DE2754685C2

DE2754685C2 - Vorrichtung zum Überführen von Ionen aus einem Massenfilter in einen Ionendetektor

Info

Publication number: DE2754685C2
Application number: DE2754685A
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr.Rer.Nat. 2878 Wildeshausen Franzen; Gerhard Dipl.-Phys. 2801 Stuhr Weiß
Original assignee: Bruken Franzen Analytik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 1977-12-08
Filing date: 1977-12-08
Publication date: 1982-04-15
Also published as: DE2754685A1; EP0002430A1; EP0002430B1; US4230943A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überführen von Ionen aus einem Massenfilter in einen Ionendetektor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Eine derartige Vorrichtung ist aus »Review of Scientific Instruments« 41 (1970), Seite 1513 bekannt.

Die bekannte Vorrichtung wird für aus einem Quadrupol-Massenfilter austretende Ionen eingesetzt und weist zwei in bezug auf die Quadrupolachse schräg stehende Ablenknetze auf, zwischen denen die Ionen durch ein elektrostatisches Feld in den Eingang eines Ionendetektors gelenkt werden.

Bei einer derartigen Vorrichtung wirkt sich allerdings nachteilig aus, daß Multipol-Massenfilter die Eigenschaft besitzen, daß die zu untersuchenden Ionen bei ihrem Austritt aus dem Massenfilter eine von der Ionenmasse und der Phase des Multipol-Hochfrequenzfeldes abhängige Energie- und Wmkelverteilung aufweisen. Diese massenabhängigen Energie- und Winkelverteilungen der Ionen bewirkt eine mehr oder minder große Massenabhängigkeit der Ionen-Umlenkung und damit einen unzureichenden Wirkungsgrad für den Nachweis.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe

ίο zugrunde, die eingangs genannte Vorrichtung dahingehend zu verbessern, daß eine zuverlässige und wirkungsvolle Führung der zu untersuchenden Ionen zwischen Massenfilter und Ionendetektor gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Massenspektrometer der eingangs genannten Art gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 1 gelöst.

Zwischen Leiter und Gehäuse wird eine elektrische Spannung gelegt, und zwar derart, daß der Leiter ein dem Vorzeichen der Ionenladung entgegengesetztes Potential aufweist

Zur Erklärung der Wirkungsweise ist zu beachten, daß eine koaxiale Anordnung von elektrischen Leitern folgende Potentialverteilung besitzt

Dabe' sind η bzw. /> die Radien von Innen- bzw. Außenleiter und U₀ das Potential des Innenleiters. Gelangen nun geladene Teilchen (Ladung q) in ein derartiges Feld, so erfahren sie eine radial zur Leiteranordnung gerichtete Kraft vom Betrag

K = grad £/(/■) · q.

unter deren Wirkung sie sich auf ellipsenartigen Bahnen um den Ionenleiter bewegen. Besitzen die geladenen Teilchen eine axiale Geschwindigkeitskomponente, so gehen die ebenen Bahnen in ellipsenartige Schraubenbahnen über. Die Bewegung der Ionen erfolgt damit vom Radialfeld geführt in axialer Richtung.

Diese idealisiert dargestellten Verhältnisse liegen — zumindest in einiger Entfernung von der Eintritts- und der Austrittsöffnung — angenähert auch bei der Erfindung vor.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels mit einem durchgezogenen Führungsdraht,

F i g. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels,

F i g. 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels mit zur Achse des Massenfilters hin gebogenem freien Ende des Führungsdrahtes und

F i g. 4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels mit zwei Ionendetektoren.

Das in F i g. 1 teilweise dargestellte Massenspektrometer besteht aus einem Quadrupol-Massenfilter 10 und einem zu dessen Achse 11, die strichpunktiert angedeutet ist, versetzten Sekundärelektronenvervielfacher 12 als Ionendetektor. Quadrupol-Massenfilter 10 und Sekundärelektronenvervielfacher 12 sind ionenoptisch durch eine Ionenführungsvorrichtung 13 verbun-

den. Die Vorrichtung 13 besteht aus einem zwischen Quadrupol-Massenfilter 10 und Sekundärelektronenvervielfacher 12 senkrecht zu deren Längsachsen sich erstreckenden Gehäuse 14, in dessen Längsachse ein Metalldraht 16 gespannt ist, der an den Stirnflächen 17 des Gehäuses 14 mittels Isolierungen 18 befestigt ist. Der Draht 16 ist auf ein elektrisches Potential vorgespannt, das die aus dem Quadrupol-Massenfilter 10 austretenden Ionen anzieht, die mitteis des Sekundärelektronenvervielfachers 12 detektiert w erden sollen. Das Gehäuse 14 besitzt jeweils eine mit dem Quadrupol-Massenfilter 10 und dem Sekundärelektronenvervielfacher 12 in Verbindung stehende Öffnung 19 bzw. 21, wobei die Öffnungen 19,21 so angeordnet sind, daß der wesent'iche Teil der zu untersuchenden Ionen vom Quadrupol-Massenfilter 10 durch die Öffnung 19 in das Gehäuse 14 eintreten und aus dem Gehäuse 14 durch die Öffnung 21 zum Sekundärelektronenvervielfacher 12 austreten kann. In der Richtung der Achse 11 des Quadrupol-Massenfilters besitzt das Gehäuse 14 eine Öffnung 22 zum Austritt gegebenenfalls vorhandener oder durch Entladung von Ionen am Metalldraht 16 entstehender Neutralteilchen. Die Öffnung 22 liegt dabei der öffnung 19 für den Eintritt der Teilchen aus dem Quadrupol-Massenfilter 10 gegenüber. Mit der ersten Dynode des Sekundärelektronenvervielfachers 12 ist bei der Öffnung 21 ein rohrförmiger Ansatz 23 verbunden, der mit der Öffnung 21 zum Heraustreten der Ionen aus der Vorrichtung 13 eine ionenoptische Linse bildet. Der rohrförmige Ansatz 23 ist dabei für die zu untersuchenden Ionen elektrisch anziehend vorgespannt. Das Gehäuse 14 wird gegebenenfalls auf einem Potential gehalten, das dem Potential des Metalldrahtes 16 vorzeichenmäßig entgegengesetzt ist.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist der Metalldraht 16 lediglich an einem Ende, nämlich in der Nähe des Sekundärelektronenvervielfachers 12, isoliert gegen das Gehäuse 14 an der dort befindlichen Stirnfläche 17 eingespannt, vährend der Metalldraht 16 im Gehäuse 14 in Höhe der Öffnung 19 zum Quadrupol-Massenfilter 10 frei endet. Dem freien Ende 26 des Metalldrahtes 16 gegenüber befindet sich eine Platte 27, die gleichsinnig zur Ladung der zu untersuchenden Ionen vorgespannt ist, so daß sie diese abstößt.

Die Wirkungsweise des in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiels entspricht im wesentlichen der des in F i g. 1 dargestellten, wobei lediglich die Teilchen durch die Platte 27 eine vergrößerte Geschwindigkeitskomponente entlang des Metalldrahtes 16 zum Sekundärelektronenvervielfacher 12 hin erfahren.

Beim in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der in der Nähe des Sekundärelektronenvervielfachers 12 an der dort befindlichen Stirnfläche 17 eingespannte Metalldraht 16 mit seinem freien Ende beim Massenfilter 10 in die öffnung 19 zum Eintritt der zu untersuchenden Ionen in das Gehäuse 14 derart hineingebogen, daß sein freies Ende 28 mit der Achse des Quadrupol-Massenfilters 10 im wesentlichen fluchtet. So können die aus dem Quadrupol-Massenfilter 10 durch die Öffnung 19 austretenden Ionen direkt durch den führenden Metalldraht 16 aufgenommen und an ihm entlang in ellipsenartigen Schraubenbahnen bis in Höhe der Austrittsöffnung 21 geführt werden.

In F i g. 4 ist eine Vorrichtung 13 dargestellt, die zur Multipolachse symmetrisch aufgebaut ist Das Gehäuse 14 besitzt an beiden Enden auf der Seite, die dem Quadrupol-Massenfilter 10 gegenüberliegt, je eine Öffnung 21. Die zu untersuchenden Ionen treten aus dem Gehäuse 14 durch die Öffnungen 21 in die zugeordneten Sekundärelektronenvervielfacher 12, 12' ein. Die die Ionen führenden Metalldrähte 16 und 16' sind an den beiden Stirnflächen 17 des Gehäuses 14 mittels Isolierungen 18 eingespannt und in der Mitte zwischen den Öffnungen 19 und 22 so angeordnet, daß sie sich in ihrer Achse fluchtend im Zentrum der

2t) Eintrittsöffnung gegenüber stehen, ohne sich zu berühren. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die sich dort gegenüberstehenden Drahtenden mittels einer kleinen Glasperle 29 mechanisch stabil und gleichzeitig elektrisch isoliert verbunden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 können beide Drähte auf verschiedene elektrische Potentiale gelegt werden, wobei vorzugsweise ein Draht ein positives Potential besitzt, während der zweite Draht auf einem negativen Potential liegt. Durch einfaches Umpolen der Drahtspannungen wird der zu untersuchende lonenstrom dann auf getrennte Detektoren gelenkt. So kann zum Beispiel der eine Sekundärelektronenvervielfacher 12 mit einer hohen Verstärkung ausgestattet sein, um empfindliche Einzelionenstrom-Messungen durchführen zu können, während der zweite Sekundärelektronenvervielfacher 12' für die Messung des Totalionenstroms eine entsprechend geringe Verstärkung aufweist. Durch einfaches Umpolen der Drahtspannungen und gleichzeitiges Umschalten des Quadrupols vom Einzelmassen-Filter zu einem Hochpaß-Filter, das aber einer Grenzmasse alle höheren Massen durchläßt, wird die Möglichkeit eröffnet, sowohl den Einzelionenstrom als auch den Totalionenstrom sehr genau und ohne Zerstörung der Detektoren zu messen.

Andererseits ergibt sich bei Sekundärelektronenvervielfachern 12, 12' mit im wesentlichen gleicher Verstärkung und entgegengesetzter Vorzeichenwahl der Vorspannungen der beiden Drähte 16, 16' die Möglichkeit, bei entsprechender Polung der ersten Dynoden in einem der Sekundärelektronenvervielfacher positive und im anderen Sekundärelektronenvervielfacher negative Ionen gleicher Masse nachzuweisen, da das Quadrupol-Massenfilter 10 sowohl auf positive als auch gleichermaßen auf negative Ionen massentrennend wirkt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Überführen von Ionen aus einem Massenfilter in einen Ionendetektor, mit einem Gehäuse, welches eine mit der Achse des Massenfilters fluchtende Eintrittsöffnung, eine mit der Achse des Massenfi'ters nicht-fluchtende Austrittsöffnung und ein die Ionen zwischen Eintrittsund Austrittsöffnung führendes elektrostatisches Feld aufweist, wobei der Ionendetektor derart an die Austrittsöffnung angekoppelt ist, daß ein Ziehfeld für die Ionen in das Gehäuse eingreift, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrostatische Feld durch einen innerhalb des Gehäuses (13) angeordneten linienförmigen Leiter (16) erzeugt wird, der sich auf ein die Ionen anziehenden Potential befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der linienförmige Leiter (16) gerade ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (16) senkrecht zur Achse (11) des Massenfilters (10) verläuft.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (13) eine mit der Achse (11) des Massenfilters (10) fluchtende Austrittsöffnung (22) für Neutralteilchen aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (16) gerade ist und im Bereich der Eintrittsöffnung (19) endet und daß in Richtung der Verlängerung seines Endes eine davon elektrisch isolierte Elektrode angeordnet ist, die ein die Ionen abstoßendes Potential aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode aus einer senkrecht zur Achse des Leiters (16) angeordneten Platte (27) besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode aus einem in der Achse des Leiters (16) liegenden weiteren geraden linienförmigen Leiter (16') besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Enden der beiden Leiter (16, 16') mechanisch miteinander verbunden sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende (28) des linienförmigen Leiters (16) in die Eintrittsöffnung derart hineingebogen ist, daß es mit der Achse (11) des Massenfilters (10) fluchtet.