DE4333469A1

DE4333469A1 - Massenspektrometer mit ICP-Quelle

Info

Publication number: DE4333469A1
Application number: DE4333469A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Giesmann; Gerhard Dr Jung; Curt Dr Brunnee
Original assignee: Finnigan MAT GmbH
Current assignee: Finnigan MAT GmbH
Priority date: 1993-10-01
Filing date: 1993-10-01
Publication date: 1995-04-06
Also published as: GB9419238D0; US5552599A; GB2282479B; GB2282479A

Description

Die Erfindung betrifft ein Massenspektrometer mit einer Plasma-Ionenquelle mit einem durch eine Hochfrequenzent ladung erzeugten Plasma, insbesondere mit einer ICP-Ionen quelle und mit einem einen magnetischen Sektor und einen elektrischen Sektor aufweisenden, doppelfokussierenden Analysator sowie einer Einrichtung zum Nachweis der Ionen. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise bekannt aus der US-A-5 068 534.

Zur Verwendung in Massenspektrometern kommen verschiedene Ionenquellen in Betracht, unter anderem Plasma-Ionen quellen. Ein Teilbereich der letzteren betrifft die ICP-Ionenquellen (ICP = Inductive Coupled Plasma), daneben die MIP-Ionenquellen (MIP = Microware Induced Plasma). Bei der ICP-Quelle wird üblicherweise in einem von einer Spule umschlossenen Raum durch Induktion ein Plasma erzeugt. Derartige Ionenquellen wurden in der Vergangenheit mit Quadrupol-Analysatoren gekoppelt. Letztere sind relativ klein und kostengünstig zu bauen. Die Kopplung selbst ist unproblematisch. Beide Teile (Ionenquelle und Quadrupol) können auf einem erdnahen Potential betrieben werden, da die für das Quadrupol erforderliche Beschleunigungsspannung allenfalls im Bereich von einigen 10 Volt liegt. Für die Probenzuführung zur ICP-Quelle sind keine besonderen isolierenden Maßnahmen erforderlich.

Doppelfokussierende Massenanalysatoren wurden in der Vergan genheit mit verschiedenen Ionenquellen gekoppelt. Dabei war der Analysator selbst geerdet. Zur Erzielung einer ausrei chenden Beschleunigung der Ionen war die Ionenquelle selbst auf Hochspannung gelegt. Dies ist die klassische Anordnung einer Ionenquelle in einem Massenspektrometer mit zumindest einem magnetischen Sektorfeld.

In der aus der US-A-5 068 534 bekannten Vorrichtung ist eine ICP-Quelle mit einem in klassischer Betriebsweise ar beitenden, doppelfokussierenden Massenanalysator gekoppelt. Der Eingangsbereich des Analysators liegt zusammen mit dem Plasma auf Hochspannung. Zur Vermeidung von Überschlägen und für den Benutzer gefährlichen Spannungen ist die Induk tionsspule der ICP-Quelle gegenüber dem Plasma mit einer speziellen Isolierung abgeschirmt. Insgesamt bleibt aber die im Bereich der ICP-Quelle bestehende Hochspannung für die Handhabung problematisch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die an sich be kannte Kopplung zwischen einer Plasma-Ionenquelle und einem doppelfokussierenden Massenanalysator zu verbessern, ins besondere die im Bereich der Quelle auftretenden Spannungen zu begrenzen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Plasma bzw. die Flamme der Plasma-Ionenquelle geerdet ist bzw. auf einem erdnahen elektrischen Potential liegt und daß demgegenüber der Analysator auf einem zur Beschleuni gung der Ionen ausreichend großen positiven oder negativen Potential liegt. Üblicherweise ist für positive Ionen ein negatives Potential erforderlich. Bei negativen Ionen kann naturgemäß ein positives Potential vorgesehen sein. Die Erfindung verläßt mit der vorgeschlagenen Lösung die bisher eingeschlagene Entwicklungslinie, nämlich die klassische Potentialanordnung beim Massenanalysator und die damit verbundene, unter Spannung stehende ICP-Quelle. Anstatt weitere Maßnahmen zum verbesserten Spannungsübergang im Bereich der Quelle zu erforschen, ermöglicht die Erfindung auf überraschend einfache Weise die Verwendung einer herkömmlichen ICP-Quelle ohne zusätzliche Maßnahmen in diesem Bereich.

Das magnetische Sektorfeld weist in an sich bekannter Weise Polschuhe auf, zwischen denen ein entsprechend der Ionen flugbahn gekrümmtes Flugrohr angeordnet ist. Vorteilhafter weise liegt nun das Flugrohr auf hohem negativen oder positiven Potential, während der Magnet geerdet ist und die Polschuhe gegenüber dem Flugrohr oder dem Magneten elek trisch isoliert sind. Der Analysator ist auf die Erzielung eines besonders hohen Auflösungsvermögens bei zugleich hoher Empfindlichkeit ausgerichtet. Die beschriebene elek trische Anordnung ist hierfür besonders günstig. Üblicher weise werden die Messungen mit derartigen Analysatoren im schnellen Scan-Betrieb durchgeführt. Auch für diesen Zweck ist die beschriebene elektrische Anordnung von besonderem Vorteil.

Ein weiterer Gedanke der Erfindung befaßt sich mit dem Aufbau des dem Analysator vorgeordneten Interface als Mittel zur Ionenbeschleunigung und Ionenfokussierung. Inner halb des Interface liegen mit dem höchsten positiven oder negativen Potential beaufschlagte Teile in Bereichen außer ordentlichen niedrigen Drucks, insbesondere bei 10 mbar oder weniger. Üblicherweise liegt im Bereich der Plasma flamme normaler Atmosphärendruck vor. Das Anlegen einer Hochspannung nahe diesem Bereich, etwa nahe einem der Plasmaflamme zugewandten Sampler des Interface, würde zu un erwünschten Entladungen führen. Erfindungsgemäß ist vorge sehen, daß im Interface vorgesehene Spannungsabstufungen auf ebenfalls vorgesehene Druckstufen abgestimmt sind. Das heißt, die Drücke in den einzelnen Stufen sind so gewählt, daß entsprechend der Spannung der umliegenden Teile Spannungsüberschläge ausgeschlossen sind.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprü chen sowie der Beschreibung im übrigen. Im folgenden werden Einzelheiten der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Draufsicht eines Massen spektrometers mit ICP-Ionenquelle bzw. -Flamme, Interface, magnetischem Sektor, elektrischem Sektor und Ionendetektor,

Fig. 2 eine Darstellung ähnlich der Fig. 1 mit einer detaillierteren Abbildung des Interface bzw. der hierzu gehörenden Ionenoptik sowie der elektri schen Isolierung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Ionenoptik von einem Sampler bis zu einem Endspalt bzw. bis zum Eintrittsspalt des magnetischen Sektors,

Fig. 4a bis 4e Querschnittsdarstellungen verschiedener techni scher Lösungen der elektrischen Isolierung zwischen Flugrohr und Elektromagneten (magneti scher Sektor),

Fig. 5 eine graphische Darstellung bestimmter Größen über einer Zeitachse bei einer herkömmlichen Betriebsweise eines doppelfokussierenden Massen spektrometers,

Fig. 6 eine graphische Darstellung gemäß Fig. 5, jedoch für eine neue Betriebsweise,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Beschleunigungs spannung und des magnetischen Feldes entspre chend Fig. 6, jedoch über einen längeren Zeit raum betrachtet,

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beschleunigungs spannung für einen sehr kurzen Zeitraum,

Fig. 9 ein Blockdiagramm zur Erläuterung der neuen Betriebsweise.

Zur Erzeugung der zu analysierenden Ionen ist eine nach dem Prinzip des Inductiv-Coupled-Plasma (ICP) arbeitende Ionen quelle 10 mit einer ICP-Flamme 11 und einem dieser nachge ordneten Interface 12 vorgesehen. Die ICP-Flamme wird er zeugt und kontrolliert von einer entsprechenden Spule 13. Die Ionenflugbahn ist mit der Ziffer 14 bezeichnet.

Dem Interface 12 nachgeordnet ist eine Einrichtung zur Trennung der Ionen, ein Analysator 15 mit einem magne tischem Sektor 16 und einem elektrischen Sektor 17. Letzterer ist von einem Gehäuse 18 umgeben, in dem auch eine Einrichtung zum Nachweis der Ionen, ein Ionendetektor 19 angeordnet ist.

Im Interface 12 sind in Richtung der Ionenflugbahn nachein ander angeordnet ein Sampler 20, ein Skimmer 21, eine Lin senanordnung 22, eine Blende 23, ein Linsensystem 24, eine weitere Blende 25 sowie ein Endspalt 26. Sampler 20, Skimmer 21, Blende 23 und Blende 25 definieren jeweils Grenzen zwischen einzelnen Druckstufen, denen entsprechende Vakuumpumpen P1, P2, P3 und P4 zugeordnet bzw. an dieselben angeschlossen sind. Dabei liegt die Druckstufe mit der Pumpe P4 in Richtung der Ionenflugbahn nach der Blende 25, zumindest nach dem Endspalt 26.

Aus dem Interface 12 tritt ein Flugrohr 27 aus. In diesem herrscht derselbe Druck wie in dem an die Pumpe P4 ange schlossenen Bereich im Interface 12. Üblicherweise bildet das Flugrohr die räumliche Begrenzung des Ionenstrahls.

Das Flugrohr 27 verläuft durch den magnetischen Sektor 16 und ist in diesem Bereich mit einem verringerten Quer schnitt versehen und gegenüber den in der Figur nicht sicht baren Polschuhen elektrisch isoliert. Hierzu ist eine hier für geeignete Isolierfolie vorgesehen, z. B. eine Kapton- Folie mit einer Stärke von 75 µm.

Das Flugrohr 27 ist mit dem Gehäuse 18 verbunden. Am Ein trittsbereich 29 ist eine Blende 30 bzw. ein schmaler Ein trittsspalt für die Ionenflugbahn vorgesehen. Diese ver läuft im elektrischen Sektor 17 zwischen zwei ein elektri sches Feld definierenden Backen 31, 32. Schließlich passiert die Ionenflugbahn einen weiteren Spalt 33 und trifft dann auf einen Ionenfänger 34, insbesondere eine Konversionsdynode mit zugeordnetem Elektronenvervielfacher 35.

Die beschriebene Anordnung des elektrischen Sektors 17 nach dem magnetischen Sektor 16 kann auch vertauscht sein. Es ist dann der Ionendetektor 19 in einem eigenen (nicht ge zeigten) Gehäuse nach dem magnetischen Sektor 16 angeord net.

Zur Vermeidung von spannungsbedingten elektrischen Über schlägen oder elektrischen Entladungen im Interface 12 sind die durch die Pumpen P1, P2, P3, P4 eingestellten Drücke sowie die an den Sampler 20, den Skimmer 21 und die Blenden 23, 25 angelegten Spannungen sowie die Formgebung der spannungsbeaufschlagten Bauteile aufeinander abgestimmt. Während die ICP-Flamme 11 bei Atmosphärendruck aufrecht erhalten wird, beträgt der Druck in der der Pumpe P1 zuge ordneten Vakuumstufe V1, das heißt zwischen Sampler 20 und Skimmer 21, etwa 1 mbar. Entsprechend betragen die Drücke in den Stufen V2, V3 und V4 etwa 10^-3 mbar, 10^-5 mbar und 10^-7bar. Letztgenannter Druck herrscht damit auch im Flugrohr 27 und im Gehäuse des elektrischen Sektors 17.

Mit Ausnahme der nachstehend beschriebenen Abweichungen ent spricht die Ausführungsform gemäß Fig. 2 der in Fig. 1. Ebenso wie in der Fig. 1 ist dem Sampler 20 in der Fig. 2 eine (nicht gezeigte) Plasmaquelle, insbesondere nach dem ICP-Prinzip mit einer entsprechenden ICP-Flamme, vorgeord net. Das Interface 12 weist ein Gehäuse 37 zur Aufnahme der Ionenoptik 36 und zur Ausbildung der einzelnen Vakuumstufen bzw. Druckstufen V1, V2, V3 und V4 auf. Im Gehäuse 37 sind entsprechende Mittel zur elektrischen Isolierung und zur Abdichtung vorgesehen.

Das Gehäuse 37 ist selbst geerdet, ebenso die einen Gehäuse kopf 38 und die erste Druckstufe V1 zwischen sich ein schließenden Sampler 20 und Skimmer 21. In der Fig. 2 ist unten am Kopf 38 eine Öffnung 39 für eine Anschlußleitung der Pumpe P1 (Fig. 1) gezeichnet. Entsprechende Öffnungen 40, 41 und 42 zum Anschluß der Pumpen P2, P3, P4 und zum Evakuieren der Druckstufen V2, V3 und V4 sind rechts von der Öffnung 39 dargestellt.

Im Innern des Gehäuses 37 sind mit Abstand voneinander zwei Gehäuseflansche 43, 44 angeordnet, zwischen denen die Druck stufe V3 liegt, in der auch die Ionenoptik 36 angeordnet ist. Diese ist gehalten von einem mit dem Flansch 44 ver bundenen Optikflansch 45. Hierzu kann eine nicht gezeigte Schraubverbindung vorgesehen sein. Die Flansche 44, 45 sind gegeneinander durch eine dünne Folie 46 isoliert. Eine ähn liche, jedoch nicht gezeigte Isolierung ist zwischen dem Flansch 43 und einem Kopf 47 der Ionenoptik 36 vorgesehen. Dadurch können die einzelnen ionenoptischen Komponenten mit Hochspannung beaufschlagt werden, ohne daß das Gehäuse 37 selbst unter Spannung steht.

Am Flansch 45 ist neben der Aufnahme für die Ionenoptik 36 in den Raum der Druckstufe V4 nach rechts hineinragend eine rohrförmige Abschirmung 48 angeordnet, die mit Abstand vor einen Endflansch 49 am Übergang zum Flugrohr 27 endet. End flansch 49 und Flugrohr 27 liegen auf Hochspannung und sind entsprechend gegenüber einem benachbarten Gehäuseflansch 50 elektrisch isoliert und außerdem gegen Lufteintritt abge dichtet. Die spezielle Abdichtung ist in der Detailzeich nung A der Fig. 2 vergrößert dargestellt. Unmittelbar an den Flanschen 50, 49 liegen umlaufende Vakuumdichtungen 51, 52 an, zwischen denen wiederum eine dünne Folie 53 zur elektrischen Isolierung eingeklemmt ist. Soweit bisher und im folgenden dünne Folien als Isolierungen vorgesehen sind, können beispielsweise Kapton-Folien verwendet werden. Natur gemäß sind auch andere dünne Isolierwerkstoffe möglich.

Die gleich Art der Isolierung bzw. Vakuumabdichtung ist zwischen dem magnetischen Sektor und dem elektrischen Sektor, genauer am Eintritt des Flugrohrs 27 in das Gehäuse 18 des elektrischen Sektors 27, vorgesehen.

Die elektrische Isolierung im Bereich des magnetischen Sektors 16 wird weiter unten anhand der Fig. 4a bis 4e näher erläutert. Im Bereich des elektrischen Sektors 17 ist das Gehäuse 18 geerdet und das Innenleben desselben, das heißt die Backen 31, 32, der Spalt 33 und der Ionendetektor 19, liegen auf Hochspannung.

In der Fig. 3 sind die einzelnen Komponenten der Ionenoptik 36 schematisch und auseinandergezogen dargestellt, ebenso die entlang der Ionenoptik wirksamen Druckverhältnisse und in Verbindung mit der Tabelle zur Fig. 3 auch die zuge hörigen Spannungen. Links vom Sampler 20 (S1) herrscht Atmosphärendruck, rechts davon bis zum Skimmer 21 (S2) etwa 1 mbar. Sampler und Skimmer liegen auf 0 V. Zwischen dem Skimmer und einer ersten Linse L1 - im Kopf 47 - herrschen etwa 10^-7 mbar (Druckstufe V2). Die übrigen ionenoptischen Komponenten L2 bis L7 sind alle Teil der Ionenoptik 36, im Bereich der Druckstufe V3 angeordnet und mit den Spannungen gemäß der Tabelle beaufschlagt. Der Eintrittsspalt 26 (S3) ist im Abschirmungsrohr 48 oder an dessen Ende angeordnet und bildet zugleich die Grenze zur letzten Druckstufe V4 (10^-7 mbar). Der Endspalt 26 ist mit der vollen Hochspannung beaufschlagt, in diesem Fall -8 kV.

In den Fig. 4a bis 4e sind unterschiedliche Möglichkeiten der elektrischen Isolierung zwischen dem Flugrohr 27 und einem Elektromagneten 54 des magnetischen Sektors 16 darge stellt. Der Magnet 54 weist eine Spule 55 und Polschuhe 56, 57 auf. Gemäß Abb. 4a ist der Magnet 54 mit den Pol schuhen 56, 57 geerdet. Das Flugrohr 27 liegt auf Hoch spannung und ist zugleich Vakuumkammer für den Ionenstrahl Zur Isolierung sind zwischen Flugrohr 27 und den Polschuhen 56, 57 jeweils Folien 58 angeordnet. Zur Justierung des Magnetfeldes relativ zum Ionenstrahl wird der Magnet ein schließlich der Polschuhe relativ zum Flugrohr 27 (Vakuum kammer) verschoben.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 4b ist zwar der Magnet 54 geerdet, nicht jedoch die Polschuhe 56, 57. Diese liegen vielmehr auf demselben hohen Potential wie das Flugrohr 27 (zugleich Vakuumkammer). Entsprechend ist zwischen den Pol schuhen und dem Magneten je eine Isolierung 58 angeordnet.

Eine andere Besonderheit zeigt die Fig. 4c. Dort sind die Polschuhe 56, 57 im Vakuum, das heißt innerhalb des Flug rohres 27 angeordnet. Dieses ist in diesem Bereich ent sprechend höher ausgebildet. Der Magnet 54 ist wiederum geerdet, mit Isolierungen 58 gegenüber dem Flugrohr 27 und damit auch gegenüber den Polschuhen 56, 57. Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß der Luft spalt zwischen den Polschuhen um die zweifache Wandstärke des Flugrohres 27 vergrößert ist.

Eine andere Lösung zeigt Fig. 4d. Dort ist der Magnet 54 mit Polschuhen 56, 57 und dem Flugrohr 27 auf Hochspannung gelegt. Es besteht aber eine Isolation 58 zwischen der Spule 55 und dem Eisenkern des Magneten 54.

Schließlich zeigt Fig. 4e einen insgesamt hochliegenden Magneten 54, einschließlich der Spule 55. Die Isolation erfolgt hier über einen Trenntrafo 59. Ein dem Magneten 54 zugeordneter Regler 60 liegt ebenfalls auf Hochspannung.

Das Massenspektrometer ist als solches doppelfokussierend und, wie zuvor beschrieben, im Bereich der Ionenoptik 36, des magnetischen Sektors 16 und des elektrischen Sektors 17 auf Hochspannung gelegt. Lediglich Sampler 20 und Skimmer 21 sind geerdet, ebenso das Plasma bzw. die Flamme 11. Durch diese Potentialanordnung ergeben sich wesentliche Vor teile in mehreren Bereichen. Der Sampler 20 ist üblicher weise mit einer nicht näher gezeigten Wasserkühlung ver sehen. Beim Stand der Technik liegt dieser Teil unter Hoch spannung. Der Wasserkreislauf muß entsprechend aufwendig isoliert werden. Es muß mehrfach entionisiertes Wasser ver wendet werden. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung sind derartige Maßnahmen nicht erforderlich.

Die Plasmaquelle liegt bei der erfindungsgemäßen Anordnung ebenfalls insgesamt nicht unter Hochspannung. Dadurch ist es möglich, verschiedene Plasmaquellen ohne größere Modifi kationen in Verbindung mit dem Interface 12 zu verwenden. Es besteht keine Abhängigkeit mehr von spannungsmäßig speziell angepaßten Plasmaquellen. Gerade in diesem Bereich ist durch die beschriebene Erdung eine hohe Berührungs sicherheit gegeben. Analog gilt dies für die an das Gehäuse 37 angeschlossenen Pumpen P1, P2, P3 und P4. Diese sind bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform geerdet und dabei nicht gegenüber dem Gehäuse 37 isoliert.

Die Hochspannung beträgt etwa -8 kV (für positive Ionen) und liegt in voller Höhe spätestens an der Linse L6 (Fig. 3) an. Die jeweils vorgeordneten Linsen bzw. Linsen systeme L1 bis L5 liegen auf etwas niedrigeren Potentialen von -1 kV bis -3 kV. Die größeren Spannungsübergänge, nämlich zwischen 0 und -2 kV und -3 kV bis -8 kV liegen jeweils im Vakuum, nämlich in der Druckstufe V2 bzw. der Druckstufe V3. Aufgrund des Vakuums sind elektrische Über schläge oder Entladungen in diesem Bereich ausgeschlossen.

Das beschriebene Massenspektrometer ist für eine besondere Betriebsweise vorbereitet. Es werden nämlich das magnetische Feld des magnetischen Sektors 16 und zugleich die insgesamt vorherrschende Beschleunigungsspannung gegen einander abgestimmt verändert. Es liegt eine Synchronisa tion beider Größen vor. Anhand der Fig. 5 wird zunächst der Stand der Technik beschrieben. Die weiteren Fig. 6 bis 9 betreffen wiederum die Erfindung. Zunächst zum Stand der Technik (Fig. 5):

Üblicherweise wird bei doppelfokussierenden Sektorfeld massenspektrometern bei der Aufnahme eines Spektrums das Magnetfeld nach einer vorgegebenen Zeitfunktion gescant, beispielsweise magnetisches Feld B_m = ae^bT. In der Fig. 5 ist als Beispiel mit einer entsprechenden Kurve das magnetische Feld B_m über der Zeit T aufgetragen. Darunter ist die Beschleunigungsspannung U_acc als Konstante aufge tragen. Die Ionen eines vorgegebenen Masse/Ladungsverhält nisses können somit nur innerhalb eines engen zeitlichen Fensters entsprechend der Änderung des Magnetfeldes den Detektor erreichen. Sobald durch den Scan des Magnetfeldes das genannte zeitliche Fenster verlassen wird, existieren für diese Ionen keine stabilen Bahnen mehr innerhalb des Analysators. So werden Ionen der Masse M1 nur innerhalb des Zeitfensters ΔT1 registriert. In der hierzu benachbarten Zeitspanne ΔT2 erfolgt keine Registrierung, sondern erst wieder bei der benachbarten Masse M2. In der Fig. 5 sind im unteren Bereich zunächst die Masse und darunter die registrierte Intensität über der Zeit aufgetragen. Erst bei Erreichen von B2 werden wieder Ionen registriert, nämlich die der Masse M2, entsprechend bei B3 Ionen der Masse M3 usw. Da die ermittelbaren Massen (Masse/Ladungsverhältnis) nicht beliebig dicht aneinander liegen, sind stets zur Messung ungenutzte Zeitintervalle, analog ΔT2, vorhanden. Dies gilt insbesondere bei der Analyse von kleineren Massen, beispielsweise im Bereich von 50 Dalton. Die Zeit zwischen zwei benachbarten Massen, in der Fig. 5 zwischen M1 und M2 die Zeit ΔT2, bleibt meßtech nisch ungenutzt.

Im Gegensatz zum Stand der Technik zeigt die Fig. 6 die bei dem erfindungsgemäßen Massenspektrometer vorgesehene neue Scanart. Die Aufteilung der Diagramme entspricht der in Fig. 5. Das Magnetfeld B_m wird nach einer vorgegebenen Zeit funktion langsam und stetig geändert (gescant). Im Gegen satz zum Stand der Technik bleibt die Beschleunigungs spannung nicht konstant, sondern wird mit dem magnetischen Feld synchronisiert, und zwar in bezug auf die zu detek tierenden Massen (Masse/Ladungsverhältnis). Die Änderung der Beschleunigungsspannung U_acc erfolgt so, daß die Wirkung der Änderung des Magnetfeldes kompensiert wird und das Massenspektrometer insgesamt für eine Zeitspanne ΔT_M1 die Masse M1 detektiert. In dieser Zeit ΔT_M1 gilt die be kannte Bahngleichung B_m/U_acc = konstant. Nach Ablauf der Zeit ΔT1 wird die Beschleunigungsspannung in sehr kurzer Zeit ΔTR sprungartig zurückgeführt auf einen niedrigen Wert. Von dort aus erfolgt wiederum ein Anstieg von U_acc zur Synchronisation mit dem magnetischen Feld. Im Ergebnis steht zur Detektion der einzelnen Massen jeweils ein wesent lich breiteres Zeitintervall zur Verfügung. Die Empfindlich keit des Massenspektrometers ist um mehr als eine Größen ordnung verbessert.

Die Beschleunigungsspannung ändert sich beispielsweise um etwa 200 V (Minimum bis Maximum), das heißt, es erfolgt eine Schwankung von etwa ±100 V um das in der Tabelle zur Fig. 3 dargestellte höchste Potential -8 kV. In Abhängig keit von der zu detektierenden Masse sind natürlich andere Potentialänderungen möglich und vorgesehen. Grundsätzlich werden die angelegten Spannungen nicht um denselben festen Betrag geändert, sondern jeweils mit demselben Faktor beauf schlagt, so daß die relative Änderung der Spannung gleich ist. Die Spannungsänderung wird an allen unter Spannung stehenden und die Ionenflugbahn beeinflussenden Bauteilen vorgenommen.

Fig. 7 zeigt noch einmal das magnetische Feld (unten) und die Beschleunigungsspannung (oben) in zeitlich geraffter Abfolge. Während eines Scans des Magnetfelds, das heißt während eines Anstiegs vom Minimum bis zum Maximum, werden mehrere sägezahnartige Scans (einer je zu detektierenden Masse) der Beschleunigungsspannung durchgeführt. Mit zunehmender Masse werden die maximalen Differenzen der Beschleunigungsspannung geringer. In der Fig. 7 sind die sich ergebenden konvergierenden Hüllkurven gestrichelt ein gezeichnet. Aufgrund der langen Zeitkonstanten des Magnet feldes erfolgt der Rücksprung um den Wert ΔB_m in einer relativ zur übrigen Zeit etwas längeren Zeit als in der Fig. 7 dargestellt. Abweichend von den Darstellungen kann das Magnetfeld auch abwärts gescant werden. Die beschriebene Wiederholung der einzelnen Scans wird als repetierende Betriebsweise bezeichnet.

Fig. 8 zeigt nochmals die Änderung der Beschleunigungs spannung anhand konkreter Zahlenwerte. Es wird ausgegangen von einer zu detektierenden Masse von M = 50 Da. Zuvor wurden bereits niedrigere Massen detektiert. In der Phase I wird die Beschleunigungsspannung um 200 V innerhalb von 170 µsec abgesenkt. Der "Normalwert" des Potentials liegt bei diesem Beispiel bei 10 kV. Während das Magnetfeld konti nuierlich weiter ansteigt, folgt in der Phase II die Be schleunigungsspannung mit ca. 120 V/msec. Während eines Zeitraums von 1,33 msec wird dabei am Detektor die Ionen masse 50 Da registriert. In der herkömmlichen Betriebsart (U_acc = konstant) wäre das Ionensignal bei einer Massenauf lösung von M/ΔM = 500 und gleicher Scangeschwindigkeit des Magnetfeldes nur für ca. 90 µsec registrierbar. Das genannte kurze Zeitintervall ist in der Fig. 8 mit einge zeichnet. Das demgegenüber größere Zeitintervall reicht von T = 1170 bis T = 2500.

Fig. 9 zeigt schließlich das Zusammenwirken verschiedener elektronischer Baugruppen zur Realisierung der beschriebe nen synchronen Betriebsweise. Über den Hostcomputer wird eine im (Front-End)µ-Prozessor gespeicherte Scanfunktion parametrisiert und aktiviert. Über einen zentralen digi talen Signalprozessor werden die beiden Scangeneratoren 1 und 2, die den zeitlichen Verlauf der Beschleunigungs spannung und des Magnetfeldes regeln, angesteuert. Signal prozessor als auch beide Scangeneratoren werden synchron getaktet über die Time Base (Zeitbasis). Galvanisch ent koppelt werden die digitalen Steuerpulse über Optokoppler an D/A-Wandler weitergegeben; anschließend wird in der Hoch spannungseinheit die erforderliche Beschleunigungsspannung bzw. im Feldregler der entsprechende Magnetstrom generiert. Das Prinzip der Digitalsteuerung der Spannung bzw. des Magnetfeldes ist in der Massenspektrometrie bekannt und braucht deshalb hier nicht näher erläutert zu werden.

Das beschriebene Massenspektrometer mit dem auf hoher Spannung liegenden Analysator ist für die vorgeschlagene synchronisierte Betriebsweise besonders vorteilhaft. Die Spannung der entsprechend beaufschlagten Bauteile ist mit relativ kleinen Zeitkonstanten änderbar. Die Plasmaquelle selbst ist hiervon nicht betroffen, da diese geerdet ist. Anders wäre es bei einer auf hohem Potential liegenden Plasmaquelle. Diese mühte dann einschließlich des Plasma potentialmäßig gescant werden.

Die Erfindung ist besonders geeignet für die Element analytik, insbesondere die Multielementanalyse, bei der der zu erfassende relative Massenbereich relativ groß ist. Im Vordergrund steht die Fragestellung, ob und wieviel der Höhe nach bekannte Massen in einer Probe vorhanden sind.

Grundsätzlich ist der beschriebene, auf hohem elektrischen Potential liegende Analysator, insbesondere mit dem Inter face und der Ionenoptik, auch mit anderen Ionen-Quellen ver wendbar.

Bezugszeichenliste

10 Ionenquelle
11 ICP-Flamme
12 Interface
13 Spule
14 Ionenflugbahn
15 Analysator
16 Magnetischer Sektor
17 Elektrischer Sektor
18 Gehäuse
19 Ionendetektor
20 Sampler
21 Skimmer
22 Linsenanordnung
23 Blende
24 Linsensystem
25 Blende
26 Endspalt
27 Flugrohr
29 Eintrittsbereich
30 Blende
31 Backe
32 Backe
33 Spalt
34 Ionenfänger (Konversions dynode)
35 Elektronenvervielfacher
36 Ionenoptik
37 Gehäuse
38 Gehäusekopf
39 Öffnungen
40 Öffnungen
41 Öffnungen
42 Öffnungen
43 Flansch
44 Flansch
45 Flansch
46 Isolierfolie
47 Kopf
48 Abschirmung
49 Endflansch
50 Gehäuseflansch
51 Vakuumdichtung
52 Vakuumdichtung
53 Isolierfolie
54 Magnet
55 Spule
56 Polschuh
57 Polschuh
58 Isolierung
59 Trenntrafo
60 Regeler
P1 Pumpe
P2 Pumpe
P3 Pumpe
P4 Pumpe
V1 Druckstufe
V2 Druckstufe
V3 Druckstufe
V4 Druckstufe

Claims

1. Massenspektrometer mit einer Plasma-Ionenquelle mit einem durch eine Hochfrequenz-Entladung erzeugten Plasma, insbesondere mit einer ICP-Ionenquelle (10), und mit einem einen magnetischen Sektor (16) und einen elektrischen Sektor (17) aufweisenden, doppelfokussierenden Analysator (15) sowie einer Einrichtung zum Nachweis der Ionen (Ionen detektor (19), dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma bzw. die Flamme (11) der Plasma-Ionenquelle geerdet ist bzw. auf einem erdnahen elektrischen Potential liegt und daß dem gegenüber der Analysator (15) auf einem zur Beschleunigung der Ionen ausreichend großen positiven oder negativen Potential liegt.

2. Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der magnetische Sektor (16) in an sich bekann ter Weise einen Magneten mit Polschuhen aufweist, zwischen denen ein entsprechend der Ionenflugbahn (14) gekrümmtes Flugrohr (27) angeordnet ist, wobei das Flugrohr (27) auf hohem negativen oder positiven Potential liegt, der Magnet geerdet ist und die Polschuhe (56, 57) gegenüber dem Flug rohr (27) oder dem Magneten (54) elektrisch isoliert sind.

3. Massenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß zur elektrischen Isolierung zwischen dem Mag neten und dem Flugrohr (27) eine Kapton-Folie angeordnet ist.

4. Massenspektrometer nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elek trische Sektor (17) insgesamt auf hohem negativen oder posi tiven Potential liegt und nur mit seinem Gehäuse (18) geerdet ist.

5. Massenspektrometer nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Analysator (15) in an sich herkömmlicher Weise ein Interface (12) mit Mitteln zur Ionenbeschleunigung und zur Ionenfokussierung aufweist, wobei die innerhalb des Interface (12) mit dem höchsten positiven oder negativen Potential beaufschlagten Teile in Bereichen außerordentlich niedrigen Drucks liegen, insbesondere bei 10^-3 mbar oder weniger.

6. Massenspektrometer nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß im Interface (12) zwischen einem der ICP-Flam me (11) einlaßseitig zugeordneten Sampler (20) und einem auslaßseitig angeordneten Flugrohr (27) mehrere, insbesonde re vier oder mehr Druckstufen (V1, V2, V3, V4) mit entspre chend zugeordneten Vakuumpumpen (P1, P2, P3, P4) vorgesehen sind.

7. Massenspektrometer nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das magneti sche Feld B_m und die Beschleunigungsspannung U_acc (elektri sches Potential) aufeinander abgestimmt veränderbar sind, insbesondere derart, daß für definierte Zeitintervalle (ΔT_M1, ΔT_M2 . . . .) jeweils eine bestimmte Masse detektierbar ist.

8. Verfahren zum Betrieb eines doppelfokussierenden Massenspektrometers, mit folgenden Merkmalen:
die Stärke des magnetischen Feldes B_m und die Beschleuni gungsspannung U_acc (das elektrische Potential) werden in aufeinander abgestimmter Weise geändert, so daß die Bedingungen zur Detektion einer bestimmten Masse für ein bestimmtes Zeitintervall konstant sind.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Feld zur Durchführung eines Scans über einen mehrere Massen umfassenden Bereich stetig geändert wird und daß die Beschleunigungsspannung sägezahnartig mit geführt wird, so daß nach und nach verschiedene bestimmte Massen jeweils innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls detektierbar sind.