DE3914838C2

DE3914838C2 -

Info

Publication number: DE3914838C2
Application number: DE3914838A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Hinwil Ch Allemann; Pablo Dr. Winterthur Ch Caravatti
Original assignee: SPECTROSPIN AG FAELLANDEN ZUERICH CH
Current assignee: SPECTROSPIN AG FAELLANDEN ZUERICH CH
Priority date: 1989-05-05
Filing date: 1989-05-05
Publication date: 1992-11-26
Also published as: EP0396019B1; DE59010044D1; EP0396019A2; EP0396019A3; DE3914838A1; US5019706A

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßzelle für ein ICR-Spektrometer, die mehrere zur Feldrichtung eines homogenen Magnetfeldes parallel verlaufende, als HF-Sende- und Empfangselektroden ausgebildete Seitenwände, sowie, entlang der Feldrichtung gesehen, beider seits der Zelle angeordnete, Trapping-Elektroden aufweist.

Eine solche ICR-Meßzelle ist beispielsweise durch einen Artikel "Int. J. of Mass. Spectrom. and Ion Processes" 86 (1988) Seiten 31 bis 51 bekannt. Sie eignet sich speziell zur Massenanalyse geladener Teilchen. Die zu untersuchenden Ionen werden dabei entweder extern erzeugt und mit Hilfe einer Ionenoptik in die ICR-Meßzelle eingeschossen oder mit Hilfe eines in die ICR- Zelle gerichteten Elektronenstrahles durch Stoßionisation der Restgasteilchen in der Zelle erzeugt. Parallel zur Längsachse der Zelle durchsetzen die Feldlinien eines homogenen Magnet feldes den Innenraum der Zelle. Dadurch wirkt auf die q-fach geladenen Teilchen mit der Geschwindigkeit die Lorentzkraft
= q ×

Diese Kraft behindert die Bewegung eines Ions parallel zu den magnetischen Feldlinien nicht. Besitzt das Ion der Masse m jedoch eine Geschwindigkeitskomponente v_t senkrecht zum Magnet feld, so wird es durch die Lorentzkraft auf eine Kreisbahn gezwungen, deren Radius r sich aus dem Gleichgewicht von Zentri fugalkraft und Lorentzkraft ergibt:

r = mv_t/qB.

Auf dieser Kreisbahn läuft das Ion mit der Zyklotronfrequenz

ω = qB/m

um. Einer bestimmten Zyklotronfrequenz ω sind also Ionen glei cher Masse zugeordnet, so daß eine Massenanalyse des Ionen schwarmes durch eine Frequenzanalyse erfolgen kann. Die Zyklo tronresonanz der Ionen wird durch eine Resonanzanregung ihrer charakteristischen Bewegung im homogenen Magnetfeld durch ein senkrecht zum Magnetfeld angelegtes elektrisches Hochfrequenz (HF)-Feld hervorgerufen.

Ein Problem aller bisher bekannten ICR-Zellen mit kubischer, zylindrischer oder hyperbolischer Geometrie besteht darin, daß aufgrund endlicher elektrischer HF-Feldkomponenten in axialer Richtung die Ionen während der Anregungsphase durch das elektri sche HF-Feld nicht nur, wie gewünscht, Energie radial zur Magnetfeldrichtung gewinnen, sondern auch in axialer Richtung beschleunigt werden. Da die Potentialbarriere in axialer Rich tung nur ca. 1eV hoch ist, können die in axialer Richtung be schleunigten Ionen leicht aus der Zelle entweichen und gehen damit für das Experiment verloren.

Eine theoretische Lösung böte eine in axialer Richtung unendlich ausgedehnte Zelle, da das elektrische HF-Feld in einer solchen Zelle keine Axialkomponenten besäße und somit die Ionen in axialer Richtung nicht auslenken würde. Versuche mit länglichen Zellen, bei denen die Abmessungen in axialer Richtung sehr viel größer waren als der Zellendurchmesser, haben jedoch zu unbefriedigenden Resultaten geführt, weil vermutlich der Aufent haltsbereich der Ionen über den homogenen Bereich des in der Regel von einem Kryomagneten erzeugten Magnetfeldes hinaus reichte. Die Folgen mußten dann verzerrte Linienformen und ein reduziertes Auflösungsvermögen des Spektrometers sein. Um also das eine Problem nicht durch ein anderes zu ersetzen, sollen die an die Zelle angelegten DC-Potentiale den Aufenthaltsbereich der Ionen auf den homogenen Bereich des Magnetfelds beschränken.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Meßzelle für ein ICR-Spektrometer zu entwickeln, bei der ein Entweichen der Ionen aus der Meßzelle in axialer Richtung signifikant reduziert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede Trapping-Elektrode aus mehreren Teilelektroden aufgebaut ist, die so geformt sind, daß die Projektion ihrer Ränder auf eine zur Feldrichtung senkrechte Mittelebene der Meßzelle entlang von Äquipotentiallinien des Sendefeldes verläuft, und daß an die Teilelektroden zusätzliche HF-Potentiale angelegt werden.

Dadurch kann das auf die Ionen in der Meßzelle einwirkende elektrische HF-Feld so geformt werden, als wenn es von in axialer Richtung unendlich langen HF-Elektroden eingestrahlt würde. Dies rührt daher, daß die Randinhomogenitäten, die durch die endliche Länge der Meßzelle in Achsrichtung an den Enden der Zelle hervorgerufen werden, durch Überlagerung mit den zusätzlichen, über die Trapping-Elektroden eingestrahlten elektrischen HF-Feldkomponenten ausgeglichen werden. Dabei ist es nicht erforderlich, die Grundform der Meßzelle nennenswert zu verändern.

Aus einem Artikel in der Zeitschrift "Vacuum" 10 (1960) Seiten 363 bis 372 ist zwar bekannt, daß durch die Verwendung von HF- beaufschlagten Führungsringen (guard rings R) das HF-Feld im Innern eines Omegatrons homogenisiert werden kann, wobei an die Führungsringe zusätzlich eine kleine positive Gleichspannung angelegt wird, um die Ionen von einer Drift in Magnetfeldrich tung abzuhalten. Die offenbarten Führungsringe sind jedoch für den Einsatz in einer ICR-Zelle ungeeignet, da sie die Messung der von Ionen in den Zellenwänden induzierten Ströme erheblich stören würden. Einen Hinweis, wie die HF-Elektroden zur Homogenisierung des HF-Feldes im Falle einer ICR-Meßzelle aufgebaut sein müssen, gibt die Druckschrift nicht.

Die Erfindung kann bei Meßzellen, die die Form eines Zylinders, insbesondere eines Kreiszylinders, eines Kubus oder eines Quaders besitzen, angewandt werden. Insbesondere können die Seitenwände der Meßzelle von vier elektrisch voneinander iso lierten azimutalen Mantelabschnitten eines Kreiszylinders ge bildet sein, von denen jeweils zwei einander gegenüberliegende Sei tenwände als HF-Senderelektroden und die beiden anderen Seiten wände als HF-Empfängerelektroden betrieben werden können.

Bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen ICR-Meßzelle wird die kreiszylinderförmige Meßzelle an ihren Stirnseiten von jeweils einer aus drei Trapping-Elektroden zusammengesetzten Kreisscheibe mit dem Radius des von den Seitenwänden gebildeten Kreiszylinders abgedeckt, wobei die äußeren Ränder der inneren Trapping-Elektroden den Kanten der Seitenwände ohne HF-Anschluß, die äußeren Ränder der beiden äußeren Trapping-Elektroden den Kanten der Seitenwände mit HF-Anschluß gegenüberliegen, und die äußeren Trapping-Elektroden zusätzlich zu dem auch an den inneren Trapping-Elektroden anliegenden Fangpotential mit einem HF-Signal beaufschlagt werden können.

Besonders einfach herstellbar ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßzelle, bei der die inneren und äußeren Ränder der HF-beaufschlagten äußeren Trapping-Elektroden Kreis bögen gleicher Bogenlängen sind. Eine weitere Verbesserung wird dadurch erreicht, daß die Konturen der inneren Ränder der Trapping-Elektroden dem tatsächlichen Verlauf von HF-Äquipo tentiallinien, insbesondere den Linien für +U/2 und -U/2, deren Verlauf den Ort des halben maximalen Betrages des von den Seitenwänden eingestrahlten elektrischen HF-Feldes markieren, exakt folgen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.

Fig. 1a eine räumliche Darstellung einer ICR-Zelle nach der Erfindung,

Fig. 1b eine Draufsicht in axialer Richtung auf die ICR-Zelle von Fig. 1a mit schematisch dargestellter elektrischer Verschaltung,

Fig. 2a den Verlauf der Äquipotentiallinien des elektrischen HF-Feldes einer ICR-Zelle mit quadratischem Quer schnitt in einer zur Zellachse senkrechten Schnitt ebene, wobei sich benachbarte Äquipotentiallinien um jeweils 5% des Betrages (U) der an den Seitenwänden anliegenden HF-Spannung unterscheiden,

Fig. 2b den Verlauf der Äquipotentiallinien einer ICR-Zelle mit zylindersymmetrischem Querschnitt in einer zur Zellachse senkrechten Schnittebene.

Die in Fig. 1a dargestellte Meßzelle 1 eines Ionen-Zyklotron- Resonanz-Spektrometers umfaßt zwei Paare von sich jeweils gegen überliegenden, als HF-Elektroden ausgebildeten Seitenwänden 3 bzw. 4, sowie, entlang der zentralen Achse 2 gesehen, beider seits der Zelle angeordnete elektrisch isolierte Trapping-Elektro den. Die Seitenwände 3, 4 sind untereinander durch Spalte 7 und von den Teilelektroden 5, 6 der Trapping-Elektroden durch Spalte 8 getrennt. Die äußeren Teilelektroden 5 sind von der inneren Teilelektrode 6 durch Spalte 9 getrennt. Den Kanten 13 der Seitenwände 3 sind die Ränder 15 der äußeren Teilelektroden 5 benachbart; den Kanten 14 der Seitenwände 4 sind die Ränder 16 der inneren Teilelektrode 6 benachbart.

Fig. 1b zeigt die elektrische Verschaltung der Meßzelle 1: Die gegenüberliegenden Seitenwände 3 sind mit je einem der beiden Pole eines HF-Generators 22 verbunden und wirken daher als Sender-Elektroden. Die elektrische Verschaltung der als Empfänger-Elektroden wirkenden Seitenwände 4 ist nicht darge stellt. Über Kapazitäten 21 sind die äußeren Teilelektroden 5 ebenfalls an den gleichen Pol des HF-Generators 22 angekoppelt wie die ihnen jeweils zunächst liegende Seitenwand 3. Außerdem werden die äußeren Teilelektroden 5 über Widerstände 20 und die innere Teilelektrode 6 direkt mit Gleichspannung aus der Gleichspannungsquelle 10 versorgt.

Die ICR-Zelle befindet sich während des Betriebs üblicherweise in einem hohen oder ultrahohen Vakuum. Ein Meßzyklus beginnt damit, daß an die Trapping-Elektroden ein elektrisches Potential angelegt wird, das dem der zu untersuchenden Ionen entgegen gesetzt ist, so daß alle innerhalb der Zelle befindlichen Ionen abgesaugt werden. Anschließend werden die Ionen, die untersucht werden sollen, entweder mit Hilfe einer nicht dargestellten Ionenoptik von außerhalb der Zelle, z. B. durch geeignete Boh rungen längs der Achse 2, in die Meßzelle eingeschossen oder innerhalb der Meßzelle, z. B. durch Elektronen-Stoßionisation von Restgasteilchen, erzeugt. Ein homogenes Magnetfeld B, dessen Feldlinien parallel zur Achse 2 verlaufen, übt auf alle Ionen mit Geschwindigkeitskomponenten senkrecht zur Feldrichtung 2 eine Lorentzkraft aus, welche die Ionen auf Kreisbahnen senk recht zu den Magnetfeldlinien zwingt. Durch Einstrahlen eines geeigneten elektrischen Hochfrequenz(HF)-Signales über die Seitenwände 3 können die zu untersuchenden Ionen senkrecht zu den magnetischen Feldlinien ausgelenkt und zu einer für ihre Masse charakteristischen Bewegung um die Magnetfeldlinien, der sogenannten Zyklotron-Resonanz, angeregt werden. Die auf diese Weise kohärent angeregten, in der Zelle umlaufenden Ionen er zeugen auf die Seitenwände 4 durch induzierte Ladungen hoch frequente Signale, die mit geeigneten meßtechnischen Mitteln abgegriffen, verstärkt und analysiert werden können.

Die Bewegung der Ionen parallel zur Feldrichtung 2 wird durch das homogene Magnetfeld nicht behindert. Um Ionen mit Geschwin digkeitskomponenten paralle zur Feldrichtung 2 am Austritt aus der Zelle in axialer Richtung zu hindern, wird an die Trap ping-Elektroden ein elektrostatisches Fangpotential aus der Gleichspannungsquelle 10 mit der Polarität der zu untersuchenden Ionen angelegt. Die Höhe der Potentialbarriere in axialer Rich tung kann allerdings 1 eV nicht wesentlich übersteigen, weil sonst das in den Meßraum hineingreifende elektrostatische Feld, insbesondere seine Komponenten quer zur Feldrichtung 2, die Ionenbewegungen zu sehr stören würde.

Während das elektrische HF-Feld, das von den Seitenwänden 3 eingestrahlt wird, in den mittleren Bereich der Meßzelle 1 verschwindend geringe Komponenten in Feldrichtung 2 besitzt, nehmen die axialen HF-Feldkomponenten aufgrund von Feldlinien verkrümmungen an den Kanten 13 stark zu, was für Ionen, die in diese Regionen gelangen, eine resonante Aufnahme kinetischer Energie und damit eine Beschleunigung auch in axialer Richtung zur Folge hat. Viele dieser axial beschleunigten Ionen durch brechen die Potentialbarriere des elektrostatischen Feldes, fallen auf die Trapping-Platten und gehen dem Meßprozeß verloren.

Durch Einstrahlen des elektrischen HF-Feldes über die Teilelek troden 5 können die Randinhomogenitäten des von den Seitenwän den 3 eingestrahlten elektrischen HF-Feldes wesentlich abge schwächt, die Axialkomponenten des im Innenraum der Meßzelle 1 auf die Ionen wirkenden elektrischen HF-Feldes minimiert und dadurch die Verluste durch in axialer Richtung aus der Zelle austretende Ionen entscheidend verkleinert worden. Dazu ist es notwendig, daß die Frequenz des zusätzlich von den Teilelektro den 5 eingestrahlten HF-Signales einen Wert hat, der einem ganzzahligen Vielfachen der Frequenz des an der den Teilelektro den 5 räumlich jeweils nächstliegenden Seitenwänden 3 angelegten HF-Signales entspricht. Insbesondere können die Frequenzen auch gleich sein. Außerdem ist es möglich, durch entsprechendes Einstellen der Amplituden der von den Teilelektroden 5 einge strahlten HF-Impulse die axialen Komponenten des gesamten elek trischen HF-Feldes innerhalb der Meßzelle 1 zu minimieren. Die spezielle Form der Teilelektroden 5, 6 in den Fig. 1a und 1b, bei denen die äußeren Ränder 15 und die inneren Ränder 25 Kreisbögen gleicher Bogenlänge sind, wobei diese Bogenlänge im wesentlichen mit jener der Kanten 13 zusammenfällt, ermög licht eine Minimierung der axialen HF-Feldkomponenten bereits durch Anlegen von HF-Signalen an die Teilelektroden 5, die die gleiche Frequenz und die gleiche Amplitude aufweisen, wie die an die Seitenwände 3 angelegten HF-Signale. Dadurch können zu sätzliche Frequenz- und/oder Spannungsteiler-Einrichtungen entfallen.

Eine weitere Verbesserung wird dadurch erzielt, daß die Konturen der inneren Ränder 25 der äußeren Teilelektroden 5 und der inneren Ränder 26 der inneren Teilelektrode 6 dem gemessenen oder berechneten Verlauf einer der HF-Äquipotentiallinien 90, wie sie in Fig. 2b dargestellt sind, exakt folgen. Insbesondere können hierzu die Linien für +U/2 und -U/2 gewählt werden, die in dem in Fig. 2b gezeigten Beispiel für ein an den Seiten wänden 3 eingestrahltes HF-Feld mit den Spannungsamplituden ±U besonders hervorgehoben sind.

In der theoretisch günstigsten Ausgestaltung folgen die Ränder der Teilelektroden 5, 6 dem tatsächlichen Verlauf der HF-Äqui potentiallinien. Dieser ist in Fig. 2a für eine ICR-Zelle mit quadratischem Querschnitt und in Fig. 2b für eine Zelle mit zylinder symmetischem Querschnitt gezeigt. Benachbarte Äquipotential linien 90 unterscheiden sich in ihren Potential jeweils um 5% der an den Seitenwänden 3 anliegenden HF-Spannungsamplituden vom Betrag U. In Fig. 2 sind die beiden Äquipotentiallinien besonders hervorgehoben, auf denen das Potential den halben Betrag der Spannungsamplituden an den Wänden besitzt.

Stellt man sich die Unterteilung der Trapping-Elektroden in eine immer größere Anzahl immer schmalerer Streifen fortgesetzt vor, was zu immer feineren Abstufungen der HF- Anpassungspotentiale an den einzelnen Trapping-Elektroden führen würde, so gelangt man im Grenzfall zu einem kontinuierlichen Übergang von der einen HF-Polarität zur entgegengesetzten. Die gewünschte Potentialverteilung, die durch Einstrahlen von zu sätzlichen HF-Signalen über die Trapping-Elektroden bewirkt werden soll, kann daher auch mit einer kontinuierlichen Be schichtung der Trapping-Elektroden erreicht werden.

Claims

1. Meßzelle für ein Ionen-Zyklotron-Resonanz (ICR-)-Spektrometer, die mehrere zur Feldrichtung (2) eines homogenen Magnetfeldes parallel verlaufende, als HF-Sende- und Empfangselektroden ausgebildete Seitenwände (3, 4) sowie, entlang der Feldrichtung (2) gesehen, beiderseits der Zelle angeordnete Trapping-Elektroden aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Trapping-Elektrode aus mehreren Teilelektroden (5, 6) aufgebaut ist, die so geformt sind, daß die Projektion ihrer Ränder (15, 16, 25, 26) auf eine zur Feldrichtung (2) senkrechte Mittelebene der Meßzelle (1) entlang von Äquipotentiallinien (90) des Sendefeldes verläuft, und daß an die Teilelektroden (5, 6) zusätzliche HF-Potentiale angelegt werden.

2. Meßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Meßzelle in Form eines Kreiszylinders die äußeren Ränder (15) der äußeren Teilelektroden (5) und die äußeren Ränder (16) der inneren Teilelektrode (6) Kreisbögen gleicher Bogenlänge sind, während die Konturen der inneren Ränder (25) der äußeren Teilelektroden (5) und der inneren Ränder (26) der inneren Teilelektrode (6) dem berechneten Verlauf der Äquipotentiallinie der halben positiven und der halben negativen Amplitude des an die Senderelektroden angelegten HF-Feldes angenähert sind.

3. Meßzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Teilelektroden (5) über Kapazi täten (21) an den gleichen Pol einer HF-Spannungsquelle (22) angekoppelt sind, wie die ihnen jeweils zunächst liegende Seitenwand (3), und daß die äußeren Teilelektroden (5) über Widerstände (20) und die innere Teilelektrode (6) direkt mit einer ein Fangpotential erzeugenden Gleichspan nungsquelle (10) verbunden sind.