DE2137520A1 - FLIGHT TIME MASS SPECTROMETER - Google Patents
FLIGHT TIME MASS SPECTROMETERInfo
- Publication number
- DE2137520A1 DE2137520A1 DE19712137520 DE2137520A DE2137520A1 DE 2137520 A1 DE2137520 A1 DE 2137520A1 DE 19712137520 DE19712137520 DE 19712137520 DE 2137520 A DE2137520 A DE 2137520A DE 2137520 A1 DE2137520 A1 DE 2137520A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- flight
- time
- ions
- mass spectrometer
- deflection
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
- H01J49/34—Dynamic spectrometers
- H01J49/40—Time-of-flight spectrometers
- H01J49/408—Time-of-flight spectrometers with multiple changes of direction, e.g. by using electric or magnetic sectors, closed-loop time-of-flight
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Description
213752Q213752Q
26. Juli 1971 8270-70/Dr.ν.B/Ro.July 26, 1971 8270-70 / Dr.ν.B / Ro.
Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.Max Planck Society for the Advancement of Science e.V.
34 Göttingen, Bunsenstraße 10 34 Göttingen , Bunsenstrasse 10
Flugzeit-Massenspektrometer" Time-of-flight mass spectrometer "
Eine Übersicht über die bekannten Flugzeit-Massenspektrometer findet sich in dem Buch von Erich W. Blauth "Dynamische Massenspektrometer" Verlag Friedrich Vieweg & Sohn, Braunschweig, 1965, Seiten 71 bis 94. ...An overview of the known time-of-flight mass spectrometers can be found in the book by Erich W. Blauth "Dynamische Mass spectrometer "Verlag Friedrich Vieweg & Sohn, Braunschweig, 1965, pages 71 to 94. ...
Flugzeit-Massenspektrometer haben gegenüber anderen elektronischen Massenspektrometern den oft wesentlichen Vorteil, daß man Λ rait ihnen· praktisch alle während eines Ionisierungsprozesses kurzer Dauer entstandenen Ionen elektronisch analysieren und sofort ein vollständiges Massenspektrum erhalten kann. Gegenüber Massenspektrographen mit photographischer Registrierung haben sie den Vorteil wesentlich höherer Absolut-Empfindlichkeit. Flugzeit-Massenspektrometer sind daher immer dann anderen Massenspektrometertypen überlegen t wenn es um schnelle Analyse, hohe absolute Empfindlichkeit oder die Untersuchung von Sinzelprozessen geht, da praktisch alle anderen elektronisch registrierenden Massenspektrometer eine Massenabtastung benötigen, bei der zu einem bestimmten Zeitpunkt jeweils nur Ionen einer bestimmten spezifischen Masse (Masse/Ladung) nachgewiesen werden und alle anderen Ionen verlorengehen. "Time of flight mass spectrometers have over other electronic mass spectrometers the often substantial advantage that Λ rait them · practically can all during an ionization process short duration resulting ions analyze electronically and immediately receive a complete mass spectrum. Compared to mass spectrographs with photographic registration, they have the advantage of a significantly higher absolute sensitivity. Time-of-flight mass spectrometers are therefore always superior to other types of mass spectrometer t when it comes to fast analysis, high absolute sensitivity or the investigation of individual processes, since practically all other electronically recording mass spectrometers require a mass scan in which only ions of a specific specific one are used at a certain point in time Mass (mass / charge) can be detected and all other ions are lost. "
Das Auflösungsvermögen von Flugzeit-Massenspektrometern kann durch Fokussierungsmaßnahmen verbessert werden. Unter einer "Fokussierung" versteht man bei Massenspektrometern ionenoptische Maßnahmen, durch die das erzeugte MassenSpektrum unabhängig von der Anfangsenergie C" Energiefokus sierung") , dem Anfangsimpuls ("Impulsfokussierung"), der Anfangsgeschwindigkeit ("Geschwindigkeitsfokussierung"), die im wesentlichen durch die thermische Anfangsenergie der Ionen gegeben sind, ferner von der Richtung der aus der Ionenquelle austretenden Ionen ("Richtungsfokussierung") oder auch dem Ort der Ionenerzeugung ("räumliche Fokussierung") gemacht werden soll. Von "stigmatischer Fokussierung" sprichtThe resolving power of time-of-flight mass spectrometers can be improved by focusing measures. By "focusing" is meant for mass spectrometers, ion-optical measures by which the mass spectrum generated regardless of the initial power C "energy focus tion"), the initial pulse ( "pulse focusing"), the initial velocity ( "speed focusing"), the thermal essentially by the The initial energy of the ions is given, and should also be made from the direction of the ions emerging from the ion source ("directional focusing") or the location of the ion generation ("spatial focusing"). Speaking of "stigmatic focus"
209888/9487 oBlGiNAL INSPECTED209888/9487 oBlGiNAL INSPECTED
man, wenn ein Punkt der Ionenquelle wieder in einen Punkt bei der Ionennachweiseinrichtung abgebildet ttfird, also außer einer radialen Fokussierung auch eine axiale Fokussierung erfolgt.if a point of the ion source is mapped again to a point at the ion detection device, i.e. except for one radial focusing axial focusing is also carried out.
Ein Flugzeit-Ilassenspektrometer mit räumlicher Fokussieruna und Energiefokussierung ist unter dem Kamen "Bendix-Flugzeitspektrometer" (Blauth, I.e. S. 65), und ein zirkularperiodisches Flugzeitspektrometer mit Geschwindigkeits- und Winkelfokussierung ist unter dem Namen "Chronotron" (Blauth, I.e. S.71) bekannt geworden.A time-of-flight Ilass spectrometer with spatial focusing and energy focusing is called "Bendix time-of-flight spectrometer" (Blauth, I.e. p. 65), and a circular period Time-of-flight spectrometer with speed and angle focusing is known under the name "Chronotron" (Blauth, I.e. p.71) become.
Schließlich ist es bekannt, daß man die zeitliche Dispersion, die auf die unterschiedlichen kinetischen Anfangsenergien der Ionen zurückzuführen ist, bei einem Flugzeit-Uassenspektrometer dadurch beseitigen kann, daß man eine feldfreie, gerade Flugstrecke mit einem durch einen Zylinaerkondensator erzeugten radialen elektrischen Ablenkfalä kombiniert, das so bemessen ist, daß die zeitliche Dispersion in der geraden Flugstrecke und dem elektrischen Feld entaegengesetzt qleich sind, also eine Geschwindigkeitsfokussieruneeintritt (Int.J.Mass Spectron.Ion Phys., 6 (1971) 291-295.Finally, it is known that the time dispersion, which is due to the different initial kinetic energies of the ions, can be eliminated in a time-of-flight spectrometer by combining a field-free, straight flight path with a radial electrical deflection produced by a cylindrical capacitor, which is dimensioned in such a way that the time dispersion in the straight flight path and the electric field opposite each other are equal, i.e. a speed focusing does not occur (Int. J. Mass Spectron.Ion Phys., 6 (1971) 291-295.
Die Anwendung der im vorletzten Absatz erwähnten bekannten fokussierenden Flugzeit-Iiassenspektrometer ist durch eine oder mehrere der folgenden Bedingungen beschränkt:The use of the known focusing time-of-flight Iiassenspektrometer mentioned in the penultimate paragraph is by one or restricted several of the following conditions:
a) Der Bereich,, über den sich die Anfangsenergien der Ionen erstrecken, darf nur wenige Zehntel Elektronenvolt betragen;a) The area, over which the initial energies of the ions extend, may only be a few tenths of an electron volt;
b) Der Betrag der wahrscheinlichsten Anfangsenergie der Ionen darf ebenfalls nur wenige Zehntel Elektronenvolt betrager;b) The amount of the most probable initial energy of the ions must also be only a few tenths of an electron volt;
c) Die Ionenquelle mit dem Beschleunigungssysteir und die Ionennachweiseinrichtung müssen im bzw. unmittelbar angrenzend an das Ablenkfeld, mit dem Fokussierung bewirkt wird; angeordnet sein;c) The ion source with the acceleration system and the Ion detection devices must be in or immediately adjacent to the deflection field with which focusing is effected; arranged be;
d) Die Ionenquelle muß mit gepulsten Extraktionsfeldern betrieben werden.d) The ion source must be operated with pulsed extraction fields.
Diese bekannten fokussierenden Flugseit-Massenspektrometer können daher meist nicht verwendet rerden,, wenn die Ionen, wie bei einer Mikrostrahlsonde, durch einen Korpuskularstrahl erzeugt werden, oder wenn gepulste Extraktionsfelder stören, wie es beimThese known focusing flying-side mass spectrometers can therefore usually not be used, if the ions, such as in the case of a micro-beam probe, generated by a particle beam or if pulsed extraction fields interfere, as is the case with
2098 86/0 4 8 72098 86/0 4 8 7
- 3 - 213752Q- 3 - 213752Q
liGi^ziäeiiz-Flugzeitraassenspektroraeter äer Fall ist, oder wenn aus irgendwelchen, ar.üeren. praktischen Gründen die Ionenquelle mit dem Eeschleunigungssysterr; und das lonennachweissystem in einiger Entfernung vom fokus3ierenden Ablenkfeld angeordnet werden müssen.liGi ^ ziäeiiz-Flugzeitraassenspektroraeter is a case, or if off any, ar. for practical reasons the ion source with the Acceleration system; and the ion detection system at some distance must be arranged by the focussing deflection field.
Bas als letztes erwähnte Flugzeit-Massenspektrometer mit Gcschwindigkeitsfokussierung hat den Nachteil, daß nur im Ablenkfcld eine auch nur radiale Richtungsfokussierung stattfindet während die gerade Flugstrecke nicht in die Richtungsfokussierung einbezogen ist. Die Transmission (Lichtstärke) zwischen Eintrittsebene (Ionenquelle) und Austrittsebene (lonennachweiseinrichtung) ist dementsprechend klein und die Empfindlichkeit wird daher sehr zu wünschen übrig lassen.Bas with the last-mentioned time-of-flight mass spectrometer Speed focusing has the disadvantage that only in the deflection field there is also only radial directional focusing while the straight flight path is not in the directional focus is included. The transmission (light intensity) between the entry level (ion source) and exit level (ion detection device) is accordingly small and the sensitivity becomes therefore leave a lot to be desired.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Flugzeit-Kassenspektrometer mit Geschwindigkeitsfokussierung sowie sich über die ganze Flugstrecke erstreckender Pvichtuiigsfokussierung und dementsprechend hoher Trasrnission und üüpfindlichkeit anzugeben, bei dem die zu analysierenden Ionen hohe und in einem weiten Eereich streuende Anfangsgeschwindigkeiten (d.h. Anfangsenergien oder Anfangsimpulse) haben können.Accordingly, it is an object of the present invention based on a time-of-flight POS spectrometer with speed focusing as well as over the entire flight path extending power focus and correspondingly high transmission and Specify the sensitivity at which the ions to be analyzed can have high initial velocities (i.e. initial energies or initial impulses) which vary over a wide range.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 14 angegebene Erfindung gelöst.This object is given by that specified in claims 1 and 14 Invention solved.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous further developments of the invention are set out in the subclaims marked.
Da die Geschwindigkeitsfokussierung. bei den vorliegenden Flugzeit-Massenspektroitietern wesentlich weniger strengen Bedingungen unterworfen ist als bei den bekannten Flugzeit-Massenspektrometern, ergeben sich viele neue' Anwendungsbereiche, z.B. in Verbindung mit einer Ionenmikrostrahlsonde, einer Feldionen-Hiikroskop-Ätoinsonce oder mit einem Koinzidenz-Laufzeitmassenspektrometer. Because the speed focus. with the present Time-of-flight mass spectrometers are subject to much less stringent conditions is subject to than with the known time-of-flight mass spectrometers, there are many new areas of application, e.g. in connection with an ion microbeam probe, a field ion microscope etoinsonce or with a coincidence time-of-flight mass spectrometer.
Bei einer /Ausgestaltung der Erfindung wird in erster Näherung eine vierfache Fokussierung erreicht, nämlich zeitliche Geschwindigkeitsfokussierung (d.h. die durch unterschiedliche Anfangsgeschwindigkeiten verursachte zeitliche Dispersion von Ionen einer vorgegebenen effektiven Masse verschwindet), radiale und axiale V.'inkelfokussierung (d.h. stigmatische Abbildung eines PunktesIn one embodiment of the invention, as a first approximation a fourfold focus is achieved, namely temporal speed focus (i.e. the temporal dispersion of ions of a given effective mass disappears), radial and axial V. 'angle focusing (i.e. stigmatic mapping of a point
'n ' n BADOWGINALBADOWGINAL
209888/0487209888/0487
- 4 - 213752Q- 4 - 213752Q
der Dingebene in einen Punkt in der Bildebene des Snektrometers), und räumliche Geschwindigkeitsfokussierung (Verschwinden der räumlichen Dispersion).the object plane into a point in the image plane of the snectrometer), and spatial speed focusing (disappearance spatial dispersion).
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, es zeigen:In the following, exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing, which show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Flugzeit-Massenspektrometers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, dessen Flugstrecke ein elektrisches Äblenkfeld enthält;1 is a schematic representation of a time-of-flight mass spectrometer according to a first embodiment of the invention, whose flight path contains an electrical deflection field;
Fig. 2 und 3 je eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Flugzeit-Massenspektrometers gemäß der Erfindung, dessen Flugstrecke magnetische Ablenkfelder enthält undFIGS. 2 and 3 each show a schematic representation of an exemplary embodiment a time-of-flight mass spectrometer according to the invention, whose flight path contains magnetic deflection fields and
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles, bei dem ein etwas anderer Lösungsweg eingeschlagen worden ist als bei den obigen Ausführungsbeispielen.4 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment, in which a somewhat different approach has been taken than in the above exemplary embodiments.
Die im folgenden verwendeten Symbole und Abkürzungen sind in einer Tabelle am Ende der Feschreibung aufgeführt.The symbols and abbreviations used in the following are listed in a table at the end of the description.
Bei Flugzeit-Massenspektrometern unterscheidet man grundsätzlich zwischen zwei verschiedenen Typen:A fundamental distinction is made between time-of-flight mass spectrometers between two different types:
A) Flugzeit-Massenspektrometer mit Beschleunigung der Ionen auf gleichen Impuls A) Time-of-flight mass spectrometer with acceleration of the ions to the same impulse
Bei diesem Typ werden die in einem Ionenbildungs- oder Quellvolumen gebildeten Ionen in einem gepulsten elektrischen Feld beschleunigt, das möglichst homogen sein muß, die die Ionen während ihrer Beschleunigung unterschiedliche Teilbereiche des Feldes durchlaufen können.In this type, they are in an ion formation or swelling volume The ions formed are accelerated in a pulsed electric field, which must be as homogeneous as possible can pass through different parts of the field during their acceleration.
B) Flugzeit-Massenspektrometer mit Beschleunigung der Ionen auf gleiche Energie B) Time-of-flight mass spectrometer with acceleration of the ions to the same energy
Hier braucht das Beschleunigungsfeld nicht homogen zu sein, da alle Ionen das gesamte Beschleunigungspotential durchlaufen. Es gibt hier verschiedene Möglichkeiten, um mit der Ionenquelle ein wohldefiniertes Ionenpaket zu bilden. Am einfachsten ist die Anwendung eines gepulsten Ionisierungsprozesses, d.h. man erzeugt die Ionen z.B. durch einen gepulsten Elektronenstrahl (siehe z.B.The acceleration field does not need to be homogeneous here, since all ions pass through the entire acceleration potential. There are various possibilities here to form a well-defined ion packet with the ion source. The easiest is that Use of a pulsed ionization process, i.e. the ions are generated e.g. by a pulsed electron beam (see e.g.
209886/Q487209886 / Q487
Blauth, I.e. Abschnitt 5.222) . Die Ausdehnung des dabei" erzeugten Ionenpaketes hängt von der Beschleunigungsrichtung gerechneten Ausdehnung des Ionenbildungsvolumens, der Zeitdauer des Ionenbildungsimpulses und der Breite des Bereiches der Anfangsenergien ab.Blauth, I.e. Section 5.222). The expansion of the "generated." The ion packet depends on the expansion of the ion formation volume calculated for the direction of acceleration and the duration of the ion formation pulse and the width of the range of initial energies.
Bei beiden Typen wird die Auflösung entscheidend durch die Breite des Bereiches der Anfangsimpulse bzw. der Anfangsenergien begrenzt, wenn keine Maßnahmen zur Impuls- bzw. Energiefokussierung getroffen werden.With both types, the resolution is determined by the width of the range of the initial impulses or the initial energies limited if no measures for pulse or energy focusing are taken.
Außer der Impuls- und Energiefokussierung, die unter dem Oberbegriff "Geschwindigkeitsfokussierung" zusammengefaßt werden i können, soll wie gesagt, eine"Winkelfokussierung erreicht werden. Eine weitere Bedingung besteht darin/ daß durch die die Fokussierung in Radialrichtung bewirkenden Ablenkung keine geschwindigkeitsabhängige räumliche Dispersion auftreten soil? da sonst eine ausgedehnte Ionennachweiseinrichtung (z.B. lonenauffänger, Influenzkollektor, Sekundärelektronenvervielfacher) nötig wäre. Schließlich sollen nur toroidale elektrostatische Sektorfelder (siehe z.B. Z. Naturforschg. 10a, Nr. 11, 1955, 872-876) und inhomogene Magnetfelder mit kreisförmiger Strahlachse, wie sie mittels eines Magneten mit im Radialschnitt keilförmigem Luftspalt erzeugt werden können, für die Realisierung der vorliegenden Flugzeit-Massenspektrometer in Betracht gezogen werden, da . andere Felder in der Praxis keine wesentliche Rolle spielen ™Are combined in addition to the momentum and energy focusing, under the generic term "velocity focussing" i can send a "angle focus to, as said, can be achieved. A further condition is / that by focusing effecting in the radial direction deflection no speed dependent spatial dispersion occur soil otherwise an extensive ion detection device (e.g. ion collector, influence collector, secondary electron multiplier) would be necessary they can be generated by means of a magnet with an air gap that is wedge-shaped in radial section, should be considered for the implementation of the present time-of-flight mass spectrometers, since other fields do not play an essential role in practice
dürften, wenn eine stigmatische Abbildung gefordert wird. Außerdem soll bei den im folgenden zuerst beschriebenen Ausführungsbeispielen die zusätzliche Bedingung erfüllt sein, daß nicht nur die Ionenquelle (bzw. die Dingebene) sondern auch die Ionennachweiseinrichtung (bzw. Bildebene) in einer gewissen Entfernung von den Ablenkfeldgrenzen angeordnet ist und daß außer den Ablenkfeldern keine zusätzlichen Linsen benötigt werden.if a stigmatic mapping is required. aside from that In the exemplary embodiments described first below, the additional condition that not be met only the ion source (or the thing plane) but also the ion detection device (or image plane) is arranged at a certain distance from the deflection field boundaries and that besides no additional lenses are required for the deflection fields.
209888/0487209888/0487
213752Q213752Q
Diese Voraussetzungen grenzen die Zahl der sonst möglichen Geometrien .stark ein. Es wurde nämlich gefunden, daß eine Laufstrecke, also die Anordnung der geraden Laufstrecken und Ablenkfelder, bezüglich der Mitte symmetrisch (achs- oder spiegelsymmetrisch) sein muß, wenn keine zeitliche und räumliche Dispersion aufgrund der unterschiedlichen Anfangsgeschwindigkeiten der Ionen vorgegebener Masse eintreten darf und der Eintrittsbereich der Ionen in einer die Flugstrecke auf der Seite der Ionenquelle begrenzenden Fintrittsebene in eine die Flugstrecke auf der Seite der Ionennachweisexnrichtung begrenzende Austrittsebane zumindest radial abgebildet werden soll.These prerequisites severely limit the number of geometries that are otherwise possible. It has been found that a running track i.e. the arrangement of the straight stretches and deflection fields, symmetrical with respect to the center (axially or mirror-symmetrically) Must be if there is no temporal and spatial dispersion due to the different initial speeds the ions of a given mass are allowed to enter and the entry area of the ions in a flight path delimiting the flight path on the side of the ion source into a flight path the exit plane delimiting the side of the ion detection direction is to be imaged at least radially.
Wenn die Ionen in der Ionenquelle auf im wesentlichen gleiche Energie beschleunigt werden, muß man zur Fokussierung elektrostatische Ablenkfelder verwenden, um eine räumliche Massenaufspaltung zu vermeiden.If the ions in the ion source are accelerated to essentially the same energy, electrostatic focusing is required Use deflection fields to avoid spatial mass splitting.
Entsprechend muß man bei Beschleunigung der Ionen auf im wesentlichen gleichen Impuls mit magnetischen Ablenkfeldern arbeiten. Correspondingly, when the ions are accelerated to essentially the same momentum, one must work with magnetic deflection fields.
"Im wesentlichen gleich" soll hier bedeuten, daß jedem Ion in der Ionenquelle zur Beschleunigung möglichst der gleiche Energie- bzw. Impulsbetrag zugeführt wird, so daß sich die kinetischen Energien bzw. Impulse der aus der Ionenquelle in die Flug- oder Driftstrecke eintretenden Ionen nur infolge ihrer vor der Beschleunigung vorhandenen Anfangsgeschv/indigkeit unterscheiden. "Substantially the same" is used herein to mean that each ion the same amount of energy or pulse is supplied to the ion source for acceleration, so that the kinetic Energies or pulses of the ions entering the flight or drift path from the ion source only as a result of them differentiate between the initial speed present before the acceleration.
Ein Teil der Beziehungen, die bei dem vorliegenden Flugzeit-Massenspektrometer erfüllt sein müssen, sind formelmäßig für die Fälle der Beschleunigung auf gleiche Impulse bzw. Energien gleich, nur daß die Feldinhomogenitätsparameter h und k für die jeweiligen magnetischen bzw. elektrischen Ablenkfeider verschieden definiert sind.Part of the relationships that exist in the present time-of-flight mass spectrometer must be fulfilled, are formulaically the same for the cases of acceleration to the same impulses or energies, only that the field inhomogeneity parameters h and k are defined differently for the respective magnetic or electrical deflection fields are.
209886/0487209886/0487
— 7 —
Für das Magnetfeld gilt; - 7 -
The following applies to the magnetic field;
h = /l-n ; k = /n~ , (la; Ib)h = / l-n; k = / n ~, (la; Ib)
Dabei ist η der übliche Inhoinogenitätsfaktor, der das Verhältnis der Polschuhsteigung zum Radius der Ablenkbahn enthält. Insbesondere ist die Breite b des Luftspaltes zwischen den Polschuhen wegen der Rotationssymmetrie unabhängig vom Ablenkwinkel ψ und sie ist mit η in erster Näherung durch die BeziehungHere η is the usual inhomogeneity factor, which is the ratio contains the pole shoe slope to the radius of the deflection path. In particular, the width b of the air gap between the pole pieces is independent of the deflection angle ψ and because of the rotational symmetry it is with η in a first approximation by the relation
b = bo ( 1 + nu) (Ic)b = b o (1 + nu) (Ic)
verknüpft. Dabei bedeutenconnected. Mean
b die Luftspaltbreite am Ort des Hauptstrahlenganges, undb the width of the air gap at the location of the main beam path, and
u= (r - r )/r der normalisierte radiale Abstand vom Hauptstrahlengang .u = (r - r) / r the normalized radial distance from the main beam path .
h = v^c ; k = /c (2; 2b)h = v ^ c; k = / c (2; 2b)
wobei c = r/R das sogenannte Aspektverhältnis ist.where c = r / R is the so-called aspect ratio.
Wenn die Eintrittsebene (in der gewöhnlich eine kreis- oder spältförmige Blende liegt, die die Ionenquelle von der Laufstrecke trennt und den Eintrittsbereich der Ionen begrenzt) ohne geschwindigkeitsabhängige örtliche Dispersion ("achromatisch") in die Austrittsebene (in der gewöhnlich eine spalt- oder kreisförmige Blende liegt, die die Flugstrecke von der Ionennachweiseinrichtung trennt) abgebildet werden soll und als einfachster Fall vorausgesetzt wird, daß die Symmetrieebene bzw. das radiale Zwisohenbild innerhalb eines einzigen Ablenkfeldes liegen, so muß für den Abstand g zwischen der Eintrittsebene und der eintrittsseitigen Feldgrenze sowie den Abstand gs zwischen der austrittsseitigen Feldgrenze und der Austrittsebene die folgende Beziehuncr erfüllt sein:If the entry plane (in which there is usually a circular or slit-shaped diaphragm which separates the ion source from the path and limits the entry area of the ions) without velocity-dependent local dispersion ("achromatic") into the exit plane (in which usually a slit or circular Diaphragm that separates the flight path from the ion detection device) and, as the simplest case, it is assumed that the plane of symmetry or the radial intermediate image lie within a single deflection field, then for the distance g between the entry plane and the entry-side field boundary as well as the Distance g s between the field boundary on the exit side and the exit plane, the following relationship must be met:
209886/0487209886/0487
wobei hier ψ der Sektorwinkel des Feldes und damit der Ablenkwinkel ist.where ψ is the sector angle of the field and thus the deflection angle is.
Bei stigmatischer Abbildung mit axialem Zwischenbild am Ort des radialen Zwischenbildes muß außer der Bedingung (3) noch die folgende Bedingung erfüllt sein:In the case of stigmatic imaging with an axial intermediate image at the location of the radial intermediate image, in addition to condition (3), the the following condition must be met:
ga = ga « gr = *i = ^f tg(i8o° - ψ-) (4)g a = g a «g r = * i = ^ f tg (i8o ° - ψ-) (4)
Man sieht, daß die Bedingungen (3) und (4) nur für k = h, d.h. für η = 1/2 (Magnetfeld) bzw. c = 1 (elektrisches Feld) erfüllbar sind.It can be seen that conditions (3) and (4) only for k = h, i.e. for η = 1/2 (magnetic field) or c = 1 (electric field) can be fulfilled.
Soll dagegen bei stigmatischer Abbildung der "axiale" Strahlengang (d.h. der Strahlengang gesehen in einer durch das radiale Zwischenbild gehenden Tangentialebene) parallel verlaufen, so muß die folgende Beziehung gelten:Should, however, be the "axial" beam path in the case of stigmatic imaging (i.e. the beam path seen in a tangential plane passing through the radial intermediate image) must run parallel the following relationship apply:
In diesem Falle hängen η bzw. c noch von ψ ab.In this case η and c still depend on ψ.
Die Gleichungen (3), (4) und (5) gelten, wie gesagt, für den einfachsten Fall, daß die Symmetrieebene bzw. das radiale Zwischenbild innerhalb des Ablenkfeldes liegen (siehe z.B. Fig.l) . Es ist jedoch ohne weiteres möglich, das Ablenkfeld so in zwei symmetrische Hälften aufzuspalten, daß die Symmetrieebene in einem feldfreien Raum zwischen den beiden Feldbereichen liegt. Es ist auch möglich, mehrere solcher Systeme hintereinander zu schalten (siehe Fig. 2), so daß die Austrittsebene des vorangehenden den Systems mit der Eintrittsebene des folgenden Systems zusammenfällt. Außerdem sind symmetrische Anordnungen mit alternierenden Feldern und/oder zusätzlichen elektrostatischen bzw. magnetischen Linsen möglich, wobei auch mit schrägem Strahlein-The equations (3), (4) and (5) apply, as said, for the simplest case that the plane of symmetry or the radial Intermediate image lie within the deflection field (see e.g. Fig. 1). However, it is easily possible to split the deflection field into two symmetrical halves that the plane of symmetry in one field-free space between the two field areas. It is also possible to have several such systems in a row switch (see Fig. 2), so that the exit level of the preceding system coincides with the entry level of the following system. In addition, symmetrical arrangements with alternating fields and / or additional electrostatic resp. magnetic lenses possible, but also with angled beam
209886/0487209886/0487
213752Q213752Q
tritt in die Ablenkfelder gearbeitet werden kann. Da sich dabei nichts prinzipiell Neues ergibt, soll hierauf nicht weiter eingegangen werden.occurs in the deflection fields can be worked. Since there is nothing fundamentally new, we will not go into this further will.
Flugzeit-Hassenspektrometer mit Beschleunigung der Ionen auf ' gleiche Energien: Time-of-flight hatred spectrometer with acceleration of the ions to the same energies:
Beispiel 1; Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung, das anhand von Fig. 1 erläutert werden wird, arbeitet mit einer Ionenquelle 10 bekannter Art, in der die Ionen auf im wesentlichen die gleiche Energie beschleunigt v/erden. Da die Ionen also, abgesehen ä von ihrer in einem Energiebereich ΔΕ liegenden Anfangsenergie, alle die gleiche Energie besitzen, muß zur Fokussierung ein elektrisches Ablenkfeld benutzt werden, um eine räumliche Trennung der Ionen aufgrund ihrer effektiven Masse m zu vermeiden, die mit der gewünschten Aufspaltung aufgrund der massenabhängigen Flugzeit interferieren würde. Bei einem elektrostatischen Ablenkfeld sind die Verhältnisse dadurch etwas vom Magnetfeld verschieden, daß ein Ion höherer Energie nicht nur auf einer weiteren Bahn läuft, sondern noch durch das auf dieser Bahn herrschende höhere Potential etwas abgebremst wird. Das Ablenkfeld wird durch einen sogenannten Toroidkondensator 12 erzeugt. Die zeitlich getrennten Pakete aus Ionen gleicher, jedoch von Paket zu Paket verschiedener Masse werden durch eine Ionennachweisein- ™ richtung 14 nachgewiesen. Example 1; This embodiment of the invention, which will be explained with reference to FIG. 1, operates with an ion source 10 of known type in which the ions are accelerated to essentially the same energy. Since the ion Thus, besides the like from their lying in an energy ΔΕ initial energy, all have the same energy, an electric deflection field must for focusing are used to a spatial separation of the ions m because of their effective mass to avoid that with the desired splitting would interfere due to the mass-dependent flight time. In the case of an electrostatic deflection field, the conditions are somewhat different from the magnetic field in that an ion of higher energy not only runs on a further path, but is also somewhat slowed down by the higher potential prevailing on this path. The deflection field is generated by a so-called toroidal capacitor 12. The temporally separated packets of ions of the same mass, but of different mass from packet to packet, are detected by an ion detection device 14.
In einem Toroidfeld mit dem mittleren Bahnradius r und dem Ablenk- bzw. Sektorwinkel ψ wird die Flugzeit t eines Ions mit der spezifischen Masse m (m =·Ionenmasse/Ionenladung) und der Energie E^-(I + ß)In a toroidal field with the mean orbit radius r and The time of flight t of an ion becomes the deflection or sector angle ψ with the specific mass m (m = · ion mass / ion charge) and of energy E ^ - (I + ß)
„ Aim Γ,, η I/I 1\ι SillllllUll.li I i. . /,.ν. /ι.« .Ii β y \ "Aim Γ ,, η I / I 1 \ ι SillllllUll.li I i. . /,.ν. / ι. «.Ii β y \
"e ο E, 0 "e ο E, 0
b 2 ν η η ' η~ ~οb 2 ν η η 'η ~ ~ ο
Damit die Flugzeit unabhängig vom Eintrittswinkel ο wird, muß außerdem auch die Gleichung (5) erfüllt sein.In order for the flight time to be independent of the entry angle ο, equation (5) must also be fulfilled.
209 8 86/0487209 8 86/0487
Für die Flugzeitdispersion At im Ablenkfeld erhält man dannThe time-of-flight dispersion At in the deflection field is obtained then
Λ4- - Q Ri1 _ 1Xj1 _ sin (hip) (Ί. Λ4- - Q Ri 1 _ 1 Xj 1 _ sin (hip) (Ί .
Die Flugzeitdispersion At in einer geraden Laufstrecke der Länge g beträgt:The time-of-flight dispersion At in a straight path of the Length g is:
Jb J b
Um die gesamte energieabhäncjige Flugzeitdispersion zum Verschwinden zu bringen, muß die energieabhängige Flugzeitdispersion At im Ablenkfeld entgegengesetzt gleich der energieabhängigen Flugzeitdispersion At in der geraden Laufstrecke sein. Das führt zu der FokussierungsbedingungAround the entire energy-dependent time-of-flight dispersion to disappear To bring about, the energy-dependent time-of-flight dispersion At in the deflection field must be opposite to the energy-dependent time-of-flight dispersion At be in the straight running route. This leads to the focus condition
1 , . sin(ln|/)1 , . sin (ln | /)
h2 4 Ψ h3 h 2 4 Ψ h 3
Für ein mit radialer Abbildung arbeitendes System, das zwischen Eintritts- und Austrittsebene keine energieabhängige Flugzeitdispersion aufweisen soll, muß mit Bedingung (3) gelten:For a system working with radial imaging, which is between If the entry and exit level should not have an energy-dependent time-of-flight dispersion, condition (3) must apply:
r tg(l8O° - ψ-)= 2r f<±* - J) ψ - ^iMi] , (10)r tg (l80 ° - ψ -) = 2r f <± * - J) ψ - ^ iMi], (10 )
In der M.itte des Ablenkfeldes tritt ein radiales Zwischenbild 20 auf, durch das auch die Symmetrieebene 21 des Systems gehtA radial intermediate image appears in the middle of the deflection field 20, through which the plane of symmetry 21 of the system also goes
209886/048209886/048
213752Q213752Q
Beispiel 2: Dieses Beispiel entspricht dem Beispiel 1 mit der Ausnahme, daß der Eintrittsbereich der Ionen in die Laufstrecke nicht nur radial sondern auch axial, also, stigmatisch, in die Austrittsebene abgebildet wird. Bei diesem Beispiel tritt außerdem am Ort des radialen Zwischenbildes auch ein axiales Zwischenbild auf. Example 2: This example corresponds to example 1 with the exception that the entry area of the ions into the path is not only imaged radially but also axially, that is, stigmatically, in the exit plane. In this example, an axial intermediate image also occurs at the location of the radial intermediate image.
Bei stigmatischer Fokussierung mit axialem Zwischenbild istWith stigmatic focusing with an axial intermediate image is
c = h = k = 1 (11)c = h = k = 1 (11)
und man erhält die Bedingung:and one obtains the condition:
| = 2 Ξΐη(ψ)- Ι ψ (12)| = 2 Ξΐη (ψ) - Ι ψ (12)
Durch graphische Lösung dieser Gleichung erhält man die WerteThe values are obtained by solving this equation graphically
g = g1 = 5,9 r
^r yr 'g = g 1 = 5.9 r
^ r y r '
ψ = 199,2ψ = 199.2
ο
° ο
°
Beispiel 3: Dieses Beispiel entspricht dem Beispiel 2 mit der Ausnahme, daß am Ort des radialen Zwischenbildes kein axiales Zwischenbild auftritt, sondern der Strahlengang dort in radialer I Richtung betrachtet parallel verläuft. Example 3: This example corresponds to example 2 with the exception that no axial intermediate image occurs at the location of the radial intermediate image, but rather the beam path runs parallel there, viewed in the radial I direction.
Für eine stigmatische Fokussierung ohne axiales Zwischenbild ergeben sich unter Berücksichtigung der Gleichung (5) die Bedingungsgleichungen:For stigmatic focusing without an axial intermediate image, taking equation (5) into account, the following are obtained Condition equations:
= gr == g r =
Ζψα.. 2ro (1 . Ι)φ .Slnüüij (14) Ζψα .. 2r o (1. Ι ) φ .Slnüüij (14)
h2 hh 2 h
209886/0487209886/0487
_ TO __ TO _
Die Lösung kann wieder graphisch erfolgen, und man erhält:The solution can again be done graphically, and one obtains:
gr = g; = 2,35 rQ
ψ = 163,2°
c = rQ/R =0,26.g r = g; = 2.35 r Q
ψ = 163.2 °
c = r Q / R = 0.26.
Ein Flugzeit-Massenspektrometer mit diesen Parametern zeichnet sich durch einen geringen Raumbedarf aus, da die geraden Flugstrecken und der Ablenkwinkel verhältnismäßig klein sind. Das Massenspektrometer kann als "vierfachfokussierendes" Massenspektrometer bezeichnet werden, da das Massenspektrum unabhängig von der Anfangsgeschwindigkeit bzw. Anfangsenergie der Ionen (vor der Beschleunigung) ist und die Eintrittsebene 16 bezüglich Flugzeit und Abbildungsort stigmatisch, also sowohl radial als auch axial fokussierend, in die Austrittsebene 18 abgebildet wird.A time-of-flight mass spectrometer with these parameters is characterized by a small footprint, since the straight flight paths and the deflection angle are relatively small. The mass spectrometer can be used as a "quadruple focusing" mass spectrometer because the mass spectrum is independent of the initial velocity or initial energy of the ions (before the acceleration) and the entry plane 16 is stigmatic with regard to flight time and imaging location, that is, both radially and also axially focusing, is imaged in the exit plane 18.
Am Ort des radialen Zwischenbildes 2O (Fig. 1) hat man die größte räumliche Energiedispersion und man kann dort durch eine Blende 22 ("Energieblende") den erfaßten Energiebereich begrenzen. Bei der zuletzt diskutierten Geometrie ist die Vergrößerung V des Zwischenbildes etwa gleich 0,33 und die Energiedispersion D am Ort des Zwischenbildes ist 0,76.At the location of the radial intermediate image 2O (FIG. 1) one has the largest spatial energy dispersion and you can limit the detected energy range there by a diaphragm 22 ("energy diaphragm"). In the case of the geometry discussed last, the magnification V of the intermediate image is approximately equal to 0.33 and the energy dispersion D at the location of the intermediate image is 0.76.
Ein Ion, das das elektrische Ablenkfeld außerhalb der Mittelbahn betritt oder verläßt, erfährt an den Feldgrenzen 24 bzw. 26 eine Beschleunigung oder Abbremsung. Eine Berechnung dieser Effekte ergab, daß bei dem geforderten symmetrischen Strahlengang in erster Ordnung keine Störung der Flugzeitkompensation eintritt. Das Streufeld an den Grenzen des Toroidkondensatprs führt lediglich zu einer geringfügigen Korrektur der Länge g der wirksamen geraden Laufstrecke.An ion that deflects the electrical field outside the central orbit enters or leaves, is accelerated or decelerated at the field boundaries 24 and 26, respectively. A calculation of these effects showed that with the required symmetrical beam path there is primarily no disturbance of the time-of-flight compensation. The stray field at the limits of the toroidal condenser only leads to a slight correction of the length g of the effective straight running route.
209886/0487209886/0487
Flugzeit-Massenspektrometer mit Beschleunigung der Ionen auf gleiche Impulse;Time-of-flight mass spectrometer with acceleration of the ions to equal pulses;
Hier gelten die Gleichungen (la) , (Ib) und 0b) in Verbindung mit der Gleichung (3). Fenn eine stigmatische Abbildung gewünscht wird, müssen außerdem noch die Gleichung (4) oder ( 5) erfüllt sein.Equations (la), (Ib) and 0b) apply here in conjunction with equation (3). If a stigmatic mapping is desired equation (4) or (5) must also be satisfied.
Als Fok.ussierungsbedingung tritt hier an die Stelle der für den Fall der Beschleunigung auf gleiche Energie,n gültigen Gleichung (9) die folgende Fokussierungsbedingung;As a focusing condition, the for the case of acceleration to the same energy, n valid equation (9) the following focusing condition;
_ ro ί.,ϊ .. sin(hif)) } ,,,-, "_ r o ί., ϊ .. sin (hif))} ,,, -, "
2^r = IT [ψ(^2 ° X) - · J (15) 2 ^ r = IT [ ψ ( ^ 2 ° X) - · J (15)
Beispiel 4; Für ein Flugzeit-Massenspektrometer mit einem einzigen sektorförmigen Magnetfeld, stigmatischer Abbildung und axialem Zwischenbild am Ort des radialen Zwischenbildes beim halben Ablenkwinkel muß die folgende Gleichung Example 4; For a time-of-flight mass spectrometer with a single sector-shaped magnetic field, stigmatic image and axial intermediate image at the location of the radial intermediate image at half the deflection angle, the following equation
J? /ö /öJ? / ö / ö
~ Ψ - sin -i-f ψ = - tg 1| ψ (16) ~ Ψ - sin -if ψ = - tg 1 | ψ (16)
erfüllt sein. Diese Gleichung läßt sich aus den Gleichungen (3) und (4) und (15) ableiten, wenn man außerdem noch berücksichtigt,be fulfilled. This equation can be derived from equations (3) and (4) and (15) if one also takes into account
daß η = 1/2 und h = k = /2 sein müssen. "that η = 1/2 and h = k = / 2 must be. "
Die Lösung der Gleichung (16) T die man z.B. graphisch ermitteln kann, lautet:The solution of equation (16) T, which can be determined graphically, for example, is:
ψ = 314°ψ = 314 °
Das Flugzeit-Massenspektrometer gemäß Beispiel 4 läßt sich z.B. mit folgenden numerischen Werten realisieren:The time-of-flight mass spectrometer according to Example 4 can be implemented with the following numerical values, for example:
20988B/048720988B / 0487
Mittler Bahnradius r = 10 cmMean orbit radius r = 10 cm
Länge χ der Flugstrecke = 129 cmLength χ of the flight path = 129 cm
Beschleunigungsfeldstärke F = 1000 V/cmAcceleration field strength F = 1000 V / cm
mm *7 mm * 7
Impulsdauer t. =10 seePulse duration t. = 10 see
Länge der Beschleunigungsstrecke für die Ionen £ 4,2 cm Length of the acceleration path for the ions £ 4.2 cm
Magnetische Induktion B am Ort _Magnetic induction B on site _
des mittleren Bahnradius r 10 Gaußof the mean orbit radius r 10 Gauss
Beispiel 5: Dieses Beispiel entspricht im wesentlichen dem Beispiel 4 mit der Ausnahme, daß am Ort des radialen Zwischenbildes kein axiales Zwischenbild auftritt sondern die Strahltrajektorien dort, senkrecht zur Achse des sektorförmigen magnetischen Ablenkfeldes gesehen, parallel verlaufen. Hier ist dann neben Gleichung (15) die Gleichung (5) anstelle der Gleichung (4) zu berücksichtigen und man erhält die folgende Gleichung Example 5: This example corresponds essentially to example 4 with the exception that no axial intermediate image occurs at the location of the radial intermediate image, but the beam trajectories there, seen perpendicular to the axis of the sector-shaped magnetic deflection field, run parallel. Here then, in addition to equation (15), equation (5) instead of equation (4) must be taken into account and the following equation is obtained
^ ^A^ f (17)^ ^ A ^ f (17)
Die z.B. auf graphischem Wege erhältliche Lösung dieser Gleichung lautet:The solution to this equation, which can be obtained graphically, for example, is:
ψ = 290°ψ = 290 °
gr - g£ = 1,23 ro g r - g £ = 1.23 r o
η = 0,177η = 0.177
Die Beispiele 4 und 5 lassen sich praktisch leicht realisieren und haben jeweils ihre eigenen Vorzüae* Beim Flugzeit-Massenspek trome ter gemäß Beispiel 4 tritt ein Stigmatisches ?,\'?L-schenbild auf, das eine genaue Begrenzung des erfaßten Geschwlndigkeitsbereiches der Ionen ermöglicht. Das Auflösungsvermögen ist hoch, der AbLenkradius klein, die Flugstrecke ist jedoch verhältnismäßig lang.Examples 4 and 5 can be practically realized easily and each have their own Vorzüae * When flying time mass spec L- Tromen ter of Example 4 enters stigma table? \ '? Rule image on which enables precise boundary of the detected Geschwlndigkeitsbereiches the ions. The resolution is high, the deflection radius small, but the flight distance is relatively long.
209886/0487 ßAD 0WGiNAL 209886/0487 ßAD 0WGiNAL
Das Flugzeit-Massenspektrometer gemäß Beispiel 5 zeichnet sich durch eine kürzere Flugstrecke und damit kürzere Abstände zwischen Ionenquelle bzw. Ionennachweiseinrichtung einerseits und Ablenkfeldgrenzen andererseits aus, so daß bei vorgegebener Größe des das Ablenkfeld erzeugenden Magneten ein kompakterer Aufbau und eine größere Transmission (höhere Lichtstärke) erreicht werden können als beiir Beispiel" 4.The time-of-flight mass spectrometer according to Example 5 is distinguished by a shorter flight path and thus shorter distances between the ion source or ion detection device on the one hand and deflection field limits on the other hand, so that with a given The size of the magnet generating the deflection field achieves a more compact structure and greater transmission (higher light intensity) can be used as in the example "4.
Die Beispiele 4 und 5 sind selbstverständlich nicht die einzigen Realisierungsmöglichkeiten von Flugzeit-Massenspektrometern gemäß der Erfindung mit magnetischen Ablenkfeldern sondern stellen lediglich die einfachsten Ausführungsformen dar. Es ist % offensichtlich ohne weiteres möglich, auch andere Ausführungsformen anzugeben, die mehrere magnetische Sektorfeider enthalten, zwischen denen sich gerade Stücke der Flugstrecke befinden. In allen Fällen muß die Geometrie jedoch bezüglich einer Ebene oder einer Achse (entsprechend einer zweizähligen Achse in der KristallographieJTsein una es muß mindestens ein Zwischenbild in einer Radialebene vorhanden sein.Examples 4 and 5 are of course not, contain the only possibilities of realization of time of flight mass spectrometer according to the invention with magnetic deflection fields but represent only the simplest embodiments. It is% obviously readily possible to provide other embodiments, the plurality of magnetic Sektorfeider between which there are straight sections of the flight path. In all cases, however, the geometry must be in relation to a plane or an axis (corresponding to a twofold axis in crystallography and there must be at least one intermediate image in a radial plane.
Die geradlinigen Teile der Flugstrecke können auch ionenoptische Linsen enthalten, um eine etwas größere Freizügigkeit in der Konstruktion zu ermöglichen.The rectilinear parts of the flight path can also contain ion-optical lenses to allow a little more freedom of movement to enable in the construction.
Im folgenden sollen noch zwei besonders interessante Ausführungsbeispiele angegeben werden. ™Two particularly interesting exemplary embodiments are intended below can be specified. ™
Beispiel 6; Das in Fig. 2 dargestellte Flugzeit-Massenspektrometer besteht aus zwei gleichen Teilen, die jeweils einem Massenspektrometer gemäß Beispiel 4 oder 5 entsprechen können. Diese beiden Teile sind jedoch so angeordnet, daß die Ablenkung der Ionen in den beiden Teilen in entgegengesetzten Winkelrich-· tungen erfolgen. Example 6; The time-of-flight mass spectrometer shown in FIG. 2 consists of two identical parts, each of which can correspond to a mass spectrometer according to Example 4 or 5. However, these two parts are arranged in such a way that the deflection of the ions in the two parts takes place in opposite angular directions.
Der erste Teil liegt zwischen einem Austrittsspalt 31 einer nicht dargestellten Ionenquelle, der den Eintrittsspalt des Flugzeit-Massenspektrometers bildet, und einem Spalt 33 der den Austrittsspalt des ersten Teiles und gleichzeitig den Eintritts-The first part lies between an exit slit 31 of an ion source, not shown, which is the entrance slit of the time-of-flight mass spectrometer forms, and a gap 33 which is the exit gap of the first part and at the same time the entry
209888/0487209888/0487
213752Q213752Q
• ■ ■ - 16 -• ■ ■ - 16 -
spalt des zweiten Teiles darstellt. Der zweite Teil liegt zwischen dem Spalt 33 und einem Spalt 34, der durch den Eintrittsspalt einer nicht dargestellten lonennachweiseinrichtung gebildet wird. Der erste Teil enthält ein magnetisches Sektorfeld 37, der zweite Teil ein magnetisches Sektorfeld 39. Im Sektorfeld 37 befindet sich am Ort des radialen Zwischenbildes eine Elende 46, die den erfaßten Impulsbereich (und damit den Bereich der Anfangsgeschwindigkeiten der Ionen) begrenzt.represents the gap of the second part. The second part lies between the gap 33 and a gap 34, the one through the entrance gap ion detection device, not shown, is formed. The first part contains a magnetic sector field 37, the second part a magnetic sector field 39. Located in the sector field 37 At the location of the radial intermediate image there is a loin 46 which contains the detected pulse area (and thus the area of the initial velocities of ions).
Beispiel 7; Das in Fig. 3 schematisch dargestellte Flugzeit-Massenspektrometer ist eine V7eiterentwicklung des Flugzeit-Massenspektrometers gemäß Beispiel 4. Es enthält zwei magnetische Sektorfeider 38, 40, die jeweils z.B. einen Sektorwinkel von 270° haben. Der Abstand g bzw. g1 zwischen einem Austrittsspalt 30 einer nicht näher dargestellten Ionenquelle bzw. einem Eintrittsspalt 32 einer nicht dargestellten lonennachweiseinrichtung einerseits und den benachbarten Grenzen 34 bzw. 36 des ersten bzw. zweiten Ablenkfeldes 38 bzw. 40 beträgt Example 7; The time-of-flight mass spectrometer shown schematically in FIG. 3 is a further development of the time-of-flight mass spectrometer according to example 4. It contains two magnetic sector fields 38, 40, each having a sector angle of 270 °, for example. The distance g or g 1 between an exit slit 30 of an ion source (not shown) or an entry slit 32 of an ion detection device (not shown) on the one hand and the adjacent boundaries 34 and 36 of the first and second deflection fields 38 and 40, respectively
9r = g; = — ctn (ηψ) (18) 9 r = g; = - ctn (ηψ) (18)
r r h rr h
Die Länge g der geradlinigen Flugstrecke zwischen der austrittsseitigen Grenze 42 des Ablenkfeldes 38 und der eintrittsseitigen Feldgrenze 44 des Ablenkfeldes 40 beträgtThe length g of the straight flight path between the exit side Boundary 42 of the deflection field 38 and the entry-side field boundary 44 of the deflection field 40 is
_ _ 2r cos (hifr-l) MQ._ _ 2r cos (hifr-l) MQ .
g h sin(hifi) ( ^' g h sin (hifi) ( ^ '
Die radiale Fokussierungsbedingung lautetThe radial focus condition is
f ctn (Ιιψ) = i L(I. - 1) - sin(Ml 1 (20) h ψ 2 { \2 3 h 5ΐη(1ιψ) Jf ctn (Ιιψ) = i L (I. - 1) - sin (Ml 1 (20) h ψ 2 {\ 2 3 h 5ΐη (1ιψ) J
209888/04B7209888 / 04B7
- Χ7 -- Χ7 -
Im Ablenkfeld 38 ist am Ort des radialen Zwischenbildes eine •Blende 46 (Impulsblende) angeordnet, die eine Begrenzunq des durchgelassenen Impulsbereiches und damit Anfangsqeschwindigkeitsbereiches der Ionen ermöglicht.In the deflection field 38, a diaphragm 46 (pulse diaphragm) is arranged at the location of the radial intermediate image, which is a delimitation of the transmitted pulse range and thus the initial speed range which enables ions.
Ein axiales Zwischenbild tritt am Ort 48, also an der Hälfte der geradlinigen Flugstrecke zwischen den beiden Ablenkfeldern auf.An axial intermediate image occurs at location 48, that is, at half of the straight flight path between the two deflection fields on.
Die Beispiele 6 und 7 haben den zusätzlichen Vorteil, daß die endliche Breite des Eintrittsspaltes 31 bzw. 32 in erster Näherung keinen Einfluß auf das Auflösungsvermögen hat.Examples 6 and 7 have the additional advantage that the finite width of the entrance slit 31 and 32, respectively, is primarily Approximation has no influence on the resolving power.
Die für elektrostatische Ablenkfelder beschriebenen Ausfüh- * rungsbeispiele lassen sich selbstverständlich in entsprechender Weise mit magnetischen Feldern realisieren und umgekehrt, wie aufgrund der Erläuterungen im Abschnitt "ALLGEMEINES" ohne weiteres einzusehen ist.The designs described for electrostatic deflection fields * Examples can of course be implemented in a corresponding manner with magnetic fields and vice versa, such as due to the explanations in the section "GENERAL" is readily available.
Bei der Übertragung des Beispiels 7 auf den Fall der Beschleunigung der Ionen auf gleiche Energien gilt dann anstelle der Gleichung (20) die folgende Gleichunq:When applying Example 7 to the case of acceleration of ions at the same energies then the following equation applies instead of equation (20):
I etn(ht) - 2 (,(I2- I)- BiBjMI ] (21) I etn (ht) - 2 (, (I 2 - I) - BiBjMI] (21)
Die Aμfqabe, ein Flugzeit-Massenspektrometer mit Geschwindigkeitsfokussierung zu schaffen, bei dem über das ganze System auch eine Richtunqsfokussxerunq qewährleistet ist, läßt sich auch noch auf mindestens eine andere Weise lösen als es oben beschrieben wurde. Zur Erläuterung dieses anderen Lösungsweges soll nochmals auf das als letztes erwähnte bekannte Flugzeit-Massenspektro meter mit Geschwindigkeitsfokussierunq Bezug genommen werden.The Aμfqabe, a time-of-flight mass spectrometer with speed focusing It is also possible to create in which a directional focus is also ensured over the entire system solve in at least one other way than described above became. To explain this other approach, reference should again be made to the known time-of-flight mass spectro mentioned last meter can be referred to as speed focus.
Das bekannte Flugzeit-Massenspektrometer hat eine einzige gerade Flugstrecke und ein einziges, nur radial fokussierendesThe well-known time-of-flight mass spectrometer has a single one straight flight path and a single one that only focuses radially
2098 86/04 872098 86/04 87
213752Q213752Q
elektrostatisches Ablenkfeld, das durch einen Zylinderkondensatorelectrostatic deflection field created by a cylindrical capacitor
erzeugt wird. Die Fokussierungsbedingungen Eür den im Ablenkfeldis produced. The focusing conditions in the deflection field
verlaufenden Teil des Strahlenganges lassen sich folgendermaßen schreiben:running part of the beam path can be written as follows:
_, _4„ r . ,Ι JU _ sin (hfl) 1 fO9._, _4 "r. , Ι JU _ sin (hfl) 1 fO9 .
g -fro Ιψ(~2 - j) —1"3 } (22)g -fr o Ιψ (~ 2 - j) —1 "3} (22)
Diese Gleichung entspricht der oben angegebenen Gleichung (9).This equation corresponds to equation (9) given above.
Ferner giltFurthermore applies
gr = gr = TT tg (l80°" Ψ) = ° (23) g r = g r = TT tg (l80 ° " Ψ ) = ° (23)
Die oben erwähnten, iPit elektrostatischen iA.Menkfeidern arbeitenden Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen ebenfalls nur eine radiale Fokussierung eintritt, unterscheiden sich von dem bekannten Flugzeit-Massenspektrometer darin, daß α (und g1) ungleich null ist.The above-mentioned exemplary embodiments of the invention, which operate iPit electrostatic in A. Menkfeidern and in which only radial focusing occurs, differ from the known time-of-flight mass spectrometer in that α (and g 1 ) are not equal to zero.
Eine weitere Lösung des eingangs gestellten Problems, nänlich eine Riehtungsfokussierung über das ganze System einschließlich der geraden Teile der Flugstrecke zu erreichen, besteht für den Fall B der Beschleunigung der Ionen auf gleiche Energien nun darin, daß wie im bekannten Falle die Gleichungen (22) und (23) erfüllt sind und daß zusätzlich noch die GleichunaAnother solution to the problem posed at the beginning, namely a directional focusing over the whole system including To achieve the straight parts of the flight path, there is in case B the acceleration of the ions to the same energies now in the fact that, as in the known case, equations (22) and (23) are fulfilled and that in addition the equation
^ ctg {Ά = O (24)^ ctg {Ά = O (24)
oder die Gleichungor the equation
^- tg (180° - |i) = O (25) ^ - tg (180 ° - | i) = O (25)
gilt. Außerdem muß der gerade Teil der Flugstrecke mindestensis applicable. In addition, the straight part of the flight route must be at least
209888/0487209888/0487
213752Q213752Q
eine ionenoptische Linse, ZiB. eine Einzellinse, enthalten, die den Eintrittsspalt des Massenspektrometer stigmatisch in die Eintrittsebene des elektrostatischen Äblenkfeldes abbildet, das im vorliegenden Falle aus einem inhomogenen Toroidfeld besteht.an ion optical lens, ZiB. a single lens, contain the the entry slit of the mass spectrometer stigmatically into the The entry plane of the electrostatic deflection field that in the present case consists of an inhomogeneous toroidal field.
Ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Gleichungen (22), (23) und (24) gelten, ist in Fig. 4 schematisch dargestellt.An embodiment in which the equations (22), (23) and (24) apply, is shown schematically in FIG.
An die Eintrittsblende 30 schließt sich ein einziger gerader Teil der Flugstrecke an, dessen Länge mit g bezeichnet ist. In der J-litte des geraden Teiles befindet sich eine Einzellinse 50, die die Eintrittsblende 30 stigmatisch in eine Zwischenblende 52 abbildet, welche den geraden Teil der Laufstrecke vom Ablenkfeld ä trennt, das durch einen Toroidkondensator 12' erzeugt wird. Der Strahlengang im Toroidkondensator 12' ist symmetrisch, in der Symmetrieebene ist wie bei dem Beispiel gemäß Fig. 1 eine Energieblende 22 angeordnet.A single straight part of the flight path, the length of which is denoted by g, adjoins the entry aperture 30. In the straight part J-litte is a single lens 50, the stigmatic mapping in an intermediate diaphragm 52, the entrance aperture 30, which separates the straight part of the running distance etc. of the deflection field generated by a Toroidkondensator 12 '. The beam path in the toroidal capacitor 12 'is symmetrical; an energy diaphragm 22 is arranged in the plane of symmetry, as in the example according to FIG. 1.
Die Austrittsblende 32 des Massenspektrometers befindet sich unmittelbar an der Grenze des elektrischen Ablenk- oder Sektorfeldes. Vor der Eintrittsblende 30 bzw. hinter der Austrittsblende 32 sind eine Ionenquelle 10 bzw. eine hier nicht dargestellte Ionennachweiseinrichtung.The exit aperture 32 of the mass spectrometer is located directly at the boundary of the electrical deflection or sector field. In front of the inlet aperture 30 or behind the outlet aperture 32 are an ion source 10 or an ion detection device (not shown here).
Selbstverständlich könnte der gerade Teil der Laufstrecke auch auf zwei Stücke aufgeteilt werden, von denen sich eines zwischen der Eintrittsblende 30 und dem Toroidkondensator 12' f und das andere zwischen letzterem und einer dann im Abstand vom Kondensator angeordneten Austrittsblende befindet. Selbstverständlich sollten dann beide geraden Teile jeweils eine abbildende Linse enthalten.Of course, the straight part of the running route could also be divided into two parts, one of which is different between the entrance aperture 30 and the toroidal capacitor 12 'f and the other is located between the latter and an outlet diaphragm which is then arranged at a distance from the condenser. Of course both straight parts should then each contain an imaging lens.
Bei deir. praktischen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 waren: ψ = 284,5°At deir. practical embodiment according to Fig. 4 were: ψ = 284.5 °
c = 0,4c = 0.4
g = 1,5 ro ψ.g = 1.5 r o ψ.
209888/0487 BAD 209888/0487 BAD
Der zuletzt beschriebene Lösungsweg läßt sich im Prinzip auch auf den Fall der Beschleunigung der Ionen auf gleiche Impulse anwenden. Die Realisierungsmöglichkeiten sind jedoch dadurch proplematisch, daß der Sektorwinkel ψ des in diesem Falle erforderlichen Magnetfeldes größer als 360° wird. Fin ebener Strahlengang ist dann also nicht möglich.The solution approach described last can in principle also be applied to the case where the ions are accelerated to the same impulses. However, the implementation possibilities are problematic in that the sector angle ψ of the required in this case Magnetic field is greater than 360 °. A plane beam path is then not possible.
Abschließend sei noch bemerkt, daß die Flugstrecke, in der die Kompensation der Geschwindigkeitsdispersion (also die Geschwindigkeitsfokussierung) eintritt, nicht genau gleich dem Abstand ' zwischen Dingpunkt und Bildpunkt, also der Strecke in der eine Abbildung (Richtungsfokussierung) stattfindet sein muß. Man kann z.B. für die Richtungsfokussierung noch ein gewisses Stück vor der Eintrittsblende bzw. hinter der Austrittsblende heranziehen. Der Strahlquerschnitt ist dann zwar z.B. am Ort der Ionennachweiseinrichtung etwas größer als in der Bildebene, dies spielt jedoch in der Praxis meist keine Rolle. Fntsprechendes gilt auch für die Ionenquelle.Finally it should be noted that the flight route in the the compensation of the velocity dispersion (i.e. the velocity focusing) occurs, not exactly equal to the distance 'between the object point and the image point, i.e. the line in the one Imaging (directional focusing) must take place. For example, you can still advance a certain distance for directional focusing the inlet orifice or behind the outlet orifice. The beam cross-section is then, for example, at the location of the ion detection device slightly larger than in the image plane, but this usually does not matter in practice. The same also applies for the ion source.
20988S/OA8720988S / OA87
ANHANGATTACHMENT
Erläuterung der verwendeten Symbole . Explanation of the symbols used .
B Magnetische Induktion am Ort des Hauptstrahlenganges (Hittelbahn)B Magnetic induction at the location of the main beam path (Hittelbahn)
b Luftspaltbreite am Ort des Hauptstrahlenganges b Air gap width at the location of the main beam path
c Aspektverhältnis eines Toroidkondensatorsc Aspect ratio of a toroidal capacitor
e Ladunq des Elektronse charge of the electron
E, Ionenenergie durch BeschleunigungE, ion energy through acceleration
g Gesamtlänge der geraden Teile der Flugstrecke ig Total length of the straight parts of the flight route i
ga(gJ) Abstand zwischen der Ionenquelle bzw. dem Dingpunkt oder der Eintrittsblende (Ionennachweiseinrichtung, Bildpunkt oder Austrittsblende) und Eintrittsseite (Austrittsseite) des Ablenkfeldes für axiale Abbildungg a (g J ) Distance between the ion source or the object point or the entry aperture (ion detection device, image point or exit aperture) and the entry side (exit side) of the deflection field for axial imaging
g (g') Abstand zwischen der Ionenquelle bzw. dem Dingpunkt oder dem Eintrittsspalt (Ionennachweiseinrichtung bzw. dem Bildpunkt oder Austrittsspalt) und Eintrittsseite (Austrittsseite) des Ablenkfeldes für die radiale Abbildungg (g ') distance between the ion source or the object point or the entry slit (ion detection device or the image point or exit slit) and entry side (exit side) of the Deflection field for the radial image
h Inhomogenitätsparameter (siehe Gleichung Ib und 2a)h Inhomogeneity parameter (see equations Ib and 2a)
k Inhomogenitätsparameter (siehe Gleichung Ib und 2b)k inhomogeneity parameter (see equations Ib and 2b)
m Effektive Ionenmassem Effective ion mass
(Ionenmasse/Ionenladung)(Ion mass / ion charge)
η Inhomogenitätsfaktor eines magnetischen ™η Inhomogeneity factor of a magnetic ™
AblenkfeldesDeflection field
R Wulstradius eines Toroidkondensators r Radius der Bahn eines vorgegebenen IonsR bead radius of a toroidal capacitor r radius of the orbit of a given ion
r Radius des Hauptstrahlenganges bzw. der Mittelbahn der Ionen im Ablenkfeldr Radius of the main beam path or the central path of the ions in the deflection field
t Zeitt time
t Flugzeit eines Ions zwischen Ionenquelle c und Ionennachweiseinrichtungt time of flight of an ion between ion source c and ion detection device
209886/0487209886/0487
t. Dauer des Beschleunigungsiippulses U, Beschleunigungsspannungt. Duration of the acceleration pulse U, acceleration voltage
u Normalisierter, radialer Abstand von der Mittelbahnu Normalized, radial distance from the central track
V Vergrößerung zwischen Eintrittsebene und ZwischenbildV Magnification between the entrance plane and the intermediate image
ν Geschwindigkeit eines Ions infolge seiner Beschleunigung durch einen vorgegebenen Impulsν Speed of an ion as a result of its acceleration through a given one pulse
χ Gesamtlänge der Flugstrecke zwischen Ionenquelle und Ionennachweiseinrichtungχ Total length of the flight path between the ion source and ion detection device
α Eintrittswinkel der Ionen in das Ablenkfeld ß AE/Eb α angle of entry of the ions into the deflection field ß AE / E b
ΔΕ . Bereich der Anfangsenergie der IonenΔΕ. Initial energy range of ions
At Flugzeitdispersion im elektrischen AblenkfeldAt time-of-flight dispersion in the electrical deflection field
At Flugzeitdispersion der Ionen in den geraden g Teilen der FlugstreckeAt time-of-flight dispersion of the ions in the straight g parts of the flight path
ψ Sektor- bzw. Ablenkwinkelψ Sector or deflection angle
209886/0487209886/0487
Claims (16)
h sin(hift)9 _ 2r cos (hy-l)
h sin (hift)
oder die Gleichunaρ- ctg (y ^) = O
or the Gleichuna
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19712137520 DE2137520A1 (en) | 1971-07-27 | 1971-07-27 | FLIGHT TIME MASS SPECTROMETER |
GB3493272A GB1405180A (en) | 1971-07-27 | 1972-07-26 | Time-of-flight mass spectrometer |
FR7226842A FR2147196B1 (en) | 1971-07-27 | 1972-07-26 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19712137520 DE2137520A1 (en) | 1971-07-27 | 1971-07-27 | FLIGHT TIME MASS SPECTROMETER |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2137520A1 true DE2137520A1 (en) | 1973-02-08 |
Family
ID=5814958
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19712137520 Withdrawn DE2137520A1 (en) | 1971-07-27 | 1971-07-27 | FLIGHT TIME MASS SPECTROMETER |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE2137520A1 (en) |
FR (1) | FR2147196B1 (en) |
GB (1) | GB1405180A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5077472A (en) * | 1989-07-12 | 1991-12-31 | Kratos Analytical Limited | Ion mirror for a time-of-flight mass spectrometer |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB9510699D0 (en) * | 1995-05-26 | 1995-07-19 | Fisons Plc | Apparatus and method for surface analysis |
-
1971
- 1971-07-27 DE DE19712137520 patent/DE2137520A1/en not_active Withdrawn
-
1972
- 1972-07-26 FR FR7226842A patent/FR2147196B1/fr not_active Expired
- 1972-07-26 GB GB3493272A patent/GB1405180A/en not_active Expired
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5077472A (en) * | 1989-07-12 | 1991-12-31 | Kratos Analytical Limited | Ion mirror for a time-of-flight mass spectrometer |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2147196B1 (en) | 1978-03-03 |
GB1405180A (en) | 1975-09-03 |
FR2147196A1 (en) | 1973-03-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE3914838C2 (en) | ||
EP0218920B1 (en) | Omega-type electron energy filter | |
DE69118492T2 (en) | Mass spectrometer with electrostatic energy filter | |
DE2255302C3 (en) | Equipment for secondary ion mass spectroscopy | |
DE1539659A1 (en) | Magnetic sector lens, especially in a mass spectrometer | |
DE2825760C2 (en) | Device for the alternative detection of positively and negatively charged ions at the output of a mass spectrometer | |
DE1937482A1 (en) | Microbeam probe | |
DE2934408A1 (en) | ION SOURCE WITH COLD CATHODE AND EQUIPPED MASS SPECTROMETER | |
DE1498646B2 (en) | ION MICROANALYSIS DEVICE | |
DE2628422B2 (en) | Methods of mass spectroscopy | |
DE2458025A1 (en) | DEVICE FOR MASS ANALYSIS AND STRUCTURAL ANALYSIS OF A SURFACE LAYER BY ION SCATTERING | |
DE2331091A1 (en) | DEVICE FOR DETERMINING THE ENERGY OF CHARGED PARTICLES | |
DE2540505A1 (en) | FLIGHT TIME MASS SPECTROMETERS FOR IONS WITH DIFFERENT ENERGIES | |
DE2137510A1 (en) | Electron-optical arrangement with an energy selection filter | |
WO2019193048A1 (en) | Ion mobility spectrometer and method for analyzing samples by ion mobility spectrometry | |
DE3872848T2 (en) | METHOD FOR ANALYZING THE FLIGHT TIME WITH CONTINUOUS SCANNING AND ANALYZING DEVICE FOR CARRYING OUT THE METHOD. | |
DE2705430A1 (en) | ELECTROSTATIC ANALYZER FOR CHARGED PARTICLES | |
DE1034884B (en) | Device for separating ions of different charge-mass ratios | |
DE1498983A1 (en) | Method and device for separating ions of different specific electrical charges | |
DE2031811B2 (en) | Double focusing stigmatic imaging mass spectrometer | |
DE2137520A1 (en) | FLIGHT TIME MASS SPECTROMETER | |
DE2347946A1 (en) | QUADRUPOLE FIELD MASS ANALYZER HIGH ENTRANCE APERTURE | |
DE2759116A1 (en) | MASS SPECTROMETRY | |
EP0185789B1 (en) | Charged-particles analyser | |
DE2835978A1 (en) | ENERGY ANALYZER FOR ANALYSIS OF THE ENERGY OF CHARGED PARTICLES |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |