DE3123418C2

DE3123418C2 - Doppelfokussierendes Massenspektrometer

Info

Publication number: DE3123418C2
Application number: DE3123418A
Authority: DE
Inventors: Hisashi Takarazuka Hyogo Matsuda
Original assignee: Nihon Denshi KK
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1980-06-13
Filing date: 1981-06-12
Publication date: 1985-01-10
Also published as: JPS575256A; GB2079039A; GB2079039B; US4418280A; DE3123418A1; JPS5829577B2

Abstract

Ein doppeltfokussierendes Massenspektrometer mit einem divigierenden elektrostatischen Feld (E ↓1), einem konvergierenden elektrostatischen Feld (E ↓2) und einem konvergierenden Magnetfeld, bei dem die beiden elektrostatischen Feder (E ↓1 und E ↓2) ohne Belassung eines Freiraumes dazwischen miteinander verbunden sind, und ein Zwischenbrennpunkt des Ionenstrahls in der Nähe der Austrittsgrenze des konvergierenden elektrostatischen Feldes gebildet wird. Durch dieses Massenspektrometer läßt sich eine äußerst geringe Bildvergrößerung und eine praktisch aberrationsfreie Fokussierung erzielen.

Description

Die Erfindung betrifft ein doppelfokussierendes Massenspektrometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

P Bei einem derartigen doppelfokussierenden Massenspektrometer, das aus »International Journal of Mass

20 Spectrometry and Ion Physics« 26 (1978), Seiten 77-90, bekannt ist, wird von dem Toroidkondensator ein in der

Ablenkebene fokussierendes elektrostatisches Ssktorfeld gebildet; darüber hinaus bildet der Toroidkonden-

sator auch ein in der zur Ablenkebene senkrechten Ebene ein fokussierendes Feld, d. h. das Verhältnis τJR, ₂

hi Das Auflösungsvermögen R eines doppelfokussierenden Massenspektrometers mit magnetischem Sektorfeld

|| 25 ergibt sich aus der folgenden Gleichung:

φ _ y · r_m (1)

~XS+A+d'

Ά 30 In dieser Gleichung bedeuten S und d die Spaltbreiten für eine Ionenquelle und einen Detektor, r_m den Radius der Ionenkuncnöahn im Magnetfeld, y den Massendispersionskoeffizienten, Xdie Bildvergrößerung und A die Bilderweiterung aufgrund von Aberrationen. Aus der vorstehenden Gleichung (1) ergibt sich, daß man ein hohes Auflösungsvermögen erzielen kann, wenn der Nenner groß und der Zähler klein ist. Wenn jedoch zur Verringerung des Zählers der Spalt S verringert wird, ist die Anzahl der Ionen, welche von der Ionenquelle abgezogen wird verringert, wodurch auch die Empfindlichkeit verringert wird. Demzufolge läßt sich ein hohes Auflösungsvermögen fur ein ionenoptisches System nur auf zweierlei Art realisieren. Zum einen durch Erhöhung des Massendispersionskoeffizienten y und zum anderen durch Verringerung der Bildvergrößerung X. In beiden Fällen müssen natürlich die Aberrationen verringert werden, und ein wirkungsvoller Empfang bzw. ein wirkungsvolles Erfassen kann durch Wahl der Schlitzbreite d realisiert werden, indem diese gleich ist X ■ S+A. Ferner ist aus der DE-OS 24 40138 ein doppelfokussierendes Massenspektrometer bekannt, bei welchem durch den Toroidkondensator ein elektrostatisches Feld mit in der Ablenkebene defokussiercnden Eigenschaften gebildet wird, d. h. r_t/R_e ₂ ist größer als 2. Bei einem derartigen Massenspektrometer wird ein virtuelles Bild des Spaltes der Ionenquelle durch das elektrostatische Feld, welches wie eine Konkavlinse wirkt, erzeugt. Die Ionen, welche scheinbar von dem virtuellen Bild ausgesendet werden, werden aus dem Toroidkondensator in das magnetische Sektorfeld eingeleitet. Durch entsprechende Formgebung des virtuellen Bildes kann die Bildvergrößerung X auf etwa V₄ verringert werden, und man erzielt dabei eine entsprechende Verbesserung des Auflösungsvermögens. .

Es ist jedoch in der Praxis nicht erwünscht, die Bildvergrößerung X auf weniger als V₄ zu verringern aHein durch den Einfluß der Konkavlinsenwirkung des elektrostatischen Feldes zur Verbesserung des Auflösungsvermögens, weil mit der Intensität der Konkavlinsenwirkuug die Aberrationen plötzlich wachsen. Demzufolge ist der vorstehend angegebene Wert für die Bildvergrößerung JTaIs untere Grenze anzusehen. Es gibt verschiedene Gründe für das Anwachsen der Aberrationen. Der wesent!^;chste Grund ist die Wirkung des elektrostatischen Feldes an seinem Austrittsende. Die Ionen, welche in das elektrostatische Feld eingeleitet werden, werden unter der Konkavlinsenwirkung des Feldes in Richtung des Krümmungsradius /-gestreut. Der Grad dieser Streuung wächst mit steigender Konkavlinsenwirkung des Feldes. Andererseits wächst die Störung des Feldes am Austrittsende des elektrostatischen Feldes mit dem Abstand von der Mittelbahn der Ionen in einer Richtung senkrecht zu den das elektrostatische Feld erzeugenden Elektroden, d. h. in Richtung des Krümmungsradius r. Wenn daher auf eine Verringerung der Bildvergrößerung X durch Erhöhung der Konkavlinsenwirkung abgezielt wird, wächst die Ausdehnung des Ionenstrahls in Richtung des Krümmungsradius r, wodurch ein plötzliches Anwachsen der Aberrationen aufgrund der Störung an der Ausgangsgrenze des elektrischen Feldes hervorgerufen wird. Aufgabe der Erfindung ist es, ein doppelfokussierendes Massenspektrometer der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem bei in der Praxis zulässiger Aberration die Bildvergrößerung zur Verbesserung des Auflösungsvermögens auf V₈ bis V₁₀ verringert ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelost. Der Unteranspruch kennzeichnet eine Weiterbildung der Erfindung.

Bei der Erfindung wird durch den Toroidkondensator in Strahlrichtung ein defokussierendes elektrostatisches und daran anschließend ein fokussierendes elektrostatisches Feld gebildet, wodurch die angestrebte Reduzierung der Bildvergrößerung ohne Verstärkung der Aberration erzielt wird.

fö In den beiliegenden Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt An Hand dieser Figuren

Sv wird die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt:

; J Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel;

Fig. 2(a) einen Schnitt entlang der Linie Ι-Γ in Fig. 1;

^r Fig. 2(b) einen Schnitt entlang der Linie ΙΙ-ΙΓ in Fig. 1; S

;v Fig. 3 eine schematische Darstellung der Ionenstrahlbreite entlang der Ionenstrahlbahn und

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel.

C Das in F i g. I gezeigte doppelfokussierende Massenspektrometer besitzt eine Ionenquelle 1 und einen Haupt-

\ '■ spalt 2. Ein Ionenstrahl tritt durch den Hauptspalt 2 und wird in einem Zwischenfokus P nach dem Durchtritt durch ein ringförmiges defokussierendes elektrostatisches Feld E_x, das zwischen den Elektroden 3 und 4 gebildet

?;: wird, und dem Durchtritt durch ein ringförmiges fokussierendes elektrostatisches Feld E₂, das zwischen Elektro-

■;. den 5 und 6 gebildet wird, in einem Zwischenspalt 7 fokussiert und in ein gleichförmiges magnetisches Sektorfeld 8 eingeleitet Das magnetische Sektorfeld ist so angeordnet, daß in Verbindung mit den elektrostatischen ; Feldern E₁ und E₂ die doppelfokussierende Bedingung erfüllt wird, so daß der Ionenstrahl an der Stelle eines

V Kollektorspalts 9 fokussiert wird. Eine Quadrupollinse 10 ist zwischen dem Zwischenspalt 7 und dem magneti-

V: sehen Sektorfeld 8 angeordnet, um den Ionenstrahl in Richtung senkrecht zur Zeichnungsoberfläche der Figur

ΐ (Z-Richiung) zu fokussieren.

U In den F i g. 2(a) und 2(b) sind Querschnitte dargestellt entlang den Linien Ι-Γ und Π-ΙΓ in der F i g. 1. In diesen

£ Figuren sind die Krümmungsradien der Ionenmittelbahn in den beiden elektrostatischen Feldern E_x und E₂

_· gleich τ. Der Abstand zwischen den Elektroden 3 und 4 ist gleich dem Abstand zwischen den Eleia-oden S und 6.

Sowohl die innenliegenden Elektroden 3 und 5 als auch die außenhegenden Elektroden 4 und 6 skid fest und dicht miteinander verbunden. Sie sind auch elektrisch miteinander verbunden. Die elektrischen Felder E_x und E₂, welche zwischen den innenliegenden Elektroden 3 und 5 und den außenliegenden Elektroden 4 und 6 erzeugt werden, besitzen daher gleiche Feldstärken.

Andererseits unterscheiden sich die Kurvenradien R_{1 x} und R_{e 2} tier Äquipotentiallinien, die durch die mittleren Ionenbahnen der Ionenstrahlen verlaufen, in den elektrostatischen Feldern E_x und E₂ voneinander (R, _x<R_e2) durch die unterschiedliche Gestaltung der Kurvenradien der Elektroden, welche die elektrostatischen Felder E_x und E₂ erzeugen. Die Konstanten C_x (= rJR_e 1) und C₂ (= r_e/R_{e 2}) der elektrostatischen Felder E_x und E₂ sind so gewählt, daß die Bedingungen C_x > 2 und C₂ < 2 erfüllt sind. Die Konstante C definiert die Eigenschaft des elektrostatischen Feldes. C = O, wenn das elektrostatische Feld zylindrisch ist O 0, wenn das elektrostatische Feld ringförmig ist. Wenn O 2, wird das elektrostatische Feld ein defokussierendes Feld mit Konkavlinsenwirkung. Wenn C<2, wird das elektrostatische Feld ein fokussierendes Feld mit Konvexlinsenwirkung. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das elektrostatische Feld E_x ein defokussierendes Feld, und das elektrostatische Feld E₂ ist ein fokussierendes Feld.

Die in der Ionenquelle 1 erzeugten Ionen werden durch den Hauptspalt 2 gesendet und in das elektrostatische Feld E\ als Ionenstrahl mit einer Richtungsdispersion α in seitlicher Richtung (entlang dem Krümmungsradius) eingeleitet Der Ionenstrahl, auf den die Konkavlinsenwirkung des elektrostatischen Feldes E_x zur Einwirkung gekommen ist, gelangt in das elektrostatische Feld E₂, das ohne jeglichen Spalt sich nahtlos an das elektrostatische Feld E_x anschließt mit einer Richtungsdispersion d, die größer ist als die Richtungsdispersion ar (Fig. 1 und 2). Der Ionenstrahl gelangt in das elektrostatische Feld E₂, als ob der Ionenstrahl von einem virtuellen Bildpunkt Fausgesendet wird. Die Bildvergrößerung am virtuellen ßildpunkt /"beträgt a/a". Dies bedeutet eine Verringerung der Bildgröße. Obgleich die Strahlbreite in Richtung des Kurvenradius r ziemlich groß an der Grenze zwischen den Feldern E_x und E₂ ist, ist die Aberration im Ionenstrahl, welcher durch den Grenzbereich hindurchtritt, äußerst gering, da die Intensitäten der elektrostatischen Felder E_x und E₂ gleich sind und biide Felder E_x und E^ nahtlos miteinander verbunden sind ohne jeglichen Spalt, so daß die Störung an der Feldgrenze zwischen den elektrostatischen Feldern E_x und E₂ auf ein Minimum reduziert ist.

Der Ionenstrahl, der auf diese Weise' in das elektrostatische Feld E₂ eingeleitet wird, besitzt nur äußerst geringe Aberrationen und verringert unter der Konvexlinsenwirkung des elektrostatischen Feldes E₂ seine Breite. Der Ionenstrahl wird im Zwischenfokus P nahe der Austrittsseite des elektrostatischen Feldes E₂ fokussiert. Abweichend vom Grenzbereich zwischen den Feldern E_x und E₂ ist die Austrittsseite des elektrostatischen Feldes E₂ angrenzend an einen freien Raum, der kein elektrostatisches Feld aufweist. Dementsprechend wächst die Störung des elektrostatischen Feldes mit dem Abstand von der Mittelbahn des Ionenstrahles in Richtung des Krümmungsradius r. Der Ionenstrahl besitzt jedoch eine äußerst geringe Breite an der Austrittsseite des elektrischen Feldes E₂ aufgrund der Konvexlinsenwirkung des Feldes E₂. Demzufolge tritt der Ionenstrahl an der Austrittsseite des elektrischen Feldes E₂ durch den mittleren Teil desselben, an welchem eine nur minimale Störung vorhanden ist. Der Ionenstrahl erhält keine bemerkenswerten Aberrationen, wenn er an der Austrittsseite des elektrischen Feldes E₂ austritt.

Der aus dem elektrostatischen Feld E₂ ohne bemerkenswerte Aberrationen z'istretende Ionenstrahl gelangt in das Magnetfeld 8, das so angeordnet und ausgebildet ist, daß die doppelfokussierende Bedingung in Verbindung mit den elektrostatischen Feldern E_x und E₂ erfüllt wird. Durch das Magnetfeld 8 wird der Ionenstrahl konver· giert und an der Stelle des Spaltes 9 fokussiert.

Aus der Fig. 3 ist die Änderung der Breite Wdes Ionenstrahles in Richtung des Krümmungsradius rentlang dem Ionenstrahlweg aufgezeichnet. Die Darstellung zeigt, daß die Breite Wauf den Wert W_x an der Grenze zwischen den elektrostatischen Feldern E_x und E₂ anwächst und auf den Wert W₂ a.\ der Austrittsseite des elektrostatischen Feldes E₂ abnimmt und dann am Zwischenfakus P zu Null wird.

Aberrationen an der r-renze zwischen den elektrostatischen Feldern E_x und E₂ sowie an der Austrittsseite des elektrostatischen Feldes E₂ sind im wesentlichen beseitigt. Es ist möglich, die Bildvergrößerung X auf einen Wert geringer als' /₄ zu reduzieren durch Verstärkung der Konkavlinsenwirkung des elektrostatischen Feldes E_x.

Demzufolge läßt sich das Auflösungsvermögen des ionenoptischen Systems in Anlehnung an die Gleichung (1) verbessern. Andererseits läßt sich unter Beibehaltung des Auflösungsvermögens die Empfindlichkeit des ionenoptischen Systems verbessern durch Vergrößerung der Spaltbreite S des Hauptspaltes 2. Obgleich die Fig. 3 zeigt, daß die Ionenstrahlbreite an den Eintritts- und Austrittsseiten des Magnetfedes

S anwächst, sind die Beeinträchtigungen, welche durch die Erweiterung der Ionenstrahlbreite in Richtung des Krümmungsradius auftreten, vernachlässigbar, da die Störung des Feldes an den Eintritts- und Austrittsseiten des Magnetfeldes in Richtung des Krümmungsradius nicht in Erscheinung treten, sondern hauptsächlich in einer Richtung auftreten, die senkrecht zur Zeichnungsoberfläche der Figur liegt, aufgrund der Tatsache, daß die Oberflächen der Magnetfolie zur Erzeugung des Magnetfeldes parallel zur Zeichnungsoberfläche der Figur

ίο liegen. Ferner können die Aberrationen zweiter Ordnung, welche durch Verbreiterung der Ionenstrahlbreite in Richtung des Krümmungsradius hervorgerufen werden, bekanntlich beseitigt werden durch entsprechende Krümmung der Endoberflächen der Magnetpole.

X y

In der Tabelle 1 sind errechnete Werte der Bildvergrößerung X des Massendispersionskoefiizienten γ und verschiedene Aberrationskoefflzienten für sieben Beispiele des doppelfokussierenden Massenspektrometer aufgelistet. Die Bestimmungen erfolgten aufgrund der folgenden Parameter.

0„ Ablenkwinkel des Magnetfeldes,

Φ, ι Ablenkwinkel des defokussierenden elektrischen Feldes,

Φ, 2 Ablenkwinkel des fokussierenden elektrischen Feldes,

CJ das Differential aus Ci bei r = r_e, C₂ das Differential aus C₂ bei r = r_e,

Q_x die Intensität der Quadrupollinse, Q_L die Länge der Quadrupollinse, R₁ der Krümmungsradius an den Eintrittsseiten der Magnetpole, R₂ der Krümmungsradius an den Austrittsseiten der Magnetpole,

so Li der Abstand zwischen dem Spalt 2 und der Eintrittsseite des defokussierenden elektrostatischen Feldes,·:,,

L₂ der Abstand zwischen der Austrittsseite des fokussierenden elektrostatischen Feldes E₂ und dem Zwischenfokus P,

L₃ der Abstand zwischen dem Zwischenfokus P und der Eintrittsseite der Quadrupollinse, L₄ der Abstand zwischen der Austrittsseite der Quadrupollinse und der Eintrittsseite des Magnetfeldes,

L₅ der Abstand zwischen der Austrittsseite des Magnetfeldes und dem Kollektorspalt 9. Unter diesen Parametern sind r_n Q₁, R₁, R₂ und Li bis L₅ durch den Krümmungsradius r_m des Ionenstrahls im

Magnetfeld normiert.

In der Tabelle 1 besitzt der Abstand L₂ beim Ausführungsbeispiel d einen negativen Wert. Dies bedeutet, daß der Brennpunkt P im elektrostatischen Feld E₂ liegt Wesentlich ist, daß der Brennpunkt an einer Stelle nahe

bzw. benachbart dem Ausgangsende des elektrostatischen Feldes E₂ liegt, um die Breite des Elektronenstrahles

am Austrittsende möglichst zu verringern. Aus der Tabelle 1 ergibt sich, daß dann, wenn

0_m =60 bis 90°, Φ., = 70 bis 160° und

0_eI =80 bis 110°

alle Parameter in ziemlich großen Bereichen liegen können. Hierbei läßt sich die Bildvergrößerung ATauf einen

Bereich von 0,133 bis 0,097 (grob gesprochen von V₈ bis V₁₀) reduzieren. Die verschiedenen Aberrationskoeffi-

Tabelle	1	a	b	C	d	e	f	g
	90°	90°	90°	90°	90°	60°	60°
	1,2	1^2		1.2	0.6	U	0,6
~r	70°	80°"	*9(f*	90°	160°	70°	160°
»,1	3,2	3,2	2,8	3,0	2,18	3,2	2,2
C₁	6,144	4,096	9,408	3,6	-3,802	-5,12	-5,566
	80°	85°	90°	90°	110°	80°	110°
*Φ,ι*	0,04	0,05	0,15	0,03	1,0	0,04	1,0
C₂	2,176	2,025	0,675	1,575	-0,5	1,824	-0,55
Q	-1,64	-1,61	-1,85	-1,6	-1,6	-1,48	-1.4
	0,3	0,3	0,22	0,3	0,3	0,3	0,3
Ql	-0,850	-0,870	-1,400	-0,990	-1,300	-1,180	-1,800
Ri	2,434	2,488	2,160	2,503	2,665	1,108	1,822
	0,91	0,7	0,55	0,73	0,7	0,91	0,7
Li	0,254	0,152	0,035	-0,004	0,046	0,254	0,056
L₂	0,402	0,415	0,814	0,464	0,742	0,862	1,160
L₃	0,5	0,5	02	0,45	0,3	0,7	0,7
U	0,980	0,969	1,185	0,994	1,036	2,115	1,913
L₅	0,123	0,110	0,133	0,099	0,097	0,145	0,095
X	0,990	0,985	1,092	0,997	1,018	1,166	1,078
V

zienten können aufextrem niedrige Werte annähernd gleich Null gehalten werden. Demzufolge ergibt sich nach Gleichung (1) ein Auflösungsvermögen, das beträchtlich erhöht ist. Wenn das Auflösungsvermögen R beibehalten wird, läßt sich die Empfindlichkeit des ionenoptischen Systems durch Erweiterung der Spaltbreite des Kollektorspaltes verbessern.

Die Fig. 4 zegt ein ionenoptisches System nach dem Beispiel in der Tabelle 1. Bei diesem Ausführungs- 5 beispiel ist die Bildvergrößerung X auf einen extrem geringen Wert, nämlich auf 0,097, verringert. Obgleich Φ,, und fa j 160 bzw. 110° betragen, läßt sich der Krümmungsradius /-,auf 0,6 verringern. Demzufolge kann die Ausdehnung der elektrostatischen Felder wesentlich verringert werden.

Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 4 sind sowohl die innenliegenden Elektroden als auch die außenliegenden Elektroden fest miteinander in Berührung gebracht. Zwischen diesen Elektroden besteht io außerdem eine elektrische Verbindung, so daß unter Zuhilfenahme einer einzigen elektrischen Versorgungsquelle die beiden Arten von elektrostatischen Feldern erzeugt werden können. Beispielsweise ist es jedoch auch möglich, die beiden Arten der elektrostatischen Felder nicht unbedingt in engen Kontakt miteinander zu bringen. Es kann ein geringer Spalt zwischen den beiden Feldern vorhanden sein, soweit dieser Spalt nicht einen wesentlichen Freiraum zwischen den beiden elektrostatischen Feldern schafft. 15

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1 Doppelfokussierendes Massenspektrometer mit in Ionenstrahlrichtung hintereinander angeordnetem Ionenstrahlerzeuger, Toroidkondensator, in dem die Ionenstrahlmittelbahn einen konstanten Kurvenradius

r aufweist, magnetischem Sektorfeld und Ionendetektor, wobei der Ionenstrahl zwischen dem Toroidkond'ensator und dem magnetischen Sektorfeld einen Zwischenfokus hat und wobei weiterhin ein fokussierender Teil des Toroidkondensators einen konstanten Kurvenradius R_e2 der Äquipotentiallinien senkrecht zur Ionenstrahlmittelbahn mit einem Verhältnis von TjR₁₂Kl aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der restliche Teil des Toroidkondensators, der in Ionenstrahlrichtung vor dem fokussierenden Ted des

ίο Toroidkondensators angeordnet ist, einen konstanten Kurvenradius R_e j der Äquipotentiallinien senkrecht zur Ionenstrahlmittelbahn mit einem Verhältnis von rJR_e , > 2 aufweist.
2 Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sektorwinkel Φ, _x des fokussierenden Teils des Toroidkondensators 70 bis 160° und der Sektorwinkel Φ, ₂ des restlichen Teils des Toroidkondensators 80 bis 110° beträgt