DE3522340A1

DE3522340A1 - Linsenanordnung zur fokussierung von elektrisch geladenen teilchen und massenspektrometer mit einer derartigen linsenanordnung

Info

Publication number: DE3522340A1
Application number: DE19853522340
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Jung
Original assignee: Finnigan MAT GmbH
Current assignee: Finnigan MAT GmbH
Priority date: 1985-06-22
Filing date: 1985-06-22
Publication date: 1987-01-02
Also published as: DE3522340C2; GB2178893B; US4766314A; GB2178893A; GB8608726D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Linsenanordnung zur Fokussierung eines Strahles von elektrisch geladenen Teilchen im Strahlengang von Abbildungssystmen, insbesondere in Massenspektrometern zur Untersuchung von organischen und anorganischen Substanzen, wobei die Linsenanordnung an eine elektrische Spannungsversorgung angeschlossen ist. Die Erfindung betrifft ferner ein doppelfokussierendes Massenspektrometer, mit einer Ionenquelle, mit einem Abbildungssystem, bestehend aus einem Sektorfeldmagneten, einem elektrostatischen Analysator und anderen ionenoptischen Elementen in beliebiger Reihenfolge, mit nachgeschaltetem Detektor für die zu untersuchenden Teilchen von organischen und anorganischen Substanzen.

Bei Abbildungssystmen für elektrisch geladene Teilchen, insbesondere bei doppelfokussierenden Massenspektrometern der eingangs genannten Art, treten dann, wenn man große Öffnungswinkel, große Strahlhöhen oder große Energiebreiten bei dem elektrisch geladenen Teilchenstrahl zulassen will, in der Praxis Fokussierungsprobleme auf. Es spielen dann nämlich nicht nur die Bildfehler erster Ordnung eine Rolle, sondern auch die Bildfehler zweiter Ordnung, die dann keinesfalls mehr vernachlässigbar sind. In diesen Fällen sollte daher sowohl eine Richtungsfokussierung zweiter Ordnung als auch eine Energiefokussierung zweiter Ordnung vorgenommen werden, damit die Massenauflösung durch Bildfehler zweiter Ordnung nicht beeinträchtigt wird.

Es gibt zwar Analysatoren in derartigen Abbildungssystemen, die eine Doppelfokussierung zweiter Ordnung ermöglichen, jedoch bringen die bisher bekannten speziellen Ausführungsformen in der Praxis gewisse Nachteile mit sich. Beispielsweise muß bei vorgegebenem Radius des Sektorfeldmagneten ein sehr großer elektrostatischer Analysator verwendet werden, so daß insgesamt große Abmessungen, ein großer Magnet-Ablenkwinkel und damit ein teurer Magnet erforderlich sind. Häufig ist dabei nur eine Fokussierung in einer Achsenrichtung eines Koordinatensystems möglich, während eine Fokussierung in der dazu senkrechten Achsenrichtung nicht möglich ist.

Zur Erläuterung der Problematik sollen die Verhältnisse zunächst allgemein unter Bezugnahme auf Fig. 6 der Zeichnung erläutert werden. Ein wichtiges Qualitätsmerkmal eines Massenspektrometers ist seine Massenauflösung, die durch nachstehende Formel gegeben ist: wobei folgende Bezeichnungen verwendet sind:
A _γ = Koeffizient der Massendispersion
A _x = Abbildungsvergrößerung in x-Richtung
S = Breite des Eintrittsspaltes in x-Richtung
Δ = Aberration infolge sämtlicher auftretener Bildfehler

Dabei ist, wie in Fig. 6 dargestellt, x die horizontale Koordinate, die in Ablenkrichtung liegt.

Als Strahlachse wird die Bahn eines sogenannten Referenzteilchens bezeichnet, das die gewünschte Masse und Energie besitzt. Das Koordinatensystem wird in die Bahn dieses Referenzteilchens gelegt. Somit hat das Referenzteilchen am Eintrittsspalt die Anfangskoordinaten
x ₀ = y ₀ = α ₀ = β ₀ = δ ₀ = q ₀ = 0
und am Austrittsspalt die Endkoordinaten
x ₁ = y ₁ = α ₁ = β ₁ = w ₁ = γ ₁ = 0.
Dabei haben die vorstehend verwendeten Bezeichnungen, wie sich aus Fig. 6 ergibt, die folgenden Bedeutungen:
x ₀ = halbe Breite des Objektspaltes
y ₀ = halbe Höhe des Objektspaltes
α ₀ = halber Öffnungszwindel in x-Richtung (in der Ablenkebene)
b ₀ = halber Öffnungswinkel in y-Richtung
δ ₀ = Energieabweichung mit δ ₀ = Δ E/E
γ ₀ = Massenabweichung mit γ ₀ = Δ m/m.

Ein geladenes Teilchen, z. B. ein Ion, das vom Eintrittsspalt mit bestimmten Anfangskoordinaten (mit dem Index 0 bezeichnet) in das Ablenkungssystem bzw. das Massenspektrometer eintritt, kommt am Austrittsspalt mit bestimmten Endkoordinaten an (mit dem Index 1 bezeichnet). Hierbei interessiert vorwiegend die Endkooridnate x ₁, da diese Abweichung in x-Richtung die Massenauflösung direkt beeinflußt. Die Endkoordinate x ₁ läßt sich durch folgende Gleichung beschreiben: Die verschiedenen Bildfehlerkoeffizienten sind dabei mit dem Buchstaben A und entsprechendem Index bezeichnet. Der Ausdruck für x ₁ entspricht in der vorstehend genannten Formel für die Massenauflösung dem mit Δ bezeichneten Term für die Aberration.

In einem doppelfokussierenden Massenspektrometer ist eine Richtungs- und Energiefokussierung erster Ordnung gegeben, so daß die Fehlerkoeffizienten A _α = A _δ = 0 sind.

A _x ist die Vergrößerung in x-Richtung, die bei normalen Geometrien des Abbildungssystems die Größenordnung Eins hat.

A _q bezieht sich auf die Massendispersion, die erwünscht ist, um verschiedene Massen trennen zu können.

Die übrigen angegebenen Koeffizienten sind Bildfehlerkoeffizienten zweiter Ordnung. Um daher die erwünschte Doppelfokussierung zweiter Ordnung zu erreichen, geht es darum, in dem Abbildungssystem sowohl den Koeffizienten A _αα für die Richtungsfokussierung als auch die Koeffizienten A _αδ und A _δδ für die Energiefokussierung auf den Wert 0 zu bringen oder zumindest vernachlässigbar klein zu machen.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Linsenanordnung anzugeben, mit der die Abbildung der Teilchen in dem Abbildungssystem bzw. in einem doppelfokussierenden Massenspektrometer verbessert wird. insbesondere zum Ausgleich der Energiedispersion der Teilchen.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine Linsenanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Linsenanordnung sich am Ort oder zumindest in der Nähe des vom Abbildungssystem erzeugten Zwischenbildes befindet, und daß die Linsenanordnung aus mehreren, einen Durchgangskanal für den Teilchenstrahl bildenden Linsenelementen aus Metallplatten, -blechen, -stäben od. dgl. besteht, die mit ihren Durchgangsöffnungen ausgefluchtet und in Strahlrichtung hintereinander angeordnet und an einstellbare elektrische Spannungen oder Ströme angeschlossen sind.

Die Linsenanordnung kann dabei als Schlitzlinse, Rohrlinse, rotationssymmetrische Linse, Ringfokuslinse, Zylinderlinse, Plattenlinse oder Rechteck-Rohrlinse mit den Durchgangskanal bildenden, ausgefluchteten Durchgangsöffnungen oder als Quadrupollinse mit den Durchgangskanal seitlich begrenzenden Stäben ausgebildet sein.

Bei einem doppelfokussierenden Massenspektrometer gemäß der Erfindung ist zwischen dem Sektorfeldmagneten und dem elektrostatischen Analysator am Ort oder zumindest in der Nähe des vom Abbildungssystem erzeugten Zwischenbildes eine derartige Linsenanordnung angeordnet.

Bei einer derartigen Anordnung kann durch geeignete Einstellung der elektrischen Spannungen an den Platten der Linsenanordnung die gewünschte Brennweite der Linsenanordnung eingestellt werden, die eine Beeinflussung der Energiedispersion des Teilchenstrahles gewährleistet, ohne die durch das Abbildungssystem vorgenommene Ablenkung der Teilchen in nachteiliger Weise zu beeinträchtigen. Damit lassen sich die durch Energieabweichungen verursachten Abbildungsfehler in ebenso einfacher wie wirkungsvoller Weise kompensieren.

Zweckmäßigerweise ist die Linsenanordnung in Strahlrichtung symmetrisch zum Ort bzw. zur Ebene des Zwischenbildes angeordnet. Die in Strahlrichtung äußeren Platten der Linsenanordnung liegen zweckmäßigerweise auf Massepotential, während eine oder mehrere dazwischenliegende innere Platten auf davon verschiedenen Potentialen liegen. Dabei sind insbesondere Linsenanordnungen mit einer oder zwei inneren Platten für die Praxis zweckmäßig. Für Ionenbeschleunigungsspannungen von etwa 3 kV erweisen sich Fokussierungsspannungen an der Linsenanordnung in der Größenordnung von etwa 1 kV als zweckmäßig. Sind zwei innere Platten vorgesehen, so brauchen diese nicht auf gleichen Potentialen zu liegen; vielmehr lassen sich durch das Anlegen von unterschiedlichen Potentialen an die inneren Platten etwaige Geometrieungenauigkeiten kompensieren, wenn z. B. der Ort des Zwischenbildes nicht genau zwischen den beiden inneren Platten liegt.

Für praktische Zwecke eignet sich gemäß der Erfindung insbesondere eine Linsenanorenung mit äquidistant und (plan-)parallel zueinander angeordneten Platten in geringen Abständen in der Größenordnung von einigen Millimetern mit zueinander ausgefluchteten Schlitzen, deren Schlitzhöhe wesentlich größer ist als die Schlitzbreite. Derartige Platten können in vorteilhafter Weise auf einer gemeinsamen Halterung angebracht werden, wobei sie gegeneinander fixiert und isoliert sind. Bei einer Ausführungsform handelt es sich dabei um scheibenförmige Platten mit mittig angeordnetem Schlitz, bei einer anderen Ausführungsform werden die Platten jeweils von Halbkreisflächen gebildet. Der Linsenanordnung kann ggf. eine Blende und/oder eine Quadrupol-Linse nachgeschaltet sein. Während die Schlitzlinse Bildfehler in x-Richtung, insbesondere Energieabweichungen kompensiert und für die Energiefokussierung zweiter Ordnung sorgt, läßt sich eine Fokussierung in y-Richtung mit der Quadrupol-Linse durchführen. Letztere kann ggf. auch durch eine spezielle Ausführungsform eines nachgeschalteten elektrostatischen Analysators in Form eines Toroidkondensators verbessert werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Linsenanordnung sowie des damit ausgerüsteten Massenspektrometers sind in den Unteransprüchen angegeben und ergeben sich aus den erläuterten Ausführungsbeispielen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung derartiger Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Massenspektrometers mit der erfindungsgemäßen Linsenanodnung,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Linsenanordnung,

Fig. 3 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, der Linsenanordnung gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Linsenanordnung,

Fig. 5 eine schematische Vorderansicht von zwei Ausführungsformen der Platten für die erfindungsgemäßen Linsenanordnungen, und in

Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der geometrischen Verhältnisse in einem Abbildungssystem für die zu untersuchenden Teilchen.

Fig. 1 zeigt den allgemeinen Aufbau eines Massenspektrometers 10, das in Strahlrichtung der aus einer Ionenquelle 12 austretenden Teilchen einen Eintrittsspalt 22 aufweist, der auf einer Ionenbeschleunigungsspannung UB liegt, etwa einem Potential von einigen Kilovolt, beispielsweise von drei kV.

Ein austretender Teilchenstrahl 24 durchläuft zunächst einen Sektorfeldmagneten 14 und passiert anschließend eine Linsenanordnung 30 am Ort des Zwischenbildes 29, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine nachgeschaltete Quadrupol-Linse 20 sowie einen elektrostatischen Analysator 16 und tritt dann durch einen Austrittsspalt 28 in einen Ionendetektor 18 zur Untersuchung der jeweiligen Teilchen ein. Ein derartiger Ionendetektor 18 kann in üblicher Weise mit einem Sekundärelektronenvervielfacher ausgerüstet sein. Bei einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform kann der Teilchenstrahl auch zuerst einen elektrostatischen Analysator und dann einen Sektorfeldmagneten durchlaufen.

Wichtig ist in diesem Zusammenhang, daß sich die Linsenanordnung 30 am Ort oder zumindest in der Nähe des vom Abbildungssystem erzeugten Zwischenbildes 29 befindet. Auf diese Weise kann die Linsenanordnung 30 die geüwnschte Fokussierungswirkung ausüben und den aus dem Sektorfeldmagneten 14 kommenden Teilchenstrahl beeinflussen, um die gewünschte Energiefokussierung zweiter Ordnung zu gewährleisten. Bei einer Linsenanordnung mit drei Platten gemäß Fig. 2 und 3 befindet sich der Ort des Zwischenbildes 29 zweckmäßigerweise in der Durchgangsöffnung bzw. dem Schlitz auf der Höhe der mittleren Platte, während sich bei der Ausführungsform der Linsenanordnung gemäß Fig. 4 der Ort des Zwischenbildes 29 zweckmäßigerweise zwischen den beiden inneren Platten der Linsenanordnung 30 befindet.

Wie in Fig. 2 bis Fig. 4 angedeutet, liegen die beiden äußeren Platten 32 und 33 der Linsenanordnung 30 auf Massepotential, während an die innere Platte 34 bzw. die inneren Platten 34 und 35 eine Fokussierungsspannung UL bzw. Fokussierungsspannungen UL 1 und UL 2 angelegt sind, so daß die inneren Platten auf gewünschtem Potential liegen. Diese Potentiale hängen davon ab, wie groß die Brennweite der Linsenanordnung 30 sein soll.

Für praktische Anwendungszwecke liegen diese Potentiale der inneren Platte bzw. der inneren Platten in der Größenordnung von einigen Hundert Volt bis einigen Kilovolt, zweckmäßigerweise in der Größenordnung von 1 bis 2 Kilovolt. Der genaue Wert der Fokussierspannung hängt von den geometrischen Verhältnissen des Abbildungssystems sowie von den Ionenbeschleunigungsspannungen ab, mit denen im System gearbeitet wird. Bei einer Ionenbeschleunigungsspannung von drei Kilovolt kann die innere Platte 34 einer Linsenanordnung 30 mit drei Platten etwa an einer Fokussierspannung liegen, deren Wert ein Drittel der Ionenbeschleunigungsspannung UB ist und insbesondere 0,371 · UB beträgt.

Wie in der Zeichnung schematisch angedeutet, ist die Linsenanordnung 30 als Schlitzlinse 31 ausgebildet und hat mehrere, in Strahlrichtung hintereinander angeordnete Platten mit ausgefluchteten Schlitzen, die im wesentlichen senkrecht zur Strahlrichtung des Teilchenstrahles 24 und zur Ablenkebene des Abbildungssystems stehen, wobei die einzelnen Platten parallel zueinander angeordnet sind. Zweckmäßigerweise sind die einzelnen Platten dabei, wie Fig. 3 und Fig 4 zeigen, äquidistant und planparallel zueinander angeordnet. Der Abstand zwischen den einzelnen Platten 32, 33, 34 und 35 der Schlitzlinsen 31 liegt in der Größenordnung von einigen Millimetern. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 kann dieser Plattenabstand a etwa den Wert von drei Millimetern haben, bei der Ausführungsform gemäß Fig 4 beträgt der Plattenabstand a etwa zwei Millimeter. Die Dicke b der einzelnen Platten ist wesentlich geringer als der Plattenabstand a. Es erweist sich als zweckmäßig, eine Dicke b in der Größenordnung von etwa 0,5 Millimeter zu wählen. Die Spaltbreite bzw. Schlitzbreite d liegt in der Größenordnung von einigen Millimetern, und hat beispielsweise einen Wert von sechs Millimetern bei praktischen Ausführungsformen. Die in Fig. 5 schematisch angedeutete Spalthöhe h ist wiederum wesentlich größer als die Spaltbreite d. Die Schlitzhöhe h sollte zumindest eine Größenordnung von dreißig Millimetern oder mehr haben, insbesondere dann, wenn es sich um eine allseitig begrenzte Ausführungsform des Schlitzes handelt, wie es die rechte Abbildung in Fig. 5 zeigt.

In Strahlrichtung hinter der eigentlichen Linsenanordnung 30 kann eine Blende vorgesehen sein, etwa in Form einer separaten Blende 37 mit Durchgangsöffnung 45 gemäß Fig. 4 oder in Form einer Montageplatte 36 mit Durchgangsöffnung 44 gemäß Fig. 2. Der Blendenabstand c liegt dabei ebenfalls in der Größenordnung von einigen Millimetern und ist zweckmäßigerweise etwas größer als der jeweils gewählte äquidistante Plattenabstand a. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 beträgt der Blendenabstand etwa vier Millimeter, bei der Ausführungsform nach Fig. 4 etwa drei Millimeter.

Eine erste Ausführungsform der Linsenanordnung 30 zeigt Fig. 2 und Fig. 3. Mit einer gemeinsamen Halterung 42 sind die einzelnen Platten32, 33 und 34 an der Montageplatte 36 angebracht. Die Befestigung dieser Halterung 42 im Abbildungssystem ist aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt. Die drei hintereinander angeordneten Platten 32, 33 und 34 bilden die Schlitzlinse 31 zusammen mit den ihnen ausgefluchtet gegenüber liegenden Platten 32 a, 33 a und 34 a.Wie am deutlichsten aus Fig. 2 ersichtlich, sind die Platten 32, 32 a, 33, 33 a, 34, 34 a etwa halbkreisflächenförmig ausgebildet und in axialer und radialer Richtung in vorgegebenen Abständen zueinander angeordnet, derart, daß sowohl die radialen Abstände als auch die axialen Abstände äquidistant sind. Dabei werden die Schlitze 38, 39 und 40 zwischen ihnen gebildet, die miteinander ausgefluchtet sind und den Weg für den Teilchenstrahl 24 freilassen.

In die Montageplatte 36 sind parallel zur Achsenrichtung verlaufende Schrauben 46 mit Gewinde 50 in die Montageplatte 36 eingeschraubt. Der jeweilige Schraubenschaft 49 geht dabei durch Durchgangsöffnungen 58, 59 und 60 der Platten 32, 32 a, 33, 33 a, 34, 34 a hindurch. Auf den Schraubenschaft 49 der jeweiligen Schraube 46 sind ferner ein Metallrohr 62 sowie ein Isolierrohr 52 aufgeschoben, welche die Platten 32 und 33 sowie die Platte 33 und die Montageplatte 36 in vorgegebenen axialen Abständen festhalten. Ferner sind auf das ringförmig bzw. hülsenförmig ausgebildete Isolierrohr 52 weitere ringförmige oder hülsenförmige Isolierrohre 54 und 56 aufgeschoben, wie es schematisch in Fig. 3 dargestellt ist.

Die Schraube 46 liegt mit einer Scheibe 48 gegen die eine äußere Platte 32 der Linsenanordnung 30 an, wie es Fig. 3 zeigt.

Bei einer derartigen Anordnung gemäß Fig. 2 und 3 halten die Isolierrohre 54 und 56 die Platten 32, 33 und 34 in vorgegebenem Abstand zueinander, während das innere Isolierohr 52 für die axiale Fixierung der äußeren Platten 32 und 33 sowie die radiale Fixierung der inneren Platte 34 sorgt, derart, daß die innere Platte 34 gegenüber den äußeren Platten 32 und 33 elektrisch isoliert angeordnet ist. Der Durchmesser der Durchgangsbohrung 60 ist dabei dem Außendurchmesser des Isolierrohres 52 angepaßt, so daß eine einwandfreie Fixierung gegeben ist.

Das Metallrohr 62 sorgt einerseits für die Fixierung der äußeren Platte 33 gegenüber der Montageplatte 36, zugleich ist dadurch eine elektrisch leitende Verbindung gegeben, so daß die äußere Platte 33 und die Montageplatte 36 auf gleichem Potential, nämlich Massepotential liegen. Auf diese Weise kann die Montageplatte 36 die Funktion einer Blende mit Durchgangsöffnung 44 ausüben, wobei der Durchmesser der Durchgangsöffnung entsprechend gewählt wird.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 entspricht im wesentlichen der oben beschriebenen Ausführungsform gemäß Fig. 2 und Fig. 3, mit der Abweichung, daß die Ausführungsform gemäß Fig. 4 eine Anordnung mit vier Platten zeigt. Die Platten 32, 33, 34 und 35 haben auch hier äquidistante Abstände zueinander, nämlich einen Plattenabstand a, wobei die Platten planparallel zueinander vorgesehen sind. Die äußeren Platten 32 und 33 liegen auf Massepotential, während die beiden inneren Platten 34 und 35 an Fokussierungsspannungen UL 1 bzw. UL 2 angeschlossen sind, um sie auf geeignetes Fokussierungspotential zu bringen. Die Platte 35 bildet dabei einen Schlitz 41, der gleiche Abmessungen hat wie die übrigen Schlitze38, 39 und 40. Der Ort des Zwischenbildes 29 befindet sich bei dieser Ausführungsform zwischen den beiden inneren Platten 34 und 35.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind der Einfachheit halber die einzelnen Teile der Halterung nicht näher dargestellt. Dabei kann eine entsprechende Halterung verwendet werden, wie sie Fig. 2 und Fig. 3 der Zeichnung zeigen. Von der beschriebenen Konstruktion abweichend, kann die in Strahlrichtung am Ausgang der Linsenanordnung 30 liegende Platte 33 mit einer Verstärkung bzw. Verbreiterung 36 a ausgebildet sein, die nur schematisch angedeutet ist. Auf diese Weise kann die zusätzliche Montageplatte 36 der Ausführungsform nach Fig. 2 und Fig 3 in Wegfall kommen. Die Schrauben 46 können dann direkt in den Körper der Verbreiterung 36 a hineingeschraubt werden. Die davon getrennt vorgesehene Blende 37 mit der Durchgangsöffnung 45 kann in Strahlrichtung einstellbar ausgebildet sein.

Auch die Abstandshalter bzw. Isolierrohre sind aus Gründen der Vereinfachung in Fig. 4 nicht dargestellt. Derartige Isolierrohre oder Isolierhülsen bestehen zweckmäßigerweise aus Keramik, beispielsweise aus Aluminiumoxid, während die die Linsenanordnung 30 bildenden Platten aus Metall bestehen.

Wie in Fig. 1 bis Fig. 3 schematisch angedeutet, kann der Linsenanordnung 30 eine Quadrupol-Linse 20 nachgeschaltet sein. In Fig 2 und Fig. 3 erkennt man vertikal mit den Schlitzen 38, 39 und 40 ausgefluchtete Elektroden 21 und 21 a sowie horizontal ausgefluchtete Elektroden 23 und 23 a in symmetrischer Anordnung zur Achse des Teilchenstrahles 24. Die Spannungsversorgung der Quadrupol-Linse 20 ist nicht näher dargestellt, an die Elektrodenpaare werden Spannungen in der Größenordnung von beispielsweise zehn bis zwanzig Volt angelegt. Eine derartige Quadrupol-Linse 20 dient beispielsweise dazu, die Fokussierung in y-Richtung zu verbessern. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der nachgeschaltete elektrostatische Analysator 16 als Toroidkondensator ausgebildet sein.

Obwohl in der Zeichnung nicht eigens dargestellt, kann die Linsenanordnung 30 auch durch zwei Teillinsen ersetzt werden, die in Strahlrichtung symmetrisch zum Ort des Zwischenbildes 29 angeordnet werden. Die beiden Teillinsen sind dabei zweckmäßigerweise symmetrisch aufgebaut und haben jeweils etwa die halbe Brechkraft der gesamten Linsenanordnung 30. Zweckmäßigerweise hat dabei jede Teillinse ihre eigene, separate Spannungsversorgung.

Derartige separate Spannungsversorgungen für die jeweiligen inneren Platten der Linsenanordnung dienen dazu, etwaige Ungenauigkeiten der Geometrie des Abbildungssystems auszugleichen. Wenn sich nämlich die Linsenanordnung 30 nicht exakt am Ort des Zwischenbildes 29 befindet, kann durch unterschiedliche Spannungsbeaufschlagung der inneren Platten eine Korrektur vorgenommen werden, so daß die erwünschte Bildfehlerkorrektur zweiter Ordnung tatsächlich realisiert werden kann. Ausgehend von Erfahrungswerten für die Fokussierungspotentiale sind dabei die exakten Werte experimentell zu bestimmen.

Bei einem Ausführungsbeispiel mit einer Ionenbeschleunigungsspannung UB von drei Kilovolt und einer Linsenanordnung 30 mit drei Platten 32, 33 und 34 im Abstand von jeweils drei Millimetern hatte das Potential an der mittleren Platte 34 einen Wert von 0,371 · UB, was eine Brennweite in x-Richtung von fx = 0,2746 Metern ergab. Während die Koeffizienten der energieabhängigen Bildfehler zweiter Ordnung ohne die Verwendung der Linsenanordnung 30 die Werte A _αδ = 0,87 und A _δδ = -0,56 hatten, konnten diese Koeffizienten mit der erfindungsgemäßen Linsenanordnung am Ort des Zwischenbildes praktisch vollständig kompensiert werden, so daß sich die Wert A _αδ = 0 und A_δδ = 0,0017 ergaben.

Es darf darauf hingewiesen werden, daß Abbildungsfehler der Linsenanordnung 30 selbst praktisch keine Rolle spielen. Zu beachten ist lediglich, daß nicht die volle Apertur der Linsenanordnung 30 ausgenutzt wird, sondern etwa bis zu ein Drittel dieser Linsenapertur.

Bei denjenigen Ausführungsformen, bei denen die Platten aus gegenüberliegenden Plattenpaaren oder Plattenhälften besteht, ist selbstverständlich an jede Plattenhälfte eines Paares die gleiche Spannung anzulegen. Dies ist schematisch in Fig. 2 angedeutet, wo die Plattenhälften 34 und 34 a beide jeweils an die Fokussierungsspannung UL angeschlossen sind. Entsprechendes gilt bei Ausführungsformen mit größerer Anzahl von Platten.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die im einzelnen beschriebenen Schlitzlinsen beschränkt, vielmehr können die verschiedensten Linsentypen für die Linsenanordnung am Ort des Zwischenbildes eingesetzt werden, z. B. Linsenanordnungen aus Rechteck- oder Zylinder- Rohrlinsen, Ringfokuslinsen, rotationssymmetrische Linsen, Plattenlinsen oder Quadrupol-Linsen. Für die einzelnen Linsenelemente der Linsenanordnung gelten dabei die vorstehenden Ausführungen über die Anordnung bzw. die elektrische Versorgung der einzelnen Platten sinngemäß.

Bezugszeichenliste:

10 Massenspektrometer
12 Ionenquelle
14 Sektorfeldmagnet
16 Elektrostatischer Analysator
18 Ionendetektor
20 Quadrupol-Linse
21 Elektrode
21 a Elektrode
22 Eintrittsspalt
23 Elektrode
23 a Elektrode
24 Teilchenstrahl
28 Austrittsspalt
29 Zwischenbild
30 Linsenanordnung
31 Schlitzlinse
32 Platte
32 a Platte
33 Platte
33 a Platte
34 Platte
34 a Platte
35 Platte
35 a Platte
36 Montageplatte
36 a Montageplatte
37 Blende
38 Schlitze
39 Schlitze
40 Schlitze
41 Schlitze
42 Halterung
44 Durchgangsöffnung
45 Durchgangsöffnung
46 Schraube
47 Schraubenkopf
48 Scheibe
49 Schraubenschaft
50 Gewinde
52 Isolierrohr
54 Isolierrohr
56 Isolierrohr
58 Durchgangsbohrung
59 Durchgangsbohrung
60 Durchgangsbohrung
62 Metallrohr
a Plattenabstand
b Plattenwandstärke
c Blendenabstand
d Schlitzbreite
h Schlitzhöhe
UL Fokussierspannung
UL 1 Fokussierspannung
UL 2 Fokussierspannung
UB Ionenbeschleunigungsspannung

Claims

1. Linsenanordnung zur Fokussierung eines Strahles von elektrisch geladenen Teilchen im Strahlengang von Abbildungssystemen, insbesondere in Massenspektrometern zur Untersuchung von organischen und anorganischen Substanzen, wobei die Linsenanordnung an eine elektrische Spannungs- oder Stromversorgung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenanordnung (30) sich am Ort oder zumindest in der Nähe des vom Abbildungssystem erzeugten Zwischenbildes (29) befindet, und daß die Linsenanordnung (30) aus mehreren, einen Durchgangskanal(38, 39, 40, 41) für den Teilchenstrahl bildenden Linsenelementen (32, 33, 34, 35) aus Metallplatten, -blechen, -stäben od. dgl. besteht, die mit ihren Durchgangsöffnungen (38, 39, 40, 41) ausgefluchtet und in Strahlrichtung hintereinander angeordnet und an einstellbare elektrische Spannungen oder Ströme angeschlossen sind.

2. Linsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenanordnung (30) als Schlitzlinse, Rohrlinse, rotationssymmetrische Linse, Ringfokuslinse, Zylinderlinse, Plattenlinse oder Rechteck-Rohrlinse mit den Durchgangskanal bildenden, ausgefluchteten Durchgangsöffnungen (38, 39, 40, 41) oder als Quadrupollinse mit den Durchgangskanal seitlich begrenzenden Stäben ausgebildet ist.

3. Linsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenanordnung (30) in Strahlrichtung (24) symmetrisch zum Ort des Zwischenbildes (29) angeordnet ist.

4. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenanordnung (30) mindestens drei im Abstand hintereinander angeordnete Platten (32, 33, 34, 35) aufweist, von denen die beiden äußeren Platten (32, 33) auf einem ersten Potential liegen, während jede dazwischen befindliche, innere Platte (34, 35) ein davon verschiedenes Potential (UL, UL 1, UL 2) besitzt.

5. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Platten (32, 33) auf Massenpotential liegen.

6. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Platte (34) bzw. die inneren Platten (34, 35) auf Potentialen in der Größenordnung von einigen Hundert Volt bis einigen Kilovolt, insbesondere von 1 bis 2 kV liegen.

7. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Platte (34) einer Linsenanordnung (30) mit drei Platten (32, 33, 34) auf einem Potential liegt, das etwa ein Drittel des Wertes der Beschleunigungsspannung (UB) der geladenen Teilchen ausmacht.

8. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (32, 33, 34, 35) der Linsenanordnung (30) mit ihren Durchgangsöffnungen (38, 39, 40, 41) im wesentlichen senkrecht zur Strahlrichtung und zur Ablenkebene des Abbildungssystems stehen und parallel zueinander angeordnet sind.

9. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (32, 33, 34, 35) der Linsenanordnung (30) äquidistant und planparallel zueinander angeordnet sind.

10. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) zwischen den einzelnen Platten (32, 33, 34, 35) der Linsenanordnung (30) in der Größenordnung von einigen Millimetern, z. B. von etwa 2 bis 3 mm liegt und die Dicke (b) der Platten (32, 33, 34, 35) mit einem Wert in der Größenordnung von 0,5 mm wesentlich geringer als der Plattenabstand (a) ist.

11. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (32, 33, 34, 35) der Linsenanordnung (30) an einer gemeinsamen Halterung (42) und elektrisch gegeeinander isoliert sowie gegen axiale und radiale Verschiebungen gesichert angebracht sind.

12. Linsenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (42) eine mit Durchgangsöffnung (44) versehene Montageplatte (36) aufweist, an der mehrere Schrauben (46) im wesentlichen parallel zur Strahlrichtung angebracht sind, welche die Platten (32, 33, 34, 35) im Abstand voneinander aufnehmen.

13. Linsenanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (32, 33, 34) mit Durchgangsbohrungen (58, 59, 60) von der Halterung (42) aufgenommen sind, daß die äußeren Platten (32, 33) durch ein erstes, ringförmiges Isolierrohr (52) beabstandet sind, und daß die jeweiligen inneren Platten (34, 35) mit zweiten, auf das erste Isolierrohr (52) geschobenen, ringförmigen Isolierrohren (54, 56) im Abstand voneinander und von den äußeren Platten (32, 33) gehalten sind.

14. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die in Strahlrichtung am Ausgang der Linsenanordnung (30) liegende Platte (33) mit der Montageplatte (36) elektrisch leitend verbunden (62) ist, und daß die Durchgangsöffnung (44) der Montageplatte (36) eine ggf. in Strahlrichtung verstellbare Austrittsblende bildet.

15. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die in Strahlrichtung am Ausgang der Linsenanordnung (30) liegende Platte (33, 36 a) verstärkt ausgebildet ist und zugleich die Montageplatte (36 a) der Halterung (42) bildet, wobei der Linsenanordnung (30) ggf. eine verstellbare Blende (37) nachgeschaltet ist.

16. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierrohre (52, 54 56) zur gegenseitigen Fixierung der Platten (32, 33, 34, 35) aus Keramik, insbesondere aus Aluminiumoxid bestehen, während die Platten selbst aus Metall sind.

17. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (32, 33, 34, 35) der Linsenanordnung (30) als kreisförmige Scheiben ausgebildet sind, die in ihrer Mitte jeweils einen Längsschlitz (38, 39, 30, 41) aufweisen, dessen Höhe (h) wesentlich größer als seine Breite (d) ist.

18. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (32, 33, 34) der Linsenanordnung (30) jeweils aus zwei Teilkreisscheiben (32, 32 a, 33, 33 a, 34, 34 a) bestehen, die zwischeneinander einen Längsschlitz (38, 39, 40) freilassen, dessen Höhe wesentlich größer als seine Breite ist.

19. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzbreite der Linsenanordnung (30) in der Größenordnung von einigen Millimetern, z. B. bei etwa 6 mm liegt, während die Schlitzhöhe mindestens 30 mm oder mehr ausmacht.

20. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Linsenanordnung (30) eine Quadrupol-Linse (20) nachgeschaltet ist.

21. Linsenanordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Quadrupol-Linse (20) einen Aperturradius von etwa 7,5 cm und eine Länge von etwa 3 cm besitzt, und daß die gegenüberliegenden Elektrodenpaare (21, 21 a, 23, 23 a) auf Potentialen von etwa 10 bis 20 Volt, z. B. 16 V für Ionenenergien von 3 kV liegen, wobei die senkrecht zur Ablenkebene ausgefluchteten Elektroden (21, 21 a) und die beiden in der Ablenkebene liegenden Elektroden (23, 23 a) paarweise gleiches Potential entgegengesetzter Polarität haben.

22. Linsenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß symmetrisch zum Ort bzw. zur Ebene des Zwischenbildes (29) in Strahlrichtung ein Paar von Teil-Schlitzlinsen angeordnet ist, von denen jede etwa die halbe Brechkraft der gesamten Linsenanordnung besitzt.

23. Linsenanordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teil-Schlitzlinsen jeweils gleichen Aufbau mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 haben und jeweils an separate Spannungsversorgungen angeschlossen sind.

24. Doppelfokussierendes Massenspektrometer, mit einer Ionenquelle, mit einem Abbildungssystem mit Sektorfeldmagnet, und mit einem elektrostatischen Analysator mit nachgeschaltetem Detektor für die zu untersuchenden Teilchen von organischen und anorganischen Substanzen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Sektorfeldmagneten (14) und dem elektrostatischen Analysator (16) am Ort oder zumindest in der Nähe des vom Abbildungssystem erzeugten Zwischenbildes (29) eine Linsenanordnung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 23 angeordnet ist.

25. Massenspektrometer nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Linsenanordnung (30) ein Toroidkondensator als elektrostatischer Analysator nachgeschaltet ist.