius des äußeren Zylinders (40).

Die vorliegende Erfindung betrifft ein doppelfokussierendes, stigmatisch abbildendes Massenspektrometer gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2.

Ein Massenspektrometer mit diesen Merkmalen ist aus der Zeitschrift »Journal of Applied Physics« Bd. 38, Nr. 13, (Dezember 1967) S. 5277 bis 5283, insbesondere Figur 2 auf Seite 5278, bekannt Dieses bekannte Massenspekrometer enthält in Ionenstrahlrichtung der Reihe nach eine Einzellinse, einen 45° -Kugelkondensator, aus dem das ionenbünde! als Paraileistrahienbündei austritt, eine Zwischenblende, und ein 90°-Magnetfeld, das durch einen Magneten mit keilförmigem Luftspalt erzeugt wird, sowie eine Austrittsblende. Bei diesem Massenspektrometer beeinflußt die den Energiebereich begrenzende Zwischenblende auch die Winkelakzeptanz in der Ablenktbene.

Aus der Zeitschrift »The Review of Scientific Instruments« Band 32, Nr. 12, (Dezember 1961), S. 1314 bis 1316 ist ein stigmatisch abbildendes Massenspektrometer bekannt, das aus einem Magneten mit rechteckigen, keilförmig zulaufenden Polschuhen besteht

Aus der Zeitschrift »The Review of Scientific Instruments« Band 39, Nr. 1, (Januar 1968), S. 33 bis 35 sind die Abbildungseigenschaften eines Zylinderkondensators bekannt

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Massenspektrometer der eingangs genannten Art dahingehend weitenuitilden, daß Akzeptanzwinkel und Energiebandbreite unabhängig voneinander einstellbar sind, so daß man eine optimale Transmission mit geringstmöglichen Abbildungsfehlern erreichen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Massenspektrometer der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 gelöst.

Indem man am Ort der Zwischenblende ein Zwischenbild erzeugt, lassen sich Akzeptanzwinkel und Energiebreite unabhängig voneinander einstellen.

Das Massenspektrometer gemäß der Erfindung eignet sich besonders für die Analyse von Ionen mit verhältnismäßig stark streuenden Anfangsenergien, wie sie z. B. bei der Materialzerstäubung mittels einer Mikrostrahlsonde auftreten.

Im folgenden werden zwei Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel

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

Fig. 3 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel;

F i g. 4 eine Seitenansicht in Richtung der Pfeile 4-4 in F i g. 3 und

f- i g. 5 einen Schnitt in einer Ebene 5-5 der F i g. 3.

Das in den F i g. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel 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 Feldstarke zwischen den Polschuhen ist umgekehit proportional dem Abstand von der Schnittgeraden 10. Geladene Teilchen beschreiben in einem solchen Feld Zykloidenbahnen.

Es ist bekannt, daß ein solches Feld ein von einem Punkt auf der Schnittseraden ausgehendes und im Mittel senkrecht in das Magnetfeld eintretendes Büschel geladener Teilchen mit dem Impuls ρ nach Ablenkung um 180° wieder auf einen Punkt auf der Schnittgeraden fokussiert, wenn die Feldstärke so eingestellt wird, daß sie im Abstand A=2,10 A₀ von der Schnittgeraden den Wert

Β_Λ = l,35p/Ae

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

y_m(AU) = 1,03A-AUfU₀

ίο Die Bedingung für die Doppelfokussierung lautet also

Lsm4>/{1-UJU₀) = 1,03/1 und für V_n = 0
Lsin0 = 1,03/1

Bei dem in F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ict Φ=90° und U_n,=0. Hier gilt wegen sin Φ = 1

hat Dabei bedeuten

e= Ladung der Teilchen, p= Impuls der Teilchen und A₀ = Abstand der Schnittgeraden von den zn ihr parallelen geraden Rändern der Pulschuhflächen. Der Abstand des Fokussierungspunktes vom Quellpunkt beträgt 1,28/L Die Impulsdispersion y(Ap), also der Abstand der Fokussierungspunkte von Ionen mit dem Impulsunterschied Ap, beträgt

y(Ap) = 2,06AA p/p

Bei dem in F i g. 1 und 2 dargestellten Ausfühningsbeispiel werden also Ionen des Impulses p, die von dem noch zu beschreibenden Energieanalysator in einen Punkt 13 auf der Schnittgeraden 10 abgebildet werden, durch das Magnetfeld in einen Punkt 12 fokussiert, der in der ebenfalls auf der Schnittgeraden 10 angeordneten Austritteblende 14 liegt, hinter der sich eine nichtdargestellte Ionennachweiseinrichtung, z. B. ein Sekundärelektronenvervielfacher, befindet

Als Energieanalysator dient bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 und 2 ein Kugelkondensator, der im Prinzip ebenfalls bekannt ist Die Energiedispersion y(A U) eines Kugelkondensators in der K-Richtung, also der längs der Y-Koordinate (siehe Fig. 1) gerechnete Abstand zwischen den Fokussierungspunkten von Ionen, deren Beschleunigungsspannungen sich um AU unterscheiden, ist

y(AU) =

LsiD0

L=l,ö3/i

Bei dem in F i g. 1 und 2 dargestellten Massenspektrometer treten die zu analysierenden Ionen, die z. B. durch Zerstäubung mittels einer Mikrostrahlsonde erzeugt worden sind, 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. 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 U ein, und Ionen, deren Impuls der Gleichung (1) genügt, werden auf den Punkt 12 in der öffnung der Austrittsblende 14 fokussiert Die nacbzuveisende Ionenart kann durch Einstellen der magnetischen Feldstärke B_A ausgewählt werden. Für eine bestimmte Feldstärke können durch die Austrittsblende 14 jeweils nur solche Ionen treten, die die Bedingung der Gleichung (1) erfüllen, also Ionen, die ein bestimmtes Verhältnis von Masse zu Ladung aufweisen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fi g. 3 bis 5 besteht der Energieanalysator aus eine Zylinderkondensator, der von den Ionen in Ebenen, die durch die Zylinderachse gehen, durchlaufen wird (»Zylinderspiegelanalysator«).

Die Energiedisoersion AZ des Zylinderspiegelkondensators 15" (F i g. 3 und 4) in Richtung 4er Zylinderachse 34 ist

55

wobei bedeuten

U₀ = Beschleunigungsspannung eines Ions, das auf der optischen Achse in den Kugelkondensator eintritt,

AU = Abweichung der Beschleunigungsspannung eines geladenen Teilchens von Uo,

U_n, - Spannung der mittleren Kugelfläche 20 relativ zur Erde,

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

Φ = Sektorwinkei Ues Kugelkondensators.

mit

AZ = α cos θ/sin³ θ {2 K₀ cos² θ-])■ AUfU₀

K₀ =

Dabei bedeuten

θ = Winkel zwischen der Zylinderachse 34 und der

Achse 36 dps eintretenden lonenbüsche's, a = Radius des inneren Zylinders 38, b = Radius des äußeren Zylinders 40 und Ub = Potential des äußeren Zylinders 40.

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

y( MJ) = AZ sin θ = a cos «/sin² θ{2 K₀ cos² θ - I) ■ MJ/U₀

Die Bedingung für die Doppelfokussierung lautet hier also

α cos »/sin² θ (2 K₀ cos² θ - 1) = 1.03/1

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 bis 5 ist Af₀=Ul und 6=42,3° gewählt, und der Abstand Z zwischen dem Quellpunkt 42 (in der Eintrittsblende 24) und dem Bildpunkt 13 auf der Schnittgeraden 10 ist dann 6,12a. Die Bedingung fflrdie Doppelfokussierung lautet für diesen Fall

a=0,274-4

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1, Doppelfokussierendes, stigmatisch abbildendes Massenspektrometer, bei welchem die zu analysie- s renden Ionen der Reihe nach eine Eintrittsblende, einen ersten stigmatisch abbildenden Analysator, eine den Energiebereich begrenzende Blende, einen zweiten stigmatisch abbildenden Analysator und eine Austrittsblende durchlaufen, wobei der eine ι ο Analysator ein magnetischer Analysator mit zwei einander gegenüberliegenden ebenen Polschuhflächen ist, die gegeneinander geneigt sind und gerade seitliche Begrenzungen haben, welche im Abstand Aa zu der Schnittgeraden der die Polschuhflächen enthaltenen Ebenen verlaufen, wobei weiterhin die Austrittsblende auf der Schnittgeraden liegt, wobei ferner die magnetische Feldstärke B im Abstand A =2,1 A₀ von der Schnittgeraden 135 · p/A ■ e beträgt, mit e-Ladung der Ionen und p= Impuls der nachzuweisenden Ionen, und wobei schließlich der andere Analysator ein elektrostatischer Analysator ist, dadurch gekennzeichnet, daß die den Energiebereich begrenzende Blende (28) auf der Schnittgeraden (10) in einem Abstand von 1,28 A von der Austrittsblende (14) angeordnet ist, daß der elektrostatische Analysator 21η Kugelkondensator (15) mit einem Ablenkwinkel von 90° ist und daß die Eintrittsachse des Kugelkondensators (15) im Abstand von 1,03 A (1 — U_nJUo) parallel zur Schnittgeraden (10) verläuft mit U_n,=Spannung auf der optische Aciise im Kugelkondensator relativ zur Erde und i/o=Beschleunigungsspannung für die eintretenden Ionen.
2. Doppelfokussierendes, stif na tisch abbildendes Massenspektrometer, bei welchem die zu analysierenden Ionen der Reihe nach eine Eintrittsblende, einen ersten stigmatisch abbildenden Analysator, eine den Energiebereich begrenzende Blende, einen zweiten stigmatisch abbildenden Analysator und eine Austrittsblende durchlaufen, wobei der eine Analysator ein magnetischer Analysator mit zwei einander gegenüberliegenden ebenen Polschuhfi'ichen ist, die gegeneinander geneigt sind und gerade seitliche Begrenzungen haben, welche im Abstand A₀ zu der Schnittgeraden der die Polschuhflächen enthaltenen Ebenen verlaufen wobei weiterhin die Austrittsblende auf der Schnittgeraden liegt, wobei ferner die magnetische Feldstärke B im Abstand ,4 = 2, 1 An von der Schnittgeraden 1.35 · p/A ■ e beträgt, mit e=· Ladung der Ionen und p= Impuls der nachzuweisenden Ionen, und wobei schließlich der andere Analysator ein elektrostatischer Analysator ist, dadurch gekennzeichnet, daß die den Energiebereich begrenzende Blende (28) auf der Schnittgeraden (10) in einem Abstand von 1,23/4 von der Austrittsblende (14) angeordnet ist, daß der elektrostatische Analysator ein Zylinderkondensator (15") ist, der von den Ionen in Ebenen, die die Zylinder achse enthalten, durchlaufen wird, daß die Achse (34) des Zylinderkondensators (15") mit der Achse (36) des eintretenden lonenbüschels einen Winkel (Θ) von 42,3° bildet daß der Radius (a) des inneren, geerdeten Zylinders (38) gleich 0,274 A ist und daß