DE4322101C2 - Ionenquelle für Flugzeit-Massenspektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Ionenquelle ist aus "J. Phys. Chem." 88 (1984) 4487-4502 bekannt.

Bei der Flugzeit-Massenanalyse gibt es einen Start-Zeitpunkt, ab wel­ chem eine Gruppe von Ionen im Flugzeit-Massenspektrometer gestartet wird. Am Ende einer Flugstrecke wird die Zeit gemessen, welche das jeweilige ankommende Ion benötigt hat und hieraus die Masse des be­ treffenden Ions ermittelt.

Sollen mittels eines Flugzeit-Massenspektrometers Ionen bzw. zu er­ zeugende Ionen aus der Gasphase nachgewiesen werden, so versteht man unter Abzugsvolumen denjenigen Raumbereich der Ionenquelle, aus wel­ chem, beginnend ab dem Start-Zeitpunkt, Ionen auf die Oberfläche des Detektors des Flugzeit-Massenspektrometers gelangen können. Die Bah­ nen, auf welchen sich die Ionen dabei bewegen, sind bestimmt durch die vorhandenen elektrischen Felder.

Der Start-Zeitpunkt der Flugzeit-Analyse kann z. B. gegeben sein durch

• - den Zeitpunkt, in dem neutrale Teilchen eines im Abzugsvolumen befindlichen zu untersuchenden Gases durch den Puls einer das Ab­ zugsvolumen durchstrahlenden Laserstrahl- oder Elektronenstrahl­ quelle ionisiert werden oder durch
• - den Zeitpunkt des Anschaltens der Elektrodenspannungen der Ionen­ quelle. In diesem Fall handelt es sich meist darum, Ionen zu untersuchen, da Ionen nur dann in das Abzugsvolumen gelangen können, wenn an den Elektroden der Ionenquelle keine Spannungen anliegen.

Als ionenoptische Achse bezeichnet man bei Ionenquellen diejenige Bahn eines Ions, welches zum Startzeitpunkt von einem geeignet gewähl­ ten Punkt nahe der geometrischen Mitte des Abzugsvolumens mit der Anfangsgeschwindigkeit =0 aus startet. Ist der Aufbau der Ionen­ quelle zylindersymmetrisch, so wird als Startpunkt der ionenoptischen Achse üblicherweise ein Punkt auf der Symmetrieachse der Ionenquelle ausgewählt.

Sollen in einem Flugzeit-Massenspektrometer Teilchen aus der Gas­ phase mit hoher Massenauflösung nachgewiesen werden, so müssen die Anfangs-Geschwindigkeitskomponenten der Ionen in Beschleunigungsrich­ tung klein gehalten werden. Dies läßt sich erreichen, indem der zu unter­ suchende Gas- bzw. Ionenstrahl in rechtem Winkel zur Beschleuni­ gungsrichtung die Ionenquelle durchquert. In der Veröffentlichung von Bergmann et al. (Review of Scientific Instruments, Band 60 (4), Seiten 792-793, 1989) ist gezeigt, warum der rechte Winkel nötig ist, und wie auf diese Weise eine Massenauflösung von 35 000 (m/Δm) FWHM (Full Width at Half Maximum) erzielt wurde.

Die eingangs vorausgesetzte Ionenquelle, bei welcher der zu unter­ suchende Gas- bzw. Ionenstrahl nicht parallel zur Beschleunigungsrichtung der Ionenquelle verläuft, ist gebräuchlich, falls die Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen in dem zu unter­ suchenden Gas- bzw. Ionenstrahl eng ist. Da dann bei allen Ionen die transversale Geschwindigkeit um einen sehr ähnlichen Betrag geändert werden soll, benötigt man ein von den transversalen Koordi­ naten unabhängiges elektrisches Feld in transversaler Richtung.

Unter einem transversalen elektrischen Feld soll im folgenden ein elek­ trisches Feld in transversaler Richtung verstanden werden, dessen Rich­ tung und Stärke im Bereich der Ionenbahnen nur geringfügig von den Koordinaten in transversaler Richtung abhängt. Dieses Feld nennt man Ablenkfeld, und die Elektroden zu seiner Erzeugung nennt man Ablenk­ elektroden.

Den Konstruktionen bisher bekannter Ionenquellen mit Ablenkfeld liegen folgende Tatsachen zugrunde:

• - Für Ionen, deren Anfangsgeschwindigkeit in Beschleunigungsrichtung Null ist, soll die Endgeschwindigkeit in Beschleunigungsrichtung ausschließlich von der Ortskoordinate in Beschleunigungsrichtung abhängen. Die Endgeschwindigkeit in Beschleunigungsrichtung soll insbesondere unabhängig von den Ortskoordinaten und Anfangsgeschwindigkeiten in transversaler Richtung sein. Ein solches Verhalten läßt sich mit einem homogenen Beschleunigungsfeld erreichen.
• - Nach Durchlaufen eines homogenen Beschleunigungsfeldes sind die Geschwindigkeitskomponenten in transversaler Richtung unverändert geblieben. Die Geschwindigkeitskomponenten in transversaler Richtung sind unabhängig vom Startort der Ionen, und damit auch unabhängig von den Koordinaten ihrer Bahn nach dem Beschleunigungsfeld. Somit ist zur Änderung der Geschwindigkeitskomponenten in transversaler Richtung ein Ablenkfeld erforderlich, dessen Feldstärke in transversaler Richtung unabhängig von den transversalen Koordinaten ist.

Bei der bekannten Lösung, vgl. Fig. 1 (b) von "J. Phys. Chem." 88 (1984) 4497-4502, sind der Ionenstartort und das Ablenkfeld getrennt voneinander angeordnet, d. h. das Ablenkfeld ist nach dem Ionenstart angeordnet. Üblicherweise wird das transversale elektrische Feld durch einen Parallelplatten-Kondensator erzeugt. Dadurch ist bei allen diesen Ionenquellen der Massenbereich nach oben begrenzt, da nämlich die schweren Ionen, bevor sie das Ablenkfeld spüren, sich zu weit von der ionenoptischen Achse, welche in Beschleunigungsrichtung der Ionenquelle weist, entfernt haben, und so z. B. an Blenden verlorengehen.

Bei allen oben genannten Vorteilen, die sich ergeben, wenn die Richtung des zu untersuchenden Gas- bzw. Ionenstrahls senkrecht auf der Beschleunigungsrichtung der Ionenquelle steht, so ist doch die eben genannte Beschränkung des Massenbereichs ein entscheidender Nachteil.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Ionenquelle anzugeben, mit welcher ein größerer Massenbereich von Ionen in das Flugzeit-Massenspektrometer hinein beschleunigt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Ablenkfeld dem Beschleunigungsfeld im Abzugsvolumen direkt überlagert, so daß das Ablenkfeld zu dem frühest möglichen Zeitpunkt die Geschwindigkeitskomponenten quer zur Beschleunigungsrichtung kompensieren kann. Auf diese Weise wird die Auslenkung der Ionenbahnen von der ionenoptischen Achse klein gehalten, was zur Folge hat, daß Teilchen mit größerer Masse noch durch im Strahlengang vorhandene Blenden hindurch passieren können.

In vielen Fällen läßt sich das Ablenkfeld dem Beschleunigungsfeld direkt überlagern, indem die das Ablenkfeld erzeugenden Elektroden in das beschleunigende Feld integriert werden. Üblicherweise bedeutet dies, daß die das Ablenkfeld erzeugenden Elektroden zwischen den das beschleu­ nigende Feld erzeugenden Elektroden angeordnet werden müssen.

Im folgenden wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele die Erfindung näher beschrieben und erläutert.

Fig. 1a, 1b zeigen eine erste Ausführungsform. Ionen, die sich zum Start-Zeitpunkt im Abzugsvolumen (11) befinden, werden durch das zwischen den Beschleunigungselektroden (1, 2) erzeugte Beschleunigungsfeld auf den gezeichneten Bahnen (12) beschleu­ nigt, welche auf dem Detektor des Flugzeit-Massenspektrometers enden. Die Ablenkelektroden (20) sind in diesem Ausführungs­ beispiel als ebene Ablenkplatten ausgeführt. Die Ablenkelektro­ den sind, wie in Fig. 1b zu sehen, symmetrisch zu einer gestrichelt mit (B-B′) angedeuteten Normalebene des zu untersuchenden Gas- bzw. Ionenstrahls (10) angeordnet. Der zu untersuchende Gas- bzw. Ionen­ strahl (10) kreuzt das Beschleunigungsfeld durch Öffnungen (21) in den beiden Ablenkelektroden (20).

Elektroden (1, 2), welche das beschleunigende elektrische Feld erzeu­ gen, können dabei auch zusätzlich die Begrenzung zweier Bereiche ver­ schiedenen Gasdruckes bilden. Als Beispiel erfüllt dann die Öffnung (3) in der Mitte der Elektrode (2) die Funktion einer Gas-Strömungsimpedanz.

Gas-Strömungsimpedanzen sind hier zu verstehen als Öffnungen klei­ nen Querschnitts, welche groß genug sind, um die Ionen auf ihren Bahnen zum Detektor passieren zu lassen, deren Leitwert für Gase jedoch wesent­ lich niedriger ist als das Saugvermögen der Pumpe des Bereichs mit dem niedrigeren Druck. Dieser letztgenannte Bereich liegt für gewöhnlich, gesehen in Flugrichtung der Ionen, hinter der Gas-Strömungsimpedanz.

Gas-Strömungsimpedanzen haben damit den Vorteil, daß durch sie bei hoher Teilchendichte im Abzugsvolumen ein möglichst niedriger Restgasdruck in den übrigen Bereichen des Flugzeit-Massenspektrometers erzielt werden kann. Dies ist wünschenswert, um Stöße der Ionen mit Atomen oder Molekülen des Restgases, die den dynamischen Bereich des Flugzeit-Massenspektrometers herabsetzen können, zu minimieren.

Die kombinierte Verwendung von zwischen den Beschleunigungselektroden (1, 2) angeordneten Ablenkelektroden und in die Beschleunigungselektroden (1, 2) integrierten Gas-Strömungsimpedanzen bewirkt damit nicht nur, daß schwerere Ionen den Detektor erreichen können, sondern zusätzlich, daß diese durch Stöße auf ihrer Flugbahn weniger stark beeinträchtigt werden.

Durch die Elektrodenanordnung in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1a, 1b entsteht durch die Überlagerung eines beschleunigenden und eines transversalen Feldes ein resultierendes elektrisches Feld, durch welches die anfänglich noch vorhandenen transversalen Geschwindigkeitskomponenten der geladenen Teilchen bereits in der Beschleunigungsphase weitgehend aufgehoben werden. Auf diese Weise lassen sich mit dieser Anordnung auch Ionen großer Massen auf Bahnen ins Flugzeit-Massenspektrometer beschleunigen.

Die Anordnung nach Fig. 1a, 1b hat jedoch den Nachteil, daß das beschleunigende elektrische Feld im Bereich des Abzugsvolumens nicht sehr homogen ist. Hieraus resultieren schwer ausgleichbare Flugzeitfehler. Diese Flugzeitfehler nehmen generell zu mit dem Abstand einer Ionenbahn zur ionenoptischen Achse. Hat man sich also auf eine gewisse Grenze festgelegt, unter­ halb welcher Flugzeitfehler tolerierbar sind, so reduziert ein inhomogenes elektrisches Feld im Bereich des Abzugsvolumens den zulässigen Abstand der Ionenbahn zur ionenoptischen Achse, d. h. den nutzbaren Bereich im Abzugsvolumen. Dadurch nimmt die Empfindlichkeit des Flugzeit-Massenspektrometers ab.

Eine zweite Ausführungsform wird in Fig. 2a, 2b gezeigt. Wie in Fig. 2b zu sehen, sind die Ablenkelektroden (20) (schraffiert) drehsymmetrisch zur ionenoptischen Achse der Ionenquelle angeordnet. Auf diese Weise läßt sich ein elektrisches Feld mit gegenüber Fig. 1a, b verbesserten Eigenschaften erzeugen.

Der zu untersuchende Gas- bzw. Ionenstrahl (10) kreuzt das Beschleunigungsfeld durch Öffnungen (21) in den beiden Ablenkelektroden, für einen ionisierenden Elektronen- oder Laserstrahl sind Aussparungen (22) zwischen den beiden Ablenkelektroden vorgesehen.

Die Gas-Strömungsimpedanz (3) an der Beschleunigungselektrode (2) ist hier als Rohr ausgebildet, das einen niedrigeren Leitwert für Gase als eine Lochblende gleichen Querschnitts aufweist. Es kann jedoch wie in Fig. 1a ein Loch als Gas-Strömungsimpedanz vorgesehen werden.

Zusätzlich zu den optimalen Feldeigenschaften hat die drehsymmetrische Ausbildung der Ablenkelektroden den weiteren Vorteil, daß die Ablenkelektroden zunächst als Drehteil hergestellt werden können. In einem anschließenden Arbeitsgang können sie dann in zwei Teile zerlegt werden.

Fig. 3a, 3b zeigen beispielhaft, wie zwei Ablenkelektrodenpaare (20, 25) angeordnet werden können. Dies hat den Vorteil, daß weder für den zu untersuchenden Gas- bzw. Ionenstrahl (10) noch für einen ionisierenden Laserstrahl Öffnungen vorgesehen werden müssen. Außerdem läßt sich das Volumen der Beschleunigungsstrecke so besser abpumpen. Wie in Fig. 3a, 3b gezeigt, können die beiden Ablenkelektrodenpaare auch unterschiedliche Radien zur Achse der Ionenquelle haben.

In den Beispielen von Fig. 2a, 2b und Fig. 3a, 3b haben die Ablenkelektroden im wesentlichen zylindersymmetrische Form, außer daß sie in der Ebene, welche durch den Schnitt (B-B′) definiert wird, geteilt sind. Dies bedingt einen kleinen Feldanteil mit Quadrupolsymmetrie, dessen Stärke in niedrigster Ordnung proportional zum Quadrat des Abstandes zur Symmetrieachse ist.

Fig. 4a, 4b zeigen, wie die Ablenkelektroden (20) noch zusätzlich entlang der Ebene, welche durch die Beschleunigungsrichtung und den zu untersuchenden Gas- bzw. Ionenstrahl (10) definiert wird, symmetrisch geteilt werden können.

Claims (6)

1. Ionenquelle für Flugzeit-Massenspektrometer,

• - bei welcher ein zu untersuchender Gas- bzw. Ionenstrahl (10) eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Beschleuni­ gungsrichtung der Ionenquelle aufweist,
• - in der durch bestimmungsgemäße Nutzung ein Raumbereich als Abzugsvolumen (11) definiert ist, in welchem sich zu ana­ lysierende Ionen zum Start-Zeitpunkt der Massenanalyse be­ finden, mit
• - Beschleunigungselektroden (1, 2), die ein elektrisches Feld de­ finieren, welches Ionen in Richtung der ionenoptischen Achse beschleunigt, und
• - Ablenkelektroden (20, 25), welche ein, bezüglich der ionenopti­ schen Achse transversales elektrisches Feld erzeugen,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß es einen geometrisch zusammenhängenden Raumbereich gibt, in welchem sich das beschleunigende und das transversale elektrische Feld überlagern, und
• - daß dieser Raumbereich das Abzugsvolumen (11) enthält.

2. Ionenquelle für Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ablenkelektroden (20, 25), sich in dem beschleunigenden Feld befinden.

3. Ionenquelle für Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ablenkelektroden (20, 25), zwischen den Beschleunigungselektroden (1, 2) angeordnet sind.

4. Ionenquelle für Flugzeit-Massenspektrometer nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab­ lenkelektroden (20, 25)

• - eine drehsymmetrische Form um die ionenoptische Achse der Ionenquelle haben, und
• - entlang der Normalebene (B-B′) zu der Richtung des zu un­ tersuchenden Gas- bzw. Ionenstrahls in zwei zu dieser Ebene symmetrische Hälften geteilt sind.

5. Ionenquelle für Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ablenkelektroden (20, 25) zusätz­ lich noch entlang der Ebene, welche durch die ionenoptische Achse und die Richtung des zu untersuchenden Gas- bzw. Ionenstrahls (10) definiert wird, symmetrisch geteilt sind.

6. Ionenquelle für Flugzeit-Massenspektrometer nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Elektroden (1, 2) eine Trennwand zwischen Bereichen unterschiedlicher Drücke im Flugzeit-Massenspektrometer darstellen, und daß in die betreffenden Elektroden eine Gas-Strö­ mungsimpedanz (3) integriert ist.