DE3025764C2 - Time of flight mass spectrometer - Google Patents
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Description
4545
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laufzeit-Massenspektrometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Laufzeit-Massenspektrometer ist aus »Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys.« 9 (1972) 357-373 bekannt.The present invention relates to a time of flight mass spectrometer according to the preamble of claim 1. Such a time-of-flight mass spectrometer is from »Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys. «9 (1972) 357-373.
In Laufzeit-Massenspektrometern werden üblicherweise Ionen gleicher Energie, aber verschiedener Masse, voneinander dadurch getrennt, daß sie die gleiche Weglänge mit verschiedener Geschwindigkeit durchlaufen und nacheinander an einem Ionen-Auffänger oder einem lonen-SEV (Sekundär-Elektronen-Vervielfacher) eintreffen. Wichtig ist hierbei, daß alle Ionen zum gleichen Zeitpunkt am Anfang der Laufstrecke gestartet werden.In transit time mass spectrometers are usually Ions of the same energy but of different mass, separated from one another by the fact that they traverse the same path length at different speeds and one after the other at an ion collector or an ion SEV (secondary electron multiplier) arrive. It is important here that all ions are at the same point in time at the beginning of the route to be started.
Eine demgegenüber verbesserte Ausführung für ein Laufzeit-Massenspektrometer (Fig. 1) wurde durch »Sov. Phys.-Tech. Phys.« 16(1972), 1177-1179 bekannt, wobei die Ionenenergie nicht mehr für alle Ionen gleich sein muß. Die Ionen werden nämlich nach durchlaufener Weglänge (L) von einem elektrostatischen Spiegel um fast 180° umgelenkt, so daß sie die Laufstrecke zurückfliegen müssen, bevor sie in einem direkt neben der Ionenquelle befindlichen lonen-SEV registriert werden können. Wesentlich ist dabei, daß Ionen etwas höherer Energie tiefer in den aus Gitterplatten gebildeten lonenspiegel eindringen; sie müssen deshalb insgesamt einen längeren Weg zurücklegen als Ionen etwas niedrigerer Energie. Durch geeignete Potentialverteilung im lonenspiegel konnte man erreichen, daß die Laufzeit der Ionen von der Quelle bis zum SEV nur von der Ionenmasse und nicht mehr von der Ionenenergie abhängt. Da die Massenauflösung in einem Laufzeit-Massenspektrometer proportional zur Länge der Flugstrecke ist, möchte man diese groß machen. Selbst bei Verwendung eines lonenspiegels, d. h. bei doppelter Ausnutzung der Baulänge, ergeben sich jedoch recht ausgedehnte Systeme, bei denen zudem die Durchmesser der Ionenauffänger und lonenspiegel groß sein müssen.A comparatively improved version for a time-of-flight mass spectrometer (Fig. 1) was by »Sov. Phys.-Tech. Phys. «16 (1972), 1177-1179, whereby the ion energy no longer has to be the same for all ions. The ions are deflected by almost 180 ° by an electrostatic mirror after they have traveled through the path length (L) , so that they have to fly back the path before they can be registered in an ion SEV located directly next to the ion source. It is essential that ions of somewhat higher energy penetrate deeper into the ion mirror formed from grid plates; they therefore have to cover a longer distance overall than ions of somewhat lower energy. By means of a suitable potential distribution in the ion mirror, it was possible to achieve that the transit time of the ions from the source to the SEV depends only on the ion mass and no longer on the ion energy. Since the mass resolution in a time-of-flight mass spectrometer is proportional to the length of the flight path, one would like to make it large. Even with the use of an ion mirror, that is to say with double utilization of the structural length, however, quite extensive systems result, in which the diameter of the ion collectors and ion mirrors must also be large.
Ein weiterer Nachteil der sowohl aus »Sov Phys.-Tech. Phys.« als auch aus der US-PS 37 27 047 bekannten Laufzeit-Massenspektrometer besteht darin, daß die lonenspiegel von einander parallelen Metallgittern gebildet werden, die von den Ionenbündeln durchsetzt werden. Dieses führt zu erheblichen Ionenstromverlusten, so daß z. B. eine Vielfach-Knickung der Ionenfluckstrecke mit derartigen lonenspiegeln nicht mehr möglich ist.Another disadvantage of both from »Sov Phys.-Tech. Phys. «As well as from US-PS 37 27 047 known time-of-flight mass spectrometer is that the ion mirror of parallel metal grids are formed, which are penetrated by the ion bundles. This leads to considerable ion current losses, so that z. B. a multiple kinking of the ion bend with such ion mirrors not more is possible.
Aus der eingangs genannten Literaturstelle »International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics« 9 (1972) S. 357—373, sind zwar lonenspiegel bekannt, die ohne Metallnetze auskommen. Diese lonenspiegel umfassen jedoch aufwendige und deshalb schwierig herzustellende Zylinder-, Kugel- oder Torusflächen, welche außerdem einen großen Platzbedarf haben.From the above-mentioned reference "International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics" 9 (1972) pp. 357-373, ion mirrors are known that do not require metal nets. These ion levels however, include complex and therefore difficult to manufacture cylindrical, spherical or torus surfaces, which also have a large space requirement.
Dem Anmeldungsgegenstand liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die Laufzeit- und Ortsfokussierung mit einfachen Mitteln zu verwirklichen. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den kennzeichnenden Merkmalendes Anspruchs 1 angegeben.The subject of the application, on the other hand, is based on the task of focusing on the running time and location to be realized with simple means. The inventive solution to this problem is in the characterizing Features of claim 1 specified.
Bei einem in dieser Weise aulgebauten Laufzeit-Massenspektrometer bestehen die lonenspiegel aus einfachen Bauteilen, die sowohl reflektierende, als auch fokuisierende Eigenschaften haben. Ähnlich einer in Transmission betriebenen Möllenstedt-Filterlinse liefert ein solcher in Reflexion betriebener, aus Lochblenden oder Rohren aufgebauter lonenspiegei Fokussierungseffekte, wie man in numerischer Rechnung zeigen kann. Selbst bei sehr langen Flugstrecken, d. h., bei vielfach wiederholter Knickung der lonenflugstrecke, tritt ein nachteiliges Anwachsen des lonenbündeldurchmessers nicht auf. Darüber hinaus entfallen bei lonenspiegeln aus fokussierenden netzlosen Lochblenden oder Rohren Verluste des Ionenstrahles, die beim Durchgang des lonenbündels durch konventionelle Netze unvermeidlich sind. Mit verhältnismäßig geringem apparativen Aufwand wird somit die lonenflugstrecke verlängert und die Auflösung des Gesamtsystems bei gleicher lonenpulslänge verbessert. Durch den Einsatz einer Anzahl N solcher lonenspiegel (mit 100%iger Reflexion) läßt sich die Baulänge nicht nur zweimal, sondern (N + l)mal ausnutzen. Die Anzahl N der lonenspiegel kann dabei entweder geradzahlig oder ungeradzahlig sein.In a time-of-flight mass spectrometer built in this way, the ion mirrors consist of simple components that have both reflective and focussing properties. Similar to a Möllenstedt filter lens operated in transmission, such an ion mirror operated in reflection and made up of pinhole diaphragms or tubes delivers focusing effects, as can be shown in numerical calculation. Even in the case of very long flight paths, that is to say with repeated kinking of the ion flight path, a disadvantageous increase in the diameter of the ion beam does not occur. In addition, ion mirrors made up of focussing meshless apertured diaphragms or tubes do not cause losses in the ion beam, which are unavoidable when the ion beam passes through conventional networks. The ion flight distance is thus lengthened and the resolution of the overall system is improved with the same ion pulse length with relatively little expenditure on equipment. By using a number N of such ion mirrors (with 100% reflection), the overall length can be used not only twice, but (N + 1) times. The number N of ion mirrors can either be an even number or an odd number.
Fokussierende lopenspiegel können besonders klein gestaltet werden, wenn die Brennweiten der Spiegel alle gleich L/2 sind, wobei L den Abstand zwischen zwei sich gegenüberstehenden Spiegeln bezeichnet. Die Lochblenden oder Rohre können dabei zur Vermeidung von Störpotentialen an einer Stelle, die von Ionen nichtFocusing lens mirrors can be made particularly small if the focal lengths of the mirrors are all equal to L / 2 , where L denotes the distance between two opposing mirrors. The perforated diaphragms or tubes can thereby avoid interference potentials at a point that is not caused by ions
mehr erreicht wird, durch Gitter abgeschlossen sein. Die Fokussierungseigenschaften der Spiegel können z. B. dadurch erreicht werden, daß ihre eingangs- bzw. ausgangsseitigen Lochblenden oder Röhrt als Einzellinse geschaltet sind.more is achieved, to be completed by grids. The focusing properties of the mirrors can e.g. B. can be achieved in that their entrance or exit-side perforated diaphragms or tubes as a single lens are switched.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert Die Zeichnung zeigt inThe invention will now be explained in more detail on the basis of exemplary embodiments
F i g. 1 eine schematische Ansicht eines Laufzeit-Wassenspektrometers gemäß dem zuvor zitierten Stand der Technik,F i g. 1 is a schematic view of a time of flight water spectrometer according to the prior art cited above,
Fig. 2 eine schematisierte Schrägansicht eines erfindungsgemäßen Laufzeit-Massenspektrometers in ebener Linearancrdnung,Fig. 2 is a schematic oblique view of a Time-of-flight mass spectrometer according to the invention in a flat linear arrangement,
F i g. 3 eine Schrägansicht eines erfindungsgemäßen Laufzeit-Massenspektrometers in Kreiszylinderanordnung, F i g. 3 shows an oblique view of a time-of-flight mass spectrometer according to the invention in a circular cylinder arrangement;
F i g. 4 das Prinzip eines erfindungsgemäßen Laufzeit-Massenspektrometers mit schaltbaren Ionenspiegeln,F i g. 4 shows the principle of a time-of-flight mass spectrometer according to the invention with switchable ion mirrors,
F i g. 5 das Prinzip eines erfindungsgemäßen Laufzeit-Massenspektrometers mit elektrostatisch kippbaren Ionenspiegeln.F i g. 5 shows the principle of a time-of-flight mass spectrometer according to the invention with electrostatically tiltable ion mirrors.
Das in F i g. 1 insgesamt mit 10 bezeichnete Laufzeit-Massenspektrometer hat, wie schematisch angedeutet, eine Ionenquelle 12 sowie eine Lenkeinrichtung 14 für das Ionenbündel, das an einem Ionenspiegel 16 mit Gitterplatten 18 abgebogen und zu einem Ionenauffänger (SEV) 20 geleitet wird.The in Fig. 1 has a total of 10 time-of-flight mass spectrometers, as shown schematically indicated, an ion source 12 and a steering device 14 for the ion bundle, which is attached to an ion mirror 16 is bent with grid plates 18 and passed to an ion collector (SEV) 20.
Die F i g. 2 und 3 zeigen nun wie die den Strahlengang faltenden, aus Lochblenden oder Rohren bestehenden Ionenspiegel Ri, R 2 usw. nebeneinander auf einer Geraden (Fig.2) bzw. auf einem Kreis (Fig.3) angeordnet sind. Allgemein muß jeder i. Spiegel hierbei so einstellbar sein, was unter elektronischer Steuerung elektrostatisch oder (elektro-)magnetisch vor sich gehen kann, daß das Ionenbündel auf die Mitte des folgenden (i + 1). Spiegels gelenkt wird. Im Falle von F i g. 2 heißt das, daß die Spiegel in den beiden Ebenen I und II jeweils linear und parallel so angeordnet sind, daß das Ionenbündel in einer Querebene hin- und herreflektiert wird, bis es zu dem Ionenauffänger 20 gelangt. Im Ausführungsbeispiel der Fig.3 sind die einzelnen lonenspiegel R 1, R 2 usw. in jeder der beiden Ebenen I, II jeweils auf einem Kreis angeordnet, so daß die entsprechende Hüllfläche ein Zylinder oder auch ein Kegelmantel sein kann. Eine im wesentlichen parallele Anordnung sämtlicher lonenspiegel ist auch in diesem Falle möglich, indem man eine Drückelektrode 22 zwischenschaltet, welche das lonenbündel bei jedem Durchgang etwas in Richtung auf die Mitte der Gesamtanordnung ablenkt.The F i g. 2 and 3 now show how the ion mirrors Ri, R 2 , etc., which fold the beam path and consist of perforated diaphragms or tubes, are arranged next to one another on a straight line (FIG. 2) or on a circle (FIG. 3). Generally everyone must i. The mirror can be set in such a way that, under electronic control, this can happen electrostatically or (electro-) magnetically, so that the ion beam hits the center of the following (i + 1). Mirror is steered. In the case of FIG. 2 this means that the mirrors in the two planes I and II are each arranged linearly and parallel in such a way that the ion beam is reflected back and forth in a transverse plane until it reaches the ion collector 20. In the exemplary embodiment in FIG. 3, the individual ion mirrors R 1, R 2, etc. are arranged on a circle in each of the two planes I, II, so that the corresponding envelope surface can be a cylinder or a conical surface. An essentially parallel arrangement of all ion mirrors is also possible in this case by interposing a push electrode 22 which deflects the ion beam somewhat towards the center of the overall arrangement with each passage.
Man erkennt, daß die Anordnungen nach F i g. 2 und 3 die Baulänge, welche im wesentlichen L entspricht, unter Zuhilfenahme von MIonenspiegeln (N + l)mal als Ionenlaufstrecke ausnutzen.It can be seen that the arrangements according to FIG. 2 and 3 use the overall length, which essentially corresponds to L , with the aid of ion mirrors (N + 1) times as the ion path.
Man kann jedoch auch gemäß F i g. 4 den Ionenstrahl N mal zwischen zwei lonenspiegeln Ri, R 2 pendeln lassen. Hierbei sind dann Vorkehrungen zu treffen, das lonenpaket in diese Strecke (=* L) zwischen den beiden Spiegeln Al, R2 einzuschleusen sowie es letztlich wieder auszuschleusen. In einem System nach Fig.4 können die lonenspiegeipotentiale durch geeignete Steuerung gepulst werden, statt kontinuierlich anzuliegen. Zum Beispiel kann das lonenpaket den Spiegel R 1 zuerst geerdet, d. h. ohne Einfluß, vorfinden, während der Spiegel R 2 die Ionen reflektiert. Das vom Spiegel R 2 rücklaufende lonenpaket wird sodann von dem inzwischen eingeschalteten Spiegel R 1 zurückgeworfen. Nach N maligem Durchlaufen der Strecke zwischen den Spiegeln R 1 und R 2 sorgt die elektronische Steuerung dafür, daß die Ionen beim (N + 1). Anflug auf den Spiegel R 2 diesen geerdet, d. h. ohne Einfluß, vorfinden.However, according to FIG. 4 let the ion beam oscillate N times between two ion mirrors Ri, R 2. In this case, precautions must then be taken to smuggle the ion packet into this path (= * L) between the two mirrors A1, R2 and ultimately to discharge it again. In a system according to FIG. 4, the ion mirror potentials can be pulsed by suitable control instead of being applied continuously. For example, the ion packet can find the mirror R 1 grounded first, ie without any influence, while the mirror R 2 reflects the ions. The ion packet returning from mirror R 2 is then returned by mirror R 1 , which has been switched on in the meantime. After passing through the path between the mirrors R 1 and R 2 N times, the electronic control ensures that the ions at (N + 1). Approach mirror R 2 to find it grounded, ie without influence.
Daher können sie austreten und den lonen-SEV 20 erreichen. Therefore, they can exit and reach the ion SEV 20.
Im System nach F i g. 5 werden elektronisch kurzzeitig kippbare Spiegel Ri, R 2 usw. eingesetzt, in denen die Potentialverteilung kurzfristig so gesteuert wird, daßIn the system according to FIG. 5 electronically briefly tiltable mirrors Ri, R 2 , etc. are used, in which the potential distribution is briefly controlled so that
i" das lonenbündel unter einem anderen Winkel reflektiert wird als zuvor; im ersten Auffänger (lonen-SEV) 20 kann man ein mäßig hoch aufgelöstes Laufzeit-Massenspektrum registrieren. Kippt nun der Spiegel R1 kurzzeitig, so gelangt das lonenbündel zum Spiegel R 2. i "the lonenbündel is reflected at a different angle than before the first receiver (ion SEV) 20 can be a moderately high-resolution time-of-mass spectrum register toggle now the mirror R 1 for a short time, thus enters the lonenbündel to the mirror R 2..
Dieser steht während des Durchlaufs des Ionenpakets so gekippt, daß er den Ionenstrahl auf den Spiegel R 3 lenkt; anschließend klappt der Spiegel R 2 zurück und das lonenpaket wird N mal zwischen den Spiegeln R 2 und R 3 hin- und herreflektiert, bis durch kurzesDuring the passage of the ion packet, the latter is tilted in such a way that it directs the ion beam onto the mirror R 3; then the mirror R 2 folds back and the ion packet is reflected back and forth N times between the mirrors R 2 and R 3 , until a short time
:n Schwenken des Spiegels A3 das lonenbündel auf den zweiten Auffänger 20' gelenkt wird. Dort wird daher ein kleiner Bereich von lonenmassen, die aus dem im ersten Auffänger 20 registrierten Massenspektrum ausgeblendet worden waren, mit hoher Massenauflösung registriert. Derartige Strahlkippungen können von (nicht gezeigten) zusätzlichen, z. B. elektrostatischen oder magnetischen Kippelementen, durchgeführt werden.: n Pivoting the mirror A3 onto the ion beam second catcher 20 'is steered. There is therefore a small range of ionic masses from that in the first Receivers 20 registered mass spectrum had been masked out, registered with high mass resolution. Such beam tilts can of (not shown) additional, z. B. electrostatic or magnetic tilting elements.
In einem Laufzeit-Massenspektrometer steigt einerseits die Massenauflösung, wenn die Ionenpulslänge abnimmt. Andererseits sinkt üblicherweise die lonenintensität mit abnehmender Ionenpulslänge. Eine hohe Massenauflösung läßt sich mit hoher Intensität dadurch erreichen, daß man zwischen Ionenquelle und Beginn der Laufstrecke (Länge L) eine weitere Flugstrecke der Länge D vorsieht (F i g. 4 und 5). Wenn nun zu Beginn eines lonenpulses die Quelle Ionen niedrigerer Energie emittiert, als zu einem späteren Zeitpunkt, so können bei passender Bemessung bzw. Steuerung die schnelleren Ionen die langsameren, früher gestarteten jeweils am Punkt E einholen. Dort entsteht daher ohne Ionenstromverlust ein wesentlich kürzerer lonenpuls mit relativ großer Energiebreite. In der Technik der Teilchenbeschleuniger bezeichnet man diesen Vorgang als Ionen-Bunching.In a transit time mass spectrometer, on the one hand, the mass resolution increases when the ion pulse length decreases. On the other hand, the ion intensity usually decreases as the ion pulse length decreases. A high mass resolution can be achieved with high intensity by providing a further flight path of length D between the ion source and the start of the path (length L) (FIGS. 4 and 5). If the source now emits ions of lower energy at the beginning of an ion pulse than at a later point in time, the faster ions can catch up with the slower ions that started earlier at point E, given the appropriate dimensioning or control. A significantly shorter ion pulse with a relatively large energy width is therefore created there without any loss of ion current. In particle accelerator technology, this process is known as ion bunching.
Bei den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 4 und 5 sind Mittel zur Realisierung des lonen-Bunchings vorgesehen. Maßgeblich dafür ist eine solche Bemessung und Steuerung, daß an dem hinter der Ionenquelle 12 liegenden Einholpunkt E (F ig. 4) bzw. £1 (Fig. 5)In the exemplary embodiments according to FIGS. 4 and 5 are means for realizing ion bunching intended. The decisive factor for this is such a dimensioning and control that on the one behind the ion source 12 lying recovery point E (Fig. 4) or £ 1 (Fig. 5)
μ später gestartete Ionen von höherer Energie andere, früher auf die Bahn gebrachte Ionen gleicher Masse, jedoch niedrigerer Energie, eingeholt haben. Die aus (nicht dargestellten) Lochblenden oder Rohren aufgebauten lonenspiegel Ri, R 2 usw. haben eine derartige fokussierende Wirkung, daß an einem zweiten Einholpunkt £2 am Ionenauffänger 20 (bzw. an einem N ten Einholpunkl Ev am Ionenauffänger 20') ngebunchte« Ionen eintreffen. Diese Anordnung gewährleistet dank der Vorschaltstrecke D (zwischen der Ionenquelle 14μ ions of higher energy started later have overtaken other ions of the same mass but lower energy that were brought onto the orbit earlier. The ion mirrors R 1, R 2 , etc., made up of perforated diaphragms or tubes (not shown) have such a focusing effect that ions are bunched at a second recovery point E 2 on the ion collector 20 (or at an N th recovery point Ev on the ion collector 20 ') arrive. Thanks to the intermediate distance D (between the ion source 14
w und dem ersten Einholpunkt £1), daß die Gesamtflugzeit auf der anschließenden Strecke L nur von der Ionenmasse, nicht jedoch von der Ionenenergie abnängt, so daß am Auffänger für Ionen einer einzigen Masse minimal kurze lonenimpulse entstehen. Es läßtw and the first recovery point £ 1) that the total flight time on the subsequent distance L only depends on the ion mass, but not on the ion energy, so that minimally short ion impulses arise at the catcher for ions of a single mass. It leaves
b5 sich auch erreichen, daß der erste Einholpunkt nach demjenigen, der sich um die Strecke D hinter der Ionenquelle 14 befindet, erst am Ionenauffänger 20 bzw. 20' liegt. b5 it can also be achieved that the first recovery point after the one located behind the ion source 14 by the distance D is only at the ion collector 20 or 20 '.
Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings
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