EP0858674A1 - Time-of-flight mass spectrometer with position-sensitive detection - Google Patents

Time-of-flight mass spectrometer with position-sensitive detection

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EP0858674A1
EP0858674A1 EP96937307A EP96937307A EP0858674A1 EP 0858674 A1 EP0858674 A1 EP 0858674A1 EP 96937307 A EP96937307 A EP 96937307A EP 96937307 A EP96937307 A EP 96937307A EP 0858674 A1 EP0858674 A1 EP 0858674A1
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EP
European Patent Office
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time
mass spectrometer
flight mass
electron
anodes
Prior art date
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EP96937307A
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French (fr)
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EP0858674B1 (en
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Uwe Becker
Franz Heiser
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Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Original Assignee
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
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Publication date
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Publication of EP0858674A1 publication Critical patent/EP0858674A1/en
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Publication of EP0858674B1 publication Critical patent/EP0858674B1/en
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34Dynamic spectrometers
    • H01J49/40Time-of-flight spectrometers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02Details
    • H01J49/025Detectors specially adapted to particle spectrometers

Definitions

  • the invention relates to a time-of-flight mass spectrometer with a position-sensitive detector, which has at least one electron multiplier and an anode arrangement for detecting the electrons released in the electron multiplier.
  • Photoionized molecules usually decay into electrons and ions, which have to be detected simultaneously.
  • the energy and momentum of these photodissociated fragments can be determined, for example, by means of a time-of-flight mass spectrometer with position-sensitive detector, with which the time of flight and the point of impact can be determined by the fragments.
  • the position-sensitive detectors known in the prior art have various disadvantages. Detectors based on resistive anodes are relatively widespread, but generally have very long dead times, which limit the time resolution of the system.
  • detectors consist of a matrix of crossed anodes, which are interconnected in rows and columns, as described, for example, in the publication by JHD Eland in Meas. Be. Technol. 5, 1501-1504 (1994). With these detectors too, the dead times are high due to the use of delay lines for indirect position determination from signal transit time measurements and digital circuits for time measurement. It is therefore an object of the present invention to provide a flight time mass spectrometer with a position sensitive detector with improved time and location resolution.
  • the detector according to the invention consists of at least one electron multiplier and an anode matrix arranged behind each electron multiplier, in which anodes are connected to one another in rows or columns and each row or column is connected to an output connection.
  • the anodes detect the electrons released in the electron multiplier in a position-sensitive manner.
  • the time measurement is carried out in a device independent of the anode matrix.
  • This device can be, for example, an analog circuit with which a time resolution of approximately 100 ps can be achieved. This represents an improvement in the time resolution by more than a factor of 10 compared to the prior art.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a first embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a further embodiment of the invention
  • Fig. 4 is a block diagram of the embodiment of Fig. 3;
  • FIG 5 shows an example of an anode pattern of an anode matrix.
  • the basic mode of operation of the detector according to the invention is shown schematically and by way of example in FIG. 1.
  • approximately monochromatic synchrotron radiation SR strikes the molecules of a molecular beam MB.
  • the synchrotron radiation can, for example, be emitted by a synchrotron storage ring and guided through a wavelength-selective element such as a grating or crystal monochromator 1.
  • a wavelength-selective element such as a grating or crystal monochromator 1.
  • the measuring principle is shown schematically on the basis of the decay of a CO molecule. Based on the measured positions and times of the ions striking the detector 20, their energy and momentum can be determined shortly after the fragmentation.
  • the detector 20 consists of two multi-channel plates 21, 22 arranged one behind the other and the anode matrix 23 which is arranged at such a distance from the second multi-channel plate 22 that an electron cloud triggered in the multi-channel plates hits at least one anode.
  • the anode matrix consists of 900 flat anodes, which are regularly arranged in 30 rows and 30 columns. Overall, the anode matrix thus consists of 1800 partial anodes, two of which each form a flat anode.
  • the anodes are arranged and dimensioned such that multi-channel plates or so-called microsphere plates with a diameter of 40 mm can be used.
  • the anodes are at a potential 2800 V higher than the front side of the first multi-channel plate 21, which is at -4000 V with respect to ground. This voltage focuses the electron cloud in such a way that it hits at least one anode (two partial anodes).
  • the partial anodes are connected to each other along each row (X) or each column (Y) and each row and each column is connected to an output connection, so that a total of 60 wires have to be led out of the vacuum chamber.
  • An anode is struck at each event and a signal is generated on an X and a Y line. These signals are first fed to a position decoder 24 for determining the position.
  • the position decoder 24 responds when two adjacent partial anodes have been hit by the electron wave at the same time.
  • a feature of the present invention is that the time measurement is carried out by devices which are independent of the anode matrix and the other devices for determining the position.
  • Fig. 1 the principle of time measurement is shown.
  • a thin metal plate attached to the back of the second multi-channel plate 22 (see FIG. 2) or a metal coating applied to a carrier is used for the time measurement.
  • the electrons released in the multi-channel plates pass through the metal plate essentially unhindered on their way to the anode.
  • a pulse hereinafter referred to as ion signal IS
  • the time of this pulse is considered to be representative of the time of the impact of the ions on the first multi-channel plate.
  • the starting point of the ion analysis is taken as the reference point. In the present example, this is the time of ionization by the synchrotron radiation pulse entering the interaction zone.
  • bunch marker (BM) signal a pulse derived from the high-frequency control of the synchrotron.
  • TAC time-to-amplitude converter
  • ADC analog-to-digital converter
  • the next BM signal represents the stop time of the ion analysis and is therefore fed to the TACs as a stop signal, while the ion signals are fed to the TACs as start signals.
  • the TACs have a dead time of 2.5 ⁇ s after the start signal, while the synchrotron period is 200-1000 ns.
  • TAC-ADC time-to-digital converters
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the present invention, in which the electrons are additionally detected by an electron spectrometer 50.
  • the electron spectrometer 50 contains a drift tube 51 and an electron detector 52, which, as shown, can be constructed in a manner similar to that of the ion detector, ie it can contain two multi-channel or microsphere plates and an anode, the anode of the electron detector can also be carried out over a large area.
  • the signal of the electron detector hereinafter referred to as electron signal ES
  • electron signal ES is used as a reference signal for the time measurement of the ion events, that is, it is supplied to the TACs as a start signal.
  • the electron signal and the BM signal are fed to a TAC 4 (see FIG. 4).
  • the electron signal is given to the TAC 4 as a start signal and the BM signal as a stop signal. So it always becomes Time period measured from the occurrence of the electron signal to that BM signal that follows the BM signal causing the electron signal.
  • the analog signal of the TAC 4 is fed to an ADC 4 and its output signal is fed to the data coordination interface 25.
  • the circuit diagram shown relates to the embodiment according to FIG. 3.
  • the transit times of the ions detected by the ion detector are measured in TACs 0-3. They receive the start signal from the anode of the electron detector 52.
  • the electron transit time is determined in the TAC 4, in which, as mentioned, the electron signal is supplied as the start signal and the BM signal taken from the synchrotron 70 of the subsequent cycle is supplied as a stop signal.
  • the ion signals which arise on the metal plate at the rear of the second multi-channel plate are fed to a fast switch (MUX) 31 on a line, which has the task of subsequently distributing the signals to TACs 0-3 .
  • MUX fast switch
  • TACs In the example given, one electron and four ions can therefore be detected in one measurement cycle.
  • the number of TACs is of course chosen arbitrarily and can be expanded very easily.
  • An ADC is assigned to each TAC, which has a time dispersion of 0.1 ns per channel, which can also be selected to be smaller with a suitably fast rise time of the ion signals and can be reduced to 30 ps.
  • the ion and electron signals are amplified by a factor of 50 to 100 by an amplifier (not shown) and then converted into standard pulses in a discriminator 32 (CFD, Constant Fraction Discriminator).
  • CFD Constant Fraction Discriminator
  • This ensures that for original pulses with a similar shape (rise time) but different levels, the time measurement in the TAC is started at comparable times.
  • the exact mode of operation of this commercially available component is described in more detail in the literature, for example in the dissertation by B. Langer, TU Berlin, 1992.
  • the MUX 31 is connected to the position decoder 24 and sends a gate trigger signal to it in order to enable the association of the measured time signals with the measured location signals.
  • a pattern recognition system is therefore interposed as a fast unit, which loads the corresponding information of the position into a very fast memory when an electron cloud occurs. This memory can already be written with a new event position after 5 ns, so that the dead time for reading out depends only on the speed of the fast memory in this pattern recognition system.
  • the pattern recognition system is part of the data acquisition interface 25 and also has the task of binary coding the position signals.
  • the electron pulses are about 2 ns wide and have an amplitude of 20 mV.
  • the dead time of the system according to FIGS. 3 and 4 after detection of an electron is determined by the width of the ion signals and the dead time of the MUX 31 and results in less than 7 ns.
  • the widths of the signals and the dead time of the MUX can each be reduced to less than 1 ns.
  • the system therefore has no fundamental limit of the smallest possible interval between two ion events, since the width of the signals is essentially decisive.
  • FIG. 5 shows an example of a position-sensitive anode matrix used according to the invention (detail).
  • the anode matrix is formed as a flat pattern, each anode comprising two partial anodes (A, B shown enlarged in the right part of the figure).
  • the partial anodes A and B each correspond to the sub-pixels in the x and y directions.
  • the partial anodes A and B are attached to an anode plate.
  • the partial anodes A are each connected in rows by electrical connections (not shown) on the back of the anode plate.
  • the partial anodes B are connected in columns by electrical connections on the front of the anode plate.
  • Each row or column of partial anodes is assigned an output connection, which is connected to a fast preamplifier.
  • a particular advantage of the invention is that the assignment of output connections to each row and each column enables a true position determination without signal delay measurements in delay lines. This significantly increases the speed of the position-sensitive detector according to the invention.
  • Another advantage is that any enlargement of the anode matrix area to adapt to a specific measurement setup does not lead to a slowdown of the measurement processes. Furthermore, when the matrix area is increased by a certain factor, the number of lines is increased only by the square root of this factor.
  • the position-sensitive detector according to the invention can be used in a variety of ways in all applications in which the occurrence of particles in particular is to be measured with a high time and location resolution.
  • the invention has been described above with reference to a mass spectrometer.
  • the detector according to the invention can also e.g. in an electron spectrometer or in an analyzer for neutral particles.

Abstract

The disclosure relates to a time-of-flight mass spectrometer with position-sensitive detector (20) for determining the energy and momentum of photo-dissociated ions. The detector (20-24) has one or more electron multipliers (21, 22) and an anode matrix (23) located behind the electron multipliers and used for determining the point of impact of the ions. The time-of-flight mass spectrometer has a device (30, 33) for determining the time of flight of the ions.

Description

Flugzeit-Massenspektrometer mit positionssensitiver Time-of-flight mass spectrometer with position sensitive
DetektionDetection
Die Erfindung betrifft ein Flugzeit-Massenspektrometer mit einem positionssensitivem Detektor, der mindestens einen Elektronenvervielfacher und eine Anodenanordnung zur Detektion der in den Elektronenvervielfachem ausgelösten Elektronen aufweist.The invention relates to a time-of-flight mass spectrometer with a position-sensitive detector, which has at least one electron multiplier and an anode arrangement for detecting the electrons released in the electron multiplier.
Für das Verständnis der bei der lichtinduzierten Ionisation und anschließenden Dissoziation molekularer Systeme ablau¬ fenden Prozesse ist es notwendig, die Reaktionsprodukte zu identifizieren und deren Energie und Impuls zu bestimmen. Photoionisierte Moleküle zerfallen gewöhnlich in Elektronen und Ionen, die simultan detektiert werden müssen. Die Bestimmung von Energie und Impuls dieser photodissoziierten Fragmente kann beispielweise durch ein Flugzeit-Massenspektro¬ meter mit positionssensitivem Detektor erfolgen, mit denen die Flugzeit und der Auftreffort von den Fragementen bestimm¬ bar sind. Die im Stand der Technik bekannten positions¬ sensitiven Detektoren weisen verschiedene Nachteile auf . Relativ weit verbreitet sind Detektoren auf der Basis von resistiven Anoden, die jedoch im allgemeinen sehr hohe Tot¬ zeiten aufweisen, durch die die Zeitauflösung des Systems begrenzt wird. Andere Detektoren bestehen aus einer Matrix aus gekreuzten, und reihen- und spaltenweise untereinander verbundenen Anoden, wie z.B. in der Publikation von J.H.D. Eland in Meas . Sei. Technol. 5, 1501-1504 (1994) dargestellt. Auch bei diesen Detektoren sind die Totzeiten aufgrund der Verwendung von Verzögerungsleitungen zur indirekten Positions¬ bestimmung aus Signallaufzeitmessungen und digitalen Schalt¬ kreisen für die Zeitmessung hoch. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Flug¬ zeit-Massenspektrometer mit positionssensitivem Detektor mit verbesserter Zeit- und Ortsauflösung anzugeben.To understand the processes involved in light-induced ionization and subsequent dissociation of molecular systems, it is necessary to identify the reaction products and to determine their energy and momentum. Photoionized molecules usually decay into electrons and ions, which have to be detected simultaneously. The energy and momentum of these photodissociated fragments can be determined, for example, by means of a time-of-flight mass spectrometer with position-sensitive detector, with which the time of flight and the point of impact can be determined by the fragments. The position-sensitive detectors known in the prior art have various disadvantages. Detectors based on resistive anodes are relatively widespread, but generally have very long dead times, which limit the time resolution of the system. Other detectors consist of a matrix of crossed anodes, which are interconnected in rows and columns, as described, for example, in the publication by JHD Eland in Meas. Be. Technol. 5, 1501-1504 (1994). With these detectors too, the dead times are high due to the use of delay lines for indirect position determination from signal transit time measurements and digital circuits for time measurement. It is therefore an object of the present invention to provide a flight time mass spectrometer with a position sensitive detector with improved time and location resolution.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by the subject matter of patent claim 1. Advantageous embodiments result from the subclaims.
Der erfindungsgemäße Detektor besteht aus mindestens einem Elektronenvervielfacher und einer hinter jedem Elektronenver¬ vielfacher angeordneten Anodenmatrix, in der Anoden jeweils Zeilen- oder spaltenweise untereinander verbunden sind und jede Zeile bzw. jede Spalte mit je einem Ausgangsanschluß verbunden ist. Durch die Anoden werden die in dem Elektronen¬ vervielfacher ausgelösten Elektronen positionssensitiv detektiert. Die Zeitmessung wird in einer von der Anoden¬ matrix unabhängigen Einrichtung durchgeführt. Diese Ein¬ richtung kann beispielsweise ein analoger Schaltkreis sein, mit dem sich eine Zeitauflösung von etwa 100 ps erzielen läßt. Dies stellt eine Verbesserung der Zeitauflösung um mehr als einen Faktor 10 gegenüber dem Stand der Technik dar.The detector according to the invention consists of at least one electron multiplier and an anode matrix arranged behind each electron multiplier, in which anodes are connected to one another in rows or columns and each row or column is connected to an output connection. The anodes detect the electrons released in the electron multiplier in a position-sensitive manner. The time measurement is carried out in a device independent of the anode matrix. This device can be, for example, an analog circuit with which a time resolution of approximately 100 ps can be achieved. This represents an improvement in the time resolution by more than a factor of 10 compared to the prior art.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert .The invention is explained in more detail below with reference to the figures.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungs- form der Erfindung;1 shows a schematic illustration of a first embodiment of the invention;
Fig. 2 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der bei der Detektion ablaufenden Vorgänge;2 shows a schematic diagram to explain the processes taking place during the detection;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Aus¬ führungsform der Erfindung; Fig. 4 ein Blockschaltbild der Ausführungsform nach Fig. 3; und3 shows a schematic representation of a further embodiment of the invention; Fig. 4 is a block diagram of the embodiment of Fig. 3; and
Fig. 5 ein Beispiel eines Anodenmusters einer Anodenmatrix.5 shows an example of an anode pattern of an anode matrix.
In Fig. 1 ist die prinzipielle Funktionsweise des erfindungs¬ gemäßen Detektors schematisch und beispielhaft dargestellt. In einer Wechselwirkungszone 12 eines Flugzeit-Massenspektro- meters 10 trifft annähernd monochromatische Synchrotron- Strahlung SR auf die Moleküle eines Molekularstrahls MB. Die Synchrotronstrahlung kann beispielsweise von einem Synchrotron¬ speicherring abgegeben und durch ein wellenlängenselektives Element wie einen Gitter- oder Kristallmonochromator 1 geführt werden. Durch die Wechselwirkung der Synchrotronstrahlung mit den Molekülen werden diese ionsisiert und zerfallen gegebenen¬ falls in einzelne Ionen und Elektronen, von denen die Ionen durch einen am Ende einer Driftröhre 11 angeordneten Detektor 20 orts- und zeitaufgelöst nachgewiesen werden sollen.The basic mode of operation of the detector according to the invention is shown schematically and by way of example in FIG. 1. In an interaction zone 12 of a time-of-flight mass spectrometer 10, approximately monochromatic synchrotron radiation SR strikes the molecules of a molecular beam MB. The synchrotron radiation can, for example, be emitted by a synchrotron storage ring and guided through a wavelength-selective element such as a grating or crystal monochromator 1. As a result of the interaction of the synchrotron radiation with the molecules, these are ionized and, if appropriate, decay into individual ions and electrons, of which the ions are to be detected in a spatially and time-resolved manner by a detector 20 arranged at the end of a drift tube 11.
In Fig. 2 ist das Meßprinzip schematisch anhand des Zerfalls eines CO-Moleküls dargestellt. Aufgrund der gemessenen Positionen und Zeiten der auf den Detektor 20 auftreffenden Ionen können deren Energie und Impuls kurz nach der Frag- mentation bestimmt werden. Der Detektor 20 besteht aus zwei hintereinander angeordneten Vielkanalplatten 21, 22 und der Anodenmatrix 23, die in einem derartigen Abstand von der zweiten Vielkanalplatte 22 angeordnet ist, daß eine in den Vielkanalplatten ausgelöste Elektronenwolke mindestens auf eine Anode trifft . Anstelle von Vielkanalplatten können auch andere Elektronenvervielfacher verwendet werden. Im vor¬ liegenden Fall besteht die Anodenmatrix aus 900 flächigen Anoden, die in 30 Zeilen und 30 Spalten regelmäßig angeordnet sind. Insgesamt besteht die Anodenmatrix also aus 1800 Teil¬ anoden, von denen jeweils zwei Teilanoden eine flächige Anode bilden. Ein Beispiel für die geometrische Form der Teilanoden ist weiter unten unter Bezug auf Fig. 5 erläutert. Die Anoden sind derart angeordnet und dimensioniert, daß Vielkanalplatten oder sog. Microsphere-Platten mit 40 mm Durchmesser verwendet werden können. Die Anoden liegen auf einem um 2800 V höheren Potential als die vordere Seite der ersten Vielkanalplatte 21, die auf -4000 V in Bezug auf Masse liegt. Diese Spannung fokussiert die Elektronenwolke derart, daß sie auf mindestens eine Anode (zwei Teilanoden) trifft. Jeweils entlang jeder Zeile (X) bzw. jeder Spalte (Y) sind die Teilanoden mit¬ einander verbunden und jede Zeile und jede Spalte ist mit einem Ausgangsanschluß verbunden, so daß insgesamt 60 Drähte aus der Vakuumkammer nach außen geführt werden müssen. Bei jedem Ereignis wird also eine Anode getroffen und je ein Signal auf einer X- und einer Y-Leitung erzeugt. Diese Signale werden zunächst einem Positionsdekodierer 24 zur Feststellung der Position zugeführt. Der Positionsdekodierer 24 spricht an, wenn zwei benachbarte Teilanoden gleichzeitig von der Elektronenwelle getroffen worden sind.2, the measuring principle is shown schematically on the basis of the decay of a CO molecule. Based on the measured positions and times of the ions striking the detector 20, their energy and momentum can be determined shortly after the fragmentation. The detector 20 consists of two multi-channel plates 21, 22 arranged one behind the other and the anode matrix 23 which is arranged at such a distance from the second multi-channel plate 22 that an electron cloud triggered in the multi-channel plates hits at least one anode. Instead of multi-channel plates, other electron multipliers can also be used. In the present case, the anode matrix consists of 900 flat anodes, which are regularly arranged in 30 rows and 30 columns. Overall, the anode matrix thus consists of 1800 partial anodes, two of which each form a flat anode. An example of the geometric shape of the partial anodes is explained below with reference to FIG. 5. The anodes are arranged and dimensioned such that multi-channel plates or so-called microsphere plates with a diameter of 40 mm can be used. The anodes are at a potential 2800 V higher than the front side of the first multi-channel plate 21, which is at -4000 V with respect to ground. This voltage focuses the electron cloud in such a way that it hits at least one anode (two partial anodes). The partial anodes are connected to each other along each row (X) or each column (Y) and each row and each column is connected to an output connection, so that a total of 60 wires have to be led out of the vacuum chamber. An anode is struck at each event and a signal is generated on an X and a Y line. These signals are first fed to a position decoder 24 for determining the position. The position decoder 24 responds when two adjacent partial anodes have been hit by the electron wave at the same time.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß die Zeit¬ messung durch Einrichtungen vorgenommen wird, die von der Anodenmatrix und den übrigen Einrichtungen zur Positions¬ bestimmung unabhängig sind. In Fig. 1 ist das Prinzip der Zeitmessung dargestellt .A feature of the present invention is that the time measurement is carried out by devices which are independent of the anode matrix and the other devices for determining the position. In Fig. 1 the principle of time measurement is shown.
Für die Zeitmessung dient eine auf der Rückseite der zweiten Vielkanalplatte 22 (siehe Fig. 2) angebrachte dünne Metall- platte oder eine auf einem Träger aufgebrachte Metallbe- schichtung. Die in den Vielkanalplatten ausgelösten Elektronen treten auf ihrem Weg zur Anode im wesentlichen ungehindert durch die Metallplatte. In dieser wird jedoch ein Impuls (nachfolgend als Ionensignal IS bezeichnet) ausgelöst, der für die Zeitmessung verwendet wird. Der Zeitpunkt dieses Impulses gilt als repräsentativ für den Zeitpunkt des Auftreffens der Ionen auf die erste Vielkanalplatte. Als Bezugspunkt wird der StartZeitpunkt der Ionenanalyse genommen. Dies ist bei dem vorliegenden Beispiel der Zeitpunkt der Ionisation durch den in die Wechselwirkungszone eintretenden Synchrotronstrahlungs- Impuls. Als repräsentativ für diesen Zeitpunkt wird das so- genannte Bunchmarker- (BM-) Signal, ein von der Hochfrequenz- ansteuerung des Synchrotrons abgeleiteter Impuls genommen. Diese beiden Signale werden mehreren Zeit-Amplituden-Wandlern (TAC, Time-To-Amplitude-Converter) zugeführt, deren Ausgangs¬ signal in Analog-Digital-Wandlern (ADC, Analog-Digital-Con- verter) , deren Anzahl der der TACs entspricht, in ein digitales Signal umgewandelt und der Datenacguisitionsschnitt- stelle 25 zugeführt wird. Das nächste BM-Signal repräsentiert den Stopzeitpunkt der Ionenanalyse und wird daher als Stop- signal den TACs zugeführt, während die Ionensignale den TACs als Startsignale zugeführt werden. Die TACs haben z.B. eine Totzeit von 2,5 μs nach dem Startsignal, während die Syn¬ chrotronperiode 200-1000 ns beträgt.A thin metal plate attached to the back of the second multi-channel plate 22 (see FIG. 2) or a metal coating applied to a carrier is used for the time measurement. The electrons released in the multi-channel plates pass through the metal plate essentially unhindered on their way to the anode. In this, however, a pulse (hereinafter referred to as ion signal IS) is triggered, which is used for time measurement. The time of this pulse is considered to be representative of the time of the impact of the ions on the first multi-channel plate. The starting point of the ion analysis is taken as the reference point. In the present example, this is the time of ionization by the synchrotron radiation pulse entering the interaction zone. As representative of this point in time, called bunch marker (BM) signal, a pulse derived from the high-frequency control of the synchrotron. These two signals are fed to several time-to-amplitude converters (TAC, time-to-amplitude converter), the output signal of which is in analog-to-digital converters (ADC, analog-to-digital converter), the number of which is that of the TACs corresponds to a digital signal and the data acquisition interface 25 is supplied. The next BM signal represents the stop time of the ion analysis and is therefore fed to the TACs as a stop signal, while the ion signals are fed to the TACs as start signals. For example, the TACs have a dead time of 2.5 μs after the start signal, while the synchrotron period is 200-1000 ns.
Anstelle der TAC-ADC-Kombination können jeweils auch Einrichtungen verwendet werden, die Zeitgrδßen direkt in digitale Signale umwandeln (sog. Time-To-Digital-Converters, TDC) .Instead of the TAC-ADC combination, devices can also be used which convert time quantities directly into digital signals (so-called time-to-digital converters, TDC).
In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei der zusätzlich die Elektronen durch ein Elektronenspektrometer 50 detektiert werden. Im übrigen wurden für die der Figur 1 entsprechenden Bauelemente die gleichen Bezugszeichen verwendet. Das Elektronenspektro¬ meter 50 enthält eine Driftröhre 51 und einen Elektronen¬ detektor 52, der, wie dargestellt, in ähnlicher Weise auf¬ gebaut sein kann wie der Ionendetektor, also zwei Vielkanal- oder Microsphere-Platten und eine Anode enthalten kann, wobei die Anode des Elektronendetektors auch großflächig ausgeführt sein kann. Bei dieser Ausführungsform wird das Signal des Elektronendetektors (nachfolgend als Elektronensignal ES bezeichnet) als Bezugssignal für die Zeitmessung der Ionen¬ ereignisse verwendet, also als Startsignal den TACs zugeführt. Für die Messung der Elektronenflugzeit werden das Elektronen¬ signal und das BM-Signal einem TAC 4 (siehe Fig. 4) zugeführt. Das Elektronensignal wird als Startsignal und das BM-Signal als Stopsignal auf den TAC 4 gegeben. Es wird also stets die Zeitspanne von dem Auftreten des Elektronensignals bis zu demjenigen BM-Signal gemessen, das dem das Elektronensignal verursachenden BM-Signal nachfolgt. Das analoge Signal des TAC 4 wird einem ADC 4 zugeführt und dessen Ausgangssignal wird der Datenacguisitionsschnittstelle 25 zugeführt.FIG. 3 shows a further embodiment of the present invention, in which the electrons are additionally detected by an electron spectrometer 50. For the rest, the same reference numerals have been used for the components corresponding to FIG. 1. The electron spectrometer 50 contains a drift tube 51 and an electron detector 52, which, as shown, can be constructed in a manner similar to that of the ion detector, ie it can contain two multi-channel or microsphere plates and an anode, the anode of the electron detector can also be carried out over a large area. In this embodiment, the signal of the electron detector (hereinafter referred to as electron signal ES) is used as a reference signal for the time measurement of the ion events, that is, it is supplied to the TACs as a start signal. For the measurement of the electron flight time, the electron signal and the BM signal are fed to a TAC 4 (see FIG. 4). The electron signal is given to the TAC 4 as a start signal and the BM signal as a stop signal. So it always becomes Time period measured from the occurrence of the electron signal to that BM signal that follows the BM signal causing the electron signal. The analog signal of the TAC 4 is fed to an ADC 4 and its output signal is fed to the data coordination interface 25.
In Fig. 4 sind Einzelheiten der Einrichtung zur Zeitmessung etwas detaillierter dargestellt. Der gezeigte Schaltplan bezieht sich auf die Ausführungsform nach Fig. 3. In den TACs 0-3 werden die Laufzeiten der durch den Ionendetektor nach¬ gewiesenen Ionen gemessen. Sie erhalten das Startsignal von der Anode des Elektronendetektors 52. Im TAC 4 wird die Elektronenlaufzeit bestimmt, in dem wie erwähnt, das Elektronensignal als Startsignal und das dem Synchrotron 70 entnommene BM-Signal des darauffolgenden Zyklus als Stop- signal zugeführt wird. Die Ionensignale, die an der Metall- platte an der Rückseite der zweiten Vielkanalplatte ent¬ stehen, werden auf einer Leitung einem schnellen Schalter (MUX) 31 zugeführt, der die Aufgabe hat, die Signale nach¬ folgend auf die TACs 0-3 zu verteilen. In dem angegebenen Beispiel können demnach ein Elektron und vier Ionen in einem Meßzyklus detektiert werden. Die Anzahl der TACs ist natür¬ lich willkürlich gewählt und kann sehr einfach erweitert werden. Jedem TAC ist ein ADC zugeordnet, der eine Zeit- dispersion von 0,1 ns pro Kanal aufweist, die bei geeignet schneller Anstiegszeit der Ionensignale auch kleiner gewählt werden kann und bis auf 30 ps verringert werden kann.4 details of the device for time measurement are shown in somewhat more detail. The circuit diagram shown relates to the embodiment according to FIG. 3. The transit times of the ions detected by the ion detector are measured in TACs 0-3. They receive the start signal from the anode of the electron detector 52. The electron transit time is determined in the TAC 4, in which, as mentioned, the electron signal is supplied as the start signal and the BM signal taken from the synchrotron 70 of the subsequent cycle is supplied as a stop signal. The ion signals which arise on the metal plate at the rear of the second multi-channel plate are fed to a fast switch (MUX) 31 on a line, which has the task of subsequently distributing the signals to TACs 0-3 . In the example given, one electron and four ions can therefore be detected in one measurement cycle. The number of TACs is of course chosen arbitrarily and can be expanded very easily. An ADC is assigned to each TAC, which has a time dispersion of 0.1 ns per channel, which can also be selected to be smaller with a suitably fast rise time of the ion signals and can be reduced to 30 ps.
Die Ionen- und Elektronensignale werden, bevor sie dem MUX bzw. den TACs zugeführt werden, von einem Verstärker (nicht dargestellt) um den Faktor 50 bis 100 verstärkt und anschließend jeweils in einem Diskriminator 32 (CFD, Constant Fraction Discriminator) in Normpulse umgewandelt. Damit wird erreicht, daß für Originalpulse mit ähnlicher Form (Anstiegs- zeit) , jedoch unterschiedlicher Höhe die Zeitmessung im TAC zu vergleichbaren Zeitpunkten gestartet wird. Die genaue Wirkungsweise dieses kommerziell verfügbaren Bauelements ist in der Literatur, z.B. in der Dissertation von B. Langer, TU Berlin, 1992, näher beschrieben. Der MUX 31 ist mit dem Positionsdekodierer 24 verbunden und sendet an diesen ein Gate-Triggersignal, um die Zuordnung der gemessenen Zeit- signale mit den gemessenen Ortssignalen zu ermöglichen.Before they are fed to the MUX or the TACs, the ion and electron signals are amplified by a factor of 50 to 100 by an amplifier (not shown) and then converted into standard pulses in a discriminator 32 (CFD, Constant Fraction Discriminator). This ensures that for original pulses with a similar shape (rise time) but different levels, the time measurement in the TAC is started at comparable times. The exact mode of operation of this commercially available component is described in more detail in the literature, for example in the dissertation by B. Langer, TU Berlin, 1992. The MUX 31 is connected to the position decoder 24 and sends a gate trigger signal to it in order to enable the association of the measured time signals with the measured location signals.
Da die Signale aus den Anodenreihen und -spalten sehr kurze Anstiegszeiten und eine sehr kurze Pulsdauer (Anstiegszeit + Dauer £ 5 ns, Amplitude ca. 5 mV) haben, sind sie nicht mehr direkt mit einem Rechner auslesbar. Deshalb ist ein Muster¬ erkennungssystem als schnelle Einheit dazwischen geschaltet, die bei Auftreten einer Elektronenwolke die entsprechende Information der Position in einen sehr schnellen Speicher lädt. Dieser Speicher kann bereits nach 5 ns wieder mit einer neuen Ereignisposition beschrieben werden, so daß die Totzeit für das Auslesen nur von der Geschwindigkeit des schnellen Speichers in diesem Mustererkennungssystem abhängt. Das Mustererkennungssystem ist Teil der Datenacquisitionsschnitt- stelle 25 und hat außerdem die Aufgabe, die Positionssignale binär zu codieren.Since the signals from the anode rows and columns have very short rise times and a very short pulse duration (rise time + duration £ 5 ns, amplitude approx. 5 mV), they can no longer be read out directly with a computer. A pattern recognition system is therefore interposed as a fast unit, which loads the corresponding information of the position into a very fast memory when an electron cloud occurs. This memory can already be written with a new event position after 5 ns, so that the dead time for reading out depends only on the speed of the fast memory in this pattern recognition system. The pattern recognition system is part of the data acquisition interface 25 and also has the task of binary coding the position signals.
Die Elektronenimpulse sind etwa 2 ns breit und weisen eine Amplitude von 20 mV auf. Die Totzeit des Systems nach den Figuren 3 und 4 nach Detektion eines Elektrons ist durch die Breite der Ionensignale und die Totzeit des MUX 31 bestimmt und ergibt sich zu weniger als 7 ns. Im Prinzip können die Breiten der Signale und die Totzeit des MUX auf jeweils weniger als 1 ns verringert werden. Das System weist daher keine prinzipielle Grenze des kleinstmöglichen Intervalls zwischen zwei Ionenereignissen auf, da im wesentlichen die Breite der Signale entscheidend ist. In dem Fall, daß die verstärkten Signale von den Anodenleitungen durch einen ultraschnellen ADC digitalisiert werden, ist es ebenfalls möglich, zwischen verschiedenen Leitungen zu interpolieren, um eine Ortsauflösung im Bereich 0, 1 mm anstelle von 1,5 mm, wie in den gezeigten Beispielen, zu erhalten. Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäß verwendeten positionssensitiven Anodenmatrix (Ausschnitt) . Die Anoden¬ matrix ist als flächiges Muster gebildet, wobei jede Anode zwei Teilanoden (A, B im rechten Teil der Abbildung vergrößert dargestellt) umfaßt. Die Teilanoden A und B entsprechen jeweils den Sub-Pixeln in x- bzw. y-Richtung. Die Teilanoden A und B sind auf einer Anodenplatte angebracht. Die Teilanoden A sind durch elektrische Verbindungen (nicht dargestellt) auf der Rückseite der Anodenplatte jeweils reihenweise verbunden. Die Teilanoden B sind durch elektrische Verbindungen auf der Vorderseite der Anodenplatte jeweils spaltenweise verbunden. Jeder Reihe bzw. Spalte von Teilanoden ist jeweils ein Aus- gangsanschluß zugeordnet, der mit einem schnellen Vorver¬ stärker verbunden ist. Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, daß die Zuordnung von Ausgangsanschlüssen jeweils an jede Zeile und jede Spalte eine echte Positionsbestimmung ohne Signallaufzeitmessungen in Verzögerungsleitungen ermöglicht. Damit wird die Geschwindigkeit des erfindungsgemäßen positions¬ sensitiven Detektors wesentlich erhöht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine etwaige Vergrößerung der Anodenmatrix- fläche zur Anpassung an einen konkreten Meßaufbau nicht etwa zu einer Verlangsamung der Meßvorgänge führt . Ferner wird bei Vergrößerung der Matrixfläche um einen bestimmten Faktor die Leitungszahl lediglich um die Quadratwurzel dieses Faktors vergrößert .The electron pulses are about 2 ns wide and have an amplitude of 20 mV. The dead time of the system according to FIGS. 3 and 4 after detection of an electron is determined by the width of the ion signals and the dead time of the MUX 31 and results in less than 7 ns. In principle, the widths of the signals and the dead time of the MUX can each be reduced to less than 1 ns. The system therefore has no fundamental limit of the smallest possible interval between two ion events, since the width of the signals is essentially decisive. In the event that the amplified signals from the anode leads are digitized by an ultra-fast ADC, it is also possible to interpolate between different leads to a spatial resolution in the range 0.1 mm instead of 1.5 mm, as in the examples shown , to obtain. 5 shows an example of a position-sensitive anode matrix used according to the invention (detail). The anode matrix is formed as a flat pattern, each anode comprising two partial anodes (A, B shown enlarged in the right part of the figure). The partial anodes A and B each correspond to the sub-pixels in the x and y directions. The partial anodes A and B are attached to an anode plate. The partial anodes A are each connected in rows by electrical connections (not shown) on the back of the anode plate. The partial anodes B are connected in columns by electrical connections on the front of the anode plate. Each row or column of partial anodes is assigned an output connection, which is connected to a fast preamplifier. A particular advantage of the invention is that the assignment of output connections to each row and each column enables a true position determination without signal delay measurements in delay lines. This significantly increases the speed of the position-sensitive detector according to the invention. Another advantage is that any enlargement of the anode matrix area to adapt to a specific measurement setup does not lead to a slowdown of the measurement processes. Furthermore, when the matrix area is increased by a certain factor, the number of lines is increased only by the square root of this factor.
Der erfindungsgemäße positionssensitive Detektor ist viel¬ fältig bei allen Anwendungen einsetzbar, bei denen insbe¬ sondere das Auftreten von Teilchen mit hoher Zeit- und Orts¬ auflösung gemessen werden soll. Die Erfindung wurde oben unter Bezug auf ein Massenspektrometer beschrieben. Der erfindugns- gemäße Detektor kann aber auch z.B. in einem Elektronen- spektrometer oder in einem Analysator für neutrale Teilchen angewendet werden. The position-sensitive detector according to the invention can be used in a variety of ways in all applications in which the occurrence of particles in particular is to be measured with a high time and location resolution. The invention has been described above with reference to a mass spectrometer. However, the detector according to the invention can also e.g. in an electron spectrometer or in an analyzer for neutral particles.

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. Flugzeit-Massenspektrometer mit positionssensitivem Detektor (20-24) , welcher mindestens einen Elektronenverviel¬ facher (21, 22) und eine regelmäßige Anodenanordnung (23) zur Detektion der in den Elektronenvervielfachem ausgelösten Elektronen aufweist, wobei die Anoden Zeilenanoden und Spaltenanoden umfassen, wobei die in jeder Zeile angeordneten Zeilenanoden jeweils untereinander elektrisch verbunden sind und die in jeder Spalte angeordneten Spaltenanoden jeweils untereinander elektrisch verbunden sind, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Anodenanordnung eine der Anzahl ihrer Zeilen entsprechende Anzahl von ersten Ausgangsanschlüssen und eine der Anzahl ihrer Spalten entsprechende Anzahl von zweiten Ausgangsanschlüssen aufweist, wobei die ersten und zweiten Ausgangsanschlüsse mit einem Positionsdekodierer (24) verbunden sind, und daß das Flugzeit-Massenspektrometer eine Einrichtung (30-33) zur Bestimmung der Flugzeit geladener Teilchen enthält.1. time-of-flight mass spectrometer with position-sensitive detector (20-24), which has at least one electron multiplier (21, 22) and a regular anode arrangement (23) for detecting the electrons released in the electron multiplier, the anodes comprising row anodes and column anodes, the row anodes arranged in each row being electrically connected to one another and the column anodes arranged in each column being electrically connected to each other, characterized in that the anode arrangement has a number of first output connections corresponding to the number of its rows and one corresponding to the number of its columns A number of second output ports, the first and second output ports being connected to a position decoder (24) and the time-of-flight mass spectrometer including means (30-33) for determining the time of flight of charged particles.
2. Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (30-33) durch ein einen Startzeitpunkt einer Messung repräsentierendes Startsignal2. Time-of-flight mass spectrometer according to claim 1, characterized in that the device (30-33) by a start signal representing a start time of a measurement
(BM, ES) und ein durch das Auftreffen geladener Teilchen auf den Elektronenvervielfacher (21, 22) hervorgerufenes Stop- signal (IS) steuerbar ist.(BM, ES) and a stop signal (IS) caused by the impact of charged particles on the electron multiplier (21, 22) can be controlled.
3. Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (30-33) mindestens einen Zeit-Digital-Wandler (TDC) oder mindestens einen Zeit- Amplituden-Wandler (30) enthält, der zwei Eingangsanschlüsse für die Zuführung der Signale (BM, ES; IS) und einen mit einem Analog-Digital-Wandler (33) verbundenen Ausgangsanschluß enthält . 3. Time-of-flight mass spectrometer according to claim 2, characterized in that the device (30-33) contains at least one time-to-digital converter (TDC) or at least one time-to-amplitude converter (30) which has two input connections for the supply of the Contains signals (BM, ES; IS) and an output connection connected to an analog-digital converter (33).
4. Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (30-33) mindestens zwei Zeit-Amplituden-Wandler (30) und einen Schalter (31) enthält, der einen Eingangsanschluß für die Zuführung des IS-Signals und eine Vielzahl von mit je einem Eingangsanschluß der Zeit- Analog-Wandler verbundenen Ausgangsanschlüssen aufweist, und der Schalter (31) so beschaffen ist, um nachfolgende IS- Signale eines Meßzyklus auf die Ausgangsanschlüsse zu verteilen.4. Time-of-flight mass spectrometer according to claim 3, characterized in that the device (30-33) contains at least two time-amplitude converters (30) and a switch (31) which has an input connection for the supply of the IS signal and one Has a large number of output connections connected to one input connection of the time-to-analog converter, and the switch (31) is designed to distribute subsequent IS signals of a measuring cycle to the output connections.
5. Flugzeit-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenver¬ vielfacher (21, 22) und die Anoden der Anodenmatrix (23) derart mit elektrischen Potentialen belegt sind, daß die in den Elektronenvervielfachem ausgelöste Elektronenwolke mindestens auf ein Paar benachbarter Zeilen- und Spalten¬ anoden trifft.5. Time-of-flight mass spectrometer according to one of the preceding claims, characterized in that the electron multipliers (21, 22) and the anodes of the anode matrix (23) are so occupied with electrical potentials that the electron cloud triggered in the electron multiplier is at least one pair adjacent row and column anodes.
6. Flugzeit-Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Startzeitpunkt durch den Zeitpunkt der Ionisation der zu untersuchenden Moleküle durch einen Strahlungsimpuls elektromagnetischer Synchrotron¬ strahlung gegeben ist und das Startsignal (BM) ein von der Hochfrequenzansteuerung des Synchrotrons abgeleitetes Signal ist .6. Time-of-flight mass spectrometer according to one of claims 2 to 5, characterized in that the starting time is given by the time of ionization of the molecules to be examined by a radiation pulse of electromagnetic Synchrotron radiation and the start signal (BM) derived from the high-frequency control of the synchrotron Signal is.
7. Flugzeit-Massenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Elektronenspektrometer (50) mit einem Elektronendetektor (52) zur Bereitstellung des Start¬ signals (ES) .7. Time-of-flight mass spectrometer according to one of claims 1 to 4, characterized by an electron spectrometer (50) with an electron detector (52) for providing the start signal (ES).
8. Flugzeit-Massenspektrometer nach Anspruch 7, gekenn¬ zeichnet durch einen Zeit-Analog-Wandler (60) mit zwei Ein¬ gangsanschlüssen für die unabhängige Zuführung der Signale8. Time-of-flight mass spectrometer according to claim 7, characterized by a time-to-analog converter (60) with two input connections for the independent supply of the signals
(BM; ES) und einen mit einem Analog-Digital-Wandler (61) verbundenen Ausgangsanschluß zur koinzidenten Aufnahme sowohl der Elektronen- als auch der Ionensignale. (BM; ES) and an output connection connected to an analog-digital converter (61) for the coincident recording of both the electron and the ion signals.
9. Flugzeit-Massenspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenver¬ vielfacher (21, 22) Microsphere-Platten oder Vielkanalplatten sind. 9. Time-of-flight mass spectrometer according to one of the preceding claims, characterized in that the electron multipliers (21, 22) are microsphere plates or multi-channel plates.
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