EP0633601B1 - Detektor für Flugzeit-Massenspektrometer mit geringen Flugzeitfehlern bei gleichzeitig grosser Öffnung - Google Patents

Detektor für Flugzeit-Massenspektrometer mit geringen Flugzeitfehlern bei gleichzeitig grosser Öffnung Download PDF

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EP0633601B1
EP0633601B1 EP94110272A EP94110272A EP0633601B1 EP 0633601 B1 EP0633601 B1 EP 0633601B1 EP 94110272 A EP94110272 A EP 94110272A EP 94110272 A EP94110272 A EP 94110272A EP 0633601 B1 EP0633601 B1 EP 0633601B1
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EP
European Patent Office
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ion
conversion surface
time
detector
flight
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EP94110272A
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EP0633601A2 (de
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Thorald Dr. Bergmann
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/06—Electron- or ion-optical arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/40—Time-of-flight spectrometers

Definitions

  • the invention relates to detectors for time-of-flight mass spectrometers the preamble of claim 1.
  • Detectors for time-of-flight mass spectrometers are said to be incident Oppose the largest possible area of the ion beam, and yet have small flight time errors.
  • Each detector has an ion-electron conversion surface, at which time an ion hits a certain Probability one or more electrons are generated that are in one or several downstream electron multipliers will. This gives an electrical impulse, which with the impact of the ion on the conversion surface in a temporal context stands.
  • the ion-optical axis of a detector means one selected path in or near the center of the incident ion beam. If the detector has a cylindrical symmetry, you usually choose the axis of symmetry.
  • the flight time along the ion-optical axis from the reference plane to the ion-electron conversion surface can be selected as the reference flight time.
  • Flight time errors can be specified as a function of the starting location on the reference level. In the most general case, the flight time errors are depending on the two variables that parameterize the reference level. If the detector has a cylindrical symmetry, then these are Flight time error is a function of the distance of the orbit in question the ion-optical axis in the reference plane.
  • Ions can within a detector with inhomogeneous electrical Field focused or scattered on a smaller or larger area will. For this reason, the usable area is suitable the ion-electron conversion area is not a measure of the sensitivity of the detector.
  • the content of the surface on the reference level is appropriate, from which consists of ions with acceptably small time-of-flight errors in the detector can be started into it.
  • the probability with which an ion hits the Ion-electron conversion surface electrons are triggered, i.e. the electron yield depends very much on the speed at Impact. Because the speed of the ions is inversely proportional to the square root of their mass, the probability of detection increases with ions of large mass.
  • a detector If a detector is to detect ions of larger mass, the ions must therefore be accelerated before being on the ion-electron conversion surface to hit with sufficient probability to release electrons from the conversion surface upon impact. Of the detector must therefore be designed so that a strong, accelerating electric field in front of the conversion surface. Through this post-acceleration field flight time errors can occur.
  • the flight time errors are kept small by keeps the post-acceleration field homogeneous.
  • Has a homogeneous field a location-independent direction and strength of the electric field, whereby the time of flight from the reference plane in a detector with homogeneous fields independent of the ion-electron conversion surface from the starting point at reference level or regardless of the point of entry into the Post-acceleration field is.
  • the post-acceleration field is necessarily inhomogeneous, whereby ions on different orbits with different from each other Flight times get to the ion-electron conversion surface.
  • the size of the flight time error is a function the distance of the trajectory from the ion-optical axis. It is the distance to the ion-optical axis as a variable in this function on the reference level, not on the conversion surface. in the best case, i.e. when the conversion surface is movably suspended the size of this flight time error is proportional to the square of the Distance from the ion-optical axis.
  • the detector in order to keep the flight time errors small, to load the detector only near the ion-optical axis.
  • the measure of the sensitivity of the detector is the content of that Area on the reference plane from which ion trajectories are acceptable small time-of-flight errors can be started into the detector can.
  • the invention is accordingly based on the object Specify detector for time-of-flight mass spectrometer, which alike ensures high sensitivity and high mass resolution.
  • the object of the present invention is a detector for time-of-flight mass spectrometers, in which despite large usable area opposed to the incident beam on the reference level, the flight time errors are kept small.
  • the inhomogeneous ones prevailing in the detector electric field generated or occurring in front of the detector Flight time errors between ions with different trajectories compensated by the detector itself.
  • the curvature causes that occurring in each trajectory Flight time depending on the lateral position on the ion beam varies so, i.e. is either lengthened or shortened by that caused the inhomogeneous field or those occurring in front of the detector Flight time errors can be compensated or at least minimized.
  • lanes can also be used use that with initial conditions corresponding to the actual Operation of the time-of-flight mass spectrometer started from the ion source will. That means that in principle such flight time errors, as in the ion source and in the remaining parts of the time-of-flight mass spectrometer arise in determining the curvature of the Ion-electron conversion area can be included.
  • the end face (20) At the determination of the end face (20) one must take into account that the space of the initial conditions in this case 6 coordinates, so 3 for initial speeds and 3 for initial coordinates. Because the end face is a 2-parameter area in 3-dimensional space is, the end face (20) must be adapted to the end points of the tracks (11) in this way be the average distance of the web endpoints to the end face (20) is minimal.
  • the method can also be designed in such a way that first on a design of the detector electrodes including one determines the curvature of the ion-electron conversion surface, and then the voltages varied until the flight time error fall below a predetermined limit. This procedure corresponds Process claim 10.
  • FIG. 3 shows the simplest embodiment of a detector according to the invention.
  • the time-of-flight errors of off-axis paths are compensated for by a curved conversion surface (3).
  • the only ring electrode (1) is at the potential of the drift path.
  • This embodiment also corresponds to claim 7.
  • tilting a movably mounted bracket it is possible to certain in the detector Flight time errors of the ion source, the reflector and / or the drift path of the time-of-flight mass spectrometer.
  • Fig. 4 shows a detector design in which the field of the post-acceleration path can be adjusted by additional ring electrodes (4). In this way, the necessary curvature of the conversion surface (3) can be kept smaller at a certain voltage than in the design of FIG. 3 . Alternatively, a higher post-acceleration voltage can be set with the same curvature of the ion-electron conversion surface (3).
  • the additional ring electrodes (4) reduce the flight time errors off-axis Trajectories by moving the areas of greater field curvature through them Areas are placed where the speed of the ions is already is bigger.
  • the ring electrodes are placed on potentials, their values between the drift path potential and the potential of the ion-electron conversion surface (3) lie. Instead of two or more Ring electrodes (4) would also be a single additional ring electrode conceivable.
  • the flight time errors become of off-axis orbits larger.
  • the ion orbits also bent more towards the ion-optical axis. Both require that the curvature of the ion-electron conversion surface increases Post-acceleration potential must increase. If the ion orbits are so strongly bent towards the ion-optical axis that they all hitting a point on the conversion surface, it is no longer so possible to correct the flight time errors by curving the conversion surface compensate. This is only with even greater post-acceleration potential possible if the ion trajectories are in front of the conversion surface cross.
  • a detector If a detector is to be operated with a large post-acceleration potential, it is advantageous, as shown in FIG. 5 , to operate it according to method claim 8.
  • arbitrarily high post-acceleration voltages can be achieved with a comparatively small curvature of the ion-electron conversion surface (3) by ensuring that the ion paths (11) cross in front of the conversion surface by suitable arrangement of the electrodes and suitable adjustment of the voltages. Since a number of possibilities are known for arranging electrodes or adjusting voltages in such a way that an electric field with the required properties results, the electrodes are not shown here.
  • FIG. 6 shows a detector design according to claim 6, in which the electrons generated on the curved ion-electron conversion surface (3) are withdrawn transversely to the detector axis by a field superimposed on the post-acceleration field.
  • the electron tracks (15) are shown in dashed lines.
  • the ion trajectories (11) are shown twice in the middle part of the post-acceleration section, since here, similar to Fig. 5 , it is possible to cause crossing (11a) ion trajectories, or the ion trajectories essentially parallel (11b) to the ion Lead electron conversion surface (3).
  • the generated electrons can be scanned using a multi-channel plate or scintillator or similar be effected.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
  • Electron Tubes For Measurement (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft Detektoren für Flugzeit-Massenspektrometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Detektoren für Flugzeit-Massenspektrometer sollen dem einfallenden Ionenstrahl eine möglichst große Fläche entgegenstellen, und dennoch kleine Flugzeitfehler aufweisen.
Jeder Detektor verfügt über eine Ionen-Elektronen-Konversionsfläche, an welcher zum Zeitpunkt des Auftreffens eines Ions mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ein oder mehrere Elektronen erzeugt werden, die in einem oder mehreren nachgeschalteten Elektronenvervielfachern verstärkt werden. Dies ergibt einen elektrischen Impuls, welcher mit dem Auftreffen des Ions auf der Konversionsfläche in zeitlichem Zusammenhang steht.
Alternativ zu Elektronenvervielfachern ist es auch möglich, die Elektronen durch Szintillatoren mit Photomultipliern nachzuweisen.
Unter der ionenoptischen Achse eines Detektors versteht man eine ausgewählte Bahn in oder nahe der Mitte des einfallenden Ionenstrahls. Falls der Detektor zylindersymmetrisch aufgebaut ist, wählt man üblicherweise die Symmetrieachse.
Man kann die ionenoptische Achse rückwärts von der Ionen-Elektronen-Konversionsfläche aus dem Detektor hinaus bis zu einem geeignet gewählten Punkt verfolgen, und an diesem normal zu der ionenoptischen Achse eine Referenzebene definieren. Die Flugzeit entlang der ionenoptischen Achse von der Referenzebene bis zur Ionen-Elektronen-Konversionsfläche kann man als Referenz-Flugzeit wählen. Werden Ionen von anderen Punkten als dem Achsenpunkt der Referenzebene, aber mit derselben Richtung und Geschwindigkeit, in den Detektor hinein gestartet, so benötigen sie möglicherweise andere Flugzeiten als ein Ion auf der Achse. Die Differenz dieser Flugzeiten zur Referenz-Flugzeit auf der ionenoptischen Achse bezeichnet man als Flugzeitfehler.
Die Flugzeitfehler kann man angeben als Funktion des Startortes auf der Referenzebene. Im allgemeinsten Fall sind die Flugzeitfehler abhängig von den zwei Variablen, welche die Referenzebene parametrisieren. Ist der Detektor zylindersymmetrisch aufgebaut, so sind die Flugzeitfehler eine Funktion des Abstandes der betreffenden Bahn von der ionenoptischen Achse in der Referenzebene.
Ionen können innerhalb eines Detektors mit inhomogenem elektrischen Feld auf eine kleinere oder größere Fläche fokussiert oder zerstreut werden. Aus diesem Grunde eignet sich der nutzbare Flächeninhalt auf der Ionen-Elektronen-Konversionsfläche nicht als Maß für die Empfindlichkeit des Detektors. Als Maß für die Empfindlichkeit des Detektors bietet sich der Inhalt derjenigen Fläche auf der Referenzebene an, von welcher aus Ionen mit akzeptabel kleinen Flugzeitfehlern in den Detektor hinein gestartet werden können.
Durch Definition einer Referenzebene und dem ausschließlichen Betrachten der Bahnen von der Referenzebene bis auf die Konversionsfläche kann man gedanklich den Detektor und seine Flugzeitfehler vom Rest des Flugzeit-Massenspektrometers abtrennen. Es ist aber auch möglich, die Flugzeitfehler auf der gesamten Flugstrecke von der Ionenquelle bis auf die Konversionsfläche zu bestimmen. Zusätzlich zu den unmittelbar mit dem Detektoraufbau zusammenhängenden Flugzeitfehlern treten hier oft auf der Bahn durch Ionenquelle und Reflektor Flugzeitfehler auf, welche zum Teil durch Verkippen der Ionen-Elektronen-Konversionsfläche kompensierbar sind. Aus diesem Grunde ist die Konversionsfläche oft beweglich gelagert.
Zur Zeit sind vor allem zwei Arten von Konversionsflächen gebräuchlich:
  • eine Metalloberfläche auf welcher die Ionen auftreffen, und mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit Elektronen auslösen. Die Metalloberfläche kann auch speziell beschichtet sein, damit die auftreffenden Ionen mit größerer Wahrscheinlichkeit Elektronen auslösen.
  • die Vorderseite einer Mikrokanalplatte. Die Ionen dringen zwar einige 10 µm tief in die Kanälchen der Mikrokanalplatte ein, bevor sie Elektronen auslösen, und so hat die Konversionsfläche eigentlich eine sehr komplexe Form. Für die folgende Diskussion soll dennoch als Konversionsfläche die glatte Vorderseite der Mikrokanalplatte gelten. Das Eindringen der Ionen in die Kanälchen muß im folgenden nicht mehr berücksichtigt werden, da es sich nur um einige 10 µm handelt, was im Vergleich zu den anderen hier zu behandelnden Fehlern als vernachlässigbare Ungenauigkeit erkennbar ist.
Die Wahrscheinlichkeit, mit welcher beim Aufprall eines Ions auf der Ionen-Elektronen-Konversionsfläche Elektronen ausgelöst werden, d.h. die Elektronenausbeute, hängt sehr stark von der Geschwindigkeit beim Aufprall ab. Da die Geschwindigkeit der Ionen umgekehrt proportional zu der Quadratwurzel ihrer Masse ist, nimmt die Nachweiswahrscheinlichkeit bei Ionen großer Masse stark ab.
Soll ein Detektor Ionen größerer Masse nachweisen, so müssen die Ionen daher nachbeschleunigt werden, bevor sie auf der Ionen-Elektronen-Konversionsfläche auftreffen, um mit ausreichender Wahrscheinlichkeit beim Auftreffen Elektronen aus der Konversionsfläche auszulösen. Der Detektor muß also so aufgebaut sein, daß ein starkes, beschleunigendes elektrisches Feld vor der Konversionsfläche anliegt. Durch dieses Nachbeschleunigungsfeld können Flugzeitfehler entstehen.
Üblicherweise werden die Flugzeitfehler klein gehalten, indem man das Nachbeschleunigungsfeld homogen hält. Ein homogenes Feld hat eine ortsunabhängige Richtung und Stärke des elektrischen Feldes, wodurch in einem Detektor mit homogenen Feldern die Flugzeit von Referenzebene bis auf die Ionen-Elektronen-Konversionsfläche unabhängig vom Startort auf Referenzebene bzw. unabhängig vom Eintrittsort in das Nachbeschleunigungsfeld ist.
Ein solches elektrisches Feld läßt sich nur erzeugen, wenn man das Nachbeschleunigungsfeld gegenüber der Driftstrecke des Flugzeit-Massenspektrometers mit einem Gitter abgrenzt. Ein Beispiel eines solcherart aufgebauten Detektors ist in Fig. 5 der Veröffentlichung von de Heer et al. (Review of Scientific Instruments, Band 62(3), Seite 670-677, 1991) zu sehen.
Die nachzuweisenden Ionen können dabei auch auf die Gitterstäbe auftreffen. Sofern die betreffenden Ionen dadurch nur aus dem Ionenstrahl entfernt werden, geht damit eine, meist nur geringfügige, Verringerung des Detektor-Signals einher. Es gibt aber auch mehrere Möglichkeiten, wie Ionen, die auf Gitterstäbe auftreffen, ein Detektor-Signal zu falschen Zeiten hervorrufen können:
  • Ionen können an Gitterstäben inelastisch gestreut werden, mit falschen Geschwindigkeiten weiter in Richtung Konversionsfläche fliegen, und so zu falschen Zeiten ankommen,
  • Ionen können an Gitterstäben in großem Winkel gestreut werden, was ebenfalls die Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Konversionsfläche ändert,
  • Ionen können auf Gitterstäben auftreffen, zerplatzen, und die Bruchstücke können zu falschen Zeiten auf die Ionen-Elektronen-Konversionsfläche gelangen.
Soll auf Gitter wegen der oben genannten Probleme verzichtet werden, so ist das Nachbeschleunigungsfeld notwendigerweise inhomogen, wodurch Ionen auf unterschiedlichen Bahnen mit voneinander verschiedenen Flugzeiten auf die Ionen-Elektronen-Konversionsfläche gelangen.
Wie bereits erwähnt, ist die Größe der Flugzeitfehler eine Funktion des Abstandes der Flugbahn von der ionenoptischen Achse. Dabei ist als Variable in dieser Funktion der Abstand zur ionenoptischen Achse auf der Referenzebene, nicht auf der Konversionsfläche zu nehmen. Im günstigsten Fall, d.h. wenn die Konversionsfläche beweglich aufgehängt ist, ist die Größe dieser Flugzeitfehler proportional zum Quadrat des Abstandes von der ionenoptischen Achse.
Um die Flugzeitfehler klein zu halten, ist es in diesem Fall geboten, den Detektor nur nah der ionenoptischen Achse mit Ionen zu beschicken. Hier bedeutet das, daß Ionen aus der Referenzebene heraus nur nah der ionenoptischen Achse in den Detektor hinein gestartet werden können. Es spielt keine Rolle, ob die Ionenbahnen innerhalb des Detektors auf eine kleinere oder größere Fläche fokussiert bzw. defokussiert werden. Das Maß für die Empfindlichkeit des Detektors ist der Inhalt derjenigen Fläche auf der Referenzebene, von welcher aus Ionenbahnen mit akzeptabel kleinen Flugzeitfehlern in den Detektor hinein gestartet werden können.
Diese Lösungsmöglichkeit kann man z.B. in Fig. 1 der Veröffentlichung von Steffens et al. (Journal of Vacuum Science and Technology, Band A3(3), Seite 1322-1325, 1985) erkennen. Fig. 4 der PCT-Anmeldung WO 92/19367 zeigt diese Lösungsmöglichkeit ebenfalls auf. Der Nachteil dieser Lösungen besteht darin, daß nur ein vergleichsweise kleines Volumen des Detektors nutzbar ist, bzw. nur ein vergleichsweise kleiner Flächeninhalt auf der Referenzebene dem einfallenden Ionenstrahl entgegengestellt werden kann. Dies hat eine verringerte Empfindlichkeit des Detektors zur Folge.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen Detektor für Flugzeit-Massenspektrometer anzugeben, welcher gleichermaßen eine hohe Empfindlichkeit und eine hohe Massenauflösung gewährleistet.
Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Detektor für Flugzeit-Massenspektrometer anzugeben, bei welchem trotz großem, dem einfallenden Strahl entgegengestellten nutzbaren Flächeninhalt auf der Referenzebene, die Flugzeitfehler klein gehalten werden.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß werden die durch das im Detektor herrschende inhomogene elektrische Feld erzeugten bzw. schon vor dem Detektor auftretenden Flugzeitfehler zwischen Ionen mit unterschiedlichen Flugbahnen durch den Detektor selbst kompensiert. Dies geschieht dadurch, daß im Detektor eine gekrümmte Ionen-Elektronen-Konversionsfläche eingesetzt wird. Die Krümmung bewirkt, daß die in jeder Flugbahn auftretende Flugzeit in Abhängigkeit von der lateralen Position auf dem Ionenstrahl derart variiert, d.h. entweder verlängert oder verkürzt wird, daß die durch das inhomogene Feld bewirkten bzw. die vor dem Detektor auftretenden Flugzeitfehler kompensiert oder zumindest minimiert werden. Für eine Flugbahn z.B., deren Flugzeit bei Verwendung einer ebenen Konversionsfläche durch das elektrische Feld gegenüber der der anderen Flugbahnen verlängert worden wäre, bewirkt die Krümmung der Konversionsfläche nunmehr eine entsprechende Verkürzung, so daß im Ergebnis die Flugzeiten aneinander angeglichen werden.
Um die konkrete Form der Ionen-Elektronen-Konversionsfläche zu ermitteln, kann man nach Verfahrensanspruch 9 beispielsweise folgendermaßen vorgehen:
  • 1. Man lege sich auf einen Entwurf der Nachbeschleunigungsoptik fest: Ein Beispiel dafür zeigt Fig. 1. Dabei nehme man zuerst, wie in Fig. 1 gezeigt, eine ebene Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3) an.
  • 2. Man lege die Spannungen der Elektroden fest: Entlang der Nachbeschleunigungsstrecke befinde sich hier nur eine einzige Ringelektrode(1), welche sich auf dem Potential der Driftstrecke des Flugzeit-Massenspektrometers befinde. Die Halterung(2) für die Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3) befinde sich auf dem Nachbeschleunigungspotential U, wodurch ein inhomogenes Nachbeschleunigungsfeld vor der Konversionsfläche erzeugt wird.
  • 3. Man bestimme eine Reihe von Ionenbahnen(11) mit folgenden Bedingungen:
    • Alle Bahnen starten von einer Startfläche(12) senkrecht zur Detektorachse.
    • Alle Bahnen starten parallel zur Detektorachse mit der gleichen Geschwindigkeit in den Detektor hinein.
    • Alle Bahnen werden für die gleiche Flugzeit bestimmt. Als Flugzeit soll die Zeit gewählt werden, welche ein Ion auf der Achse benötigt um von der Startfläche(12) bis auf die Konversionsfläche(3) zu gelangen.
  • 4. Der Endpunkt der Achsenbahn liegt dann auf der Mitte der Konversionsfläche. Die Endpunkte der außeraxialen Bahnen beschreiben dann die notwendige Form(20) der Konversionsfläche. Dies ist vergrößert in Fig. 2 gezeigt.
  • 5. Man ändere nun in dem Entwurf entsprechend dem vorherigen Schritt die Form der Konversionsfläche und fahre fort mit Schritt 3.
    • Da eine Änderung der Form der Konversionsfläche eine Änderung des elektrischen Feldes und damit eine Änderung der Flugzeitfehler mit sich zieht, sollte die obige Prozedur so oft wiederholt werden, bis der verbleibende Flugzeitfehler eine vorher gewählte Grenze unterschreitet.
    Es ist auch möglich, die Form der Konversionsfläche als Potenzreihe endlicher Ordnung anzugeben. Dies würde bedeuten, daß man nicht die exakte Form der in Schritt 5 bestimmten Fläche übernimmt, sondern diese Fläche mit einer Potenzreihe optimal annähert, und mit dieser Fläche dann bei Schritt 3 fortfährt.
    Statt der in Schritt 3 bestimmten Bahnen(11) kann man auch Bahnen verwenden, die mit Anfangsbedingungen entsprechend dem tatsächlichen Betrieb des Flugzeit-Massenspektrometers aus der Ionenquelle heraus gestartet werden. Das bedeutet, daß im Prinzip auch solche Flugzeitfehler, wie sie in der Ionenquelle und in den übrigen Teilen des Flugzeit-Massenspektrometers entstehen, in die Bestimmung der Krümmung der Ionen-Elektronen-Konversionsfläche mit einbezogen werden können. Bei der Bestimmung der Endfläche(20) muß man dabei berücksichtigen, daß der Raum der Anfangsbedingungen in diesem Fall 6 Koordinaten, also 3 für Anfangsgeschwindigkeiten und 3 für Anfangskoordinaten, aufweist. Da die Endfläche eine 2-parametrige Fläche im 3-dimensionalen Raum ist, muß die Endläche(20) den Endpunkten der Bahnen(11) solcherart angepaßt werden, daß der durchschnittliche Abstand der Bahn-Endpunkte zur Endfläche(20) minimal ist.
    Alternativ kann das Verfahren auch derart gestaltet sein, daß man sich zuerst auf einen Entwurf der Detektorelektroden einschließlich einer bestimmten Krümmung der Ionen-Elektronen-Konversionsfläche festlegt, und anschließend die Spannungen so lange variiert, bis die Flugzeitfehler eine vorgegebene Grenze unterschreiten. Dieses Vorgehen entspricht Verfahrensanspruch 10.
    Bezugnehmend auf die Zeichnungen werden nun bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert: Fig. 3 zeigt die einfachste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Detektors. Bei dieser Ausführungsform werden die Flugzeitfehler außeraxialer Bahnen durch eine gekrümmte Konversionsfläche(3) kompensiert. Wie in Fig. 1 befindet sich hier die einzige Ringelektrode(1) auf dem Potential der Driftstrecke.
    Ist die Halterung(2) der Konversionsfläche(3) beweglich gelagert, so entspricht diese Ausführungsform auch Anspruch 7. Durch Verkippung einer beweglich gelagerten Halterung ist es möglich, im Detektor gewisse Flugzeitfehler der Ionenquelle, des Reflektors und/oder der Driftstrecke des Flugzeit-Massenspektrometers zu kompensieren.
    Fig. 4 zeigt einen Detektorentwurf, bei dem das Feld der Nachbeschleunigungsstrecke durch zusätzliche Ringelektroden(4) eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann die notwendige Krümmung der Konversionsfläche(3) bei einer bestimmten Spannung kleiner gehalten werden als bei dem Entwurf von Fig. 3. Alternativ läßt sich eine höhere Nachbeschleunigungsspannung bei gleicher Krümmung der Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3) einstellen.
    Die zusätzlichen Ringelektroden(4) verringern die Flugzeitfehler außeraxialer Bahnen, indem durch sie die Bereiche größerer Feldkrümmung in Bereiche gelegt werden, in denen die Geschwindigkeit der Ionen schon größer ist. Die Ringelektroden werden auf Potentiale gelegt, deren Werte sich zwischen dem Driftstreckenpotential und dem Potential der Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3) liegen. Anstatt zwei oder auch mehrerer Ringelektroden(4) wäre auch eine einzige zusätzliche Ringelektrode denkbar.
    Mit größerem Nachbeschleunigungspotential werden die Flugzeitfehler von außeraxialen Bahnen größer. Zusätzlich werden die Ionenbahnen auch stärker zur ionenoptischen Achse hingebogen. Beides erfordert, daß die Krümmung der Ionen-Elektronen-Konversionsfläche mit größerem Nachbeschleunigungspotential ansteigen muß. Wenn die Ionenbahnen so stark zur ionenoptischen Achse hingebogen werden, daß sie alle auf einem Punkt der Konversionsfläche auftreffen, so ist es nicht mehr möglich, die Flugzeitfehler durch Krümmung der Konversionsfläche zu kompensieren. Dies ist erst wieder bei noch größeren Nachbeschleunigungspotentialen möglich, wenn die Ionenbahnen sich vor der Konversionsfläche kreuzen.
    Soll ein Detektor mit großem Nachbeschleunigungspotential betrieben werden, so ist es günstig, wie in Fig. 5 gezeigt, ihn nach Verfahrensanspruch 8 zu betreiben. Bei dieser Betriebsart lassen sich beliebig hohe Nachbeschleunigungsspannungen bei vergleichsweise kleiner Krümmung der Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3) erzielen, indem man durch geeignete Anordnung der Elektroden und geeignete Einstellung der Spannungen dafür sorgt, daß sich die Ionenbahnen(11) vor der Konversionsfläche kreuzen. Da eine Reihe von Möglichkeiten bekannt sind, Elektroden so anzuordnen bzw. Spannungen so einzustellen, daß sich ein elektrisches Feld mit den geforderten Eigenschaften ergibt, wurde hier auf die Darstellung der Elektroden verzichtet.
    Fig. 6 zeigt einen Detektorentwurf nach Anspruch 6, bei welchem die an der gekrümmten Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3) erzeugten Elektronen durch ein dem Nachbeschleunigungsfeld überlagertes Feld quer zur Detektorachse abgezogen werden. Die Elektronenbahnen(15) sind gestrichelt gezeigt.
    Die Ionenbahnen(11) sind im mittleren Teil der Nachbeschleunigungsstrecke doppelt gezeigt, da es hier, ähnlich wie bei Fig. 5, möglich ist, sich kreuzende(11a) Ionenbahnen zu bewirken, oder die Ionenbahnen im Wesentlichen parallel(11b) bis zur Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3) zu führen.
    Da durch das Abzugsfeld für die Elektronen die Rotationssymmetrie der Anordnung gebrochen wird, ist die optimale Krümmung der Konversionsfläche möglicherweise nicht mehr rotationssymmetrisch. Der Nachweis der erzeugten Elektronen kann mittels Vielkanalplatte, Szintillator o.ä. bewirkt werden.

    Claims (11)

    1. Detektor für Flugzeit-Massenspektrometer,
      mit einer oder mehreren Elektroden(1,2,4) für die Nachbeschleunigung der Ionen, und
      einer Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3),
      wobei die Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3) nicht eben ist, dadurch gekennzeichnet, daß
      die Krümmung der Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3) Flugzeit-Fehler reduziert.
    2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3) aus Metall geformt ist.
    3. Detektor nach Anspruch 1,
      mit einer Mikrokanalplatte als Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3).
    4. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden(1,2,4) für die Nachbeschleunigung der Ionen und die Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3) zylindersymmetrisch aufgebaut sind.
    5. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden(1,2,4) für die Nachbeschleunigung der Ionen und/oder die Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3) nicht zylindersymmetrisch aufgebaut sind.
    6. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Nachbeschleunigungsfeld für die Ionen ein Abzugsfeld für die an der Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3) erzeugten Elektronen überlagert ist.
    7. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3) um eine oder mehrere Achsen verkippt werden kann.
    8. Flugzeit-Massenspektrometer mit einem Detektor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.
    9. Verfahren zum Betrieb eines Detektors für Flugzeit-Massenspektrometer,
      mit einer oder mehreren Elektroden(1,2,4) für die Nachbeschleunigung der Ionen, und
      einer Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3),
      wobei die Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3) nicht eben ist, dadurch gekennzeichnet, daß
      die Krümmung der Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3) Flugzeit-Fehler reduziert, und
      mittels der Elektroden(1,2,4) und der an ihnen angelegten Spannungen außeraxiale Ionenbahnen(11) so stark zur ionenoptischen Achse hingebogen werden, daß sie auf der gegenüberliegenden Seite der Achse auf die Konversionsfläche(3) treffen.
    10. Verfahren zur Bestimmung der Krümmung der Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3) eines Detektors, der eine Anzahl von Elektroden(1,2,4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
      a) mit Ausnahme der Oberflächenkrümmung der Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3), sämtliche Formen der Elektroden(1,2,4) vorher festgelegt werden,
      b) eine beliebige Form der Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3) angenommen wird,
      c) die Spannungen sämtlicher Elektroden(1,2,4) festgelegt werden,
      d) das Potential aus den gegebenen Elektrodenformen und Elektrodenspannungen bestimmt wird,
      e) eine Gruppe von Bahnen(11) bestimmt wird, entweder
      ausgehend von einer Normalfläche(12) zur ionenoptischen Achse des Detektors in den Detektor hinein, parallel zur ionenoptischen Achse mit gleicher Anfangsgeschwindigkeit, oder
      ausgehend von der Ionenquelle des Flugzeit-Massenspektrometers, wobei Bahnen mit Anfangsorten, -geschwindigkeiten und -richtungen entsprechend dem normalen Gebrauch des Flugzeit-Massenspektrometers gewählt werden,
      wobei für alle Bahnen die gleiche Flugzeit gewählt wird, welche eine Bahn auf der ionenoptischen Achse von der Normalfläche(12) bzw. der Ionenquelle des Flugzeit-Massenspektrometers bis zur Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3) benötigt,
      f) die Fläche(20), welche
      im Falle zweidimensionaler Anfangsbedingungen durch die Endpunkte der so bestimmten Bahnen(11) definiert wird, bzw.
      im Falle höherdimensionaler Anfangsbedingungen die Endpunkte der so bestimmten Bahnen(11) optimal annähert
      die notwendige Form der Ionen-Elektronen-Konversionsfläche ergibt,
      g) die in Schritt f) bestimmte Fläche entweder
      unmittelbar als neue Form der Konversionsfläche(3) übernommen wird, oder
      durch eine endlich-parametrige Fläche optimal angepaßt wird,
      und mit Schritt d) fortgefahren wird,
      wobei das Verfahren solange von Schritt d) bis Schritt g) wiederholt werden soll, bis der Unterschied von der in Schritt f) bestimmten Fläche(20) zur tatsächlichen Konversionsfläche(3) eine vorgegebene Grenze unterschreitet; wobei wenn in Schritt g) eine endlich-parametrige Fläche verwendet wird, so muß wenigstens diejenige minimale Anzahl der Parameter für die Festlegung der Konversionsfläche(3) gewählt wird, welche es noch erlaubt, daß der Unterschied von der in f) bestimmten Fläche(20) zur tatsächlichen Konversionsfläche(3) eine vorher gewählte Grenze unterschreitet.
    11. Verfahren zur Bestimmung der Elektrodenspannungen eines Detektors mit einer gekümmten Ionen-Elektronen-Konversionsfläche, dadurch gekennzeichnet, daß
      a) sämtliche Formen der Elektroden(1,2,3,4) vorher festgelegt werden,
      b) ein Satz von Spannungen für sämtliche Elektroden gewählt wird,
      c) das Potential aus den gegebenen Elektrodenformen und Elektrodenspannungen berechnet wird,
      d) eine Gruppe von Bahnen(11) bestimmt wird, entweder
      ausgehend von einer Normalfläche(12) zur ionenoptischen Achse des Detektors in den Detektor hinein, parallel zur ionenoptischen Achse mit gleicher Anfangsgeschwindigkeit, oder
      ausgehend von der Ionenquelle des Flugzeit-Massenspektrometers, wobei Bahnen mit Anfangsorten, -geschwindigkeiten und -richtungen entsprechend dem normalen Gebrauch des Flugzeit-Massenspektrometers gewählt werden,
      wobei für alle Bahnen die gleiche Flugzeit gewählt wird, welche eine Bahn auf der ionenoptischen Achse von der Normalfläche(12) bzw. der Ionenquelle des Flugzeit-Massenspektrometers bis zur Ionen-Elektronen-Konversionsfläche(3) benötigt,
      e) die Spannungen sämtlicher Elektroden solange variiert werden, bis eine minimale durchschnittliche Abweichung der in Schritt d) bestimmten Endpunkte der Ionenbahnen(11) zur Oberfläche der Ionen-Elektronen Konversionsfläche(3) erzielt worden ist.
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