DE2759116A1 - Massenspektrometer - Google Patents

Description

- 3 -Patentanwälte 2 7 5 9 I I 6

Dipt->ηβ Dtpl-Chem OpI-Ing E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

CAMECA 30. Dezember 1977

103» Boulevard Saint-Denis 92400 Courbevoie / Frankreich

Unser Zeichen; C 3157 Maseenspektrometer

Die Erfindung bezieht sich auf Massenspektrometer mit ultraschneller Abtastung.

Bei einer großen Anzahl von Analysen durch Massenspektrometrie ist es erwünscht, die für die Analyse erforderliche Zeit zu verringern, beispielsweise weil die Zusammensetzung der Probe zeitlich veränderlich ist, oder auch weil die Probe nur für eine sehr kurze Zeit zur Verfügung steht.

Theoretisch würde die einfachste Maßnahme zur Verringerung der Analysezeit darin bestehen, die verschiedenen Ionenkategorien gleichzeitig mit Hilfe von Mehrfach-Kollektoren aufzufangen. Derartige Simultansysterne können aber nur eine begrenzte Anzahl von Kollektoren enthalten, und auch

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diese können nicht beliebig nahe beieinander angeordnet werden, so daß sie Ionen mit sehr nahe beineinanderliegender Masse nicht auffangen können. Ferner können Kollektoren mit hoher Empfindlichkeit wegen ihres großen Raumbedarfs nur schwierig angewendet werden.

Das zweite Lösungsprinzip, auf das sich die Erfindung bezieht, besteht in einer schnellen Abtastung des Spektrums.

Hierfür sind die folgenden Lösungen bekannt:

a) schnelle Abtastung des Spektrums durch Änderung des Magnetfeldes eines Magnetfeldsektors;

b) Abtastung des Spektrums durch Änderung der Beschleunigungsspannung der einem Magnetfeldsektor zugeführten Ionenj

c) Abtastung des Spektrums durch Änderung der Spannung eines vierpoligen Filters*

Die Abtastung durch schnelle Änderung des Magnetfelds läßt sich nur schwer realisieren* denn wenn sie einer Massenänderung vom Einfachen zum Zehnfachen in einer Sekunde oder weniger entspricht, braucht man einen laaellierten Magnetkreis und eine sehr große Steuerleiatung.

Die Änderung der Energie der Ionen hat den Nachteil» daß sie von einer beträchtlichen Empfindlichkeitsänderung entlang de« Massenspektruffl begleitet ist, und UmQ das Verhältnis von größter Masse zu kleinster Masse praktisch auf einen Wert von 5 bis 10 beschrankt ist.

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Die Abtastung durch Spannungsänderung eines vierpoligen Filters bei fester Frequenz kann schnell erfolgen, obwohl die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung an den Klemmen eines Hochfrequenzkreises mit großem Gütefaktor gleichfalls beschränkt ist. Diese Maßnahme führt zur Anwendung großer HF-Spannungen (5 bis 10 kV Spitzenwert) und läßt natürlich jeweils nur eine einzige Ionenprobe durch. Ferner ist es erforderlich, gleichzeitig ein Gleichfeld und ein Hochfrequenzfeld zu ändern und dabei ein konstantes Verhältnis zwischen den Amplituden aufrechtzuerhalten.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Massenspektrometers, das eine ultraschnelle Abtastung ausschließlich durch Änderung eines Gleichfeldes ermöglicht und die Vereinigung eines Simultan-Kollektorsystems mit der schnellen Abtastung erlaubt.

Nach der Erfindung ist ein Massenspektrometer mit einem Magnetfeldsektor, der die Fokussierung der Ionenproben in einer gemeinsamen Fokussierungsebene ermöglicht, in welche die Ionenbündel unter einem Einfallswinkel von etwa 45° eintreten, gekennzeichnet durch ein elektrostatisches Ablenkglied mit prallelen Platten, von denen die eine Platte im wesentlichen in der Fokussierungsebene liegt und einen Schlitz aufweist, der den Durchgang des Austrittsbündels des Magnetfeldsektors ermöglicht, eine Stromversorgungsanordnung, die zu dem Ablenkglied eine veränderliche Spannung liefert, und durch wenigstens einen in der Nähe des Schlitzes angeordneten Kollektor, dessen Öffnung so gerichtet ist, daß er ein an dieser Stelle aus dem Ablenkglied austretendes Bündel auffängt.

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Das Massenspektrometer nach der Erfindung ist somit durch die Kombination eines das simultane Auffangen von Ionen erlaubenden Magnetfeldsektor-Spektrometers von an sich bekannter Art und eines elektrostatischen Ablenkglieds mit parallelen Platten, dessen Stromversorgungsspannung verändert wird, gebildet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist. Die einzige Figur <ier Zeichnung zeigt ein Massenspektrometer nach der Erfindung in einem Schnitt durch die Mittelebene des Luftspalts des Magnetfeldsektors.

Die Zeichnung zeigt eine Ionenquelle 1, die über eine Rohrleitung mit Gas versorgt wird. Das aus dem punktförmigen Austritt der Ionenquelle austretende Ionenbündel mit der Energie U_Q geht durch eine elektrostatische Linse mit drei Elektroden, die das aus der Ionenquelle austretende divergierende Bündel in ein Bündel mit parallelen Strahlen umformt, die senkrecht zu der Eintrittsfläche eines Magnetfeldsektors 8 gerichtet sind, wobei der mittlere Strahl des Ionenbündels die EintrittsflSche as Punkt I schneidet»

Die Schnittlinie JK der Austrittsfläche des Magnetfeldsektors mit der Zeichenebene liegt auf einer Geraden, welche die Eintrittsfläche am Punkt I schneidet und mit dieser einen Winkel von 45° bildet.

Unter diesen Bedingungen werden die Ionen mit der gleichen Bewegungsgröße oder, was auf das gleiche herauskommt, mit

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dem gleichen Produkt von Masse χ Energie, an einer Fokussierungsstelle F fokussiert, die ein kleines GeradenstUck ist, das senkrecht zur Zeichenebene steht und dessen Schnittpunkt mit der Zeichenebene auf der Geraden JK liegt.

Diese Fokussierungsstelle entspricht einem Viertelkreisbogen, der von einem in den Hagnetfeldsektor am Punkt I eintretenden Ion durchlaufen wird.

Bei einem solchen Magnetfeldsektor treten die Bündel unter einem Einfallswinkel von 45° in die Fokussierungsebene ein.

Es ist bekannt, einen solchen Magnetfeldsektor mit einem festen Magnetfeld in Verbindung mit mehreren Kollektoren zu verwenden, die auf die Schnittlinie JK zentriert sind, beispielsweise dann, wenn die numerische Verteilung verschiedener im voraus bekannten Ionenproben einer Mischung bestimmt werden soll. Mit einer eolchen Vorrichtung 1st es möglich, eine Fokussierung in einem ausgedehnten Massenbereich zu erzielen; das Verhältnis der größten Masse zur kleinsten Masse kann größer als 20 sein.

Das Massenspektrometer enthält ferner ein elektrostatisches Ablenkglied mit parallelen Platten 4 und 5, wobei die obere Platte 5 parallel zu der Austrittstlache des Magnetfeldsektors 8 liegt und an diese angefügt ist. Die Platte 5 ist geschlitzt, wobei der Schlitz den geometrischen Ort JK der Fokussierungsstellen sowie dessen Verlängerung umgibt.

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Der Schlitz ist in der Längsrichtung auf die Gerade JK zentriert, die der Schnittlinie zwischen der Fokussierungsebene und der Mittelebene des Luftspalts des Magnetfeldsektors entspricht. Die Breite des Schlitzes kann gleich dem nutzbaren Teil des Luftspalts oder kleiner als dieser sein, der im allgemeinen in der Größenordnung von der Hälfte des Luftspalts liegt.

Eine Anordnung 10 ermöglicht das Anlegen einer veränderlichen Spannung an die Platten 4 und 5, wobei die Potentialdifferenz zwischen den Platten 4 und 5 in Abhängigkeit von der Polarität der verwendeten Ionen so gewählt ist, daß die auf die Ionen ausgeübte Kraft zur oberen Platte 5 hin gerichtet ist. Das Ablenkglied ist mit Potentialverteilern 9 ausgestattet, die zur Homogenität des Feldes beitragen. Die Platte 4 liegt an Nasse, ebenso wie eine der Klemmen der Anordnung 10, die ein Sägezahngenerator sein kann.

Die f©kassierten Bündel treten durch den Schlitz der Platte 5 in das elektrostatische Ablenkglied unter einem Winkel von 45° ein und werden durch das Ablenkglied erneut fokussiert.

Die von einer Fokussierungestelle F des Magnetfeldsektors kofflfflenden Ionen beschreiben parabolische Bahnen \md werden dann erneut an einer Stelle F' fokussiert, die wieder ein kleines Geradensttick 1st, das parallel zu der Fokussierungsstelle F liegt und dessen Schnittpunkt mit der Zeichenebene ebenfalls auf der Geraden JK liegt»

In der Zeichnung ist das Teilbündel dargestellt, das sich aus de® listrittsbündel tür einen ¥ert M-U₀ (Masse«Energie)

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der Ionen ergibt, wobei dieses Teilbündel an einer Fokussierungsstelle F fokussiert wird und dann vom elektrostatischen Ablenkglied erneut an einer Fokussierungsstelle F* fokussiert wird. An der Fokussierungsstelle F* ist die öffnung eines Kollektors angeordnet. Ferner ist ein Teilbündel dargestellt, das von dem Magnetfeldsektor an einer Fokussierungsstelle F₁ und dann vom Ablenkglied an einer Fokussierungsstelle F¹ ₁ fokussiert wird, sowie gestrichelt der Anfang der Bahn, dem dieses Teilbündel im elektrostatischen Ablenkglied bei einem anderen Wert des elektrischen Feldes folgen würde, das die Fokussierung dieses Teilbündels an der Stelle F* verursachen würde. Schließlich ist gestrichelt die Bahn eines dritten TeilbUndels im Magnetfeldsektor dargestellt, das an einem Punkt fokussiert wird, an dem ein Kollektor 7 angeordnet ist, der direkt die aus dem Magnetfeldsektor austretenden Ionen empfängt.

Wenn die folgenden Bezeichnungen eingeführt werden:

d: Abstand zwischen den Platten des elektrostatischen Ablenkglieds;

V: die an die Platten des elektrostatischen Ablenkglieds angelegte Spannung;

E: das elektrische Feld im elektrostatischen Ablenkglied; R: Radius der Bahn eines Ions im Magnetfeldsektors; M: Masse des Ions;

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- ίο -

Ηΐ Feldstärke des Magnetfelds;

L₁: Abstand zwischen dem Punkt I (Mittelpunkt des Eintritts der Ionen in den Magnetfeldsektor) und der Fokussierungsstelle F;

L₂: Abstand zwischen den Fokussierungsstellen F und F^f;

erhält man für eintretende Ionen, denen eine feste Energie U₀ erteilt ist:

L₂ = 4 U₀/2E , mit E - V/d (1)

L₂ = 2 U_od/V

144 Vm u_n

R = und L₁ = RV2 <2)

+ L₂ - 2 U₀ d / V H

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(3)

in den praktischen Einheiten Zentimeter, Volt, Gauß.

Ώβ das Magnetfeld fest ist, kann es stit Hilfe eines Permanentmagnets erzeugt werden,

Die Auflösung wächst bei zunehmender Masse grob gesehen wie \fW; dies entspricht einer Zwischensituation zwischen derjenigen von Spektrometer^ bei denen nur ein Magnetfeldsektor verwendet wird» wobei die Auflösung konstant ist, und derjenigen von vierpoligen Filtern, wo sich die Auflösung nahezu proportional zu M ändert.

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In der Zeichnung ist nur ein einziger Kollektor bei 6 dargestellt, doch versteht es sich von selbst, daß noch weitere Kollektoren an Stellen angeordnet werden können, die verschiedenen Werten von L₁+L₂ entsprechen.

Beispielsweise kann man zur Ankopplung an einen Gaschromatographen mit geringer Auflösung gegebenenfalls drei Kollektoren verwenden, welche die Massenbereiche 25-75; 75-170; 170-300 registrieren.

Ein Kollektor nach Art des zuvor erwähnten Kollektors 7, der jedoch eine solche öffnung aufweist, da6 er nur einen Teil der Ionenbtlndel entnimmt, kann hinter dem magnetischen Analysator angeordnet werden, wobei er sich in der Fokussierungsebene so erstreckt, daß er einen Teil des gesamten Ionenstroms mit Ausnahme von Helium auffängt. Diese Maßnahme ergibt eine ausgezeichnete chromatographische Detektion, da sie die ausgewählten Produkte von dem Helium trennt, das meistens als Trägergas verwendet wird.

Es ist auch möglich, zwischen dem magnetischen Analysator und dem elektrostatischen Ablenkglied einen oder mehrere Kollektoren oder Schirme anzubringen, um entweder eine unerwünschte Ionenprobe zu sperren (beispielsweise eine größere Spitze, von der zu befürchten 1st, daß sie den Detektor in die Sättigung treibt), oder um dauernd eine oder mehrere besondere Komponenten zu messen, während die anderen Komponenten, die gegebenenfalls nur als Spuren vorhanden sind, sequentiell untersucht werden.

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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte und beschriebene Ausführungsform beschränkt.

Hinsichtlich des Magnetfeldsektors genügt es, daß er die Fokussierung der Ionenproben in einer gemeinsamen Fokussierungsebene ermöglicht* in welche die fokussierten Bündel unter einem Winkel von 45° eintreten.

Die Platten des elektrostatischen Ablenkglieds bleiben natürlich parallel zu dieser Fokussierungsebene, wobei die geschlitzte Platte is wesentlichen in dieser Fokussierungsebene liegt.

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Claims (2)

1. Dip'.-Ing Dipl-Chem. Oipl-Ing

   E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

   Ernsbergeratraese 19

   8 München. £0.

   CAMECA 30. Dezember 1977

   103t Boulevard Saint-Denis
   92400 Courbevole / Frankreich

   Unser Zeichen: C 3157

   Patentansprüche

   J Massenspektrometer mit einem Magnetfeldsektor, der die Fokussierung der Ionenproben in einer gemeinsamen Fokuesierungeebene ermöglicht, in welche die IonenbUndel unter einem Einfallswinkel von etwa 45° eintreten, gekennzeichnet durch ein elektrostatisches Ablenkglied mit parallelen Platten, von denen die eine Platte im wesentlichen in der Fokussierungsebene liegt und einen Schlitz aufweist, der den Durchgang des Austrittsbündels des Magnetfeldsektors ermöglicht, eine Stromversorgungeanordnung, die zu dem Ablenkglied eine veränderliche Spannung liefert, und durch wenigstens einen in der Nähe des Schlitzes angeordneten Kollektor, dessen Öffnung so gerichtet ist, daß er ein an dieser Stelle aus dem Ablenkglied austretendes Bündel auffängt,
2. 2. Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da8 der Magnetfeldsektor für den Empfang eines Ionenbündels bestimmt ist, dessen Ionenstrahlen

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   mit Hilfe einer Linse parallel gemacht sind, und daß die Austrittsfläche des Magnetfeldsektors einen Winkel von 45° mit seiner Eintrittsfläche bildet, wobei die Verlängerung der Austrittsfläche die Eintrittsfläche entlang einer Linie schneidet, welche die Mittelebene des Luftspalts an einem auf der Achse der Linse liegenden Punkt (I) schneidet*

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