EP0632482A2 - Gas phase ion source for high mass resolution, wide mass range time-of-flight mass spectrometer - Google Patents

Gas phase ion source for high mass resolution, wide mass range time-of-flight mass spectrometer Download PDF

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EP0632482A2
EP0632482A2 EP94110274A EP94110274A EP0632482A2 EP 0632482 A2 EP0632482 A2 EP 0632482A2 EP 94110274 A EP94110274 A EP 94110274A EP 94110274 A EP94110274 A EP 94110274A EP 0632482 A2 EP0632482 A2 EP 0632482A2
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/40—Time-of-flight spectrometers
    • H01J49/403—Time-of-flight spectrometers characterised by the acceleration optics and/or the extraction fields

Definitions

  • the invention relates to a gas phase ion source according to the preamble of claim 1.
  • 1a, 1b show the simplest embodiment of the invention according to claim 1.
  • Ions which are located at the start time in the withdrawal volume (11), are shown by the acceleration field generated by a repeller electrode (1) and an acceleration electrode (2) Paths (12) accelerated, which end on the detector of the time-of-flight mass spectrometer.
  • Known solutions exist for the further guidance of the ions after the ion source in the time-of-flight mass spectrometer, which is why they are not discussed in more detail here.
  • the deflection electrodes (20) are designed as flat deflection plates in this exemplary embodiment. As can be seen in FIG.
  • Gas flow impedances are to be understood here as openings of small cross-section, which are large enough to keep the ions on their tracks to pass to the detector, whose conductance for gases, however, is significantly lower than the pumping capacity of the pump of the area with the lower pressure. This latter range is usually behind the gas flow impedance, as seen in the direction of flight of the ions.
  • FIGS. 1a, 1b The arrangement according to FIGS. 1a, 1b is not yet the optimal solution, since after deduction of the transverse field, ie after equating the potentials of the left and right deflection electrodes, the remaining electric field is not very homogeneous in the area of the discharge volume. This results in flight time errors that are difficult to compensate for. Flight time error generally increase with the distance of an ion trajectory from the ion optical axis. So once you have decided on a certain limit below which flight time errors can be tolerated, an inhomogeneous electric field in the area of the take-off volume reduces the permissible distance of the ion trajectory from the ion-optical axis, ie the usable area in the take-off volume. This reduces the sensitivity of the time-of-flight mass spectrometer.
  • the ions are focused or defocused anisotropically with respect to the ion-optical axis when crossing the acceleration path. It follows that at least one further anisotropic lens element is required in the further course of the ion path.
  • Anisotropic lens elements are generally more complex, expensive and difficult to adjust than cylindrical symmetrical lens elements.
  • 3a, 3b show an example of how two pairs of deflection electrodes (20, 25) can be arranged. This has the advantage that openings do not have to be provided either for the gas or ion beam (10) to be examined or for an ionizing laser beam. In addition, the volume of the acceleration section can be pumped out better. As shown in FIGS. 3a, 3b , the two pairs of deflection electrodes can also have different radii to the axis of the ion source.

Abstract

In order to achieve a high mass resolution in a time-of-flight mass spectrometer with gas phase ion source, the initial-speed components in the acceleration direction of the ions must be kept small. This can be achieved in that the gas or ion beam to be investigated traverses the ion source at right angles relative to the acceleration direction. If acceleration direction and flight direction of the gas or ion beam to be investigated are not parallel, then the flight path is loaded with less gas ballast, the dynamic range of the mass spectrometer being increased as a result. The mass range of such an ion source is limited by the fact that heavy ions can be deflected too far from the axis of the ion source and can get lost as a result. When the deflection field is already located in the acceleration path, the mass range of this ion source can be expanded significantly. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasphasen-Ionenquelle nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.The invention relates to a gas phase ion source according to the preamble of claim 1.

Bei der Flugzeit-Massenanalyse gibt es einen Start-Zeitpunkt, ab welchem 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 betreffenden Ions ermittelt.In the time-of-flight mass analysis, there is a start time from which a group of ions is started in the time-of-flight mass spectrometer. At the end of a flight route, the time which the respective incoming ion needed was measured and from this the mass of the ion in question was determined.

In einer Gasphasen-Ionenquelle eines Flugzeit-Massenspektrometers wird als Abzugsvolumen der Raumbereich der Ionenquelle verstanden, aus welchem, beginnend ab dem Start-Zeitpunkt, Ionen auf die Oberfläche des Detektors des Flugzeit-Massenspektrometers gelangen können. Die Bahnen, auf welchen sich die Ionen dabei bewegen, sind bestimmt durch die vorhandenen elektrischen Felder und ergeben sich in einfacher Weise aus den physikalischen Gesetzen.In a gas phase ion source of a time-of-flight mass spectrometer, the withdrawal volume is understood to be the spatial area of the ion source from which ions can reach the surface of the detector of the time-of-flight mass spectrometer, starting from the start time. The orbits on which the ions move are determined by the existing electrical fields and result in a simple manner from the physical laws.

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 Abzugsvolumen durchstrahlenden Laserstrahl- oder Elektronenstrahlquelle ionisiert werden.
  • den Zeitpunkt des Anschaltens der Elektrodenspannungen der Ionenquelle. 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.
The start time of the flight time analysis can be given, for example, by
  • the point in time at which neutral particles of a gas to be examined in the discharge volume are ionized by the pulse of a laser beam or electron beam source radiating through the discharge volume.
  • the time at which the electrode voltages of the ion source are switched on. In this case, it is usually a matter of examining ions, since ions can only get into the withdrawal volume if there are no voltages at the electrodes of the ion source.

Als ionenoptische Achse bezeichnet man bei Gasphasen-Ionenquellen diejenige Bahn eines Ions, welches zum Startzeitpunkt von einem geeignet gewählten Punkt nahe der geometrischen Mitte des Abzugsvolumens mit der Anfangsgeschwindigkeit

Figure imgb0001
= 0 aus startet. Ist der Aufbau der Ionenquelle zylindersymmetrisch, so wird als Startpunkt der ionenoptischen Achse üblicherweise ein Punkt auf der Symmetrieachse der Ionenquelle ausgewählt.In gas-phase ion sources, the ion-optical axis is the path of an ion that is suitable for one at the start time selected point near the geometric center of the trigger volume with the initial speed
Figure imgb0001
= 0 off starts. If the structure of the ion source is cylindrically symmetrical, a point on the axis of symmetry of the ion source is usually selected as the starting point of the ion optical axis.

Um in einem Flugzeit-Massenspektrometer mit Gasphasen-Ionenquelle eine hohe Massenauflösung zu erzielen, müssen die Anfangs-Geschwindigkeitskomponenten in Beschleunigungsrichtung der Ionen klein gehalten werden. Dies läßt sich erreichen, indem der zu untersuchende Gas- bzw. Ionenstrahl in rechtem Winkel zur Beschleunigungsrichtung 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 35000 (m/Δm) FWHM (Full Width at Half Maximum) erzielt wurde.In order to achieve a high mass resolution in a time-of-flight mass spectrometer with a gas-phase ion source, the initial velocity components in the direction of acceleration of the ions must be kept small. This can be achieved by the gas or ion beam to be examined crossing the ion source at a right angle to the direction of acceleration. In the publication by Bergmann et al. (Review of Scientific Instruments, Volume 60 (4), pages 792-793, 1989) shows why the right angle is necessary and how a mass resolution of 35000 ( m / Δ m ) FWHM (Full Width at Half Maximum) was achieved.

Es gibt zwei Arten von Ionenquellen, bei welchen der zu untersuchende Gas- bzw. Ionenstrahl nicht parallel zur Beschleunigungsrichtung der Ionenquelle ist.

  • Die geschwindigkeitsfokussierende Ionenquelle: Diese Ionenquelle ist gebräuchlich, falls die Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen in dem zu untersuchenden Gas- bzw. Ionenstrahl breit ist. Bei dieser Ionenquelle sollen alle Ionen, unabhängig von ihren Anfangsgeschwindigkeiten in transversaler Richtung auf Bahnen, so parallel wie möglich zur ionenoptischen Achse, gezwungen werden. Diese Ionenquelle entspricht nicht dem Oberbegriff von Anspruch 1, und wird hier nicht weiter besprochen.
  • Die Ionenquelle mit Ablenkfeld: Diese Ionenquelle ist gebräuchlich, falls die Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen in dem zu untersuchenden 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 Koordinaten unabhängiges elektrisches Feld in transversaler Richtung. Diese Ionenquelle entspricht dem Oberbegriff von Anspruch 1.
There are two types of ion sources in which the gas or ion beam to be examined is not parallel to the direction of acceleration of the ion source.
  • The speed-focusing ion source: This ion source is used if the speed distribution of the particles in the gas or ion beam to be examined is wide. With this ion source, all ions, regardless of their initial velocities in the transverse direction on orbits, should be forced as parallel as possible to the ion-optical axis. This ion source does not correspond to the preamble of claim 1 and is not discussed further here.
  • The ion source with deflection field: This ion source is used if the velocity distribution of the particles in the one to be examined Gas or ion beam is narrow. Since the transverse velocity should then be changed by a very similar amount for all ions, an electric field in the transverse direction which is independent of the transverse coordinates is required. This ion source corresponds to the preamble of claim 1.

Unter einem transversalen elektrischen Feld soll im folgenden ein elektrisches Feld in transversaler Richtung verstanden werden, dessen Richtung 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 Ablenkelektroden.In the following, a transverse electric field is to be understood to mean an electric field in the transverse direction, the direction and strength of which in the region of the ion trajectories depend only slightly on the coordinates in the transverse direction. This field is called the deflection field and the electrodes for its generation are called deflection electrodes.

Außer der Möglichkeit, eine höhere Massenauflösung zu erzielen, weisen Gasphasen-Ionenquellen nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 noch eine weitere Reihe von Vorzügen auf:

  • In dem Kapitel ''III. Results, A. Time-of-flight mass spectrometer'' der Veröffentlichung von Dietz et al. (Journal of Chemical Physics, Band 73(10), Seite 4816-4821, 1980) wird diskutiert, welcher Mechanismus verhindert, daß ein unerwünschtes Signal durch Hintergrundgase im Massenspektrum erscheint. Hintergrundgase sind die Teilchen, welche aufgrund des unvermeidlichen, vakuumtechnischen Restgasdrucks in der Vakuumkammer der Ionenquelle vorhanden sind.
  • Der Massenbereich der von der Ionenquelle in das Flugzeit-Massenspektrometer beschleunigten Ionen läßt sich nach oben und unten begrenzen, indem man statische Spannungen an die Ablenkelektroden anlegt. Fig. 2 der Veröffentlichung von Rohlfing et al. (Journal of Physical Chemistry, Band 88, Seite 4497-4502, 1984) zeigt, wie durch Anlegen verschiedener Spannungen an die Ablenkplatten sich verschiedene Massenbereiche auswählen lassen.
  • Legt man eine zeitlich variable Spannung an die Ablenkplatten an, so kann die Ionenquelle Ionen eines wesentlich größeren Massenbereichs, nur noch begrenzt durch Blenden im Strahlengang, in das Flugseit-Massenspektrometer hinein beschleunigen. Diese Möglichkeit wird von Lubman und Jordan in ihrer Veröffentlichung (Review of Scientific Instruments, Band 56(3), Seite 373-376, 1985) diskutiert.
In addition to the possibility of achieving a higher mass resolution, gas phase ion sources have a further series of advantages according to the preamble of claim 1:
  • In the chapter '' III. Results, A. Time-of-flight mass spectrometer '' published by Dietz et al. (Journal of Chemical Physics, Volume 73 (10), pages 4816-4821, 1980) discusses which mechanism prevents an unwanted signal from background gases from appearing in the mass spectrum. Background gases are the particles that are present in the vacuum chamber of the ion source due to the inevitable vacuum-technical residual gas pressure.
  • The mass range of the ions accelerated from the ion source into the time-of-flight mass spectrometer can be limited upwards and downwards by applying static voltages to the deflection electrodes. Fig. 2 of the publication by Rohlfing et al. (Journal of Physical Chemistry, Vol. 88, pages 4497-4502, 1984) shows how different voltages can be applied to the baffles let different mass ranges be selected.
  • If a voltage which is variable over time is applied to the deflection plates, the ion source can accelerate ions of a much larger mass range, limited only by apertures in the beam path, into the flight side mass spectrometer. This possibility is discussed by Lubman and Jordan in their publication (Review of Scientific Instruments, Volume 56 (3), pages 373-376, 1985).

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

  • Für Ionen, deren Anfangsgeschwindigkeit in Beschleunigungsrichtung Null ist, soll die Endgeschwindigkeit in Beschleunigigungsrichtung ausschließlich von der Ortskoordinate parallel zur 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.
The designs of previously known ion sources with a deflection field are based on the following facts:
  • For ions whose initial speed in the direction of acceleration is zero, the final speed in the direction of acceleration should depend exclusively on the position coordinate parallel to the direction of acceleration. The final speed in the direction of acceleration should in particular be independent of the location coordinates and initial speeds in the transverse direction. Such behavior can be achieved with a homogeneous acceleration field.
  • After passing through a homogeneous acceleration field, the speed components have remained unchanged in the transverse direction. The velocity components in the transverse direction are independent of the starting point of the ions and thus also independent of the coordinates of their orbit after the acceleration field. A deflection field is therefore required to change the speed components in the transverse direction, the field strength of which in the transverse direction is independent of the transverse coordinates.

Bei allen bisher bekannten Lösungen sind Beschleunigungsfeld und Ablenkfeld getrennt voneinander angeordnet, d.h. das Ablenkfeld ist nach dem Beschleunigungsfeld 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 verloren gehen.In all previously known solutions, the acceleration field and deflection field are arranged separately from one another, i.e. the deflection field is arranged after the acceleration field. The transverse electric field is usually generated by a parallel plate capacitor. This limits the mass range for all of these ion sources, since the heavy ions, before they sense the deflection field, have moved too far from the ion-optical axis, which points in the direction of acceleration of the ion source, and so e.g. get lost on panels.

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.With all the advantages mentioned above, which result when the direction of the gas or ion beam to be examined is perpendicular to the acceleration direction of the ion source, the limitation of the mass range just mentioned is a decisive disadvantage.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Gasphasen-Ionenquelle anzugeben, mit welcher ein größerer Massenbereich von Ionen in das Flugzeit-Massenspektrometer hinein beschleunigt werden kann.The invention is accordingly based on the object of specifying a gas phase ion source with which a larger mass range of ions can be accelerated into the time-of-flight mass spectrometer.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the characterizing features of claim 1.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das Ablenkfeld dem Beschleunigungsfeld 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 the device according to the invention, the deflection field is directly superimposed on the acceleration field, so that the deflection field can compensate for the speed components transverse to the direction of acceleration at the earliest possible time. In this way, the deflection of the ion trajectories from the ion-optical axis is kept small, with the result that particles with a larger mass can still pass through apertures present in the beam path.

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 beschleunigende Feld erzeugenden Elektroden angeordnet werden müssen.In many cases, the deflection field can be directly superimposed on the acceleration field by integrating the electrodes generating the deflection field into the accelerating field. Usually this means that the electrodes producing the deflection field must be arranged between the electrodes producing the accelerating field.

Es ist ferner von besonderem Vorteil, wenn die Elektroden so angeordnet sind, daß ein elektrisches Feld entsteht, welches sich als Summe eines transversalen elektrischen Feldes und eines elektrischen Feldes mit hoher Zylindersymmetrie zur ionenoptischen Achse darstellen läßt.It is also of particular advantage if the electrodes are arranged in such a way that an electric field arises which can be represented as the sum of a transverse electric field and an electric field with high cylindrical symmetry with the ion-optical axis.

Im Folgenden wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen die Erfindung näher beschrieben und erläutert.The invention will now be described and explained in more detail with reference to the embodiments shown in the drawings.

Fig. 1a,1b zeigen die einfachste Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 1. Ionen, die sich zum Start-Zeitpunkt im Abzugsvolumen(11) befinden, werden durch das von einer Repellerelektrode(1) und einer Beschleunigungselektrode(2) erzeugte Beschleunigungsfeld auf den gezeichneten Bahnen(12) beschleunigt, welche auf dem Detektor des Flugzeit-Massenspektrometers enden. Für die weitere Führung der Ionen nach der Ionenquelle im Flugzeit-Massenspektrometer gibt es bekannte Lösungen, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen wird. Die Ablenkelektroden(20) sind in diesem Ausführungsbeispiel als ebene Ablenkplatten ausgeführt. Die Ablenkelektroden 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. Ionenstrahl(10) kreuzt das Beschleunigungsfeld durch Öffnungen(21) in den beiden Ablenkelektroden(20). 1a, 1b show the simplest embodiment of the invention according to claim 1. Ions, which are located at the start time in the withdrawal volume (11), are shown by the acceleration field generated by a repeller electrode (1) and an acceleration electrode (2) Paths (12) accelerated, which end on the detector of the time-of-flight mass spectrometer. Known solutions exist for the further guidance of the ions after the ion source in the time-of-flight mass spectrometer, which is why they are not discussed in more detail here. The deflection electrodes (20) are designed as flat deflection plates in this exemplary embodiment. As can be seen in FIG. 1b, the deflection electrodes are arranged symmetrically to a normal plane of the gas or ion beam (10) to be examined, indicated by dashed lines ( B - B ' ). The gas or ion beam (10) to be examined crosses the acceleration field through openings (21) in the two deflection electrodes (20).

Die Elektroden(1,2), welche das beschleunigende elektrische Feld erzeugen, hier die Beschleunigungselektrode(2), können dabei auch zusätzlich die Begrenzung zweier Bereiche verschiedenen Gasdruckes bilden. Als Beispiel erfüllt dann die Öffnung(3) in der Mitte der Elektrode(2) die Funktion einer Gas-Strömungsimpedanz.The electrodes (1, 2) which generate the accelerating electric field, here the acceleration electrode (2), can also form the boundary of two areas of different gas pressure. As an example, the opening (3) in the middle of the electrode (2) then fulfills the function of a gas flow impedance.

Gas-Strömungsimpedanzen sind hier zu verstehen als Öffnungen kleinen Querschnitts, welche groß genug sind, um die Ionen auf ihren Bahnen zum Detektor passieren zu lassen, deren Leitwert für Gase jedoch wesentlich niedriger ist als die Pumpleistung der Pumpe des Bereichs mit dem niedrigeren Druck. Dieser letztgenannte Bereich liegt für gewöhnlich, gesehen in Flugrichtung der Ionen, hinter der Gas-Strömungsimpedanz.Gas flow impedances are to be understood here as openings of small cross-section, which are large enough to keep the ions on their tracks to pass to the detector, whose conductance for gases, however, is significantly lower than the pumping capacity of the pump of the area with the lower pressure. This latter range is usually behind the gas flow impedance, as seen in the direction of flight of the ions.

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.Gas flow impedances thus have the advantage that, with a high particle density in the discharge volume, the lowest possible residual gas pressure can be achieved in the remaining areas of the time-of-flight mass spectrometer. This is desirable in order to minimize collisions of the ions with atoms or molecules of the residual gas, which can reduce the dynamic range of the time-of-flight mass spectrometer.

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, sonden zusätzlich, daß diese durch Stöße auf ihrer Flugbahn weniger stark beeinträchtigt werden.The combined use of deflection electrodes arranged between the acceleration electrodes (1, 2) and gas flow impedances integrated in the acceleration electrodes (1, 2) not only means that heavier ions can reach the detector, but also that they are impacted by their trajectory are less affected.

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.The electrode arrangement in the exemplary embodiment according to FIGS. 1a, 1b creates a resulting electric field through the superimposition of an accelerating and a transverse field, by means of which the transverse speed components of the charged particles which are still present initially are largely canceled out already in the acceleration phase. In this way, ions of large masses can also be accelerated on orbits into the time-of-flight mass spectrometer with this arrangement.

Die Anordnung nach Fig. 1a,1b ist jedoch noch nicht die optimale Lösung, da nach Abzug des transversalen Feldes, d.h. nach Gleichsetzen der Potentiale der linken und rechten Ablenkelektroden, das verbleibende elektrische Feld im Bereich des Abzugsvolumens nicht sehr homogen ist. Hieraus resultieren schwer ausgleichbare Flugzeitfehler. Flugzeitfehler nehmen generell zu mit dem Abstand einer Ionenbahn zur ionenoptischen Achse. Hat man sich also auf eine gewisse Grenze festgelegt, unterhalb 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.The arrangement according to FIGS. 1a, 1b is not yet the optimal solution, since after deduction of the transverse field, ie after equating the potentials of the left and right deflection electrodes, the remaining electric field is not very homogeneous in the area of the discharge volume. This results in flight time errors that are difficult to compensate for. Flight time error generally increase with the distance of an ion trajectory from the ion optical axis. So once you have decided on a certain limit below which flight time errors can be tolerated, an inhomogeneous electric field in the area of the take-off volume reduces the permissible distance of the ion trajectory from the ion-optical axis, ie the usable area in the take-off volume. This reduces the sensitivity of the time-of-flight mass spectrometer.

Da die Anordnung nach Fig. 1a,1b anisotrop bezüglich der ionenoptischen Achse aufgebaut ist, werden die Ionen beim Durchqueren der Beschleunigungsstrecke anisotrop bezüglich der ionenoptischen Achse fokussiert bzw. defokussiert. Daraus folgt, daß im weiteren Verlauf der Ionenbahn mindestens ein weiteres anisotropes Linsenelement erforderlich ist. Anisotrope Linsenelemente sind generell aufwendiger, teurer und schwerer zu justieren als zylindersymmetrische Linsenelemente.Since the arrangement according to FIGS. 1a, 1b is constructed anisotropically with respect to the ion-optical axis, the ions are focused or defocused anisotropically with respect to the ion-optical axis when crossing the acceleration path. It follows that at least one further anisotropic lens element is required in the further course of the ion path. Anisotropic lens elements are generally more complex, expensive and difficult to adjust than cylindrical symmetrical lens elements.

Daraus kann man folgende Forderungen an das verbleibende elektrische Feld erkennen:

  • 1. Im Bereich des Abzugsvolumens muß es ausreichend homogen sein.
  • 2. Im gesamten Bereich der Ionenquelle soll es zylindersymmetrich sein.
Insbesondere die zweite Forderung stellt eine signifikante Erleichterung gegenüber der Forderung nach dem bisherigen Stand der Technik dar. Es ist also nicht notwendig, ein in dem gesamten Bereich der Beschleunigungsstrecke homogenes Beschleunigungsfeld mit einem transversalen Feld zu überlagern, sondern nur ein zylindersymmetrisches Beschleunigungsfeld und ein transversales Feld zu überlagern. Eine ausreichende Homogenität in dem kleinen Bereich des Abzugsvolumens läßt sich dann erzielen.From this one can see the following demands on the remaining electric field:
  • 1. It must be sufficiently homogeneous in the area of the discharge volume.
  • 2. It should be cylindrically symmetrical in the entire area of the ion source.
The second requirement in particular represents a significant relief compared to the requirement according to the prior art. It is therefore not necessary to overlay an acceleration field which is homogeneous in the entire area of the acceleration path with a transverse field, but only a cylinder-symmetrical acceleration field and a transverse field to overlay. Sufficient homogeneity in the small area of the draw volume can then be achieved.

Ein elektrisches Feld mit den geforderten Eigenschaften ist mittels einer Elektrodenkonstruktion zu erzeugen, in der die geforderte Zylindersymmetrie des verbleibenden elektrischen Feldes dadurch erreicht werden kann, indem man den Ablenkelektroden selbst zylindersymmetrische Form verleiht.An electric field with the required properties is to be generated by means of an electrode construction in which the required cylindrical symmetry of the remaining electric field can be achieved by giving the deflecting electrodes themselves a cylindrical symmetrical shape.

Eine solche Ausführungsform wird beispielhaft in Fig. 2a,2b gezeigt. Wie in Fig. 2b zu sehen, sind die Ablenkelektroden(20) (schraffiert) zylindersymmetrisch zur ionenoptischen Achse der Ionenquelle angeordnet. Auf diese Weise läßt sich ein elektrisches Feld mit den geforderten Eigenschaften erzeugen. Dieses elektrische Feld läßt sich zerlegen in die beiden Anteile:

  • ein transversales elektrisches Feld, dessen Richtung und Stärke in transversaler Richtung im Bereich der Ionenbahnen vergleichsweise unabhängig von den Koordinaten in transversaler Richtung ist. Dieser Anteil des Feldes entsteht, wenn die linken und rechten Ablenkelektroden auf gegengleiche Potentiale, und die übrigen Elektroden auf Masse gelegt werden.
  • ein nahezu zylindersymmetrisches elektrisches Feld, welches im Bereich des Abzugsvolumens ausreichend homogen ist. Dieser Anteil des Feldes entsteht, wenn die linken und rechten Ablenkelektroden auf gleiche Potentiale gelegt werden.
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.Such an embodiment is shown by way of example in FIGS. 2a, 2b . As can be seen in FIG. 2b , the deflection electrodes (20) (hatched) are arranged cylindrically symmetrically to the ion-optical axis of the ion source. In this way, an electric field with the required properties can be generated. This electric field can be broken down into two parts:
  • a transverse electric field, the direction and strength of which in the transverse direction in the region of the ion trajectories is comparatively independent of the coordinates in the transverse direction. This part of the field arises when the left and right deflection electrodes are connected to the same potential and the remaining electrodes are connected to ground.
  • an almost cylindrical symmetrical electric field, which is sufficiently homogeneous in the area of the discharge volume. This part of the field arises when the left and right deflection electrodes are connected to the same potential.
The gas or ion beam (10) to be examined crosses the acceleration field through openings (21) in the two deflection electrodes, and recesses (22) are provided between the two deflection electrodes for an ionizing electron or laser beam.

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.The gas flow impedance (3) on the acceleration electrode (2) is designed here as a tube that has a lower conductance for gases than has a pinhole of the same cross section. However, as in FIG. 1a, a hole can be provided as the gas flow impedance.

Zusätzlich zu den optimalen Feldeigenschaften hat die zylindersymmetrische 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.In addition to the optimal field properties, the cylinder-symmetrical design of the deflection electrodes has the further advantage that the deflection electrodes can initially be produced as a turned part. In a subsequent step, they can then be broken down into two parts.

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. 3a, 3b show an example of how two pairs of deflection electrodes (20, 25) can be arranged. This has the advantage that openings do not have to be provided either for the gas or ion beam (10) to be examined or for an ionizing laser beam. In addition, the volume of the acceleration section can be pumped out better. As shown in FIGS. 3a, 3b , the two pairs of deflection electrodes can also have different radii to the axis of the ion source.

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 bedeutet, daß nach Abzug der transversalen Anteile, das verbleibende elektrische Feld eine hohe Zylindersymmetrie aufweist. Außerdem verbleibt noch, bedingt durch die Schlitze zwischen den beiden Hälften, ein kleiner Feldanteil mit Quadrupolsymmetrie, dessen Stärke in niedrigster Ordnung proportional zum Quadrat des Abstandes zur Symmetrieachse ist. .. In the examples of Figures 2a, 2b and 3a, 3b have the deflection electrodes is substantially cylindrically symmetrical form, except that, in the plane defined by the interface - are defined, shared (B B '). This means that after deducting the transverse parts, the remaining electric field has a high cylindrical symmetry. In addition, due to the slots between the two halves, there remains a small field component with quadrupole symmetry, the strength of which in the lowest order is proportional to the square of the distance to the axis of symmetry.

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. Bei dieser Anordnung muß aufgrund von Symmetrieüberlegungen der Quadrupolanteil Null sein. Der verbleibende Anteil, welcher nicht zylindersymmetrisch ist, hat in diesem Fall dann Oktupolsymmetrie, dessen Stärke in niedrigster Ordnung proportional zur vierten Potenz des Abstandes zur Symmetrieachse ist. Werden höhere Anforderungen an die Abbildungsqualität der Ionenquelle gestellt, so läßt sich auf diese Weise die Symmetrie des elektrischen Feldes zusätzlich erhöhen. 4a, 4b show how the deflecting electrodes (20) can additionally be symmetrically divided along the plane which is defined by the direction of acceleration and the gas or ion beam (10) to be examined. In this arrangement, the quadrupole component must be zero due to symmetry considerations. The remaining part, which is not cylindrically symmetrical, then has octupole symmetry in this case, whose strength in the lowest order is proportional to the fourth power of the distance to the axis of symmetry. If higher demands are placed on the imaging quality of the ion source, the symmetry of the electric field can be additionally increased in this way.

Claims (9)

Gasphasen-Ionenquelle für Flugzeit-Massenspektrometer, - bei welcher der zu untersuchende Gas- bzw. Ionenstrahl(10) eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Beschleunigungsrichtung der Ionenquelle aufweist, - in welcher als Abzugsvolumen(11) ein Raumbereich definiert ist, in welchem sich Ionen zum Start-Zeitpunkt der Massenanalyse befinden können, deren Masse durch Messung ihrer Flugzeit bestimmt werden soll, mit - Elektroden(1,2), welche eine beschleunigendes Feld definieren können, und - Elektroden(20,25), welche ein transversales elektrisches Feld erzeugen können, welches der Änderung der transversalen Geschwindigkeitskomponente der geladenen Teilchen dienen kann, 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. Gas phase ion source for time-of-flight mass spectrometers, - in which the gas or ion beam (10) to be examined has a velocity component perpendicular to the direction of acceleration of the ion source, - In which a space area is defined as the withdrawal volume (11), in which ions can be located at the start of the mass analysis, the mass of which is to be determined by measuring their flight time - electrodes (1,2), which can define an accelerating field, and Electrodes (20, 25) which can generate a transverse electric field which can serve to change the transverse velocity component of the charged particles, characterized by - That there is a geometrically coherent spatial area in which the accelerating and transverse electric fields overlap, and - That this area contains the discharge volume (11). Gasphasen-Ionenquelle für Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden(20,25), welche ein transversales Feld erzeugen können, sich in dem beschleunigenden Feld befinden.Gas phase ion source for time-of-flight mass spectrometers according to Claim 1, characterized in that the electrodes (20, 25) which can generate a transverse field are located in the accelerating field. Gasphasen-Ionenquelle für Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden(20,25), welche ein transversales Feld erzeugen können, sich zwischen den das beschleunigende Feld definierenden Elektroden(1,2) befinden.Gas phase ion source for time-of-flight mass spectrometers according to claim 2, characterized in that the electrodes (20, 25) which can generate a transverse field are located between the electrodes (1, 2) defining the accelerating field. Gasphasen-Ionenquelle für Flugzeit-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die das transversale elektrische Feld erzeugende Elektroden(20,25) - im wesentlichen zylindersymmetrische Form um die Achse in Beschleunigungsrichtung der Ionenquelle haben, - entlang der Normalebene( B - B' ) zu der Richtung des zu untersuchenden Gas- bzw. Ionenstrahls in zwei zu dieser Ebene symmetrische Hälften geteilt sind. Gas phase ion source for time-of-flight mass spectrometers according to one of the preceding claims, characterized in that the electrodes (20, 25) generating the transverse electrical field have an essentially cylindrical symmetry around the axis in the direction of acceleration of the ion source, - Are divided along the normal plane ( B - B ' ) to the direction of the gas or ion beam to be examined into two halves symmetrical to this plane. Gasphasen-Ionenquelle für Flugzeit-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die das beschleunigende Feld erzeugende Elektroden(1,2) und die das transversale elektrische Feld erzeugenden Elektroden(20,25) auf zeitlich konstanten Potentialen liegen.Gas phase ion source for time-of-flight mass spectrometers according to one of the preceding claims, characterized in that the electrodes (1, 2) generating the accelerating field and the electrodes (20, 25) generating the transverse electric field are at potentials which are constant over time. Gasphasen-Ionenquelle für Flugzeit-Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die das beschleunigende Feld erzeugende Elektroden(1,2) und die das transversale elektrische Feld erzeugenden Elektroden(20,25) zum Teil auf zeitlich konstanten Potentialen und zum Teil auf zeitlich variablen Potentialen liegen.Gas-phase ion source for time-of-flight mass spectrometers according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the electrodes (1, 2) generating the accelerating field and the electrodes (20, 25) generating the transverse electric field partly have potentials which are constant over time and are partly based on time-variable potentials. Gasphasen-Ionenquelle für Flugzeit-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die das beschleunigende Feld erzeugende Elektroden(1,2) und die das transversale elektrische Feld erzeugende Elektroden(20,25) auf zeitlich variablen Potentialen liegen.Gas phase ion source for time-of-flight mass spectrometers according to one of the preceding claims, characterized in that the electrodes (1, 2) generating the accelerating field and the electrodes (20, 25) generating the transverse electric field are at time-variable potentials. Gasphasen-Ionenquelle für Flugzeit-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die das transversale elektrische Feld erzeugende Elektroden(20,25) zusätzlich noch entlang der Ebene, welche durch die Beschleunigungsrichtung und den zu untersuchenden Gas- bzw. Ionenstrahl(10) definiert wird, symmetrisch geteilt sind.Gas phase ion source for time-of-flight mass spectrometers according to one of the preceding claims, characterized in that the electrodes (20, 25) generating the transverse electrical field additionally along the plane which is caused by the direction of acceleration and the gas or ion beam (10 ) is defined, are divided symmetrically. Gasphasen-Ionenquelle für Flugzeit-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden 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-Strömungsimpedanz(3) integriert ist.Gas phase ion source for time-of-flight mass spectrometers according to one of the preceding claims, characterized in that one or more electrodes (1, 2) represent a partition between regions of different pressures in the time-of-flight mass spectrometer, and in that a gas flow impedance (3 ) is integrated.
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