DE2508402A1

DE2508402A1 - Ion or photon spectrum detector - for use in mass spectrometer, has conducting plate with linearly spaced holes to receive ions

Info

Publication number: DE2508402A1
Application number: DE19752508402
Authority: DE
Inventors: Nigel Graham Adams; David Smith
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1975-02-17
Filing date: 1975-02-27
Publication date: 1976-08-26

Abstract

The apparatus is also fitted with a channel plate electron multiplier (16) which receives ions or photons passing through the holes in the conducting plate (14), and generating electron currents at points corresponding to the position of holes through which they have passed. A group of conducting strips is used, and the strips are linearly spaced and insulated from each other, and they are placed along a line parallel to the group of holes in the conducting plate they receive electrons generated in the multiplier, and are connected to charge detectors.

Description

Ionen- oder Photonenspektrumdetektor Die Erfindung bezieht sich auf einen Ionen- oder Phtonenspektrumdetektor, beispielsweise zur Verwendung in einem Massenspektrometer. Der Detektor kann überall dort eingesetzt werden, wo es erwünscht ist, ein Ionenspektrum oder Photonenspektrum nachzuweisen oder zu überwachen. Ion or photon spectrum detector The invention relates to an ion or phton spectrum detector, for example for use in a Mass spectrometry. The detector can be used wherever it is required is to detect or monitor an ion spectrum or photon spectrum.

Mit herkömmlichen Massenspektrometern erhält man ein Ionenspektrum dadurch, daß eine Ionenquelle sequentiell abgetastet wird. Diese herkömmlichen Geräte enthalten im allgemeinen nur einen einzigen lonenauffänger und sind daher für Anwendungen ungeeignet, bei denen die Signale von mehreren Ionenarten kontinuierlich überwacht werden sollen oder die Ionenquelle in einem nicht wiederholbaren Impulsbetrieb arbeitet. Es wurden Massenspektrometer entwickelt, die in Verbindung mit einer fotografischen Platte ein vollständiges Spektrum von Ionen gleichzeitig erfassen können. Bei dem fotografischen Nachweis ist es allerdings nicht möglich, die Änderung der Ionensignale in Abhängigkeit von der Zeit festzustellen. An ion spectrum is obtained with conventional mass spectrometers by sequentially scanning an ion source. These conventional devices generally contain only a single ion collector and are therefore suitable for applications unsuitable where the signals from multiple ion species are continuously monitored or the ion source operates in a non-repeatable pulse mode. Mass spectrometers have been developed that work in conjunction with a photographic Plate a full spectrum of ions simultaneously capture can. With the photographic evidence, however, it is not possible to make the change of the ion signals as a function of time.

Es besteht daher ein Bedürfnis nach einem Massenspektrometer, das in der Lage ist, Ionen zu trennen und gleichzeitig und kontinuierlich eine Reihe von Ionensignalen zu überwachen, die von einer gepulsten kontinuierlich veränderlichen oder stabilen Ionenquelle erzeugt werden. Darüberhinaus ist es unter gewissen Umständen erforderlich, den herkömmlichen fotografischen Detektor in einem Photonenspektrometer durch einen Detektor zu ersetzen, der auch die Zeitabhängigkeit der zu überwachenden Signale erfassen kann. There is therefore a need for a mass spectrometer that is able to separate ions and simultaneously and continuously a series of ion signals to be monitored by a pulsed continuously variable or stable ion source. Moreover, it is under certain circumstances required the conventional photographic detector in a photon spectrometer to be replaced by a detector that also determines the time dependency of the monitored Can capture signals.

Nach der Erfindung ist ein Ionen- oder Photonenspektrumdetektor gekennzeichnet durch eine Reihe oder Gruppe von linear beabstandeten Öffnungen in einer leitenden Platte, durch einen Kanalplattenelektronenvervielfacher, der derart angeordnet ist, daß er die durch die Öffnungen tretenden Ionen oder Photonen empfängt und an Stellen, die den Positionen der Öffnungen entsprechen, durch die die Ionen oder Photonen treten, Elektronenströme erzeugt, durch eine Reihe oder Gruppe von linear beabstandeten leitenden Streifen, die sich voneinander isoliert längs einer Linie erstrecken, die parallel zu der linear unterteilten Reihe von Öffnungen verläuft, und die derart angeordnet sind, daß sie die in dem Vervielfacher erzeugten Elektronen empfangen, und durch Anschlüsse für jeden der leitenden Streifen, um die von jedem Streifen aufgefangenen Ladungen getrennt zu messen. According to the invention, an ion or photon spectrum detector is characterized through a series or group of linearly spaced openings in a conductive Plate, by a channel plate electron multiplier arranged in such a way that it receives the ions or photons passing through the openings and at places which correspond to the positions of the openings through which the ions or photons occur, streams of electrons generated by a series or group of linearly spaced conductive strips that extend along a line, insulated from one another, which runs parallel to the linearly divided row of openings, and which is such are arranged to receive the electrons generated in the multiplier, and through connections for each of the conductive strips to those of each strip to measure collected charges separately.

Ein lffiassenspektrometer ist nach der Erfindung gekennzeichnet durch ein evakuiertes Gehause, eine Einrichtung zum Erzeugen von gleichförmigen und innerhalb dem Gehäuse senkrecht aufeinanderstehenden elektrischen und magnetischen Feldern, eine IoneninJektionsquelle, die in dem Gehäuse derart angeordnet ist, daß die Ionen in dem Gehäuse Zykloidenbahnen folgen und eine von der Ionenquelle ausgehende Brennebene längs einer in der Ebene befindlichen Linie an Stellen durchqueren, die von der Masse der Ionen abhängen, und durch einen Ionendetektor der oben beschriebenen Art, der derart angeordnet ist, daß seine Öffnungsreihe mit der Linie zusammenfällt. An opening spectrometer is characterized according to the invention by an evacuated housing, a device for creating uniform and within the housing perpendicular to each other electrical and magnetic Fields, an ion injection source which is arranged in the housing in such a way that the ions Cycloidal paths follow in the housing and a focal plane emanating from the ion source traverse along a line in the plane at points that are affected by the Depend on the mass of the ions, and by an ion detector of the type described above, which is arranged so that its row of openings coincides with the line.

Die Öffnungen sind vorzugsweise in einer leitenden Platte ausgebildet, die auf einem kleinen negativen Potential gehalten wird, das dem Potential der Ionenquelle ähnlich ist und beispielsweise -14 V beträgt. Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist eine zweite, ähnlich ausgebildete leitende Platte vorgesehen, die eine ähnliche lineare Reihe von Öffnungen trägt. Die zweite leitende Platte ist zwischen der erstgenannten leitenden Platte und dem Elektronenvervielfacher angeordnet. Die zweite leitende Platte ist an eine Spannungsquelle mit einem größeren negativen Potential von beispielsweise -600 V gelegt, um eine Kollimation der Ionen zu bewirken, die durch die Öffnungen der ersten Platte treten. The openings are preferably formed in a conductive plate, which is kept at a small negative potential equal to the potential of the ion source is similar and is for example -14 V. In a preferred further development a second, similarly formed conductive plate is provided which has a similar linear series of openings bears. The second conductive plate is between the former conductive plate and the electron multiplier. The second senior Plate is connected to a voltage source with a larger negative potential of, for example -600 V applied to cause a collimation of the ions passing through the openings kick the first plate.

Um die Auflösung des Detektors zu verbessern, sind vorzugsweise zusätzliche leitende Streifen vorgesehen, die geerdet sind und von denen jeweils einer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Streifen der erstgenannten leitenden und als Auffänger dienenden Streifen angeordnet ist. In order to improve the resolution of the detector, additional ones are preferred conductive strips are provided which are grounded and each of which is between two consecutive strips of the former conductive and as a catcher serving strip is arranged.

Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen genauer erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein zur Erläuterung der Erfindung dienendes Diagramm, Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht eines nach der Erfindung ausgebildeten Massenspektrometers, Fig. 3 und Fig. 4 Querschnitte längs von Linien III-III und IV-IV der Fig. 2, Fig. 5 eine Einzeldarstellung der Detektorstruktur des in der Fig. 2 gezeigten Massenspektrometers und Fig. 6 eine Reihe von leitenden Streifen, die in dem Detektor verwendet werden. The invention is explained in more detail with reference to drawings. It demonstrate: 1 shows a diagram used to explain the invention, Fig. 2 is a partially sectioned view of one formed according to the invention Mass spectrometer, Fig. 3 and Fig. 4 cross-sections along lines III-III and IV-IV of FIG. 2, FIG. 5 shows an individual representation of the detector structure of the in FIG Fig. 2 shown mass spectrometer and Fig. 6 a series of conductive strips, which are used in the detector.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 sei angenommen, daß ein Ion mit einer Masse m und einer Ladung e von einem Punkt 0 emittiert wird, der den Ursprung eines kartesischen Koordinatensystems mit den Koordinaten x, y und z bildet. Referring to Fig. 1, assume that an ion with a Mass m and a charge e is emitted from a point 0, which is the origin of a Cartesian coordinate system with the coordinates x, y and z.

Das Ion wird in der Richtung des eingezeichneten Pfeils 1 emittiert. Gleichförmige, aufeinander senkrecht stehende elektrische und magnetische Felder E und B verlaufen in Richtung der y- bzw. z-Achse. Man kann zeigen, daß das Ion einer Zykloidenbahn 2 folgt und die x-Achse an einem Punkt b erneut schneidet, der durch die folgende Gleichung gegeben ist: b = 2rrmE/B2e Wie man sieht, ist der Wert von b von der Anfangsenergie des Ions und vom Winkel @ zwischen dem Pfeil 1 und der x-Achse unabhängig. Weiterhin kann man der obigen Gleichung entnehmen, daß bei konstantem E und B die Masse m dem Abstand b direkt proportional ist, so daß emittierte Ionen unterschiedlicher Masse mit linearer Abhängigkeit von der Masse fokussiert werden. Wenn man daher eine Gruppe oder Reihe von schmalen Schlitzen oder Öffnungen längs einer Brennlinie anordnet, die mit der x-Achse zusammenfällt, ist es möglich, alle von der Quelle ausgesandten Ionen gleichzeitig aufzufangen. Darüberhinaus ist es möglich, das Vorhandensein von Ionen unterschiedlicher Masse gleichzeitig nachzuweisen.The ion is emitted in the direction of the arrow 1 shown. Uniform, mutually perpendicular electric and magnetic fields E and B run in the direction of the y and z axes, respectively. One can show that the ion follows a cycloid trajectory 2 and intersects the x-axis again at a point b which is given by the following equation: b = 2rrmE / B2e As can be seen, the value is of b from the initial energy of the ion and from the angle @ between the arrow 1 and the x-axis independently. Furthermore, one can see from the above equation, that with constant E and B the mass m is directly proportional to the distance b, so that emitted ions of different masses with a linear dependence from to be focused on the crowd. Therefore, if you have a group or series of narrow Arranges slots or openings along a focal line that coincides with the x-axis, it is possible to collect all ions emitted by the source at the same time. In addition, it is possible for ions of different masses to be present to be proven at the same time.

Ein nach der Erfindung ausgebildetes Massenspektrometer ist in den Figuren 2, 3 und 4 dargestellt. Die Ansicht nach der Fig. 2 entspricht dem Diagramm der Fig. 1, wohingegen die Figuren 3 und 4 Schnitte längs von Linien III-III und IV-IV zeigen, die in die Fig. 2 eingezeichnet sind. Das Massenspektrometer ist in einem evakuierten Gehäuse mit leitenden Wänden 3 untergebracht, die parallel zueinander verlaufen und in der z-Richtung voneinander beabstandet sind. Ein gleichförmiges magnetisches Feld B erstreckt sich innerhalb des Gehäuses in der z-Richtung und wird von einem Magneten mit Pol stücken 4 und 5 erzeugt. Ein gleichförmiges elektrisches Feld e verläuft in der y-Richtung und wird von zwei Gruppen oder Reihen von feinen Drähten 6 erzeugt, die sich parallel zueinander längs des Gehäuses erstrecken. Von einer nicht dargestellten Widerstandskette wird jedem der aufeinanderfolgenden Drähte der beiden Drahtgruppen ein genau abgestuftes Potential zugeführt, um die vorschriftsmäßige Gleichförmigkeit des elektrischen Feldes zu erzeugen. Die Grenzen des elektrischen Feldes E werden durch leitende Platten 7, 8, 9 und 10 definiert. A mass spectrometer designed according to the invention is in the Figures 2, 3 and 4 shown. The view according to FIG. 2 corresponds to the diagram 1, whereas FIGS. 3 and 4 are sections along lines III-III and IV-IV, which are drawn in FIG. 2. The mass spectrometer is in housed an evacuated housing with conductive walls 3 that are parallel to each other and are spaced apart in the z-direction. A uniform one magnetic field B extends within the housing in the z-direction and is generated by a magnet with pole pieces 4 and 5. A uniform electric Field e runs in the y direction and is made up of two groups or rows of fine Wires 6 generated, which extend parallel to each other along the housing. from a resistor chain (not shown) becomes each of the successive wires the two wire groups are supplied with a precisely graduated potential in order to achieve the correct Generate uniformity of the electric field. The limits of the electric Field E are defined by conductive plates 7, 8, 9 and 10.

Wie es aus der Fig. 3 hervorgeht, ist innerhalb des evakuierten Gehäuses eine Ionenquelle 11 mit einem Auslaßspalt 12 angeordnet, der gegenüber dem elektrischen Feld durch die leitende Platte 8 abgeschirmt ist. Wie es an Hand der Fig. 1 beschrieben ist, folgen die aus dem Spalt 12 austretenden Ionen in dem Gehäuse Zykloidenbahnen, beispielsweise der Bahn 2, und kreuzen eine vom Punkt oder Spalt 12 in der x-Richtung verlaufende Brennebene 13 an Stellen, die lediglich von ihrer Masse m und Ladung e abhängen. Die Kreuzungspunkte sind unabhängig von den ursprunglichen Energie- und Geschwindigkeitsvektoren der Ionen. As can be seen from Fig. 3, is inside the evacuated housing an ion source 11 is arranged with an outlet gap 12 opposite the electrical Field is shielded by the conductive plate 8. As described with reference to FIG is, the ions emerging from the gap 12 follow cycloid paths in the housing, for example of the path 2, and cross one extending from the point or gap 12 in the x-direction Focal plane 13 at points that only depend on their mass m and charge e. The crossing points are independent of the original energy and velocity vectors of ions.

Ein in der Fig. 5 im einzelnen dargestellter Ionenauffänger ist in'der Brennebene 13 vorgesehen, um die Ionen zu empfangen und nachzuweisen. Die Fig. 5 stellt eine Teilansicht aus der Fig. 2 dar. Der Ionenauffänger enthält eine leitende Platte 14, die längs der Brennlinie 13 mit einer Reihe von Schlitzöffnungen versehen ist, die voneinander beabstandet sind. Hinter der Platte 14 befindet sich eine in ähnlicher Weise geschlitzte leitende Platte 15. Die Platte 14 befindet sich auf demselben Potential wie die Ionenquelle 11. Dieses Potential kann in bezug auf die Wände des Gehäuses etwa -14 V betragen. Die Platte 15 ist mit einer Spannungsquelle verbunden, die die Platte auf einem negativen Potential von etwa -600 V hält. Hinter der Platte 15 ist ein Kanalplattenelektronenvervielfacher 16 angeordnet, der bei einem Potential von etwa -1 kV arbeitet. Der Kanalplattenelektronenvervielfacher 16 wird derart betrieben, daß er in denjenigen von seinen Kanälen Elektronenströme erzeugt, in denen Ionen empfangen werden, die durch die entsprechenden Schlitzöffnungen in den Platten 14 und 15 getreten sind. Die Intensität des von einem Kanal gewonnenen Elektronenstrom hängt von der Intensität des Ionenflusses in dem betreffenden Kanal ab. An ion collector shown in detail in FIG. 5 is in'der Focal plane 13 is provided to receive and detect the ions. The Fig. 5 Fig. 3 is a partial view of Fig. 2. The ion trap includes a conductive one Plate 14, which is provided along the focal line 13 with a series of slot openings which are spaced from each other. Behind the plate 14 there is an in similarly slotted conductive plate 15. The plate 14 is on top same potential as the ion source 11. This potential can with respect to the Walls of the housing are about -14 V. The plate 15 is connected to a voltage source connected, which keeps the plate at a negative potential of about -600 V. Behind the plate 15 is a channel plate electron multiplier 16 is arranged, which at a potential of about -1 kV works. The channel plate electron multiplier 16 is operated in such a way that it has electron currents in those of its channels generated in which ions are received through the corresponding slot openings in the plates 14 and 15 have stepped. The intensity of what is gained from a channel Electron current depends on the intensity of the ion flow in the channel in question away.

Die vom Kanalplattenelektronenvervielfacher 16 emittierten Elektronen werden von einer Reihe oder Gruppe 17 von linear beabstandeten leitenden Streifen 18 nachgewiesen, die im einzelnen in der Fig. 6 dargestellt sind. Die Streifen 18 der Gruppe sind voneinander isoliert und Jeweils mit einzelnen Ladungsdetektoren 19 verbunden. Zwischen den Streifen 18 befinden sich Trennstreifen 20, die alle mit einem Seitenstreifen 21 in Verbindung stehen, der geerdet ist. Die Wirkung der geerdeten Streifen 20 besteht darin, die Auflösung des Detektors zu verbessern und ein "Ubersprechenw zwischen benachbarten Nachweisstreifen 18 zu vermeiden. Die gesamte Streifengruppe 17 kann man unter Anwendung der gedruckten Schaltungstechnik herstellen. The electrons emitted from the channel plate electron multiplier 16 are made up of a row or group 17 of linearly spaced conductive strips 18 detected, which are shown in detail in FIG. The stripes 18 the group are isolated from each other and each with individual charge detectors 19 connected. Between the strips 18 there are separating strips 20, all of them communicate with a side strip 21 which is grounded. The effect of the grounded strip 20 is to improve the resolution of the detector and to avoid crosstalk between adjacent detection strips 18. The entire Strip group 17 can be made using printed circuit technology.

Obwohl die Erfindung an Hand eines Massenspektrometers mit zueinander querverlaufenden elektrischen und magnetischen Feldern beschrieben wurde, sei bemerkt, daß man den lonendetektor auch in anderen Arten von Massenspektrometern verwenden kann und darüberhinaus auch in anderen Instrumenten. Ferner kann er auch als Photonendetektor in anderen Arten von Spektrometern dienen. Although the invention is based on a mass spectrometer with each other transverse electric and magnetic fields, it should be noted that that the ion detector can also be used in other types of mass spectrometers can and also in other instruments. It can also be used as a photon detector serve in other types of spectrometers.

Claims

Ion or photon spectrum detector, for example for use in a mass spectrometer characterized by a group of linearly spaced Openings in a conductive plate (14), through a channel plate electron multiplier (16), which is arranged in such a way that it absorbs the ions passing through the openings or receives photons and at locations corresponding to the positions of the openings through which the ions or photons enter, electron streams generated, through a group (17) of linearly spaced conductive strips (18) which are isolated from one another extend along a line parallel to the group of openings, and which are arranged in such a way that they absorb the electrons generated in the multiplier received, and through terminals for each of the conductive strips for connection of charge detectors (19).

2. Spectrum detector according to claim 1, characterized in that one second group of linearly spaced openings in a second conductive plate (15) is provided between the first-mentioned conductive plate (14) and the Electron multiplier (16) is provided.

3. Spectrum detector according to claim 1 or 2, characterized in that that in each case between two of the successive conductive ones serving as interceptors Strip (18) an additional conductive strip (20) is provided, which is grounded is.

4. Spectrum detector according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the detector is built into a mass spectrometer, the uniform, Has mutually perpendicular electric and magnetic fields and one Ion injection source (11) contains the electrons due to their arrangement injected in a plane perpendicular to the magnetic field, so that the Ions follow cycloidal trajectories and a focal plane along one of the source (11) cross the outgoing line (13) at points that depend on the mass of the ions, and in that the detector is arranged such that the apertured one is the former conductive plate (14) coincides with the line (13).