DE2322203C2

DE2322203C2 - Massenspektrometer

Info

Publication number: DE2322203C2
Application number: DE2322203A
Authority: DE
Inventors: Wilson M. 91106 Arcadia Calif. Brubaker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-05-05
Filing date: 1973-05-03
Publication date: 1982-09-16
Also published as: DE2322203A1; US3800140A

Description

Die Erfindung betrifft ein Massenspektrometer mit einer Ionenquelle, mit einer Beschleunigungs-Spannungsquelle zur Erzeugung eines beschleunigten Ionenstrahls, mit einem magnetischen Sektorfeld-Analysator, mit einem Spalt zum Ausblenden eines Ionenbündels aus dem analysierten Ionenstrahl, mit einer hinter dem Spalt angeordneten elektrischen Nachweisvorrichtung, die ein dem auffallenden Ionenbündel proportionales Signal abgibt, mit einer zwischen Sektorfeld-Analysator und Spalt angeordneten Einrichtung für die Erzeugung eines quer zum Ionenstrahl gerichteten inhomogenen elektrostatischen Feldes, wobei die Einrichtung mindestens sechs in gleicher Entfernung X von dem Spalt und um den Ionenstrahl angeordneten Elektroden und eine mit diesen elektrisch verbundene Spannungsversorgung aufweist, die jede einzelne Elektrode auf ein individuell einstellbares, proportional zur Beschleunigungsspannung K_arr variierendes Potential legt Ein derartiges Massenspektrometer ist aus der GB-PS 12 33 812 bekannt.

Aus »The Review of Scientific Instruments« 27 (1956), Seiten 849 -^853 ist es bekannt, daß der Durchgang von Ionen durch die Rändfelder eines magnetischen Sektorfeldes eines magnetischen Massenspektrometer eine Wölbung des Bildes eines geraden Objektes bewirkt, sogenannte Berry-Wölbungsaberration, Die Berry Wölbungsaberration wird dadurch herVorgeru* fen, daß die Ionenbahnen, die in der Mittelebene Hegen, geringfügig von den Ionenbähnen abweichen, welche in gewählt ist wobei χ die erforderliche seitliche Verschiebung des Ionenstrahls am Spalt ist

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß durch die Ausbildung der Elektroden als ebene Platten in zwei zur Ablenkebene senkrechten Ebenen eine genaue Angabe der Spannung Vdef möglich ist, die beim Anlegen an die Plattenpaare die erforderliche seitliche Verschiebung des Ionenstrahls am Spalt bewirkt, wodurch eine sehr genaue Korrektur der Bildaberration möglich ist. Durch diese weitgehende Beseitigung der Berry-Wölbungsaberration kann das Massenspektrometer relativ klein ausgebild werden, da ein kleiner Spektrometer- Radiuv. TiIr die notwendige räumliche Trennung der gerade gerichteten !onenbilder ausreicht

Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Massenspektrometer mit einer Einrichtung zur Korrektur von ionenoptischen Bildaberrationen,
F i g. 2a und 2b eine schematische Darstellung der

Ώ Bahn des Ionenstrahls in verschiedenen Magnetfeldebenen,

F i g. 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch den Ionenstrahl mit Berry-Aberration und mit Korrektur,

F i g. 4 eine Darstellung der Flußdichte eines Magnetfeldes in der Medianebene und in der Nähe eines Polschuhs und

F i g. 5 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen den Platten und dem Spalt zum Ausblenden eines lonenbündels.

Gemäß Fig, 1 und 3 ist eine veränderliche GleighspannUngsquelle 2 für die Speisung sowohl des ionenstrahlerzeuger 12 als auch der Platten 20,22 und 24 vorgesehen. Eine Vakuumpumpe, ZvB, eine Ionen-

pumpe 8, hält einen Druck in der Größenordnung Von 10"* Pa aufrecht, so daß die meisten Ionen ohne Kollision mit Gasmöleküien durch das Spektrometer gehen.

Der Ionenstrahl durchläuft auf seiner Bahn 7 einen magnetischen Sektorfeld-Analysator 14,16, der ein Feld erzeugt, welches die Bahn des Ionenstrahls krümmt. Eine Nachweisvorrichtung in Form eines Faraday-Bechers 15 nimmt ein lonenbündel auf, das durch einen Spalt 25 aus dem Ionenstrahl ausgeblendet wird. Das von der Nachweisvorrichtung 15 empfangene Signal wird durch einen Verstärker 17 verstärkt und in der Aufzeichnungsvorrichtung 19 aufgezeichnet

Gemäß F i g. S sind vor dem Spalt 25 Plattenpaare 20, 22 und 24 angeordnet; diese erhalten Spannungen Vdct, weiche vorgegebene Bruchteile der Beschleunigungsspannung V_acc sind von Potentiometern 30 geliefert werden, wobei für jedes Plattenpaar 20, 22, 24 ein Potentiometer 30 vorgesehen ist Der Mittelwert der an jedes Plattenpaar angelegten Potentiale ist Null, da der aus der Ionenquelle fließende Strom gegenüber dem Strom durch den Spannungsteiler 28 zu vernachlässigen ist und R\ und /?2 gleich sind.

Die Plattenpaare 20 und 24 werden in einer Richtung vorgespannt, während das weitere Plattenpaar 22 in der anucrcn »xiCntung vorgespannt Wird. Gemäß Fi;?. 3 besitzt das Bild 40 die Berry-Kriimmung mit d^m Radius R', die durch Anlegen geeigneter Spannungen an die Plattenpaare 20, 22 und 24 abgeschwächt werden kann. Die Randabschnitte des Bildes werden durch die von den Plattenpaaren 20 und 24 erzeugten Felder relativ nach rechts verschoben, während der Mittelabschnitt durch das Plattenpaar 22 relativ nach links verschoben wird, so daß ein gerades Bild 42 entsteht.

Die seitlichen Verschiebungen sind unabhängig von der Ionenmasse, wenn die an die Plattenpaare 20,22,24 angelegten Spannungen proportional zu der kinetischen Energie der Ionen sind, wenn also diese Spannungen proportional zu der Beschleunigungsspannung V_äcc der Ionen gewählt werden. Beim Durchqueren eines elektrischen Feldes, welches durch das Anlegen einer Spannung V_dt./ an die Plattenpaare erzeugt wird, wobei die Plattenpaare eine Länge L in Richtung der optischen Achse sowie einen Abstand D voneinander besitzen, wird ein d^rch eine Beschleunigungsspannung V_acc beschleunigter Ionenstrahl um einen Winkel Φ=1/2 (LZD) (V_de//V_3CC) rad abgelenkt. Wenn nach dieser Ablenkung der Ionenstrahl eine Entfernung X mit konstamter Energie zurückgelegt, beträgt seine seitliche Versetzung χ

χ=ΧΦ (1)

Durch Elimination von Φ ergibt sich:

V_dcl/V_3n = 2 (DZL)(^X) (2).

Die Gleichung (2) liefert die an die Plattenpaare 20,22 und 24 anzulegende Spannung V_def, durch die das Bild um eine Strecke χ verschoben wird, wenn die Mittelpunkte der Plattenpaare einen Abstand X von dem Spalt 25 besitzen, siehe F i g. 5.

In den Fig. 2a und 2b bezeichnet A die Bahnebene eines Teiles des Iontnstrahles 7, welche durch die Medianebene des Magneten geht, während B die Bahnebene eines Abschnittes des Strahles 7 bezeichnet, welcher den Magneten in einer Ebene durchquert, die näher an einer Polgrenze liegt Fig.4 zeigt die relative Flußintensität B längs des Ionenwegs 7 in der Nachbarschaft der Magnetkante. B_A stellt die Flußdichte in einer Medianebene dar, während Bb die Flußdichte längs einer Ionenbahn in der Nähe eines Polschuhs

ίο darstellt F i g. 2b zeigt die unterschiedliche Ablenkung der Ionen wege in jeder der Ebenen A und B als Folge der unterschiedlichen Feldverteilung gemäß F i g. 4. Die Wege werden innerhalb des Magneten parallel angenommen, und sie sind beim Verlassen des Magneten

π parallel. Die Ionenwege sind relativ zueinander versetzt aufgrund der Unterschiede in der Feldverteilung gemäß F i g. 4. In diesem Unterschied der Ionenwege äußerst sich die Berry-Aberration. Beim Anlegen der Spannung Vdei z. B. an das Plattenpaar 20 wird derjenige Teil des Ionenstrahls, der allgemeinen in der Nähe des Plattenpaares 20 liegt, quer zur Sf ,hlrichtung abgelenkt, wodurch die gekrümmten StraMg-cnzcn gerade gerichtet werden, während der Strahl zu dem Spalt 25 fortschreitet

Die genaue Anordnung der Plattenpaare 20, 22 und 24 läng^r der Bahn 7 des Ionenstrahls ist frei wählbar, solange die Gleichung (2) erfüllt ist.

Die Plattenpaare 20,22 und 24 bewirken einen Effekt erster Ordnung; es wird daher kein streng rechteckiges Bild mit geraden Seitenkanten erzeugt Es läßt sich jedoch abschätzen, daß bei Verwendung der Plattenpaare 20, 22 und 24 der Anteil der Berry-Aberration an der Strahlbreite um mindestens 75% reduziert wird.
Die Spannungen V^gemäß Gleichung (2) lassen sich

j5 durch die Rückkopplungs-Anordnung erhalten, 7. B. eine Rechnerschaltung 13 in Fig. 1, welche die Potentiometer-Schleifarme 46 mittels eines Stellmotors 44 und eine;- passenden mechanischen Kopplung solange antreibt, bis die Breite des Ionenstrahl an · Spalt 25 minimalisiert ist

Wenn ferner das Massenspektrum durch den Sek orfeld-Analysator 14, 16 magnetisch abgetastet werden soll, wird die normierte Verteilung des magnetischen Feldes aufgrund des Sättigungseffektes

4-, an den Kanten der Polschuhe eine FunKtion der FeWintensität. Diese Variation ändert die Berry-Aberration. Die Rechnerschaltung 13 folgt diesen Änderungen und gibt die geeigneten Korrektursignale für die Neueinstellung der mitlaufenden Potentiometer 30 an.

-,ο Umgekehrt kann die Rechnerschaltung Einstellungen der Plattenspannungen in Abhängigkeit von der Intensii.it des magnetischen Feldes bewirken. Die Feldintensität kann direkt durch den magnetischen Wand'er 31 gemessen werden, oder sie kann durch ein Signal von der Magnetsteuerung 16 angenähert bestimmt werden.

Hicr/u 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Massenspektrometer mit einer Ionenquelle, mit einer Beschleunigungs-Spannungsquelle zur Erzeugung eines beschleunigten Ionenstrahl, mit einem magnetischen Sektorfeld-Analysator, mit einem Spalt zum Ausblenden eines Ionenbündels aus dem analysierten Ionenstrahl, mit einer hinter dem Spalt angeordneten elektrischen Nachweisvorrichtung, die ein dem auffallenden Ionenbündel proportionales Signal abgibt, mit einer zwischen Sektorfeld-Analysator und Spalt angeordneten Einrichtung für die Erzeugung eines quer zum Ionenstrahl gerichteten inhomogenen elektrostatischen Feldes, wobei die Einrichtung mindestens sechs in gleicher Entfernung X von dem Spalt und um den Ionenstrahl angeordneten Elektroden und eine mit diesen elektrisch verbundene Spannungsversorgung aufweist, die jfie einzelne Elektrode auf ein individuell einstellbares, proportional zur Beschleunigungsspannung Wacc variierendes Potential legt dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (20, 22, 24) als ebene Platten mit der Länge L in Ionenstrahlrichtung ausgebildet sind, die sich in zwei zur Ablenkebene senkrechten und zueinander parallelen Ebenen in einem Kbstand D paarweise gegenüberstehen, und daß die Spannung Va_ei zwischen den Platten eines jeden Plattenpaares gemäß der Gleichung

VaJV^-I(DZL)-(XZX)

gewählt ist, wobei . die .(-forderliche seitliche Verschiebung des Ionenstrahl am Spalt (25) ist.

Ebenen in der Nähe der magnetischen Polschuhe liegen. Die Bahndifferenzen beruhen auf Differenzen in der Verteilung der magnetischen Feldstärke in dem Randbereich, der hauptsächlich außerhalb der geome-

■j irischen Grenze der Magnetpolschuhe liegt

Bei dem aus GB-PS 12 33 812 bekannten Massenspektrometer besitzen die im Bereich des Spaltes um den Ionenstrahl angeordneten Elektroden einen zylindrischen Querschnitt und dienen zur Korrektur von

ίο Bildaberrationen. Die an die Elektroden angelegten Potentiale sollen dabei so groß gewählt werden, daß die beobachtete Bildaberration möglichst klein ist

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die Elektroden um den Ionenstrahl im Bereich des Spaltes so auszubilden und anzuordnen, daß die an gegenüberliegende Elektrodenpaare anzulegende Spannung zur weitgehenden Beseitigung der Aberration des ionenoptischen Bildes genau vorgebbar ist
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektroden als ebene Platten mit der Länge L in Ionenstrahlricntung ausgebildet sind, die sich in zwei zur Ablenkebene senkrechten und zueinander parallelen Ebenen in einem Abstand D paarweise gegenüberstehen, und daß die Spannung Vdei zwischen den Platten eines jeden Plattenpaares gemäß der Gleichung