DE3423394A1

DE3423394A1 - Laufzeit-massenspektrometer

Info

Publication number: DE3423394A1
Application number: DE19843423394
Authority: DE
Inventors: Yoshikazu Hashimoto Yawata Yoshida
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1983-11-30
Filing date: 1984-06-25
Publication date: 1985-06-05
Anticipated expiration: 2004-06-26
Also published as: US4625112A; GB8415521D0; JPS60119067A; GB2153139A; DE3423394C2; JPH0468740B2; GB2153139B

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Laufzeit-Massenspektrometer, und insbesondere ein Laufzeit-Massenspektrometer mit verbesserter Auflösung.

Wenn Ionen eine identische Energie verliehen wird, sind die Geschwindigkeiten der Ionen in Abhängigkeit von ihrer Masse verschieden und dementsprechend ist die Laufzeit bzw. Flugzeit, die zum Durchwandern einer bestimmten Strecke benötigt wird, in Abhängigkeit von der Masse der Ionen verschieden. Es ist daher die Grundtheorie eines Laufzeit-Massenspektrometers, die Masse eines Ions in Abhängigkeit von der Laufzeit bzw. Plugzeit des Ions zu analysieren.

Da es übrigens praktisch unmöglich ist, den jeweiligen Ionen gerade den gleichen Energiewert zu verleihen, haben sogar die mit der gleichen Masse ausgestatteten Ionen unvermeidbar eine bestimmte Energiestreuung und damit weist auch ihre Laufzeit eine bestimmte Streuung auf. Wenn diese Streuung größer wird, wird das Auflösungsvermögen für die Massenanalyse vermindert.

Herkömmliche Laufzeit-Massenspektrometer sind beispielsweise in US-PS 3 727 047 und in der japanischen Offenlegungsschrift 44953/1982 beschrieben. Diese Analysatoren können jedoch nicht in ausreichendem Maße die Verminderung des Auflösungsvermögens beseitigen, das durch die Streuung der Energie wie vorstehend beschrieben verursacht wird.

Gemäß der Erfindung wird ein Laufzeit-Massenspektrometer geschaffen, welches eine Ionen emittierende Einrichtung mit einer Probenbühne aufweist, an die eine Spannung angelegt ist, sowie eine Strahlungseinrichtung

zur Abstrahlung von Impulslaserbündeln oder ähnlichem auf eine Probe, um aus dieser Ionen zu erzeugen. Ferner ist eine Analysatorröhre vorgesehen, welche eine Vielzahl von ringförmigen Elektroden aufweist, die in gleichen Abständen zueinander auf der gleichen Achsenrichtung festgelegt sind, wobei eine an eine n-te Ringelektrode von der Ionen emittierenden Einrichtung aus angelegte Spannung Vn bezüglich des Abstandes Xn von der Ionen emittierenden Einrichtung zur η-ten Ringelektrode die

2 folgende Beziehung aufweist: Vn = aXn + bXn, und die Spannung Vn ist an jede der ringförmigen Elektroden angelegt (die Konstanten a, b sind definiert durch die

2 Beziehungen b = V_T/L - aL, oder b = 0 und a = V_T/L , wobei L die Länge der Analysatorröhre ist und V die Spannung, die an die ringförmige Elektrode am hintersten Ende der Analysatorröhre angelegt ist). Schließlich ist eine Ionendetektoreinrichtung gegenüber der Analysatorröhre angeordnet, um die aus dem Innenraum zurückgeführten und aus der Analysatorröhre herausgelangenden Ionen zu ermitteln.

Da bei dem erfindungsgemäßen Laufzeit-Massenspektrometer ein elektrisches Feld, dessen Stärke proportional zum Abstand zwischen einer Ionenerzeugungsposition und einer Analysatorröhre ist, entlang einer Richtung geformt ist, die entgegengesetzt zur Ionenwanderungsrichtung in der Analysatorröhre in dem Fall ist, bei dem die Ionenerzeugungsposition nahe der Analysatorröhre stattfindet, führen Ionen einzelne harmonische Schwingungen mit einer bestimmten Periode wie der eines Pendels aus, wodurch die Laufzeit der Ionen nicht mehr von der Anfangsenergie der Ionen abhängt. Dies kann die Verminderung der Auflösung aufgrund der Streuung der anfänglichen Energien der Ionen verhindern und ein größeres Auflösungsvermögen ergeben.

Sogar in dem Fall, in dem die Ionenerzeugungsposition von der Analysatorröhre entfernt gelegen ist, kann überdies die Verminderung der Auflösung verhindert werden, um eine höhere Auflösung dadurch zu erzielen, daß ein elektrisches Feld innerhalb der Analysatorröhre derart geformt wird, daß die Ionen einzelne harmonische Schwingungen mit einer bestimmten Periode ausführen.

Gemäß einer anderen Betrachtungsweise kann überdies die Massenanalyse für Ionen, die eine größere Streuung der Anfangsenergie aufweisen, als die durch Impulslaserbündel erzeugten Ionen, mit hoher Auflösung erfolgen und es kann ein Zeitauflösungs-Massenspektrum in chemischen Reaktionen hoher Geschwindigkeit mit hoher Auflösung erzielt werden.

Die Erfindung sei nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand einer besonders bevorzugten Ausführungsform näher erläutert; es zeigen:

Figur 1 eine teilweise ausgeschnittene perspektivische Darstellung eines Laufzeit-Massenspektrometers gemäß der Erfindung;

Figur 2 ein charakteristisches Diagramm des elektrischen Potentials in einer Analysatorröhre in dem in der Figur 1 gezeigten Gerät;

Figur 3 ein charakteristisches Diagramm der Stärke des elektrischen Feldes in der Analysatorröhre des in der Figur 1 gezeigten Geräts;

Figur 4 ein Modelldiagramm des Flugpfades von Ionen in dem in der Figur 1 gezeigten Gerät;

Figur 5 ein charakteristisches Diagramm zur Darstellung der Auflösung einer Ausführungsform des Laufzeit-Massenspektrometers gemäß der

Erfindung; und

Figur 6 ein Spektrum das die Analysenergebnisse mit Laufzeit-Massenspektrometern gemäß der Erfindung und mit herkömmlichen Geräten zeigt.

Gemäß der Erfindung können bekannte Ionenemissionseinrichtungen verwendet werden, wobei eine zu analysierende Probe, je nach dem Fall, ein Festkörper oder ein Gas sein kann. Die zur Abstrahlung der Probe und zur Erzeugung von Ionen aus der Probe verwendete Energiequelle kann Impulslaserbündel oder impulsähnliche Elektronenbündel umfassen.

Die Analysatorröhre gemäß der Erfindung ist charakteristisch hinsichtlich ihrer Struktur, die eine Vielzahl von ringähnlichen bzw. ringförmigen Elektroden umfaßt, sowie hinsichtlich der daran angelegten Spannung oder des dadurch erzeugten elektrischen Feldes.

Der Massenanalysator gemäß der Erfindung unterscheidet sich von herkömmlichen Massenanalysatoren darin, daß er derart ausgebildet ist, daß auf der Grundlage des Pendelprinzips eine Kraft im umgekehrten Verhältnis zum Abstand auf die Ionen ausgeübt wird, so daß die Ionen im gleichen Zeitpunkt reflektiert werden können, und zwar sogar dann, wenn sie mit unterschiedlichen Anfangsenergien in den Analysator eintreten.

Obgleich für die Ionenemissionseinrichtung häufig eine Ionenlinse verwendet worden ist und diese zu einem Abstand zwischen der Stelle der Ionenerzeugung und der Analysatorröhre führt, ist überdies ein derartiger freier Driftbereich derart ausgestaltet, daß das Pendelprinzip dadurch sichergestellt werden kann, daß eine spezielle

Spannung (elektrisches Feld) gemäß der Erfindung an die Analysatorröhre angelegt wird.

Die verwendbare lonendetektorexnrichtung ist selbst nach dem Stand der Technik bekannt.

Die Erfindung wird nun in mehr Einzelheiten mit Bezug auf die Figur 1 beschrieben. Ein zylindrisches Außengehäuse 1 aus rostfreiem Stahl weist einen Flansch 2 auf, der an einem Ende angeschweißt ist, und ist am andere Ende dicht verschlossen. Das Außengehäuse 1 ist ausreichend stark, daß es nicht zusammengedrückt wird, wenn der Innenraum evakuiert wird. An der Innenseite des Außengehäuses 1 sind eine Ionenemissionseinrichtung, eine Analysatorröhre und eine Ionendetektoreinrichtung auf der Achse a des Außengehäuses 1 angeordnet, wie im einzelnen nachstehend beschrieben.

Eine mit einem Probeneinführungsteil 3 versehene Scheibe 4 ist etwa um den Mittelpunkt des Flansches 2 herum mittels Schrauben oder ähnlichem befestigt, so daß sie das Außengehäuse/dicht abschließt. Ein Ionenerzeugungsteil 5 ist an der Scheibe 4 angeordnet und erstreckt sich von dem Probeneinführungsteil 3 zur Innenseite des Außengehäuses 1. Der Ionenerzeugungsteil 5 weist eine Probenstufe 7 auf, die an seinem oberen Ende über ein isolierendes Abstandselement 6 vorgesehen ist, wobei an die Stufe 7 eine Probenspannung angelegt ist. Eine Fensteröffnung 8 zur Einführung von Impulslaserbündeln führt Laserbündel ein, die von einer Laser-Strahlungsquelle (nicht gezeigt) ausgesendet werden, wobei die Bündel durch eine Linse 9 auf die Probenstufe bzw. den Probenträger 7 fokussiert werden. Eine Ionenlinse 10 ist vor dem Ionenerzeugungsteil 5 angeordnet, in dem zylindrische Elektroden 11, 12, 13 und isolierende Ab-

Standselemente 14, 14 abwechselnd angeordnet sind. An die Elektrode 12 ist eine Linsenspannung angelegt, während die Elektrode 11 und die Elektrode 13 auf Massepotential liegen. Die Ionenlinse 10, der Ionenerzeugungsteil 5 und die Laser-Strahlungsquelle bilden zusammen eine Ionen emittierende Einrichtung 15.

Eine Ionendetektoreinrichtung 16 und eine Analysatorröhre 17 sind vor der Ionen emittierenden Einrichtung 15 angeordnet. Die Ionendetektoreinrichtung 16 ist etwa an ihrem Mittelpunkt mit einer Öffnung versehen, durch welche Ionen hindurchtreten, die von der Ionen emittierenden Einrichtung/abgegeben würden, und eine Mikrokanalplatte 18 zur Detektierung des von der Analysatorröhre 17 reflektierten Ions ist an den ringförmigen Elektroden 19 befestigt. Die Mikrokanalplatte 18 ist an eine Stromquellenspannung angelegt. Das über der Ionendetektoreinrichtung 16 gelegene Außengehäuse 1 weist einen Auslaß 22 zur Herausführung eines Leiters 20 auf, der eine Spannung einführt, die an die Mikrokanalplatte 18 anzulegen ist, sowie einen Leiter 21, der die Ionendetektorsignale von der Mikrokanalplatte 18 herausführt.

Die Analysatorröhre 17 besteht aus einer Vielzahl von ringförmigen Elektroden 19, die in gleichen Abständen zueinander in zylindrischer Gestaltung zusammengebaut sind, wobei jeweils zwischen ihnen isolierende Abstandselemente 23 angebracht sind. Die ringförmige Elektrode hat eine Größe mit beispielsweise 1 mm Dicke und 40 mm Innendurchmesser. Die Analysatorröhre 17 umfaßt beispielsweise 100 Schichten von ringförmigen Elektroden 19, die jeweils im Abstand von 10 mm zueinander befestigt. Ein Widerstand 24 ist zwischen jeder der ringförmigen Elektroden 19 verbunden, um eine Spannung an die ringförmige Elektrode 19 anzulegen, überdies ist eine Re-

flektorspannung an die ringförmige Elektrode 19 am obersten Ende angelegt, während die mit der Mikrokanalplatte 18 versehene ringförmige Elektrode 19 auf Massepotential liegt. Ein Auslaß 26 führt die innere Verdrahtung für die Probenspannung, die Linsenspannung, die Reflektorspannung und das Massepotential nach außen und ist unterhalb der Ionenlinse 10 am Außengehäuse 1 angebracht. Die Leiterführungsabschnitte für den Auslaß 22 und den Auslaß 26 sind jeweils hermetisch abgedichtet. 10

Eine Öffnung 27 ist an der Wand des Außengehäuses 1 unterhalb der Analysatorröhre 17 geformt und steht in Verbindung mit dem Innenraum des Gehäuses 1, der mit einer Vakuumpumpe zu verbinden ist.

Nachstehend wird nun die Betriebsweise des Laufzeit-Massenspektrometers gemäß der Erfindung erläutert.

An jede der ringförmigen Elektroden 19 ist eine Spannung Vn als Summe einer Spannung Vq im Verhältnis zum Quadrat jeder Entfernung Xn und einer Spannung Vp im Verhältnis zum Abstand Xn vom Ende der Ionen emittierenden Einrichtung 15 angelegt. Es sei angenommen, daß die Spannungen Vq und Vp den folgenden Bedingungen genügen:

Vq = yaXn² (1-1)

Vp = SXn (1-2)

Vn ergibt sich zu:

-L ß ß²

Vn = Vq + Vp = 2 a (Xn+?)². · · · (1-3)

2a

Dementsprechend nimmt die Spannung Vn für jede der Elektroden 19 im Verhältnis zum Quadrat des Abstandes, gesehen von einem Referenzpunkt Q an der Seite der Ionen emittierenden Einrichtung 15 von der Analysenröhre 17 zu.

Da das elektrische Feld E innerhalb der Analysenröhre 17 dadurch erzielt wird, daß die Spannung Vn nach dem Abstand Xn differenziert wird, kann es wie folgt ausgedrückt werden:
10

E= aXn + β ( 1 - 4 )

es ist somit die Summe des elektrischen Feldgradienten E₁ (= (χ Xn) im Verhältnis zum Abstand Xn und des elektrischen Feldes E₂ (= β ) auf einem konstanten Pegel bzw. einer konstanten Höhe. Die Richtung des elektri-' sehen Feldes E wird in Abhängigkeit von der Polarität einer Gleichstrom-Stromquelle derart bestimmt, daß von der Ionen emittierenden Einrichtung 15 emittierte Ionen zur Ionen emittierenden Einrichtung 15 zurückgeführt werden. Die von der Ionen emittierenden Einrichtung 15 zur Innenseite der Analysatorröhre 17 emittierten Ionen werden dann durch das elektrische Feld E zurückgeführt und treten zur Ionen emittierenden Einrichtung 15 hin wieder auf einem U-förmigen Pfad aus, wie in der Figur 4 gezeigt, und zwar vorausgesetzt, daß die Größe der Analysatorröhre 17 ausreichend groß ist.

Es wird hier angenommen, daß ein Ion mit der Masse m, der Ladung q und der Anfangsenergie V zur Innenseite der Analysatorröhre 17 emittiert wird, und die Richtung der Achse a in der Analysatorröhre 17 wird als Richtung X bezeichnet und die Richtung senkrecht zur Achse a als die Richtung r.

Da das Ion die Energie V_n als kinetische Energie aufweist, ist die Anfangsgeschwindigkeit S_n des Ions durch die folgende Gleichung (2-1) gegeben.

^2qV

0 (2-1)

Wenn also die Anfangsenergie V eine gewisse Streuung aufweist, dann ist sie ausgedrückt als die Streuung der Anfangsgeschwindigkeit S_n des Ions, wie ersichtlich,

Wenn man die Entfernung von der Erzeugungsstelle des Ions zur Analysatorröhre 17 als L- annimmt, dann ist die Geschwindigkeit S_n konstant, denn es existiert kein elektrisches Feld, das die Geschwindigkeit des Ions über diese Strecke hin beeinflußt, und folglich ergibt sich die Laufdauer bzw. Flugzeit T_n nach der folgenden Beziehung:

(2-2)

Da die kinetische Gleichung in der Analysatorröhre 17 unter der Einwirkung einer Kraft durch das elektrische Feld E in entgegengesetzter Richtung zur Richtung der Achse a steht, d.h. in der Richtung X, kann die Gleichung wie folgt ausgedrückt werden:

= -qE = -qaXn - qß (3-1)

dt*

Die Gleichung (3-1) wird unter den Anfangsbedingungen aufgelöst, wobei man annimmt, daß der Zeitpunkt, zu dem das Ion in die Analysatorröhre 17 eintritt t = 0 ist, ferner die Eintrittsstelle Xn = O und die Geschwin-

5 digkeit gleich S : Xn= .^2V0

sin / tH— cos

a Vm a

β t

( 3-2)

Die vorstehende Gleichung kann wie folgt umgewandelt werden:

Xn =

2V

β a

+ (-)² sin

— t+ θ

wobei θ = arctan

Die Spannung für die Elektrode am hintersten Ende der Analysatorröhre 17, d.h. eine zugeführte Spannung V_L ist durch die Gleichung (1-1) und die Gleichung (1 r-2) wie folgt darzustellen:

V , = - a L ¹ 2

( 3-4 ) (3-5 )

Wenn die vorstehenden Gleichungen in die Gleichung (3-3) eingesetzt werden, erhält man die folgende Gleichung (3-6)

Xn =

sin

2V₁

-L

( 3-6 )

wobei θ = arctan /■ · L

Da die Laufzeit T₁, während der das Ion in die Analysator röhre 17 eintritt und wieder aus ihr herausgelangt, eine Zeit t ist (mit Ausnahme von t = O), ergibt sich in der Gleichung (3-6) Xn = 0 und die Laufdauer kann wie folgt ausgedrückt werden:

T₁ = L

■ — aresin ('

4V₀V] V₂ ²

— arctan (·

4V₀V₁

( 3-7 )

Die' vorstehende Gleichung kann umgeordnet werden:

ΈΓ V₂

T₁ = L / l>—2arctan (

ZV

( 3-8 )

Da nun die Gesamtlaufzeit T die Summe von T_Q und T.. ist, kann sie wie folgt angegeben werden:

1\„ L Vo

30. T =

Wenn man nun den Fall betrachtet, bei dem die Anfangsenergie V eine gewisse Streuung V + AV aufweist und

35 die Ausdrücke

V₂

= U,

und

AVc Vn

einsetzt, wird die Gleichung bezüglich S unter Vernachlässigung der Terme dritter und höherer Ordnung aufgelöst zu:

R L₀ * 3 ₉ "L.

Τ + ΔΤ=(-ρ(ΐ + -δ² )+—[>-2(arctanU

V 2 8 VV

ρ(ΐ+ -VV₀ 2 8

U U(U²+3)

-2(1-HJ²) 8(1+U²)² 10

L₀ L L-

= ("7= +7= · π — 2 · -zz arctan U

/v7 ^vT /;

U L

15 2^ (1+U²)

3L₀ L-U(U²+3)

Die Bedingung für die Reduzierung des Koeffizienten für den primären Term von <Γ auf Null wird bestimmt zu

V₂= 2^V₀Cl- Jl-(^V -(J)D (4-2)

25 L₀ V L . V₀

Wenn man das Ergebnis auf den Koeffizienten für den sekundären Term von € anwendet, kann er wie folgt angegeben werden:

^X-ii.i, (4-3)

L V₂

Der vorstehende Ausdruck kann nur dann auf Null reduziert werden, wenn V₂ = L_Q/L · V₁ gilt. Zur gleichzeitigen

* * rf

_₁₆.

Befriedigung der vorstehenden Bedingung und der Gleichung (4-2) ist es erforderlich, das gilt L=O. Da jedoch bei diesem Gerät ~L \ 0 gilt, kann die vorstehende Bedingung nicht befriedigt werden und folglich kann der sekundäre Term von S nicht auf Null reduziert werden. Somit gilt für die Gesamtlaufzeit, die die Gleichung (4-2) erfüllt, der folgende Ausdruck:

Das heißt, daß der Ausdruck vermögen bestimmt.

Auflösungs

Nun ist unter Berücksichtigung der Gleichung (3-9)

oder (4-4) T &J m und dementsprechend λ m ₌ i_ Das Auflösungsvermögen ergibt sich somit zu: 2 m _ 1 T

Δ m 2 Δ Τ
Wenn man die Gleichung (4-5) mit der Gleichung (4-4) substituiert, ergibt sich die folgende Beziehung:

Δτη

*— 2 arctan (

Ί-Ό V₁

^νΔν₀ ^J ( 4-6 )

r m

Es sei nun angenommen L_n = 0,085 m, L = 0,25 m, V_n = 2000 V und V₁ = 2000 V bei diesem Gerät, so kann aus der Bedingung der Gleichung (4-2) ermittelt werden,-daß V₂ = 700,88 V ist. Für die Gleichung (4-6) gilt dann:

Wenn man annimmt, daß Δ V = 200 V, ergibt sich

= 6 19 0 0

Δ m

was bedeutet, daß sich ein Auflösungsvermögen ergibt, das außerordentlich besser ist, als das eines herkömmlichen Laufzeit-Massenspektrometers.

Die Figur 5 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen der Anfangsenergie V_n und der Laufzeit T gemäß der Gleichung (3-9). Die Bedingungen für das Gerät sind wie folgt: L_Q = 0,085 m, L = 0,25 m, V₁ = 2000 V und V₂ = 700,877 V, um die Gleichung (4-2) zu erfüllen, we
25

wenn V_Q = 2000 V ist.

Die Masse wird zu m = 63 eingesetzt, wobei der Fall des Kupferions angenommen wird. Sogar wenn die Anfangsenergie V etwa von 2000 V bis 500 V variiert, hat die Laufzeit T nur eine Streuung von 1 nsec_f wie aus der Figur 5 ersichtlich ist, es ergibt sich also eine extrem gute Leistungsfähigkeit.

Obgleich die Erfindung mit Bezug auf das vorstehende spezielle Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, kann sie auch zu verschiedenen anderen Ausführungen abge-

wandelt werden, solange diese innerhalb des Rahmens der Erfindung bleiben, gemäß dem das elektrische Feld K in der Analysatorröhre derart geformt wird, daß das Pendelprinzip auf die in der Analysatorröhre fliegenden

Ionen angewendet werden kann. ■

Beispielsweise kann die Analysatorröhre gemäß der Erfindung derart aufgebaut sein, daß eine Vielzahl von j ringförmigen Elektroden entlang der Achse derart ange- j ordnet wird, daß die Potentialdifferenz zwischen jeweils benachbarten Elektroden konstant ist und der Abstand zwischen den Elektroden allmählich verringert wird, so daß das erwünschte elektrische Feld gebildet wird.

Alternativ hierzu kann die Analysatorröhre auch mit verteilten Widerständen ausgebildet werden, die einen

2 spezifischen Widerstand von aXn + bXn haben (wobei Xn die Entfernung ist), wodurch innerhalb der Analysatorröhre in der gleichen Weise wie bei anderen Ausführungsformen das erwünschte elektrische Feld erzeugt werden kann.

Die Figur 6 zeigt schließlich ein Analysenergebnis A unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, sowie ein Analysenergebnis B, das mit einem herkömmlichen Gerät erzielt wurde.

Das hier verwendete herkömmliche Gerät ist ein Laufzeit-Massenspektrometer vom Laufrohrtyp (liner type), bei dem der Abstand zwischen der Ionen emittierenden Einrichtung und dem Detektor etwa 1,4 5 m beträgt und eine Probenspannung von 2000 V an die Probenbühne angelegt ist.

Bei dem Gerät der erfindungsgemäßen Ausführungsform beträgt die Länge des freien Driftbereiches 0,2 m und diejenige der Analysatorröhre 1 m, und es sind Spannungen von 2400 V bzw. 2000 V an die Analysatorröhre bzw. an die Probenbühne angelegt.

Auf eine Kohlenstoffprobe werden Impulslaserbündel gestrahlt, um daraus Ionen zu erzeugen.

Aus dem vorstehend angegebenen Ergebnis ist ersichtlich, daß das Auflösungsvermögen des Analysators gemäß dieser Ausführungsform höher ist als das des herkömmlichen Geräts, da die relative Stärke von Ionenballungen (C1, C2, .... C20) deutlicher dargestellt sind, als bei dem Ergebnis des herkömmlichen Geräts. Überdies ist es mit erfindungsgemäßen Gerät auch möglich, die Ionenballungen C4 und C17 zu analysieren, die mit dem herkömmlichen Gerät nicht klar analysiert werden konnten.

Ende der Beschreibung 30

Claims

KRAUS ■ WETSBRT "& PARTNER

PATENTANWÄLTE

UND ZUGELASSENE VERTRETER VOR DEM EUROPÄISCHEN PATENTAMT

DR. WALTER KRAUS DIPLOMCHEMIKER · DR.-ING. DIPL.-ING. ANNEKÄTE WEISERT · DIPL.-PHYS. JOHANNES SPIES , IRMQARDSTRASSE 15 ■ D-aOOO MÜNCHEN 71 · TELEFON 089/797077

TELEGRAMM KRAUSPATENT · TELEX 5-212156 kpat d · TELEFAX (O89) 7 9182 33

• 4540 JS/5/U

SHIMADZU CORPORATION, Kyoto .(Japan)

Laufzeit-Massenspektrometer

PATENTANSPRÜCHE

1/ Laufzeit-Massenspektrometer, dadurch gekennzeichnet , daß eine Ionen emittierende Einrichtung vorgesehen ist, die eine Probenbühne mit angelegter Spannung aufweist, sowie eine Bestrahlungseinrichtung zur Bestrahlung einer Probe mit Impulslaserbündeln oder ähnlichem zur Erzeugung von Ionen aus der Probe, daß eine Analysatorröhre vorgesehen ist, die eine Vielzahl von ringförmigen Elektroden aufweist, welche in gleichen Abständen zueinander auf der gleichen Achsenrichtung festgelegt sind, wobei eine Spannung Vn an eine n-te ringförmige Elektrode von der Ionen emittierenden Einrichtung aus angelegt ist und bezüglich des Abstandes Xn von der Ionen emittierenden Einrichtung zur η-ten ringförmigen Elektrode die folgende

Beziehung aufweist: Vn = aXn + bXn, und die Spannung Vn

an jede der ringförmigen Elektroden angelegt ist (wobei die Konstanten a, b wie folgt bestimmt sind: b = V_T/L - aL, oder b = 0 und a = V_T/L , und L die Länge j

der Analysatorröhre ist und V_T die an die ringförmige |

^ö Elektrode am hintersten Ende der Analysatorröhre ange- j

legte Spannung ist), und daß eine Ionendetektoreinrichtung gegenüber der Analysatorröhre angeordnet ist, um die aus dem Innenraum zurückgeführten und aus der Analysatorröhre austretenden Ionen zu erfassen. 10
2. Laufzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung Vn an jede der ringförmigen Elektroden über eine Spannungsteilerschaltung angelegt ist, die aus Widerständen besteht, welche jeweils zwischen jeder der ringförmigen Elektroden angeschlossen sind.
3. Laufzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen emittierende Einrichtung eine Ionenlinse umfaßt, die eine Vielzahl von Elektroden aufweist, welche auf der gleichen Achse festgelegt sind, wobei die Ionen im wesentlichen auf der Achse fliegen, an der das durch die Elektrode erzeugte elektrische Feld zur Beschleunigung vorliegt.
4. Laufzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenlinse aus zylindrischen Elektroden zusammengesetzt ist.
5. Laufzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Ionendetektoreinrichtung eine Mikrokanalplatte umfaßt, in deren Zentrum eine Ionendurchtrittsöffnung geformt ist.
6. Laufzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Ionendetektoreinrichtung zwischen der Ionen emittierenden Einrichtung und der Analysatorröhre und auf der gleichen Achse gelegen ist.
7. Laufzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Analysatorröhre 100 Schichten aus ringförmigen Elektroden umfaßt, von denen jede eine Dicke von 1 mm und einen Innenringdurchmesser von 40 mm aufweist, und die derart festgelegt sind, daß sie einen Ionen-Flugraum darstellen.
8. Laufzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Ionen emittierende Einrichtung eine Strahlungseinrichtung umfaßt, um impulsform!ge Elektronenbündel für eine gasförmige Probe abzustrahlen.
9· Laufzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen emittierende Einrichtung Strahlungseinrichtungen zur Abstrahlung von impulsform!gen Ionen umfaßt.
10. Laufzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Ionen emittierende Einrichtung Strahlungseinrichtungen zur Abstrahlung von impulsförmigen Neutronen umfaßt.