DE3990613C2

DE3990613C2 - Massenspektrometer mit variabler Dispersion

Info

Publication number: DE3990613C2
Application number: DE3990613A
Authority: DE
Inventors: Robert Harold Bateman
Original assignee: Micromass UK Ltd
Current assignee: Micromass UK Ltd
Priority date: 1988-06-01
Filing date: 1989-06-01
Publication date: 1997-08-21
Anticipated expiration: 2009-06-02
Also published as: GB9024251D0; WO1989012315A1; GB8812940D0; JP2870910B2; GB2238425B; GB2238425A; US5134287A; JPH03504780A

Description

Diese Erfindung betrifft ein doppelfokussierendes Massenspektrometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges doppelfokussierendes Massenspektrometer ist aus einem Artikel von Münzenberg und Ewald in International Journal of Mass Spektrometry and Ion Physics, 8 (1972), Seiten 293-310, bekannt, in denen ein Teilchenspektrometer mit Massen- und Energiedispersion beschrieben wird, das aus einer doppelfokussierenden (d. h. energie- und richtungsfokussierenden) Kombination eines magnetischen und eines elektrischen Feldes in Verbindung mit einem austrittsseitig angeordneten Magnetfeld besteht, wobei letzteres senkrecht zur gemeinsamen mittleren Umlenkebene der beiden ersten Felder ablenkt. In dem Artikel ist auch beschrieben, daß das Teilchenspektrometer bei abgeschaltetem austrittsseitigem Magnetfeld als normales doppelfokussierendes Massenspektrometer arbeitet.

Obwohl derartige Spektrometer eine hohe Empfindlichkeit und Auflösung besitzen, sind sie insofern unzulänglich, als während eines Durchlaufs in einem beliebigen Moment nur ein kleiner Bruchteil der von einer Probe emittierten Ionen nachgewiesen wird. Durch Verwendung eines Vielkanaldetektors, der einen beträchtlichen Teil des Spektrums gleichzeitig aufnehmen kann, kann die Effizienz verbessert werden. Solche Detektoren umfassen typischerweise einen oder mehrere Mikrokanalplatten-Elektronenvervielfacher, gefolgt von einem Phosphorschirm und entweder einem Photodiodenfeld oder einer Vidiconkamera, die die Position der Elektronenstöße auf dem Schirm ermitteln. Üblicherweise wird zwischen dem Phosphorschirm und dem Feld oder der Kamera eine Lichtleitfaserverbindung vorgesehen. Vergleiche z. B. Fig. 2 auf S. 839 in "Advances in Moss- spectrometry", Vol. 7B (1978).

Wenn Vielkanaldetektoren in Spektrometern mit Geometrien, die für ein Scanning ausgelegt sind, eingebaut werden, treten ernste Leistungsbeschränkungen auf. Im allgemeinen ist das Ausmaß des Spektrums, das abgebildet werden kann, begrenzt, während die Auflösung oftmals wegen des begrenzten Abstandes der einzelnen Kanäle im Kanal-Elektronenvervielfacher oder wegen der Auflösung des Photodiodenfeldes oder der Fernsehkamera verschlechtert wird. Die Beschränkungen entstehen wenigstens zum Teil deshalb, weil die Vergrößerung und die Dispersion des Spektrometers ohne Rücksicht auf die Anforderungen des Multikanaldetektors gewählt werden. Selbst für einfach fokussierende Instrumente wurde erkannt, daß eine variable Dispersion und Vergrößerung vorgesehen werden muß, um aus dem Vielkanaldetektor den vollen Nutzen zu ziehen.

Im Falle doppelt fokussierender Instrumente ist es notwendig, daß die Geschwindigkeitsfokalfläche und die Richtungsfokalfläche (die auch als Energie- bzw. Winkelfokalfläche bekannt sind) miteinander koinzidieren und über den gesamten Bereich des Detektors im wesentlichen flach sind. Diese Bedingungen sind nicht notwendig für ein Massenspektrometer, in dem der Kollektorspalt sehr schmal ist. Sie stellen jedoch charakteristische Merkmale des doppelt fokussierenden Mattauch-Herzog-Spektrometers dar, aber unglücklicherweise sind die meisten derartigen Instrumente für den Photoplattennachweis ausgelegt, wobei die Fokalebene einerseits sehr ausgedehnt ist und sich andererseits sehr nahe an den Polen des Magneten befindet. Es ist nicht kostengünstig, einen Vielkanaldetektor zu bauen, der sich über die gesamte Fokalebene eines derartigen Instrumentes erstreckt, so daß folglich der Massenbereich, der nachgewiesen werden kann, sehr begrenzt ist. Die Leistung des Detektors wird unter diesen Bedingungen auch durch das Vorhandensein des Streumagnetfeldes verschlechtert. Ein weiterer Nachteil der Mattauch-Herzog- Geometrie besteht darin, daß der Massenabstand entlang der Fokalebene nichtlinear ist. Im Falle der Nier-Johnson- Geometrien ist die Abmessung der Fokalebene durch die physikalische Größe des Analysators inhärent begrenzt und kann aufgrund der Krümmung weiter verringert werden. Die Auflösung kann ebenfalls beschränkt sein, weil die Dispersion des Spektrometers in bezug auf den Kanalabstand des Detektors nicht groß genug ist. Offensichtlich ist es möglich, Spektrometer zu konzipieren, die eine angemessene Dispersion oder einen angemessenen Massenbereich besitzen, es ist aber unmöglich, in momentan erhältlichen Detektoren beides zugleich vorzusehen. In der Praxis muß stets ein Kompromiß zwischen der Auflösung und dem Massenbereich geschlossen werden, so daß beispielsweise ein kleiner Teil des Spektrums gleichzeitig mit hoher Auflösung aufgenommen werden kann oder aber ein viel größerer Teil mit niedriger Auflösung. Eine solche Wahl muß bis heute getroffen werden, wenn das Instrument konzipiert wird.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein doppelfokussierendes Massenspektrometer mit veränderlicher Dispersion zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein doppelfokussierendes Massenspektrometer der eingangs genannten Art, das sich durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale auszeichnet.

Für dieses Massenspektrometer kann gezeigt werden, daß die Doppelfokussierungsbedingung erhalten bleibt für verschiedene Gesamtvergrößerungen und Abstände zwischen dem magnetischen und dem elektrostatischen Sektor. Folglich kann die Gesamtvergrößerung (und daher die Dispersion in der Fokalfläche eines erfindungsgemäßen Spektrometers variiert werden, indem die Brennweite des elektrostatischen Analysators geändert wird, ohne daß am magnetischen Analysator kompensatorische Einstellungen vorgenommen werden müssen, um die Doppelfokussierung aufrechtzuerhalten.

Ein doppelt fokussierendes Spektrometer mit leicht veränderbarer Massendispersion ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn es mit einem Vielkanaldetektor versehen wird.

Da sich die Position des Vielkanaldetektors in Abhängigkeit von der gewählten Dispersion des elektrostatischen Analysators ändert, können zwei oder mehrere derartiger Detektoren an den verschiedenen Positionen vorgesehen werden. Der erste dieser Detektoren muß dann zurückgezogen werden können, um den Ionen den Durchgang zum zweiten Detektor zu ermöglichen, falls dies erforderlich ist. Alternativ dazu kann ein Detektor vorgesehen werden, der zwischen zwei oder mehr Positionen verschiebbar ist.

Erfindungsgemäß weist der elektrostatische Analysator eine Mehrzahl von einzelnen Analysatorsegmenten auf. Dabei sind die Segmente vorteilhafterweise so beschaffen, daß der Ionenstrahl unabgelenkt durch sie hindurchgehen kann, wenn sie nicht angeregt sind, z. B. durch die Sicherstellung, daß der Spalt zwischen den Elektroden eines jeden Segmentes in bezug zur Krümmung ausreichend groß ist.

In einer Ausführungsform kann der elektrostatische Analysator ein Mittelsegment und ein oder mehrere Paare von Außensegmenten umfassen, wobei die Außensegmente jeweils eines Paars zu beiden Seiten des Mittelsegmentes angeordnet sind. Das Mittelsegment kann einen Analysator mit einer ersten Dispersion bilden; jedes Paar von Außensegmenten ist in Beziehung zum Mittelsegment und zu irgendwelchen anderen Außensegmenten, die sich zwischen diesem Segmentpaar und dem Mittelsegment befinden, angeordnet und bildet dann einen Analysator mit einer zweiten Dispersion mit im wesentlichen dem gleichen Sektorwinkel wie der erstgenannte Analysator. Vorzugsweise sind die Außensegmente symmetrisch um das Mittelsegment angeordnet.

Jedes Analysatorsegment umfaßt ein Paar von Zylindersektorelektroden, Toroidsektorelektroden oder geraden Plattenelektroden, die jeweils zu beiden Seiten des Ionenstrahls ebenso wie bei herkömmlichen Einzelsegmentanalysatoren angeordnet sind. Am einfachsten umfaßt jedes Segment ein Paar von im wesentlichen parallelen, geradlinigen Elektroden, wobei sämtliche Elektroden auf derselben Seite des Ionenstrahls vorzugsweise in derselben Ebene angeordnet sind. Typischerweise besitzen die Elektroden des Mittelsegmentes unterschiedliche Längen, während die in einem Außensegment enthaltenen Elektroden die gleichen Längen haben, so daß bei entsprechender Wahl der Potentiale ein das Mittelsegment und zwei symmetrisch angeordnete Außensegmente umfassender Analysator den gleichen Sektorwinkel besitzt wie ein Analysator, der nur das Mittelsegment umfaßt.

Alternativ dazu können insbesondere dann, wenn ein großer Ablenkungswinkel erforderlich ist, die Elektroden der Außensegmente in bezug auf die Elektroden des Mittelsegmentes so geneigt werden, daß die physikalische Anordnung der Elektroden einem Zylindersektoranalysator angenähert wird, in dem die Elektroden jeweils mehrere geradlinige Elektroden von relativ kurzer Länge umfassen.

In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann wenigstens eines der Segmente des Analysators ein Paar von Hauptelektroden, die jeweils zu beiden Seiten des Ionenstrahls angeordnet sind, und zwei Gruppen von Hilfselektroden, die jeweils oberhalb und unterhalb des Strahls in einem gegenseitigen Abstand zwischen den Hauptelektroden angeordnet sind, umfassen. Typischerweise besitzen die Hilfselektroden eine ähnliche Form wie die Hauptelektroden (z. B. ebene Platten im Fall eines "Parallelplatten"-Segments oder Kreisbögen im Fall eines zylindrischen Sektors) und befinden sich zwischen den Hauptelektroden im gleichen Abstand. Die oberen und unteren Gruppen von Hilfselektroden können im wesentlichen identisch sein und die gleiche Anzahl, den gleichen Typ und den gleichen Abstand der Hilfselektroden aufweisen. Entsprechende Hilfselektroden einer jeden Gruppe können dann elektrisch verbunden werden, so daß wie in einem herkömmlichen zylindrischen Sektoranalysator entlang der zu den Ebenen der Hilfselektroden senkrechten Achse (d. h. entlang der "z"-Achse des Analysators) kein elektrisches Feld herrscht. Jedes Paar von Hilfselektroden wird auf einem unterschiedlichen Potential gehalten, wodurch das elektrostatische Feld im Analysatorsegment mitbestimmt wird. Bei Abwesenheit der Hilfselektroden würde sich das Potential zwischen zwei parallelen, ebenen Elektroden linear mit ihrem gegenseitigen Abstand ändern; wenn die Hilfselektrodenpotentiale so gewählt werden, daß sie dieser Veränderung entsprechen, besteht ihre einzige Wirkung darin, daß sie die Wirkung der durch das Analysator- Vakuumgehäuse hervorgerufenen Streufelder verringert, die anderenfalls zwischen die Hauptelektroden eindringen und die Feldhomogenität zerstören könnten. Wenn die Hilfselektroden auf diese Weise verwendet werden, dienen sie dem nützlichen Zweck, daß die Hauptelektroden ohne Störung durch Streufelder durch einen größeren Abstand voneinander getrennt werden können, wodurch es wiederum möglich wird, daß ein größerer Teil des Massenspektrums gleichzeitig auf einem Fokalebenendetektor abgebildet werden kann.

Ein weiterer wichtiger Nutzen der Hilfselektroden besteht darin, daß sie die Inhomogenität des Feldes zwischen den Hauptelektroden durch die Einstellung der Elektrodenpotentiale zu verändern gestattet. Z. B. kann das Potential so festgesetzt werden, daß es sich entsprechend der Polynomgleichung

V_E = V_M(1 + ax_E + bx_E² + cx_E³ + . . .)

ändert, wobei V_E das Potential einer im Abstand x_E von der Mittelbahn des Analysators angeordneten Hilfselektrode, V_M das Potential der Mittelelektrode und a, b und c Konstanten sind, die je nach Erfordernis gewählt werden. Auf diese Weise können in das Feld zwischen den Hauptelektroden einfach durch Anlegen geeigneter Potentiale an die Hilfselektroden Feldänderungen zweiter und dritter Ordnung eingeführt werden, die zur Optimierung der Fokussierung eines vollständigen Analysators verwendet werden können. Es ist sehr wichtig, daß die Konstanten a, b und c für jedes Segment einzeln variiert werden können, um unabhängig von der gewählten Dispersion die Fokussierung zu optimieren.

Die Hilfselektrodenpaare können vorteilhaft von einem geeignet gewählte Widerstandswerte aufweisenden Potentialteilernetzwerk oder, falls viele verschiedene Gruppen von Koeffizienten erforderlich sind, individuell durch computergesteuerte Digital/Analog-Wandler versorgt werden.

Man kann auch, wenn sich die Hilfselektrodenstruktur ausreichend weit von der Mittelbahn des Analysators weg ausdehnt, die Hauptelektroden weglassen und das elektrostatische Feld im Analysatorsegment nur mittels der an die Hilfselektroden angelegten Potentiale definieren. Offensichtlich wird die Weglassung der Hauptelektroden starke Streufelder an den Enden der Elektrodenstruktur zur Folge haben; unter der Vorraussetzung, daß eine ausreichende Anzahl von Elektroden vorgesehen wird, ist es jedoch noch immer möglich, das Feld in der Umgebung des Ionenstrahls ausreichend gleichmäßig zu definieren.

Die Hilfselektroden sollten so dünn wie möglich sein, um die Länge des "konstanten Potentials" im Analysatorfeld in der Nähe einer jeden Elektrode zu minimieren, und ihr Abstand sollte klein genug sein, um sicherzustellen, daß die Abweichung vom idealen Potentialgradienten zwischen den Elektroden nicht so groß ist, daß bedeutende Aberrationen hervorgerufen werden.

Nun wird mit Bezug auf die folgenden Figuren eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Spektrometers;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines elektrostatischen Analysators, der für den Einsatz im Spektrometer von Fig. 1 geeignet ist;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Spektrometers von Fig. 1, in der die Auflösung des Ionenstrahls in Komponenten hoher und niedriger Masse gezeigt ist; und

Fig. 4 einen Querschnitt entlang der in Fig. 3 gezeigten Ebene A-A eines elektrostatischen Analysators, der für den Einsatz im Spektrometer der Fig. 1 und 3 geeignet ist.

Wie zunächst in Fig. 1 gezeigt, erzeugt eine schematisch bei 1 gezeigte Ionenquelle einen Ionenstrahl 2, der durch einen Quellenspalt 3 austritt. Der Strahl 2 geht durch einen Magnetsektoranalysator 4, der einen Magneten umfaßt, der den Ionenstrahl entsprechend den Massen/Ladungs- Verhältnissen der ihn konstituierenden Ionen ablenkt. Ionen eines ausgewählten Massen/Ladungs-Verhältnisses verlassen den Magnetsektor-Analysator in einem im wesentlichen parallelen Strahl 5 und treten in einen elektrostatischen Analysator 6 ein, der sowohl eine Energiefilterung vornimmt als auch die Ionen in einen Strahl 7 fokussiert, der auf dem Kollektorspalt 8 ein Bild schafft. Nachdem die Ionen durch den Spalt 8 gegangen sind, werden sie von einem Ionendetektor empfangen. Alternativ kann anstelle des Spaltes 8 ein Vielkanaldetektor vorgesehen werden.

Im folgenden wird das herkömmliche Koordinatensystem verwendet, d. h. x ist die Bewegungsrichtung der Ionen, y liegt in der Ablenkebene des Analysators (senkrecht zu x) und z ist die Achse, die sowohl zu x als auch zu y senkrecht steht.

Wenn definiert wird, daß

y₀ = Positionsverschiebung eines den Quellenspalt 3 verlassenden Ions,
y₀′ = Winkelverschiebung eines den Quellenspalt 3 verlassenden Ions,
y = Positionsverschiebung eines in das erste Analysatorfeld (d. h. dasjenige des Magneten 4) eintretenden Ions, und
y₁′ = Winkelverschiebung des in das erste Analysatorfeld eintretenden Ions,
so gilt:

y₁ = y₀ + l′y₀′ (1)

und

y₁′ = y₀′ (2)

wobei l′ der Abstand zwischen dem Spalt 3 und dem Beginn des ersten Analysatorfeldes 4 ist.

Entsprechend herkömmlicher Verfahren ist die Transformationsmatrix erster Ordnung, die die Positions- und Winkelverschiebungen des Ions vorhersagt, wenn es das erste Analysatorfeld verläßt (y₂ bzw. y₂′), durch

gegeben, wobei β die relative Geschwindigkeitsabweichung des Ions darstellt und A₁₁ bis A₂₃ die Matrixelemente sind, die durch die Geometrie des Magnetfeldes (siehe unten) bestimmt werden. Folglich gilt:

y₂ = A₁₁ y₁ + A₁₂ y₁′ + A₁₃ β (3)

und

y₂′ = A₂₁ y₁ + A₂₂ y₁′ + A₂₃ β (4)

An dem Punkt, an dem die Ionen in das zweite Analysatorfeld 6 eintreten, sind die Positions- und Winkelverschiebungen (y₃ bzw. y₃′) durch

y₃ = y₂ + d · y₂′ (5)

und

y₃′ = y₂′ (6)

gegeben, wobei d der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Analysatorfeld (siehe Fig. 1) ist.

Am Ende des zweiten Analysatorfeldes sind die Positions- und Winkelverschiebungen (y₄, y₄′) durch die Gleichungen (7) und (8) gegeben, die aus einer Matrix, die derjenigen des ersten Analysatorfeldes ähnlich ist, abgeleitet werden, wobei jedoch die Elemente A₁₁ bis A₂₃ durch die Elemente B₁₁ bis B₂₃ ersetzt sind. Die Elemente B₁₁ bis B₂₃ sind auf die Geometrie des zweiten Analysatorfeldes (siehe unten) bezogen.

y₄ = B₁₁ y₃ + B₁₂ y₃′ + B₁₃ β (7)

y₄′ = B₂₁ y₃ + B₂₂ y₃′ + B₂₃ β (8)

Schließlich sind die Positions- und Winkelverschiebungen am Kollektorspalt 8 durch

y₅ = y₄ + l″ · y₄′ (9)

y₅′ = y₄′ (10)

gegeben, wobei l″ der Abstand zwischen dem Ende des zweiten Analysatorfeldes und dem Kollektorspalt 8 (siehe Fig. 1) ist.

Allgemein ist die Bedingung für einfache Fokussierung durch y₅ = 0 gegeben, wenn β = 0 und y₀′ ≠ 0 ist, während die Bedingung für doppelte Fokussierung durch y₅ = 0 gegeben ist, wenn β ≠0 und y₀′ ≠ 0 ist.

Im vorliegenden Fall ist der Quellenspalt 3 so angeordnet, daß die den Strahl 5 umfassenden Bahnen der Ionen im wesentlichen parallel sind, so daß das durch das erste Analysatorfeld erzeugte Bild im wesentlichen im Unendlichen liegt. In diesem Fall muß y₂′ unabhängig von y₀′ sein, so daß aus den Gleichungen (1) und (4) folgt:

A₂₁ l′ + A₂₂ = 0 (11)

y₂′ = A₂₃ β (12)

Gleichung (11) definiert eine allgemeine Beziehung zwischen dem Objektabstand l′ und den geometrischen Parametern des ersten Analysatorfeldes, die für ein erfindungsgemäßes Spektrometer erfüllt sein muß, damit sich ein Brennpunkt erster Ordnung ergibt.

Als nächstes wird das zweite Analysatorfeld betrachtet. Das zweite Analysatorfeld fokussiert den Parallelstrahl 5 am Kollektorspalt 8. Am Spalt 8 ist y₅ = 0, so daß aus Gleichung (9) folgt:

y₄ + l″y₄′ = 0 (13)

Wenn β = 0, ergibt sich aus den Gleichungen (6) und (7):

y₃′ = y₂′ = 0
y₄ = B₁₁ y₃ + B₁₂ y₃′ = B₁₁ y₃ (14)

während aus Gleichung (8) folgt:

y₄′ = B₂₁ y₃ + B₂₂ y₃′ = B₂₁ y₃ (15)

Substitution in Gleichung (13) ergibt:

B₁₁ y₃ + l″ B₂₁ y₃ = 0

so daß

B₁₁ + l″ B₂₁ = 0 (16)

Gleichung (16) definiert die allgemeine Beziehung zwischen der Bildweite l″ und den geometrischen Parametern des zweiten Analysatorfeldes, die für das erfindungsgemäße Spektrometer erfüllt sein muß, damit sich ein Brennpunkt erster Ordnung ergibt.

Damit das Spektrometer doppelt fokussiert, muß außerdem die Bedingung y₅ = 0 erfüllt sein, wenn β ≠ 0.

Wenn y₁ = 0 und y₁′ = 0 gilt, folgt aus den vorhergehenden Gleichungen:

y₁ = 0 y₁′ = 0
y₂ = A₁₃ β
y₂′ = A₂₃ β
y₃ = (A₁₃ + d · A₂₃) β (aus Gleichung (5))
y₃′ = y₂′ = A₂₃ β

Aus (7)

y₄ = (B₁₁ (A₁₃ + d · A₂₃) + B₁₂ A₂₃ + B₁₃) β

und aus (8)

y₄′ = (B₂₁ (A₁₃ + d · A₂₃) + B₂₂ A₂₃ + B₂₃) β

Mit Formel (9) ergibt sich

y₅ = (B₁₁ + l″ B₂₁) (A₁₃ + d · A₂₃) β + (B₁₂ + l″ B₂₂) A₂₃ β + (B₁₃ + l″ (B₂₃) β

Für die Fokussierung erster Ordnung muß auch Gleichung (16) erfüllt werden, d. h.

(B₁₁ + l″ B₂₁) = 0 (16)

so daß

y₅ = (B₁₂ + l″ B₂₂) A₂₃ β + (B₁₃ + l″ B₂₃) β = [B₁₂ - B₁₁ B₂₂/B₂₁] · A₂₃ · β + [B₁₃ - B₁₁ B₂₃/B₂₁] · β

Folglich

[B₁₂ - B₁₁ B₂₂/B₂₁] · A₂₃ + [B₁₃ - B₁₁ B₂₃/B₂₁] = 0 (17)

Gleichung (17) definiert die Beziehung zwischen den geometrischen Parametern der Analysatorfelder, die für das doppelt fokussierende Spektrometer erfüllt sein muß. Es wird sich herausstellen, daß die Bedingungen unabhängig von d sind, so daß sowohl die Einfachfokussierungs- als auch die Doppelfokussierungsbedingungen unabhängig vom Abstand zwischen den Analysatorfeldern sind.

Der herkömmlichen Praxis folgend, können die Koeffizienten A₁₁ bis A₂₃ und B₁₁ bis B₂₃ als Satz von dimensionslosen Koeffizienten a₁₁ bis a₂₃ und b₁₁ bis b₂₃ geschrieben werden, wobei z. B. der Faktor (wenn er vorliegt), der die Koeffizienten relativ zur Größe des Analysatorfeldes skaliert, heraussepariert ist. Wenn beispielsweise die Bahnen der Ionen durch beide Felder kreisförmig sind, können die Koeffizienten wie folgt geschrieben werden:

A₁₁ = (y₂/y₃) = a₁₁
A₁₂ = (y₂/y₁′) = a₁₂ · r_a
A₁₃ = (y₂/β) = a₁₃ · r_a
A₂₁ = (y₂′/y₁′) = a₂₁/r_a
A₂₂ = (y₂′/y₁′) = a₂₂
A₂₃ = (y₂′/β) = a₂₃

und

B₁₁ = (y₄/y₃) = b₁₁
B₁₂ = (y₄/y₃′) = b₁₂ · r_b
B₁₃ = (y₄/β) = b₁₃ · r_b
B₂₁ = (y₄′/y₃′) = b₂₁/r_b
B₂₂ = (y₄′/y₃′) = b₂₂
B₂₃ = (y₄′/β) = b₂₃

wobei r_a und r_b die effektiven Radien der Bahnen durch das erste bzw. das zweite Analysatorfeld sind. Der Ausdruck "effektiver Radius" hat die Bedeutung des Radius eines Kreisbogens, der an den Punkten, an denen die Ionen in das Feld eintreten bzw. aus ihm austreten, tangential zur mittleren Bahn dieser Ionen verläuft, unabhängig von der tatsächlichen Form der Bahn durch den Analysator. (Die Gültigkeit dieser Darstellung wird durch die Betrachtung der Gleichungen für die verschiedenen Koeffizienten, die unten für besondere Analysatoren angegeben werden, deutlicher gemacht.) Wenn das zweite Analysatorfeld ein elektrostatischer Analysator mit parallelen Platten ist, in der die Ionenbahn eher parabolisch als kreisförmig ist, wird r_b einfach durch l_b (die Länge der Analysatorplatten) ersetzt.

Substitution in Gleichung (17) ergibt:

[b₁₂r_b - b₁₁b₂₂r_b/b₂₁]a₂₃+[b₁₃r_b - b₁₁b₂₃r_b/b₂₁] = 0

so daß:

[[b₁₂ - b₁₁b₂₂/b₂₁]a₂₃+[b₁₃ - b₁₁b₂₃/b₂₁]] · r_b = 0.

Daher tritt unabhängig von den Werten von r_a, r_b und d Doppelfokussierung auf, sofern die Bedingung

[b₁₂ - b₁₁b₂₂/b₂₁] a₂₃+[b₁₃ - b₁₁b₂₃/b₂₁] = 0

erfüllt ist.

Nun wird die Massendispersion des Spektrometers betrachtet. Die Transformationsmatrix für den ersten Analysator A kann folgendermaßen geschrieben werden:

wobei γ=Δm/m, so daß am Ausgang des ersten Analysators gilt:

y₂ = A₁₁y₁+A₁₂y₁′+A₁₃β+A₁₄γ

und

y₂′= A₂₁y₁+A₂₂y₁′+A₂₃β+A₂₄γ

Wenn wie in der obigen Diskussion angenommen wird, das

y₀ = y₀′ = β = y₁ = y₁′ = 0

dann

y₂ = A₁₄γ und y₂′ = A₂₄γ.

Am Eingang des zweiten Analysators gilt:

y₃ = y₂+d · y₂′ = (A₁₄+d · A₂₄)γ

und

y₃′ = y₂′ = A₂₄γ

Die Transformationsmatrix für den zweiten Analysator B kann folgendermaßen geschrieben werden:

so daß

y₄ = B₁₁(A₁₄+d · A₂₄)γ+B₁₂A₂₄γ+B₁₄γ

y₄′ = B₂₁(A₁₄+d · A₂₄)γ+B₂₂A₂₄γ+B₂₄γ

Am Kollektorspalt 8 gilt y₅=y₄+l′′y₄′, so daß

y₅ = (B₁₁+l′′B₂₁)(A₁₄+d · A₂₃)γ+ (B₁₂+l′′B₂₂)A₂₄γ+ (B₁₄+l′′B₂₄)γ (18)

Substitution von Gleichung (16) in Gleichung (18) ergibt:

y₅ = [(B₁₂ - B₁₁B₂₂/B₂₁)A₂₄+ (B₁₄ - B₁₁B₂₄/B₂₁)]γ (19)

Ersetzung der Koeffizienten B₁₁ bis B₂₃ in (19) durch die oben angegebenen dimensionslosen Koeffizienten ergibt bei Berücksichtigung von a₂₄=A₂₄ und b₂₄=B₂₄:

y₅ = [(b₁₂ - b₁₁b₂₂/b₂₁)a₂₄+ (b₁₄ - b₁₁b₂₄/b₂₁)]r_bγ (20)

Aus Gleichung (20) ist ersichtlich, daß im allgemeinen Fall y₅ (effektiv die Massenstreuung) mit dem Radius des zweiten Analysators r_b in Beziehung steht und von r_a und d unabhängig ist. Da der erste Analysator ein Magnet und der zweite Analysator ein elektrostatischer Analysator ist, gilt für die Koeffizienten B₁₄=b₁₄=0 und B₂₄=b₂₄=0, so daß sich Gleichung (20) vereinfacht zu

y₅ = (b₁₂ - b₁₁b₂₂/b₂₁)a₂₄r_bγ

Es ist die Eigenschaft derartiger Spektrometer, die es erlaubt, ein doppelt fokussierendes Instrument mit variabler Dispersion einfach durch Veränderung des effektiven Radius r_b des elektrostatischen Analysatorfeldes und durch Einstellung der Position des Detektors gemäß Gleichung (16) für die Praxis zu konstruieren. Selbstverständlich wird für einen bestimmten Wert des effektiven Radius des elektrostatischen Analysators ein bestimmter Bereich des Massenspektrums mit einer bestimmten Dispersion und also Auflösung gleichzeitig auf den Detektor abgebildet. Durch Änderung des effektiven Radius und damit der Dispersion kann entweder ein großer Bereich des Spektrums mit niedriger Auflösung oder ein kleiner Bereich mit hoher Auflösung abgebildet werden.

Für einen Magnetsektor-Analysator mit homogenem Feld stehen die Werte der Koeffizienten a₁₁ bis a₂₄ mit den geometrischen Parametern wie folgt in Beziehung:

A₁₁ = cos (Φ_m - ε′)/cos ε′
A₁₂ = r_a sin Φ_m
A₁₃ = r_a (1 - cos Φ_m)
A₂₁ = -sin (Φ_m - ε′ - ε′′)/(cos ε′ · cos ε′′)r_a
A₂₂ = cos (Φ_m - ε′′)/cos ε′′
A₂₃ = tan ε′′+sin (Φ - ε′′)/cos ε′′
A₁₄ = r_a (1 - cos Φ)/2
A₂₄ = (tan ε′′+sin (Φ_m - ε′′))/2 cos ε′′

wobei Φ_m, ε′ und ε′′ der effektive Sektorwinkel des Magnetanalysators bzw. die Neigungen seiner Polflächen sind (s. Fig. 1 für die genaue Definition).

Für einen zylindrischen elektrostatischen Analysator sind die Koeffizienten b₁₁ bis b₂₄ durch

gegeben, wobei Φ_e der effektive Sektorwinkel des elektrostatischen Analysators ist.

Für einen elektrostatischen Analysator vom Parallelplattentyp sind die Koeffizienten b₁₁ bis b₂₄ durch

B₁₁ = 2 cos Φ_e - 1
B₁₂ = 2r_b cos Φ_e/(1+cos Φ_e)
B₁₃ = 2r_b sin Φ_e/(1+cos Φ_e)
B₂₁ = -2 sin² Φ_e/r_b
B₂₂ = 2 cos Φ_e - 1
B₂₃ = 2 sin Φ_e
B₁₄ = 0
B₂₄ = 0

gegeben.

Die Ausdrücke für diese Koeffizienten zeigen deutlich, wie aus den Koeffizienten A₁₁ bis A₂₄ und B₁₁ bis B₂₄ die Werte von r_a und r_b entnommen werden können, um die dimensionslosen Koeffizienten a₁₁ bis a₂₄ und b₁₁ bis b₂₄, die nur von den Sektorwinkeln Φ_m und Φ_e und den Polflächenneigungen ε′ und ε′′ abhängen, zu erhalten.

Da die Doppelfokussierungsbedingung auch vom Abstand zwischen den Analysatoren unabhängig ist, ist es möglich, einen elektrostatischen Analysator mit variablem Radius r_b auf die folgende Weise zu konstruieren. Wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt ein elektrostatischer Analysator, der für eine erfindungsgemäße Verwendung geeignet ist, ein Mittelsegment (Elektroden 13 und 18) und zwei Paare von Außensegmenten (Elektroden 12, 17, 14, 19 bzw. 11, 16, 15, 20). Die Elektroden sind symmetrisch zu einer Mittellinie 31 angeordnet. Die Elektroden 11, 15, 16 und 20 sind im allgemeinen geerdet und werden nur als Führungselektroden verwendet. Die Längen der Mittelsegmentelektroden 13 und 18 werden so gewählt, daß sie einen Analysator vom Parallelplattentyp mit einem effektivem Radius r_e1 und einem Sektorwinkel Φ_e definieren, dessen Feldgrenzen ungefähr durch die Linien 21 und 22 gekennzeichnet sind. Dabei sind auch die Elektroden 12, 14, 17 und 19 geerdet, während die Elektroden 13 und 18 mit geeigneten Spannungen angeregt werden. Die auf der Mittelbahn 23 sich bewegenden Ionen des Ionenstrahls 5 setzen daher ihren Weg entlang der geraden Bahn 24 fort, bis sie bei der Linie 21 in das elektrostatische Feld eintreten und bewegen sich dann entlang einer gekrümmten Bahn 25 mit dem effektivem Radius r_e1 fort. Bei der Linie 22 verlassen sie das Feld, um sich entlang der geraden Bahn 26 und der Mittelbahn 27 des Ionenstrahls 7 fortzubewegen.

Wenn ein Radius r_e2 gewählt wird, werden die Elektroden 12, 13 und 14 auf einem ersten Potential und die Elektroden 17, 18 und 19 auf einem zweiten Potential gehalten, um ein elektrostatisches Feld zu definieren, das angenähert durch die Linien 28 und 29 begrenzt wird und einen Sektorwinkel Φ_e und einen Radius r_e2 besitzt. Die Ionen treten entlang der Bahn 23 ein, bis die Linie 28 erreicht wird, dann setzen sie ihre Bewegung entlang der gekrümmten Bahn 30 (mit effektivem Radius r_e2) so lange fort, bis sie die Linie 29 erreichen, und treten wie vorhin entlang der Bahn 27 aus. Die Linien 21 und 28 und 22 und 29 sind parallel, so daß der Sektorwinkel Φ_e unabhängig vom gewählten Wert von r_e gleichbleibt. (Dies ist notwendig, weil sämtliche Koeffizienten b₁₁ bis b₁₃ von Φ_e abhängen.) Es wird festgestellt, daß sich die Linien 21 und 28 (die den Beginn der Felder definieren) beabstandet sind, was aber keine Auswirkung hat, weil die Fokussierungsbedingungen unabhängig von d sind. Entsprechend enden die elektrostatischen Felder in Abhängigkeit vom gewählten Radius an einem anderen Ort, was jedoch bei der Berechnung von l′′ ohne weiteres erlaubt ist.

Es wird bemerkt, daß die zwischen r_e1 und r_e2 liegenden Werte von r_e unter Verwendung eines elektrostatischen Analysators gemäß Fig. 2 durch das Halten der Außensegmentelektroden 12, 14, 17 und 19 auf geeigneten Potentialen, die zwischen Masse und denjenigen, die für den Betrieb mit Radius r_e2 erforderlich sind, liegen, erhalten werden können. Diese Situation entsteht, weil weder die Position der Feldgrenzen (die durch die Linien 28, 21, 22 und 29 angegeben werden) noch die tatsächliche Form der Bahn eine Auswirkung auf die Doppelfokussierungseigenschaften eines erfindungsgemäßen Spektrometers haben. Folglich können elektrostatische Analysatoren mit mehr Elektroden als in Fig. 2 gezeigt konstruiert werden, wobei die einfache Einstellung des Wertes von r_e1 durch einfaches Ändern der elektrostatischen Potentiale dazu verwendet werden kann, das Massenspektrum exakt auf eine bestimmte Position des Detektors zu "fokussieren".

Die praktische Konstruktion eines elektrostatischen Analysators gemäß Fig. 2 bereitet keine Schwierigkeiten und ist tatsächlich bezüglich der Ausrichtung weniger kritisch als herkömmliche elektrostatische Analysatoren, die gegenwärtig in doppelt fokussierenden Massenspektrometern verwendet werden.

In einer weiteren Abänderung können die Elektroden 11 bis 15 und 16 bis 20 tangential an zwei Kreisbögen, die um einen Punkt zentriert sind, tangential angeordnet werden, wodurch ein Analysator ausgebildet wird, der eine Hybride zwischen einem zylindrischen Analysator und einem Parallelplatten-Analysator darstellt. Obwohl die genauen Werte der Koeffizienten b₁₁ bis b₂₃ für einen derartigen Analysator nicht bekannt sind, hat dies keine Bedeutung, weil der Wert des Radius elektrisch leicht geändert werden kann.

Wie in Fig. 4 gezeigt, ist ein für eine erfindungsgemäße Verwendung geeigneter elektrostatischer Analysator in einem Vakuumgehäuse 35 eingeschlossen, das durch einen mit einem "O"-Ring 37 abgedichteten und durch Schrauben 38 befestigten Deckel 36 verschlossen ist. Eine Öffnung 39, die durch einen mit einem "O"-Ring abgedichteten Flansch 40, der eine Anzahl von elektrischen Durchführungen 41 trägt, verschlossen ist, ist dazu vorgesehen, die elektrische Verbindung, die mit den im Analysator enthaltenen Elektroden hergestellt werden soll (z. B. die Leitung 42) zu ermöglichen.

Der in Fig. 4 gezeigte Querschnitt ist durch das Mittelsegment des Analysators (d. h. in der Ebene A-A in Fig. 3) ausgeführt, die anderen Segmente des Analysators sind jedoch im wesentlichen von identischer Konstruktion.

Die Hauptelektroden 13 und 18 des Mittelsegmentes umfassen gerade Platten mit einer Länge, die so gewählt wird, daß der erforderliche Sektorwinkel Φ_e wie oben erläutert definiert wird. Sie werden von Trägern 44, die am Boden des Vakuumgehäuses 35 mittels Schrauben 45 befestigt sind, an vier isolierten Halterungen 43 (zwei für jede Elektrode) getragen. Jede Elektrode (13 oder 18) ist von Trägern 44 durch ein Keramikrohr 46 getrennt und durch eine Schraube 47, die in eine Keramikbuchse 48 eingesetzt ist, befestigt, wobei, wie gezeigt, unter dem Kopf der Schraube 47 ein kurzes Keramikrohr 49 eingesetzt ist.

Eine obere Gruppe 50 und eine untere Gruppe 51 von Hilfselektroden (z. B. 52) werden jeweils an zwei Keramikstäben 53 gehalten, die in in die Hauptelektroden 13 und 18 gebohrten Löchern angeordnet sind. Die Hilfselektroden 52 sind durch Keramikbuchsen 54 getrennt. Jede Elektrode 52 besteht aus einer dünnen (z. B. 0.5 mm), rechtwinkligen metallischen Platte, die angenähert die gleiche Länge wie die Hauptelektroden besitzt. Die Höhe der Elektroden sollte einige Male, vorzugsweise fünf- bis zehnmal so groß wie ihr gegenseitiger Abstand sein, damit die Wirkung der Streufelder vernachlässigbar ist.

Um die Anzahl der elektrischen Verbindungen an die Hilfselektroden zu minimieren, werden entsprechende Elektroden in der oberen Gruppe 50 und in der unteren Gruppe 51 miteinander verbunden. Genauso werden auch die Hilfselektroden in den Außensegmenten, die ebenfalls im Gehäuse 35 angeordnet sind, verbunden. Um die Anzahl der benötigten Durchführungen weiter zu verringern, werden sämtliche Hilfselektroden, die dem die Hauptelektroden 12 und 15 umfassenden Segment zugeordnet sind, intern mit den entsprechenden Hilfselektroden, die den Hauptelektroden 14 und 19 zugeordnet sind, verbunden, so daß für die Hilfselektroden des Mittelsegments nur 11 Durchführungen und weitere 11 für sämtliche Hilfselektroden der umgebenden Segmente erforderlich sind. Wie oben erläutert, sind sämtliche Elektroden, die den äußersten Außensegmenten (einschließlich der Hauptelektrode 11, 15, 16 und 20) zugeordnet sind, geerdet und erfordern keinerlei Durchführungen. Obwohl also der vollständige Analysator mit fünf Segmenten 110 Hilfselektroden besitzt, sind insgesamt nur 22 Durchführungen (plus 4 für die Hauptelektroden) erforderlich.

Jede der zwei Gruppen von Hilfselektroden (d. h. das Mittelsegment und die symmetrischen Außensegmente) wird durch Potentialteilernetzwerke, die Widerstände umfassen, die so gewählt werden, daß der gewünschten Potentialgradient zwischen den Hauptelektroden erzielt wird, versorgt. Das Potential der Mittelelektrode liegt selbstverständlich auf Massepotential (unter der Annahme, daß der Eingangsspalt des Analysators ebenfalls auf Massepotential liegt, wie dies herkömmlicherweise der Fall ist), während die zwei Hauptelektroden 18 und 13 in bezug auf Masse auf positivem bzw. auf negativem Potential liegen, wie dies auch in einem herkömmlichen Analysator der Fall wäre. Dieses Verfahren für die Versorgung der Elektroden ist wohl bekannt. Um den Potentialgradienten zu ändern, werden die Elektroden einfach an ein anderes Paar von Potentialteilern geschaltet.

Es sind mehrere Typen von Vielkanaldetektoren für die Verwendung in einem erfindungsgemäßen Spektrometer geeignet, so daß sie nicht im einzelnen beschrieben werden müssen. Es ist vorteilhaft, einen oder mehrere Kanalplatten- Elektronenvervielfacher vorzusehen, gefolgt von einem Phosphorschirm. Das vom Phosphor emittierte Licht wird durch ein Lichtleitfaserbündel an einen positionsempfindlichen Photodetektor wie etwa ein Feld von Photodioden übertragen. Vorzugsweise wird wenigstens ein weiterer Detektor (kein Vielkanaldetektor) außerhalb der Achse des Hauptdetektors vorgesehen. Mittels einer Ablenkelektrode werden Ionen wiederum auf herkömmliche Weise in diesen abgelenkt.

Wie in Fig. 3 gezeigt, umfaßt der Strahl 2 Ionen mit zwei verschiedenen m/e-Verhältnissen, die durch den Magneten 4 in zwei massenaufgelöste Strahlen 32 (Ionen mit hoher Masse und 33 (Ionen mit niedriger Masse) getrennt werden, die an verschiedenen Punkten eines Vielkanaldetektors 34 fokussiert werden. Der Detektor muß mit der Fokalebene des Spektrometers ausgerichtet sein, so daß die beiden Strahlen 32 und 33 gleichzeitig fokussiert werden. Im allgemeinen bildet die Fokalebene genauso wie in herkömmlichen Spektrometern zur Mittelachse keinen Winkel von 90°, der erforderliche Winkel kann jedoch gemäß herkömmlicher Verfahren aus den oben angegebenen Basis-Fokussierungsgleichungen errechnet werden. Unglücklicherweise verändert sich die Neigung der Fokalebene in Abhängigkeit von unterschiedlichen Werten von r_e. Dies kann kompensiert werden, indem ein Mechanismus für die Einstellung der Oberfläche des Detektors auf den richtigen Winkel bei einer ausgewählten Bildweite l′′ vorgesehen wird; da jedoch die Neigung der Fokalebene durch Aberrationen zweiter Ordnung im elektrostatischen Feld beeinflußt wird, kann sie durch die Einstellung der Hilfselektrodenpotentiale beeinflußt werden. Ähnlich kann die Krümmung der Fokalebene über eine Veränderung der Aberration dritter Ordnung, die durch Einführung einer Komponente dritter Ordnung in den Potentialgradienten erfolgt, korrigiert werden. Es ist schwierig, die Werte der erforderlichen Elektrodenpotentiale direkt zu berechnen, so daß das praktischste Verfahren für deren Auswahl in der Verwendung eines Computerprogramms für die "Strahlenverfolgung" (ray tracing) in ionenoptischen Systemen besteht. Durch die Aufzeichnung einer Gruppe von Ionenbahnen für einen gegebenen Satz von Elektrodenpotentialen können der Winkel und die Krümmung der Fokalebene berechnet werden, so daß die geeignetsten Werte der Potentiale durch "trial and error" gewählt werden. Die endgültige Einstellung der Potentiale kann dann an einem fertigen Spektrometer vorgenommen werden, beispielsweise durch ein Trimmen der einzelnen Widerstandswerte im Potentialteiler, um die Auflösung über die gesamte Fokalebene zu maximieren. In der Praxis kann es für jeden ausgewählten Wert von r_e wünschenswert sein, eine gewisse Fokalebenendrehung mittels der Hilfselektroden zu schaffen oder den Detektor physikalisch zu drehen. Damit kann verhindert werden, daß andere Aberrationen zu groß werden, die die Auflösung verringern.

Als Alternative zur Bewegung eines einzelnen Detektors zwischen mehreren Positionen können zwei oder mehr Detektoren an den gewünschten Orten vorgesehen werden. Außerdem werden Mittel zum Zurückziehen der nicht in Gebrauch befindlichen Detektoren vorgesehen, um dem Ionenstrahl den Durchgang durch den ausgewählten Detektor zu ermöglichen.

Claims

1. Doppelfokussierendes Massenspektrometer, bei dem die von einer Ionenquelle (1) erzeugten Ionen einen magnetischen Analysator und anschließend einen elektrostatischen Analysator eine Vergrößerung im wesentlichen des Werts Null aufweist und die Ionen in einer Fokalfläche fokussiert, in der ein Detektor angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrostatische Analysator eine Vielzahl voin Analysatorsegmenten umfaßt, die entlang der Flugrichtung der Ionen durch den elektrostatischen Analysator hintereinanderliegend angeordnet sind, wobei die Analysatorsegmente mit einer Spannungsversorgungsvorrichtung verbundene Elektroden aufweisen und wobei die Elektroden der Analysatorsegmente mit geeigneten Spannungen durch die Spannungsversorgungsvorrichtung beaufschlagbar sind zur Veränderung der Dispersion der durch den elektrostatischen Analysator hindurchtretenden Ionen.

2. Doppelfokussierendes Massenspektrometer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor ein Vielkanaldetektor ist.

3. Doppelfokussierendes Massenspektrometer gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Dispersion des elektrostatischen Analysators (6) festlegbar ist durch Auswahl eines einzigen Analysatorsegments und Anlegen geeigneter Potentiale an die Elektroden dieses Analysatorsegments.

4. Doppelfokussierendes Massenspektrometer gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Dispersion festlegbar ist durch Auswahl von wenigstens zwei Analysator-Segmenten und durch Anlegen geeigneter Potentiale an die Elektroden dieser Segmente.

5. Doppelfokussierendes Massenspektrometer gemäß Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrostatische Analysator (6) ein Mittelsegment (13, 18) und ein oder mehrere Paare von Außensegmenten (12, 14, 17, 19) umfaßt, die so angeordnet sind, daß sich die Ionen nacheinander durch ein Außensegment, das Mittelsegment und das andere Außensegment eines jeden Paares bewegen, und daß das Mittelsegment einen Analysator mit erster Dispersion bildet und alle Außensegmente (12, 17 oder 14, 19) in Verbindung mit dem Mittelsegment einen Analysator mit einer zweiten Dispersion und einem Sektorwinkel, der im wesentlichen gleich demjenigen des nur das Mittelsegment umfassenden Analysators ist, bildet.

6. Doppelfokussierendes Massenspektrometer gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Segmente zwei Gruppen (50, 51) von Hilfselektroden (52), die oberhalb bzw. unterhalb des in das Segment eintretenden Ionenstrahls angeordnet sind, umfaßt, wobei die Potentiale der in jeder der Gruppe enthaltenen Hilfselektroden von einer Hilfselektrode (52) zur nächsten progressiv zunehmen.

7. Doppelfokussierendes Massenspektrometer gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen (50, 51) von Hilfselektroden (52) im wesentlichen identisch sind und jede Hilfselektrode in einer der Gruppen auf demselben Potential wie die Hilfselektrode in einer entsprechenden Position in der anderen Gruppe gehalten wird.

8. Doppelfokussierendes Massenspektrometer gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Hilfselektroden (52), die in jeder Gruppe (50, 51) enthalten ist, auf einem Potential V_E gehalten wird, das durch den Polynomausdruck der Form V_E = V_M (1+ax_E+bx_E²+cx_E³+. . .)gegeben ist, wobei V_E das an eine bestimmte Hilfselektrode angelegte Potential, V_M das Potential einer mittleren Hilfselektrode, x_E der Abstand der Elektrode von der Mittelbahn (positiv in der einen Richtung, negativ in der anderen Richtung) und a, b und c Konstanten sind.

9. Doppelfokussierendes Massenspektrometer gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor ein ebener Vielkanaldetektor vorgesehen ist und die Konstanten a, b und c so gewählt werden, daß sich für wenigstens einen gewählten Wert der Dispersion eine Ausrichtung der Fokalfläche des elektrostatischen Analysators mit der Ebene des Vielkanaldetektors (34) für wenigstens einen wesentlichen Abschnitt der Länge des Detektors ergibt.

10. Doppelfokussierendes Massenspektrometer gemäß einem der Ansprüche 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrostatische Analysator (6) auf wenigstens zwei verschiedene Dispersionen einstellbar ist, die Gruppen (50, 51) der Hilfselektroden (52) für wenigstens drei der Segmente vorgesehen werden und sämtliche Hilfselektroden (52), die in den Gruppen (50, 51) enthalten sind, auf einem ersten Satz von Potentialen gehalten werden, wenn eine erste Dispersion gewählt wird, und auf einem zweiten Satz von Potentialen gehalten werden, wenn eine zweite Dispersion gewählt wird.

11. Doppelfokussierendes Massenspektrometer gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Segment zwei im wesentlichen parallele, ebene Hauptelektroden (13, 18) umfaßt, die von einer Ebene, in der sich die Ionen bewegen, geschnitten werden, wobei zwischen den Hauptelektroden eine Potentialdifferenz aufrechterhalten wird, um dadurch in der Ebene ein elektrostatisches Feld zu schaffen, das die Ionen entlang verschiedener gekrümmter Bahnen entsprechend ihrer Energie ablenken kann, und in dem sämtliche Hauptelektroden auf der gleichen Seite des Ionenstrahls in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.