DE4041297A1 - Verfahren und vorrichtung zum waehlen der aufloesung eines ladungsteilchenstrahl-analysators - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wäh­ len der Impuls- oder der Energieauflösung eines Impuls- oder Energieanlysators für geladene Teilchen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des An­ spruches 5 und insbesondere ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Wählen der Auflösung eines Magnetsektor-Mas­ senspektrometers.

Herkömmliche Energie- oder Impulsanalysatoren für Strah­ len geladener Teilchen (zum Beispiel Analysatoren mit elektrostatischem Sektor und/oder mit magnetischem Sek­ tor) bewirken eine Streuung des Strahls entlang einer Streuachse, so daß die Energie- oder Impulsauflösung durch die Breite einer auf dieser Achse befindlichen Auf­ lösungsöffnung bestimmt wird, durch die die Teilchen mit einer Energie bzw. einem Impuls innerhalb eines bestimm­ ten Bereichs an einen Detektor hindurchgelassen werden. Die meisten dieser Analysatoren besitzen außerdem entlang der Streuachse Fokussierungseigenschaften, derart, daß eine Bildebene existiert, in der ein Bild eines Gegen­ standes (der typischerweise durch eine in der Gegenstand­ sebene befindliche Einlaßöffnung gegeben ist) ausgebildet wird. Herkömmlicherweise ist die Auflösungsöffnung in der Bildebene lokalisiert, was für eine bestimmte Auflösung den maximal möglichen Durchlassungsgrad zur Folge hat.

In einem solchen Analysator wird durch die Variation der Breite der Auflösungsöffnung die Auflösung des Analysa­ tors (mindestens innerhalb bestimmter Grenzen) geändert; wenn jedoch für die Erhöhung der Auflösung die Breite verringert wird, wird auch die Anzahl der durch die Öff­ nung hindurchgehenden geladenen Teilchen verringert. In vielen Analysatoren dieses Typs ist daher eine Auflö­ sungsöffnung (normalerweise ein Spalt) mit variabler Breite eingebaut, um so eine einstellbare Auflösung zu schaffen. Damit kann der Analysator entweder mit hoher Auflösung und niedrigem Durchlassungsgrad oder mit nied­ riger Auflösung und hohem Durchlassungsgrad betrieben werden. In vielen Fällen, insbesondere in Massenspektro­ metern, in denen Analysatoren mit magnetischem Sektor und/oder elektrostratischem Sektor eingebaut sind, ist ein kontinuierlich einstellbarer Spalt vorgesehen. Üb­ licherweise ist ein Mechanismus vorgesehen, mit dem die Breite des Spalts von außerhalb des Vakuumgehäuses des Analysators eingestellt werden kann.

Derartige Spalteinstellmechanismen sind zum Beispiel aus US 46 12 440-A, US 36 55 963-A, US 35 46 450-A und US 31 87 179-A bekannt. Ferner sind beispielsweise aus US 42 13 051-A Mechanismen bekannt, mit denen sowohl die Breite als auch die Position der Öffnung entlang der Streuachse eingestellt werden können. Alle diese Öff­ nungseinstellmechanismen enthalten entweder eine mechani­ sche Verbindung, die eine Bewegung von außerhalb des Va­ kuumgehäuses an die Öffnungsbacken überträgt, oder einen elektrischen Umformer, der ein elektrisches Signal direkt in eine Backenbewegung umwandelt (zum Beispiel ein Bime­ tallstreifen oder ein piezoelektrisches Bauelement). Fer­ ner ist bekannt, mehrere Öffnungen von unterschiedlicher Größe vorzusehen, beispielsweise in einer gleitenden Platte, die so angeordnet ist, daß durch die Verschiebung der Platte irgendeine aus diesen Öffnungen ausgewählte Öffnung eingesetzt werden kann. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus US 45 95 831-A bekannt, wo sie in ei­ nem Multikollektor-Isotopenverhältnis-Massenspektrometer eingesetzt wird. In diesem Spektrometer kommen in jeder Position der Platte mehrere Öffnungen gleichzeitig zum Einsatz, wobei jede Öffnung mit einem Kollektor ausge­ richtet ist, der daher Ionen mit einem bestimmten Mas­ sen/Ladungs-Verhältnis aufnimmt. Alle diese Auflösungs­ einstell- oder Auflösungswählsysteme des Standes der Technik erfordern die Verschiebung oder die Drehung von im Hochvakuum eingesetzten Teilen; obwohl die Geräte des Standes der Technik bis zu einem Grad entwickelt worden sind, bei dem ein korrekter Gebrauch ohne wiederholte Fehler möglich ist, ist die Schwierigkeit des Erreichens eines zuverlässigen Betriebs beachtlich. Weiterhin ist die Geschwindigkeit, mit der die Breite der Öffnung geän­ dert werden kann, systemimmanent begrenzt, selbst wenn der Mechanismus durch einen Elektromagneten oder einen Motor angetrieben wird. Es sind daher mehrere Versuche unternommen worden, eine Öffnung mit variabler effektiver Breite zu schaffen, bei der keine Bauteile bewegt werden müssen (siehe zum Beispiel die aus GB 13 18 210-A be­ kannte Anordnung elektrostatischer Linsen mit verstellba­ rer Brennweite, die in Verbindung mit einer festen Öff­ nung betrieben wird). Unglücklicherweise hat die Verwen­ dung eines solches Systems oftmals eine Zunahme der Fo­ kussierungsaberrationen zur Folge, die die maximale Auf­ lösung des Analysators begrenzen können.

Für die vorliegende Erfindung ist auch ein herkömmliches Detektorsystem für ein Massenspektrometer relevant, das in der Arbeit "Finnigan MAT MAT900 Mass Spectrometer" von Finnigan MAT, 1989, Westdeutschland, beschrieben ist. In dieses Detektorsystem ist ein Detektor vom Elektronenver­ vielfachertyp eingebaut, der in Verbindung mit einer ein­ zigen festen Auflösungsöffnung und einem positionsemp­ findlichen Multikanaldetektor betrieben wird. Die zwei Detektoren werden durch eine elektrostatische Ablenkung der Strahlen an den gewählten Selektor ausgewählt. In dem genannten Detektorsystem ist jedoch kein Spektrometer oder Analysator mit wählbarer Auflösung, was Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, vorgesehen, sondern viel­ mehr ein Mittel zum Auswählen zweier verschiedener Detek­ toren.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ver­ fahren zum Wählen der Auflösung eines Energie- oder Im­ pulsanalysators für geladene Teilchen zu schaffen, in dem keinerlei Bauteile im Vakuumgehäuse des Analysators be­ wegt werden müssen.

Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ladungsteilchen-Analysator zu schaffen, der mit diesem Verfahren betrieben werden kann.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Massenspektrometer mit wählbarer Auflösung zu schaf­ fen, das gemäß dem genannten Verfahren betrieben werden kann.

Die erste Aufgabe wird bei einem Verfahren der gattungs­ gemäßen Art erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens werden geladene Teilchen, die durch ir­ gendeine von zwei Öffnungen aus der Mehrzahl der Öffnun­ gen hindurchgehen, anschließend an ein einzelnes Mittel für die Aufnahme geladener Teilchen geführt. Das Aufnah­ memittel kann einen Ladungsteilchendetektor enthalten oder kann eine Linsenanordnung zum Übertragen der Teil­ chen an einen weiteren Analysator sein. Wenn weiterhin die Mehrzahl der Öffnungen mehr als zwei Öffnungen um­ faßt, werden die geladenen Teilchen, die durch irgendeine dieser Öffnungen hindurchgehen, vorzugsweise zum selben Aufnahmemittel geführt.

Auf diese Weise kann die Auflösung des Analysatorfeldes durch die Führung des gestreuten Strahls durch irgendeine der mehreren Öffnungen verschiedener Größe und die nach­ folgende Aufnahme des Strahls mit einem einzigen Detektor geändert werden.

Durch die Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, in dem die gewählte Eigenschaft die Energie und das Analysator­ feld ein elektrostatisches Feld ist; erfindungsgemäß wird jedoch auch ein Verfahren geschaffen, in dem die gewählte Eigenschaft der Impuls und das Analysatorfeld ein Magnet­ feld ist. Ferner wird durch die Erfindung ein Verfahren für die Massenspektralanalyse eines Ionenstrahls geschaf­ fen, wobei ein Analysatorfeld verwendet wird, in dem die Massenauflösung auf die oben beschriebene Weise gewählt werden kann. In diesem letzteren Verfahren kann das Ana­ lysatorfeld ein Magnetfeld oder sowohl ein elektrostati­ sches Feld als auch ein Magnetfeld oder Kombinationen von mehr als einem elektrostatischem Feld und/oder mehr als einem Magnetfeld, durch die sich die Ionen nacheinander bewegen, umfassen. Alternativ kann wenigstens ein Element des Analysatorfeldes gekreuzte elektrostatische und ma­ gnetische Felder, beispielsweise ein Wien-Filter, enthal­ ten.

In weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungs­ gemäßen Verfahrens besitzt das Analysatorfeld Fokussie­ rungseigenschaften, derart, daß von einem die Quelle der zu analysierenden geladenen Teilchen umfassenden Gegen­ stand auf wenigstens einer Achse in einer Bildebene ein Bild fokussiert wird. In einem solchen Fall wird das er­ findungsgemäße Auflösungsöffnungselement vorteilhaft in der Bildebene angeordnet.

Die an zweiter Stelle genannte Aufgabe wird bei einem Analysator der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 5.

Ein Analysator gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält ein einziges Mittel für die Auf­ nahme geladener Teilchen, die durch irgendeine von zwei Öffnungen der Mehrzahl der Öffnungen gegangen sind. Das Aufnahmemittel kann einen Ladungsteilchen-Detektor oder eine Linsenanordnung für die Durchlassung der geladenen Teilchen an einen weiteren Analysator umfassen. Wenn das Auflösungsöffnungselement mehr als zwei Öffnungen be­ sitzt, kann das Aufnahmemittel vorzugsweise die geladenen Teilchen aufnehmen, die durch irgendeine der Öffnungen gegangen sind.

Der erfindungsgemäße Analysator kann ein Energieanalysa­ tor sein und Mittel zur Erzeugung eines elektrostatischen Analysatorfeldes enthalten oder er kann ein Impulsanaly­ sator sein und Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes enthalten. Das Analysatorfeld kann auch zwei oder mehr elektrostatische oder magnetische Felder aufweisen, durch die sich die geladenen Teilchen nacheinander bewegen. In diesen Fällen kann das Auflösungsöffnungselement so ange­ ordnet werden, daß die in ihm geschaffenen Öffnungen die Auflösung irgendeines oder irgendeiner Kombination der Felder definieren. Es liegt ferner im Umfang der vorlie­ genden Erfindung, Mittel für die Schaffung eines Analysa­ torfeldes, das gekreuzte elektrostatische und magnetische Felder umfaßt, beispielsweise ein Wien-Filter, vorzuse­ hen.

Die erwähnte dritte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Massenspektrometer mit wählbarer Auflösung, das Mittel zur Erzeugung eines Ionenstrahls und zur Beschleu­ nigung dieser Ionen auf eine im wesentlichen konstante Energie und einen Analysator mit wählbarer Auflösung, wie er oben definiert worden ist, umfaßt, wobei das Analysa­ torfeld ein Magnetfeld ist und die gewählte Eigenschaft der Impuls ist und wobei jede der Öffnungen im Auflö­ sungsöffnungselement eine Breite besitzt, die so gewählt wird, daß eine bestimmte Massenauflösung des Analysators gegeben ist.

In einem Spektrometer gemäß einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform der vorliegenden Erfindung ist für den Nachweis der Ionen, die durch irgendeine von zwei Öffnungen der Mehrzahl der Öffnungen gegangen sind, ein einziges Mittel für den Ionennachweis vorgesehen. Wenn mehr als zwei Öff­ nungen vorgesehen sind, sollten die Ionennachweismittel vorzugsweise die Ionen nachweisen können, die durch ir­ gendeine der Öffnungen gegangen sind; es liegt jedoch auch im Umfang der vorliegenden Erfindung, weitere Nach­ weismittel für den Nachweis von Ionen, die durch andere als die zwei dem ersten Nachweismittel zugehörigen Öff­ nungen gegangen sind, vorzusehen.

In weiteren bevorzugten Ausführungsformen der erfindungs­ gemäßen Analysatoren oder Spektrometer kann das Analysa­ torfeld Fokussierungseigenschaften besitzen, die die Aus­ bildung eines wenigstens entlang einer Achse in einer Bildebene fokussierten Bildes zur Folge haben. In einem solchen Fall, kann das Auflösungsöffnungselement vorzugs­ weise so angeordnet werden, daß sich wenigstens eine der Öffnungen in der Bildebene befindet.

In irgendeinem der beschriebenen Analysatoren oder Spek­ trometer sind die Öffnungen des Auflösungsöffnungselemen­ tes entlang einer Achse, die zur Analysatorebene im we­ sentlichen senkrecht ist, geeigneterweise übereinander angeordnet, außerdem können die Mittel zum Führen der das Analysatorfeld verlassenden geladenen Teilchen ein elek­ trostatisches Feld umfassen, das die gleiche Richtung wie diese Achse besitzt. Auf diese Weise können die geladenen Teilchen durch die gewünschte Öffnung geführt werden, ohne daß die Streuung des Strahls in der Analysatorebene merklich beeinflußt wird. Daher kann die Auflösung des Analysators nahezu augenblicklich geändert werden, indem das elektrische Feld so eingestellt wird, daß es den Strahl durch irgendeine gewünschte Öffnung führt, und in­ dem die geladenen Teilchen, die durch die Öffnung gelan­ gen sind, anschließend nachgewiesen werden.

Um den Effekt jeglicher Defokussierungen in der Analysa­ torebene, die als Folge einer leichten Fehlausrichtung oder Inhomonogenität des elektrostatischen Führungsfeldes auftreten könnten, zu minimieren, kann die kleinste Öff­ nung (d. h. diejenige, die die höchste Auflösung ergibt) so angeordnet werden, daß für den Durchgang der geladenen Teilchen durch sie kein Führungsfeld erforderlich ist. Die der niedrigsten Auflösung entsprechende Öffnung kann so angeordnet werden, daß für die Führung der Ionen durch sie hindurch die größte Ablenkung erforderlich ist. Alle weiteren Öffnungen können geeignet zwischen der Öffnung mit geringster Breite und der Öffnung mit größter Breite angeordnet werden.

Die Öffnungen im Auflösungsöffnungselement können vonein­ ander durch einen massiven Bereich des Auflösungsöff­ nungselementes getrennt sein oder entlang einer zur Ana­ lysatorebene senkrechten Achse miteinander verbunden sein, um so eine einzige langgestreckte Öffnung mit ver­ schiedenen Breiten in verschiedenen Abständen von der Ebene zu bilden. Wenn eine solche langgestreckte Öffnung über wenigstens einen Teil ihrer Länge kontinuierlich ko­ nisch zuläuft, kann ein Analysator oder Spektrometer mit kontinuierlich veränderbarer Auflösung geschaffen werden.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist ein ein­ ziges Mittel für die Aufnahme (oder den Nachweis) der ge­ ladenen Teilchen vorgesehen, dieses Mittel kann jedoch zwei oder mehr Detektoren umfassen. Ferner sind Mittel vorgesehen, mit denen die geladenen Teilchen unabhängig davon, durch welche Öffnungen sie gegangen sind, in jeden oder in irgendeinen der Detektoren geführt werden. Bei­ spielweise kann das Aufnahmemittel sowohl einen Detektor vom Elektronenvervielfachertyp als auch einen Detektor vom Faradaykäfig-Typ umfassen und mit einem elektrostati­ schen Ablenkmittel ausgerüstet sein, um die von irgendei­ ner der Öffnungen im Auflösungsöffnungselement empfange­ nen, geladenen Teilchen in jeden der Detektoren zu füh­ ren. Typischerweise ist das durch das elektrostatische Ablenkmittel erzeugte Feld senkrecht zu dem Feld orien­ tiert, das für die Führung der geladenen Teilchen durch die gewählte Öffnung verwendet wird. Dies hat einen sehr kompakten Aufbau des Aufnahmemittels zur Folge.

Nun wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsfor­ men mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen

Fig. 1A, B eine Seitenansicht und eine Draufsicht der Bahn der durch einen erfindungsgemäßen Analy­ sator sich bewegenden geladenen Teilchen;

Fig. 1C eine Draufsicht eines TeiIs der Bahn der durch einen Analysator sich bewegenden ge­ ladenen Teilchen, wobei der Analysator ähn­ lich demjenigen der Fig. 1A und 1B ausgebil­ det ist, jedoch einen anderen Analysatorfeld­ typ besitzt;

Fig. 2A-D verschiedene Typen von Auflösungsöffnungsele­ menten, die für die Verwendung im in den Fig. 1A-1C gezeigten Analysator geeignet sind;

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Massenspek­ trometers, der einen erfindungsgemäßen Analy­ sator enthält; und

Fig. 4 eine Detailansicht einer Elektrodenanordnung, die in dem in Fig. 3 gezeigten Spektrometer verwendet wird.

Wie in den Fig. 1A und 1B gezeigt, bewirkt ein allgemein mit 1 bezeichnetes Analysatorfeld, das schematisch durch die Pfeile 2 und die Punkte 3 in der Seitenansicht (Fig. 1A) bzw. in der Draufsicht (Fig. 1B) dargestellt wird, eine Streuung der geladenen Teilchen 4 in einer Analysa­ torebene 5 oder in einer zur Ebene 5 parallelen Ebene, während es in einer zur Ebene 5 senkrechten Richtung 21 im wesentlichen keine Streuung bewirkt. Das Analysator­ feld 1 kann eine Streuung der geladenen Teilchen im Strahl 4 entweder nach ihrer Energie oder nach ihrem Im­ puls bewirken. Im letzteren Fall, der in den Fig. 1A und 1B erläutert wird, ist ein Magnetfeld im wesentlichen senkrecht zur Analysatorebene 5 orientiert. Im ersteren Fall kann das Analysatorfeld ein elektrostatisches Feld 6 besitzen, das zwischen einem Paar von zylindrischen Sek­ torelektroden 7 ausgebildet wird, wie in Fig. 1C gezeigt ist.

Ein Auflösungsöffnungselement 8 umfaßt eine Mehrzahl von Öffnungen 9 und 17, die entlang einer zur Analysatorebene 5 im wesentlichen senkrechten Achse in einem gegenseiti­ gen Abstand angeordnet sind. Jede Öffnung besitzt eine Breite 10 (gemessen in einer zur Analysatorebene 5 paral­ lelen Ebene), die die Auflösung des Analysatorfeldes 1 festlegt, indem sie nur einem ausgewählten Teil des ge­ streuten Ladungsteilchenstrahls 12 den Durchgang durch das Element 8 erlaubt, um ein Mittel 13 für die Aufnahme der geladenen Teilchen zu erreichen. In den meisten Fäl­ len umfaßt das Mittel 13 einen Ladungsteilchen-Detektor, alternativ hierzu kann das Mittel jedoch beispielsweise ein elektrostatisches Linsensystem für die Übertragung der geladenen Teilchen an ein weiteres Gerät wie etwa einen weiteren Analysator aufweisen.

Ein Mittel 14, das wenigstens einige der geladenen Teil­ chen führt, die das Analysatorfeld 1 durch irgendeine ausgewählte Öffnung der Öffnungen 9 und 17 verlassen ha­ ben, umfaßt typischerweise ein Paar von Ablenkelektroden 15 und 16, an die Potentiale angelegt werden, derart, daß der Strahl wie gezeigt durch die ausgewählte Öffnung ab­ gelenkt wird. Die Öffnung 9 ist so angeordnet, daß die das Feld 1 verlassenden Teilchen ohne Ablenkung durch das Mittel 14 durch sie hindurchgehen können und anschließend zu dem Mittel 13 für die Aufnahme der geladenen TeiIchen geführt werden. Diese Öffnung sollte die Öffnung mit der geringsten Breite aus der Mehrzahl der Öffnungen sein, d. h. diejenige, die die höchste Auflösung des Analysators liefert; dann werden jegliche Aberrationen, die durch die Betätigung des Mittels 14 auftreten können, auf niedri­ gere ausgewählte Auflösungen eingeschränkt, in denen ihre Auswirkung weniger bedeutsam ist.

In den meisten Fällen besitzt das Analysatorfeld 1 sowohl Fokussierungseigenschaften als auch Streuungseigenschaf­ ten, so daß beispielsweise die entlang der zwei extremen Bahnen 49 und 50 sich bewegenden geladenen TeiIchen im gleichen Punkt in einer Bildebene fokussiert werden. Für eine maximale Leistung wird das Auflösungsöffnungselement 8 so angeordnet, daß wenigstens eine Öffnung 9 bzw. 17 mit der Bildebene ausgerichtet ist.

Wenn das Mittel 13 für die Aufnahme der geladenen Teil­ chen einen Ladungsteilchen-Detektor wie etwa einen Elek­ tronenvervielfacher, einen Kanalplatten- oder einen Fara­ daykäfig-Detektor aufweist, soIIte sich seine aktive FIä­ che ausreichend weit erstrecken, damit es geladene Teil­ chen von wenigsten zwei Öffnungen, zum Beispiel 9 und 17, im Auflösungsöffnungselement 8 aufnehmen kann. Wenn mehr Öffnungen vorgesehen sind, kann es vorteilhaft sein, zu­ sätzliche Detektoren vorzusehen, im allgemeinen werden jedoch vorzugsweise sämtliche geladenen Teilchen durch einen einzigen Detektor aufgenommen. Um dies zu erleich­ tern, kann das Mittel 13 ein Linsen- oder Strahlablen­ kungssystem enthalten, mit dem die geladenen Teilchen von der Öffnung auf einen Detektor mit einer verhältnismäßig kleinen aktiven Fläche gebündelt werden.

Das Mittel 14 für die Führung der geladenen Teilchen wirkt entlang einer Achse, die im wesentlichen senkrecht zur Analysatorebene 5 orientiert ist. Dadurch wird ge­ währleistet, daß die durch das Mittel 14 erzeugte Feld­ komponente im Analysatorfeld 5 im wesentlichen Null ist, so daß es die Streuung der geladenen Teilchen durch das Analysatorfeld 1 in den zur Ebene 5 parallelen Ebenen nicht stört. Die Wirkung irgendeiner Reststörung wird je­ doch dadurch minimiert, daß die kleinste Öffnung (d. h. diejenige mit der höchsten Auflösung) in einer Ebene 5 so positioniert wird, daß für den Durchgang von geladenen Teilchen durch sie kein durch das Mittel 14 bewirktes Führungsfeld erforderlich ist.

In den Fig. 2A bis 2D sind mehrere Ausführungsformen des Auflösungsöffnungselementes 8 gezeigt, die in der vorlie­ genden Erfindung verwendet werden können. In Fig. 2A ist ein Öffnungenelement 8 gezeigt, das vier getrennte Öff­ nungen 9, 17, 18 und 19 mit verschiedenen Breiten be­ sitzt. Jede Öffnung 9, 17, 18 oder 19 entspricht einer bestimmten Auslösung des Analysatorfeldes 1. In Fig. 2B ist eine Gruppe von vier Öffnungen mit verschiedenen Breiten gezeigt, die ohne gegenseitige Trennung als ge­ stufte Öffnung 20 angeordnet sind, wobei die gestufte Öffnung 20 durch eine gegenüber dem in Fig. 2A gezeigten Element kleinere Strahlablenkung vier verschiedene Auflö­ sungen schafft. In dem in Fig. 2B gezeigten Element ist jedoch in der zur Ebene 5 senkrechten Richtung 21 eine größere Strahlkollimation erforderlich, um zu verhindern, daß geladene Teilchen, die durch Öffnungen mit von der gewählten Öffnung verschiedenen Breiten gehen, auf das Mittel für die Aufnahme der geladenen Teilchen auftref­ fen. Die Kollimation in der Richtung 21 kann vorteilhaft durch eine oder mehrere Strahlhöhen-Beschränkungseinrich­ tungen 22 (Fig. 1A) bewerkstelligt werden, die vor dem Strahlführungsmittel 14 angeordnet sind.

Die Verwendung eines Auflösungsöffnungselementes 8 in der in Fig. 2C oder in der in Fig. 2D gezeigten Form ermög­ licht eine kontinuierlich veränderbare, erzielbare Auflö­ sung, sofern die Strahlhöhe im Vergleich zur Länge der konischen Öffnungen 23 oder 24 relativ klein ist. Es kann eine einfache dreieckige Öffnung 23 (Fig. 2C) verwendet werden, in der die Spaltbreite (und daher die Auflösung) angenähert proportional zum Ablenkungsgrad des Strahls außerhalb der Ebene 5 ist. Eine gekrümmte Öffnung 24 (Fig. 2D) liefert jedoch mit großer Wahrscheinlichkeit besser geformte Peaks, insbesondere dann, wenn sie in der niedrigsten Auflösungsposition so breit ist, daß die Peaks eine "flache Spitze" besitzen. Selbstverständlich können andere Formen der Öffnung des Elementes 8 für an­ dere Anwendungen besser geeignet sein.

In Fig. 3 ist ein erfindungsgemäßes Massenspektrometer gezeigt. Dieses Massenspektrometer umfaßt ein Mittel 25 zum Erzeugen eines Ionenstrahls 4 (zum Beispiel eine her­ kömmliche Elektronenstoß-lonenquelle). Die Ionen im Strahl 4 werden kraft einer festen Potentialdifferenz, die zwischen der Ionenkammer 51 der Quelle und einer geerdeten Austrittselektrode 52 anliegt, auf eine im we­ sentlichen konstante Energie beschleunigt. Die im Strahl 4 enthaltenen Ionen treten dann in ein zwischen den Polen 27 eines Elektromagneten 28 erzeugtes Analysatormagnet­ feld ein. Ein evakuiertes Gehäuse 29 enthält in seinen die elektromagnetischen Pole 27 aufnehmenden oberen und unteren Flächen Öffnungen. Die Pole 27 sind in den Öff­ nungen des Gehäuses 29 mittels Dichtungen dicht einge­ setzt, so daß gewährleistet ist, daß das Gehäuse 29 vaku­ umdicht ist. Auf diese Weise kann das Instrument kompak­ ter hergestellt werden, ferner kann der Abstand zwischen den Polen 27 minimiert werden.

Der Elektromagnet 28 spaltet den Strahl 4 in einen ge­ streuten Strahl 12 auf, der in eine Elektrodenanordnung 30 (die später im einzelnen beschrieben wird) eintritt, in die das Auflösungsöffnungselement 8 eingebaut ist. Wenn der Ionenstrahl durch die ausgewählte Öffnung im Element 8 hindurchgegangen ist, wird er entweder an einen Faradaykäfig-Detektor 31 oder an einen Kanalplattenver­ vielfacher-Detektor 32, die unten erläutert werden, ge­ führt. Die Elektrodenanordnung 30 und die Dektoren 31 und 32 sind in einem evakuierten Kollektorgehäuse 33 enthal­ ten.

Die Elektrodenanordnung 30 ist genauer in Fig. 4 gezeigt, die einen Aufriß des Kollektorgehäuses 33 des in Fig. 3 gezeigten Spektrometers darstellt. Am Sockel 34 des Ge­ häuses 33 ist eine Haltestütze 35 befestigt, die vier Isolierstäbe 36 und vier Metallstäbe 37 trägt, die sich in entgegengesetzten Richtungen von der Stütze 35 weg er­ strecken. Die vier Stäbe 37 tragen metallische Abstand­ halter 38 und 40, einen Linsenhaltering 39 und einen aus rostfreiem Stahl hergestellten, geerdeten Schirm 41. Der Haltering 39 wiederum trägt einen Isolator 42, an dem vier kurze Stabelektroden 43 angebracht sind, die eine elektrostatische Quadrupollinse umfassen. An diese Linse werden Potentiale angelegt, die so gewählt sind, daß die Fokussierungseigenschaften des Magnetsektoranalysators optimiert werden. Sie ist insbesondere in dem in Fig. 3 gezeigten Spektrometer nützlich, weil die Position der Magnetpole 27 fest ist, so daß es unmöglich ist, die Brennweite des Analysators auf herkömmliche Weise (d. h. durch die Bewegung der Pole 27 relativ zur Position des Strahls 4) einzustellen.

An der Stütze 35 ist eine Strahlhöhen-Beschränkungsein­ richtung 22, die eine Öffnung 44 aufweist, befestigt. Die Höhe der Öffnung 44 (gemessen in einer zur Analysatore­ bene 5 senkrechten Richtung) schafft in Verbindung mit derjenigen der Öffnung im Schirm 41 in der Richtung 21 (Fig. 1A) eine Ionenstrahlkollimation und gestattet die Verwendung dessen in Fig. 2B gezeigten Öffnungenelementes 8 von kompakter Bauweise.

Die Isolierstäbe 36 tragen die Ablenkelektroden 15 und 16, die für die Führung des Strahls durch die geeignete Öffnung im Element 8 verwendet werden. Die Stäbe 36 tra­ gen ferner eine Schirmelektrode 45 und ein Paar von "Y"- Ablenkelektroden 48. Die Isolationsabstandhalter 53 wer­ den für die Trennung der verschiedenen Bauteile an den Stäben 36 verwendet. Die "Y"-Ablenkelektroden 48 werden für die Führung des aus der ausgewählten Öffnung im Ele­ ment 8 austretenden Strahls an den geeigneten Detektor der Detektoren 31 oder 32 benutzt. Jeder der Detektoren 31 und 32 kann die Ionen aufnehmen, die durch eine der Öffnungen im Element 8 hindurchgegangen sind. Der Fara­ daykäfig-Detektor 31, der in Fig. 4 gezeigt ist, ist ein herkömmlicher Detektor, der von einer Detektorhaltestütze 46 getragen wird. Er umfaßt einen vollständig abgeschirm­ ten Ionensammelkäfig, an dem Magneten 47 und eine negativ vorgespannte Bremselektrode 54 (Fig. 3) angebracht sind, um den Sekundärelektronenverlust zu minimieren, der ande­ renfalls Fehler bei der Messung des Ionenstroms verursa­ chen könnte. Der (nur in Fig. 3 gezeigte) Kanalplatten­ vervielfacher-Detektor 32 ist ebenfalls von herkömmlicher Bauart und umfaßt vor einer einzigen plattenähnlichen Kollektorelektrode einen Kanalplatten-Elektronenverviel­ facher. Diese Anordnung wird vorzugsweise mit einem her­ kömmlichen Einzelkanal-Elektronenvervielfacher verwendet, weil die ausgedehntere Ionenansprechfläche der Kanal­ platte die Möglichkeit schafft, daß der Detektor die Io­ nen von sämtlichen Öffnungen im Element 8 ohne nennens­ werte Empfindlichkeitsabnahme empfängt.

Im Betrieb wird der aus dem Element 8 austretende Ionen­ strahl unter Anwendung einer Potentialdifferenz zwischen den "Y"-Ablenkungselektroden 48 in den gewählten Detektor gelenkt. Wie im Stand der Technik wird der Fararaykäfig- Detektor 31 dann verwendet, wenn eine genaue Messung des Ionenstroms erforderlich ist, während der Vervielfacher- Detektor 32 verwendet wird, wenn ein schnelles Ansprech­ verhalten, beispielsweise beim schnellen Abtasten des Massenspektrums, gefordert ist.

Eine typische Anwendung des in den Fig. 3 und 4 gezeigten Spektrometers stellt die quantitative Analyse eines Gas­ gemischs dar, bei der die maximal geforderte Massenauflö­ sung bei ungefähr 200 liegt. Bei dieser Anwendung sind für das Auflösungsöffnungselement 8 nur zwei Öffnungen mit verschiedener Breite erforderlich, wobei eine Öff­ nung, die sich in der Ebene 5 befindet, eine Auflösung von 200 und die andere eine Auflösung von ungefähr 100 liefert, so daß Messungen von Ionen mit einem Mas­ sen/Ladungs-Verhältnis von 100 unter Verwendung der brei­ teren Öffnung ausgeführt werden, während Messungen von Ionen mit einem Massen/Ladungs-Verhältnis zwischen 100 und 200 unter Verwendung der schmaleren Öffnung ausge­ führt werden. Beide Öffnungen können ausreichend breit gemacht werden, damit die Peaks eine flache Spitze besit­ zen, wodurch die Genauigkeit, mit der die Peaks auf der Öffnung zentriert werden müssen, abgesenkt werden kann, während deren Höhe festliegt, so daß die Langzeit-Stabi­ litätsforderungen des Analysators und seiner Leistungs­ versorgung leichter erfüllt werden können.

In diesen Fällen sind die Aberrationen, die sich ergeben, wenn der Strahl für den Durchgang durch die breitere Öff­ nung im Element 8 aus der Ebene 5 abgelenkt wird, unbe­ deutend, so daß die Winkelablenkungen sehr groß gemacht werden können. Dies führt zu einem sehr kompakten Detek­ toraufbau; es wird jedoch zugegeben werden, daß die Er­ findung auch auf Spektrometer mit sehr viel höherer Auf­ lösung anwendbar ist. Bei einer höheren Auflösung ist es jedoch erforderlich, den maximalen Ablenkwinkel zu be­ grenzen, um die Aberrationen auf einem ausreichend nied­ rigen Wert zu halten, was wiederum die Vergrößerung des Abstandes zwischen den Ablenkelektroden 15 und 16 und dem Auflösungsöffnungselement 8 zur Folge hat. Dies muß beim Entwurf der Fokussierungseigenschaften des Spektrometer berücksichtigt werden, weil das Element 8 typischerweise in der Bildebene des Spektrometers angeordnet wird.

Claims (13)

1. Verfahren zum Analysieren eines Strahls von ge­ ladenen Teilchen entsprechend einer Eigenschaft, die aus der die Energie und den Impuls enthaltenden Gruppe ausge­ wählt wird, wobei in dem Verfahren die geladenen Teilchen in ein Analysatorfeld (1) eintreten, in dem sie entspre­ chend der gewählten Eigenschaft in einer Analysatorebene (5) gestreut, jedoch in einer zur Analysatorebene (5) senkrechten Richtung (21) im wesentlichen nicht gestreut werden, und anschließend wenigstens einige der geladenen Teilchen durch eine Öffnung (9, 17) hindurchgehen, deren gewählte Breite die Auflösung des Analysatorfeldes (5) in bezug auf die gewählte Eigenschaft bestimmt, gekennzeichnet durch den zusätzli­ chen Schritt des Führens wenigstens einiger der das Analysa­ torfeld (5) verlassenden geladenen Teilchen durch irgend­ eine ausgewählte Öffnung der Mehrzahl der Öffnungen (8, 9, 17, 18, 19) mit verschiedenen Breiten, die sich in un­ terschiedlichen Abständen von der Analysatorebene (5) be­ finden, wobei die Auflösung des Analysatorfeldes (5) durch die Wahl der Öffnung variiert werden kann.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die geladenen Teilchen durch irgendeine von zwei Öffnungen (9, 17) und anschließend an ein einziges Mittel (13) für die Aufnahme der geladenen Teilchen geführt wer­ den können.

3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die gewählte Eigenschaft der Impuls ist und das Analysatorfeld (1) ein Magnetfeld (2, 3) umfaßt, wobei die Massenauflösung des Magnetfeldes (2, 3) entsprechend der gewählten Öffnung festgelegt wird.

4. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Analysatorfeld die geladenen Teilchen wenigsten entlang einer Achse in einer Bildebene fokussiert, in der wenigstens eine der Öffnun­ gen (9, 17) angeordnet ist.

5. Analysator mit wählbarer Auflösung zur Analyse eines Strahls (4) von geladenen Teilchen entsprechend ei­ ner Eigenschaft, die aus der die Energie und den Impuls enthaltenden Gruppe ausgewählt wird, mit

• a) einem Mittel (27, 28) zum Erzeugen eines Ana­ lysatorfeldes (1), das die Teilchen entsprechend der Ei­ genschaft in einer Analysatorebene (5) streut, jedoch die geladenen Teilchen in einer zur Analysatorebene (5) senk­ rechten Richtung (21) im wesentlichen nicht streut;
• b) einem Mittel (25), das den Strahl (4) der ge­ ladenen Teilchen dazu veranlaßt, in das Analysatorfeld (1) einzutreten, um darin entsprechend der gewählten Ei­ genschaft gestreut zu werden; und
• c) einem Auflösungsöffnungselement (8), das am Ausgang des Analysatorfeldes (1) angeordnet ist und we­ nigstens eine Öffnung (9, 17) umfaßt, deren gewählte Breite die Auflösung des Analysatorfeldes (1) in bezug auf die Eigenschaft bestimmt, wobei durch die Öffnung (9, 17) wenigstens einige der geladenen Teilchen hindurchge­ hen, nachdem sie das Analysatorfeld (1) verlassen haben, gekennzeichnet durch
• a) die Ausbildung einer Mehrzahl von Öffnungen (8, 9, 17, 18, 19; 20; 23; 24) im Auflösungsöffnungsele­ ment (8), wobei sich die einzelnen Öffnungen in unter­ schiedlichen Abständen von der Analysatorebene (5) befin­ den; und
• b) ein Mittel zum Führen von wenigstens einigen der aus dem Analysatorfeld (1) austretenden geladenen Teilchen durch irgendeine der Öffnungen der Mehrzahl der Öffnungen (8, 9, 17, 18, 19; 20; 23; 24), wobei die Auf­ lösung des Analysators durch die gewählte Öffnung be­ stimmt wird.

6. Analysator mit wählbarer Auflösung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges Mittel (13) für die Aufnahme der geladenen Teilchen vorgesehen ist, das die geladenen Teilchen, die durch irgendeine von we­ nigstens zwei Öffnungen der Mehrzahl der Öffnungen gegan­ gen sind, aufnimmt.

7. Massenspektrometer mit wählbarer Auflösung, mit

• a) einem Mittel (25) zum Erzeugen eines Ionen­ strahls (4) und zum Beschleunigen desselben auf eine im wesentlichen konstante Energie; und
• b) einem Analysator mit wählbarere Auflösung ge­ mäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Analysatorfeld (1) ein Magnetfeld (2, 3) ist, die gewählte Eigenschaft der Impuls ist und jede Öffnung im Auflösungsöffnungselement (8) eine Breite besitzt, die eine bestimmte Massenauflösung des Analysators festlegt.

8. Massenspektrometer mit wählbarer Auflösung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld (2, 3) Ionen mit unterschiedlichen Massen/Ladungs-Ver­ hältnissen in einer Bildebene fokussiert und wenigstens eine der Öffnungen (9, 17) in der Bildebene angeordnet ist.

9. Massenspektrometer mit wählbarer Auflösung gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Auflösungsöffnungselement (8) zwei Öffnungen (9, 17) mit unterschiedlichen Breiten aufweist, die voneinander getrennt sind und in verschiedenen Abständen von der Ana­ lysatorebene (5) angeordnet sind.

10. Massenspektrometer mit wählbarer Auflösung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen im Auflösungsöffnungselement (8) entlang einer zur Analysatorebene (59) im wesentlichen senkrechten Achse übereinander angeordnet sind und das Mittel (14) zum Führen wenigsten einiger der geladenen Teilchen ein elektrostatisches Feld umfaßt, das in Richtung dieser Achse orientiert ist, wobei das Feld so eingestellt wer­ den kann, daß die geladenen Teilchen durch irgendeine ge­ wählte Öffnung der Mehrzahl der Öffnungen hindurchgeführt werden.

11. Massenspektrometer mit wählbarer Auflösung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch Mittel (31, 32) zum Nachweis der Ionen, die so angeordnet sind, daß sie die Ionen aufnehmen, die durch eine von wenig­ stens zwei der Mehrzahl der Öffnungen hindurchgegangen sind.

12. Massenspektrometer mit wählbarer Auflösung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mittel zum Nachweis der Ionen sowohl einen Elektronenvervielfacher (32) als auch einen Faradaykäfig- Detektor (31) umfassen, und
Mittel (48) vorgesehen sind, die die Ionen entwe­ der in den Elektronenvervielfacher (32) oder in den Fara­ daykäfig-Detektor (31) führen, nachdem sie durch irgend­ eine gewählte Öffnung der Mehrzahl der Öffnungen hin­ durchgegangen sind.

13. Massenspektrometer mit wählbarer Auflösung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (48) zum Führen der durch irgendeine gewählte Öffnung der Mehrzahl der Öffnungen hindurchgegangenen Ionen ein elek­ trostatisches Feld umfaßt, das so eingestellt werden kann, das die Ionen entweder in den Elektronenvervielfa­ cher (32) oder in den Faradaykäfig-Detektor (31) geführt werden.